基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法

［摘 要］傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中，電氣設(shè)備的監(jiān)控和控制依賴低效的人工巡檢和本地操作，難以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，且對(duì)廣泛分布的設(shè)備來說成本高、服務(wù)質(zhì)量難保證。因此，開發(fā)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法至關(guān)重要，通過設(shè)定遠(yuǎn)程控制中心參數(shù)、設(shè)計(jì)高精度快速響應(yīng)的自動(dòng)化控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。試驗(yàn)結(jié)果顯示，新方法與傳統(tǒng)方法相比，控制效果更佳，證明了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

［關(guān)鍵詞］設(shè)備控制；遠(yuǎn)程自動(dòng)控制；電氣設(shè)備；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

［中圖分類號(hào)］D26.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0033–03

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法成為提升工業(yè)效率、降低成本和增強(qiáng)競爭力的關(guān)鍵。其利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)采集和傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)，減少停機(jī)時(shí)間并提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，企業(yè)可優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和維護(hù)計(jì)劃，降低運(yùn)營成本。此外，該方法還有助于優(yōu)化能源使用，降低能源消耗，提高能源效率?？傊?，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的智能化、高效化和綠色化至關(guān)重要，并將在未來發(fā)揮更大作用[1]。

1 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法的設(shè)計(jì)

1.1 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制中心

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。具體來說，可通過在電氣設(shè)備上安裝傳感器和控制器，將設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云端平臺(tái)進(jìn)行分析和處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。因此，文章選擇工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)[2]。

明確電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制的需求，例如需要控制的設(shè)備類型、控制參數(shù)、控制精度等。這有助于確定后續(xù)研究中所需的控制器類型、型號(hào)以及通信協(xié)議等。針對(duì)電氣設(shè)備在遠(yuǎn)程控制過程中對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的需求，解決因電氣設(shè)備振動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致控制誤差較大的問題，建立了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的PID 電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制中心[3]。該遠(yuǎn)程控制中心共分3 個(gè)層級(jí)，每個(gè)層級(jí)都是按照各個(gè)電氣設(shè)備的控制水平進(jìn)行的，第1 級(jí)為分散式，第2 級(jí)為集中運(yùn)行監(jiān)測(cè)級(jí)，第3 級(jí)為綜合管理級(jí)。各層級(jí)間的通訊都通過標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)控制以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面為控制邏輯的核心。

該遠(yuǎn)程控制中心能夠通過控制工作站與電氣設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行有效的連接，完成對(duì)電氣設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)的采集和調(diào)整。在控制時(shí)，通過邏輯編輯器，持續(xù)地驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和發(fā)送自動(dòng)控制指令?；谶@種操作模式，可將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的PID 電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制中心劃分為多個(gè)不同的層級(jí)，并按照每個(gè)層級(jí)的控制需求進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[4]。

為減少電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制損失，電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制中心設(shè)定統(tǒng)一的控制配置原則。對(duì)遠(yuǎn)程控制中心的控制通訊點(diǎn)數(shù)αi 進(jìn)行計(jì)算，其公式如下：

αi =∑βi×（χi-1）（1）

式中，βi為電氣遠(yuǎn)程控制器件的總數(shù)，χi為電氣設(shè)備運(yùn)行過程中的功率。

控制中心的輸入控制點(diǎn)數(shù)量的計(jì)算公式如下：

q=1/α∑βi+αi （2）

式中，α為控制輸出元件的總數(shù)量。

因?yàn)椴煌碾姎庠O(shè)備所具有的控制檢測(cè)量不一樣，所以必須根據(jù)裝置的實(shí)際遠(yuǎn)程控制需求決定配置模塊的數(shù)目。設(shè)定的控制開關(guān)的總數(shù)量計(jì)算公式如下：

ε=αi+βi（α·α1）（3）

在遠(yuǎn)程控制中心設(shè)置完成軟件部分，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。這包括接收來自電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、生成控制指令并下發(fā)到電氣設(shè)備等。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，可使用編程語言如Python、Java 等編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序[5]。在考慮了電氣設(shè)備自動(dòng)化控制中心參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置完成一個(gè)高效的通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將控制中心與遠(yuǎn)程控制裝置緊密地連接起來，從而確保兩者之間的順暢通信。通過控制中心的建立，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，確保按照預(yù)設(shè)的參數(shù)和要求進(jìn)行運(yùn)行[6]。

