電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

申楠，韓志興，祁忠明，劉海芳

（1.北京富潤(rùn)成照明系統(tǒng)工程有限公司，北京 100020；2.民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)華北有限公司，北京 101300）

1 引言

電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)能夠優(yōu)化調(diào)整電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和應(yīng)用狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量、信息處理等方面要求比較高。 經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，電氣自動(dòng)化控制水平越來越高，但仍然存在許多問題需要解決，應(yīng)該立足于現(xiàn)有狀況展開積極探索，利用信息化、智能化技術(shù)，加快自動(dòng)化控制系統(tǒng)升級(jí)，更好地發(fā)揮集成、智能、節(jié)能、安全控制功能，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高電氣系統(tǒng)運(yùn)行管理質(zhì)量。

2 電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 分散控制系統(tǒng)

電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)一般是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。 分散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，具有控制功能分散、集中顯示操作、綜合協(xié)調(diào)處理等特點(diǎn)，體現(xiàn)出分散控制、集中管理的設(shè)計(jì)理念，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。 分散控制系統(tǒng)是一種金字塔結(jié)構(gòu)，每一級(jí)都由若干子系統(tǒng)組成，而每個(gè)子系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)若干目標(biāo)，所以，在電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)建設(shè)中，分散控制系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，根據(jù)管理需求，需科學(xué)配置上位機(jī)和接口機(jī)設(shè)備資源， 利用分布式計(jì)算單元設(shè)備和傳感器設(shè)備，精準(zhǔn)采集分布式控制邏輯信號(hào)。 在實(shí)際應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)仍然存在許多問題，在標(biāo)準(zhǔn)化、精確度、安全性、穩(wěn)定性等方面仍有很大提升空間， 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，影響了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 因此，分散控制系統(tǒng)正在朝著開放式方向發(fā)展，賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，可以更加靈活地選擇設(shè)備軟件接入控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)集成，儀表技術(shù)更加智能化，體現(xiàn)出高精度、高可靠性等特點(diǎn)。 有利于實(shí)現(xiàn)真正意義的全分散、全數(shù)字控制，系統(tǒng)架構(gòu)逐漸朝與現(xiàn)場(chǎng)總線集成方向發(fā)展。 在實(shí)現(xiàn)分散控制的同時(shí)，應(yīng)更加注重全系統(tǒng)信息綜合管理，形成高度自動(dòng)化、具備柔性的管控一體化系統(tǒng)[1]。

2.2 可編程控制系統(tǒng)

可編程控制系統(tǒng)是基于機(jī)械控制原理控制數(shù)字量的一種方式，主要通過可編程邏輯控制器編輯、存儲(chǔ)、執(zhí)行各種控制指令，包括邏輯運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)、順序控制等。 在電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)，能夠顯著提升自動(dòng)化控制水平，減少操作失誤，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息技術(shù)，能夠擴(kuò)大應(yīng)用范圍、提升整體管理和服務(wù)水平。 通過可編程控制系統(tǒng)，可以優(yōu)化控制順序，提高系統(tǒng)整體精密度，開展更加精準(zhǔn)的多元化管控，而且有利于完善開關(guān)量控制。 傳統(tǒng)的開關(guān)量管控存在復(fù)雜性、安全性、穩(wěn)定性等方面問題，利用可編程控制系統(tǒng)，結(jié)合繼電器通信技術(shù)，可以降低外界因素的干擾，實(shí)施更好的自動(dòng)化控制工作。 另外，可編程控制系統(tǒng)能夠完善閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，優(yōu)化集中控制環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮各功能模塊作用，全面管控各種影響因素。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)控

自動(dòng)化監(jiān)控在電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠?qū)崟r(shí)掌控各種電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，快速識(shí)別、精準(zhǔn)定位產(chǎn)生故障的儀器設(shè)備，及時(shí)進(jìn)行故障處置。 許多中央控制單元和微處理器設(shè)備的通信頻次較高， 可能會(huì)產(chǎn)生運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，利用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，有利于提升不同系統(tǒng)單元和層次上的監(jiān)控與控制精度， 保證各種電氣系統(tǒng)資源和生產(chǎn)技術(shù)資源得到更好的利用。 隨著電氣設(shè)備信息化、智能化水平的不斷提升，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)控的要求越來越高。 現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線， 能夠解決智能化儀器設(shè)備間的數(shù)字通信和控制管理問題，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)運(yùn)用到電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)集邏輯編程、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警提示、故障診斷、設(shè)備管理、信息管理等功能于一體的效果。 運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，結(jié)合智能化設(shè)備，能夠有效減少中間轉(zhuǎn)換和接口設(shè)備，顯著增加電子系統(tǒng)信息獲取量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。 從技術(shù)層面上看，采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)， 能夠?qū)㈦姎庠O(shè)備運(yùn)行監(jiān)視信息和管理信息集成處理， 提高自動(dòng)化監(jiān)控水平和故障判斷分析能力。 隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一，該電氣自動(dòng)化監(jiān)控方案運(yùn)用越來越廣泛， 但對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境要求較高，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲、數(shù)據(jù)包丟失等問題，就會(huì)破壞系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，使控制系統(tǒng)的性能大打折扣[2]。

3 電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化

雖然電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用， 但是由于重視程度、認(rèn)知水平、技術(shù)能力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力等方面的差異不同，廠商生產(chǎn)的自動(dòng)化控制設(shè)備在編程語言、控制方法、通信協(xié)議等方面無法做到標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，很難掌握所有自控設(shè)備系統(tǒng)搭建技術(shù)，存在兼容性差的問題，容易引發(fā)運(yùn)行故障和安全事故，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。 針對(duì)這些問題，必須采取針對(duì)性處理措施，完善控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，降低人力資源成本， 減少控制操作失誤， 保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。 電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)的發(fā)展離不開網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的支持。 為了保證電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須解決現(xiàn)階段電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用缺陷， 加大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理力度，促進(jìn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控體系和企業(yè)管理體系深度融合，應(yīng)用先進(jìn)的電氣自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，保證電氣設(shè)備運(yùn)行信息和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的高效傳遞。 企業(yè)應(yīng)該積極建立標(biāo)準(zhǔn)程序結(jié)構(gòu)，利用自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，加快與其他智能化管理系統(tǒng)的高效銜接，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，解決系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)不一致、系統(tǒng)信息傳遞困難等問題。 針對(duì)不同廠商電氣自動(dòng)化設(shè)備不能通用的問題，需要開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)，具有開放的開發(fā)環(huán)境和統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的電氣自動(dòng)化應(yīng)用效果。

3.2 智能化

3.2.1 設(shè)備設(shè)計(jì)

電氣設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果產(chǎn)生直接影響，具有較高的專業(yè)性和復(fù)雜性，如果采用傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)方法，不但會(huì)影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)度，而且可能會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。 利用智能化技術(shù)開展電氣設(shè)備設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)過程從手工設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぶ悄茉O(shè)計(jì)， 滿足大規(guī)模電氣設(shè)備開發(fā)需求，可以通過計(jì)算機(jī)平臺(tái)科學(xué)制定電氣設(shè)備設(shè)計(jì)流程和目標(biāo)，有效解決設(shè)計(jì)過程中可能存在的沖突問題， 更好地適應(yīng)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3.2.2 電氣控制

在電氣自動(dòng)化控制過程中， 一般會(huì)圍繞效率與成本展開精細(xì)化管理。 采用人工智能技術(shù)，能夠改善自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行性能，在不同環(huán)境條件下也能保持良好的狀態(tài)。 傳統(tǒng)的電氣控制過程中需要依靠人工監(jiān)控， 如果在電氣控制中融入專家控制系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)，能夠改善現(xiàn)有控制形式存在的弊端， 可以讓電氣控制系統(tǒng)具備更加智能的操作功能。 專家控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)過程控制的重要技術(shù)，充分利用專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)，提供科學(xué)推理和判斷， 模擬專家決策過程， 處理各種復(fù)雜問題；模糊控制理論則利用了模糊數(shù)學(xué)的基本思想，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)化方式難以達(dá)到精確控制的目的，可以嘗試運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法來解決； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制能夠模仿人腦的工作機(jī)理，在處理非線性問題時(shí)具備強(qiáng)大的適應(yīng)性。 利用這些智能控制技術(shù)，有利于更為精準(zhǔn)地判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，制訂科學(xué)的運(yùn)行管理方案[3]。

3.2.3 故障診斷

故障診斷是電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要功能。 針對(duì)故障診斷效率低的問題，可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等智能化技術(shù)，簡(jiǎn)化故障診斷流程，保證故障診斷質(zhì)量和效率，采取針對(duì)性的故障修復(fù)措施。 利用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制理論，不僅能夠高效識(shí)別、診斷、分析系統(tǒng)運(yùn)行故障，及時(shí)傳遞共享故障數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，而且還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，進(jìn)一步降低故障發(fā)生概率。 機(jī)器學(xué)習(xí)是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，利用計(jì)算機(jī)模擬人類學(xué)習(xí)行為，獲取新的知識(shí)和技能，是實(shí)現(xiàn)人工智能的有效途徑。 在自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障診斷上， 通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)清理、特征提取、模型訓(xùn)練等過程，可以自動(dòng)識(shí)別故障類型，給出解決方案，實(shí)現(xiàn)智能故障診斷處理的效果。

3.3 節(jié)能化

隨著節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入， 各行各業(yè)都在加快節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)也正朝著節(jié)能化的方向發(fā)展，利用各種傳感器，采集不同類型電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)管理平臺(tái)，經(jīng)過運(yùn)算分析后，控制相關(guān)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)， 調(diào)整電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)， 達(dá)到節(jié)能管理的目的。 通過電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，建立設(shè)備節(jié)能監(jiān)控體系，以節(jié)約能源為目標(biāo)，針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等各種子系統(tǒng)展開實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)用自動(dòng)控制、傳感器、信息處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備工作參數(shù)變化，準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備能耗水平，自動(dòng)記錄各種能源消耗量，計(jì)算相應(yīng)費(fèi)用，并對(duì)設(shè)備信息、日常維護(hù)等方面進(jìn)行管理。 以空調(diào)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)產(chǎn)生的能源消耗較多，如果電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不合理， 那么就會(huì)造成能源浪費(fèi)問題。 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要綜合考慮氣候變化、極端天氣、管理需求等多方面因素，結(jié)合運(yùn)用變風(fēng)量控制技術(shù)、焓值控制技術(shù)等多種控制方式，優(yōu)化自動(dòng)化控制流程，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果[4]。

4 結(jié)語

綜上所述， 電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)在電氣設(shè)備管理方面發(fā)揮著重要作用，能夠顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度和工作危險(xiǎn)，節(jié)約管理成本，提高管理效率，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、企業(yè)經(jīng)營(yíng)、居民生活都會(huì)產(chǎn)生較大影響，所以，必須全面認(rèn)識(shí)電氣自動(dòng)化工程控制系統(tǒng)發(fā)展水平，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行質(zhì)量和管理需求，探索未來發(fā)展方向，積極融入更多的信息化、智能化技術(shù)，提高電氣自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)更好的工程管理效果。