1.2 設(shè)計(jì)電氣設(shè)備自動(dòng)化控制器

電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制即運(yùn)用典型的控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的高效控制，其控制精度愈高，對(duì)被控對(duì)象的控制效果愈好。但由于傳統(tǒng)的控制算法對(duì)于電氣設(shè)備的調(diào)節(jié)作用較小，因此，針對(duì)該問題設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制器，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)控制改進(jìn)[7]。

文章針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)化控制器的設(shè)計(jì)采用aspberryPI5B 作為主控芯片，利用GPIO 接口與遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)程序相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。樹莓派本質(zhì)上是一種帶有 Linux 操作系統(tǒng)的微型電腦，其運(yùn)行原理類似于PC，使用起來非常方便。樹莓派使用ARM Cortex-A863.1 GHz（四核）CPU，配合8GBDDR5 內(nèi)存，其運(yùn)算性能完全符合本設(shè)計(jì)的需要。內(nèi)置3 個(gè)USB 端口，用于從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)圖片。樹莓派的體積較小，79 mm×49 mm×12.3 mm，很容易拿在手里[8]。

因?yàn)槟壳暗乃惴刂贫际峭ㄟ^計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，所以文章在樹莓派上設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制器時(shí)，要將其定位在數(shù)字控制器的基礎(chǔ)上，然后根據(jù)自動(dòng)控制的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定該控制器的輸入值為f（t），輸出值為s（t），兩者之間的偏差的表達(dá)公式如下：

t=s（t）-f（t）（4）

根據(jù)自動(dòng)化控制特征進(jìn)行控制器的規(guī)律總結(jié)，其表達(dá)公式如下：

式中，μ為控制時(shí)間計(jì)算的微分常數(shù)，η為對(duì)應(yīng)的控制比例系數(shù)， 為控制電氣設(shè)備所需時(shí)間的微分常數(shù)。

式（5）中3 個(gè)系數(shù)隨自動(dòng)控制的需要而有所改變，均屬于較為靈活的參數(shù)?？刂破鞯目烧{(diào)整性也取決于參數(shù)的靈活性，調(diào)整參數(shù)的目的是確保算法的總體穩(wěn)定性，在算法穩(wěn)定的前提下，具有快速的計(jì)算速度，從而減少自動(dòng)控制的反應(yīng)時(shí)間。控制器控制量的增量公式表示如下：

Δt=（t-1）+Δf（t）（6）

電氣設(shè)備自動(dòng)化控制器應(yīng)重視實(shí)際效果和操作簡便性。采用二維模糊搭建控制器結(jié)構(gòu)，避免三維建模的復(fù)雜性。為減少時(shí)間延遲和誤差，簡化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?？刂破鬏斎胫饕幚硐到y(tǒng)誤差和常量偏差。增量算法增強(qiáng)PD 控制功能，提升控制器穩(wěn)定性和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

在電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制器中，采用自動(dòng)控制特性算法，該算法有較高的可調(diào)整性，根據(jù)不同的裝置要求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。利用控制理論中的整體控制思想，對(duì)控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。該方法克服了傳統(tǒng)控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)，提高了控制器的穩(wěn)態(tài)精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

1.3 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備

根據(jù)上述控制器的控制理論，控制器的優(yōu)化有助于提升控制精度。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還可以采用提高比例系數(shù)的新技術(shù)。積分控制也是一個(gè)很有效的控制措施，可用來提高比例系數(shù)，以改善自動(dòng)化控制器免疫規(guī)律的自調(diào)節(jié)特性。此外，為了預(yù)先評(píng)估偏差變化，并據(jù)此調(diào)整控制器的動(dòng)態(tài)特性，微分控制方法被廣泛應(yīng)用于調(diào)整微分系數(shù)。通過這些控制措施，可進(jìn)一步優(yōu)化控制器的性能和穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。

控制性能的核心在于PID 控制器中的適應(yīng)度函數(shù)選擇，可借鑒模糊控制器的非線性特性。文章采用的控制器方案通過優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)，減少響應(yīng)突跳，增強(qiáng)穩(wěn)定性。引入的適應(yīng)度函數(shù)直觀表示輸入與輸出的變化。自動(dòng)化控制器的自我調(diào)節(jié)也是確保電氣設(shè)備穩(wěn)定控制的關(guān)鍵。其控制適應(yīng)度函數(shù)的表達(dá)公式如下：

式中， g（t）為自動(dòng)化控制響應(yīng)函數(shù)， 為PID控制量。

通過以上步驟，完成對(duì)電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法的設(shè)計(jì)，同時(shí)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制方法時(shí)，需要特別關(guān)注電氣設(shè)備的安全性和可靠性，以防止?jié)撛诘陌踩L(fēng)險(xiǎn)和故障。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證文章提出的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法的可行性，現(xiàn)提出試驗(yàn)測(cè)試，選擇仿真模擬作為主要試驗(yàn)手段，旨在通過計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行過程。盡管仿真環(huán)境不可避免存在誤差，但其簡便性仍使其在試驗(yàn)中占據(jù)重要地位。本次試驗(yàn)利用Matlab 仿真模擬軟件搭建仿真環(huán)境，建立相應(yīng)模型，并模擬電氣設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行方式。在仿真過程中，采用兩種自動(dòng)化設(shè)備控制方法，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致觀察和記錄，以便后續(xù)分析。通過仿真模擬，得以更加全面地了解電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和性能表現(xiàn)，為后續(xù)研究提供有力依據(jù)。

本次測(cè)試所設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述試驗(yàn)準(zhǔn)備，現(xiàn)針對(duì)電氣設(shè)備控制機(jī)組，設(shè)定其標(biāo)準(zhǔn)的電氣設(shè)備自動(dòng)化控制電壓裕度，分別使用文章方法與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表2。

由表2 可知，文章設(shè)計(jì)的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法的裕度值結(jié)果與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)控制電壓裕度值相符合，傳統(tǒng)方法與預(yù)設(shè)數(shù)值相差較大，控制效果較差，因此，可證明文章方法在實(shí)際應(yīng)用具有一定的可行性。

3 結(jié)束語

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法為現(xiàn)代工業(yè)帶來革命性變革，通過無縫連接設(shè)備、數(shù)據(jù)收集分析，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，提升設(shè)備運(yùn)行效率，減少人為干預(yù)，降低成本，增強(qiáng)安全性。但也要正視其挑戰(zhàn)和問題，不斷優(yōu)化和完善方法。展望未來，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制將借助5G、邊緣計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能、高效和安全的控制，探索新應(yīng)用和商業(yè)模式，推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李敏，王恒，潘秋紅. 一種基于確定性調(diào)度的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層信道評(píng)估方法[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，25（2）：154-160.

[2] 金建，秦麗平，孫正捷，等. 基于GB9706.1-2020 的醫(yī)用電氣設(shè)備全生命周期質(zhì)量控制方法研究[J]. 中國醫(yī)學(xué)裝備，2023，20（12）：213-216.

[3] 賴紀(jì)南，楊臣君，邱達(dá)銓，等. 電力設(shè)備安裝工程施工中質(zhì)量控制探究[J]. 低碳世界，2023，13（11）：136-138.

[4] 趙永設(shè)，王士強(qiáng). 電力設(shè)備雙光束激光除銹目標(biāo)軌跡自適應(yīng)控制技術(shù)[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2023，59（8）：169-171.

[5] 朱海勇. 基于PLC 的電氣設(shè)備精準(zhǔn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，36（7）：12-14，18.

[6] 張贏，袁曉東，曹春誠，等. 短路電流對(duì)二次設(shè)備電磁干擾分析及抗干擾措施[J]. 高壓電器，2024，60（1）：182-189.

[7] 李海峰，崔積華，朱林林，等. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備溫度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2024，43（1）：56-60.

[8] 何智頻，徐瑜瓊. 智能化技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 集成電路應(yīng)用，2024，41（1）：266-267.