電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化中PLC自動(dòng)控制技術(shù)的運(yùn)用探討

摘" 要：研究了一種基于西門(mén)子S7-300 PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在變壓器注油過(guò)程中的應(yīng)用，旨在解決行業(yè)傳統(tǒng)變壓器注油系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)測(cè)罐區(qū)油罐液位和注油油量，以及工人私自取油賣(mài)油的問(wèn)題。系統(tǒng)主要通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建分布式I/O控制網(wǎng)絡(luò)，并采用單神經(jīng)元比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）算法對(duì)注油流量進(jìn)行精確控制，以確保注油過(guò)程的高效性和可靠性。研究結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)顯著提高了變壓器注油過(guò)程的自動(dòng)化水平，減少了人為干預(yù)和誤操作，提升了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)" "電氣工程自動(dòng)化" "PLC自動(dòng)控制技術(shù)" "PID算法

Application of PLC Automatic Control Technology in Power System Electrical Engineering Automation

WANG Yaxian

Daoxian Power Supply Branch， State Grid Yongzhou Power Supply Company， Yongzhou， Hu’nan Province， 425300 China

Abstract：This study explores the application of an automation control system based on Siemens S7-300 PLC in the transformer oil injection process. The goal is to address issues in traditional systems， such as the inability to monitor tank oil levels and injection quantities， and the problem of workers secretly taking and selling oil. The system constructs a distributed I/O control network through the Profibus fieldbus and uses a Single Neuron Proportional-Integral-Derivative （PID） algorithm to precisely control the oil injection flow， ensuring efficiency and reliability. Results show that the control system significantly improves automation， reduces human intervention and errors， and enhances operational efficiency and economic benefits for enterprises.

Key Words： Power system; Electrical engineering automation; PLC automatic control technology; PID algorithm

傳統(tǒng)變壓器注油系統(tǒng)存在無(wú)法有效監(jiān)測(cè)罐區(qū)油罐液位，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量變壓器注油油量，以及存在工人私自取油賣(mài)油的舞弊行為，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。這些缺陷不僅降低了生產(chǎn)效率，造成經(jīng)濟(jì)損失，還反映出傳統(tǒng)注油系統(tǒng)在自動(dòng)化和管理方面的不足。為解決這些問(wèn)題，本文研究了一套基于西門(mén)子S7-300 PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，旨在提高注油過(guò)程的自動(dòng)化水平，減少人為干預(yù)和誤操作。

1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以西門(mén)子S7-300 PLC為核心。系統(tǒng)的通信backbone采用了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。通過(guò)Profibus總線，主站CPU315-2DP能夠與分布式I/O控制器ET200M進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換和指令傳遞。

系統(tǒng)根據(jù)具體的控制需求，合理選擇和配置了各種I/O模塊、通信模塊和功能模塊。軟件編程采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程思想，使用梯形圖、功能塊圖等多種編程語(yǔ)言[1]。

1.2管道流量控制方案

本文提出了一種基于單神經(jīng)元比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）算法的創(chuàng)新流量控制方案。該方案結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力和PID控制的穩(wěn)定性。同時(shí)，該方案利用了變頻調(diào)速技術(shù)，采用VVVF開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制方式，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，平面光波導(dǎo)技術(shù)（Planar Lightwave Circuit，PLC）負(fù)責(zé)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)和控制算法，包括單神經(jīng)元PID算法的實(shí)時(shí)運(yùn)算和參數(shù)調(diào)整。PLC根據(jù)反饋的流量信息，計(jì)算出所需的控制量，并將指令發(fā)送給變頻器（如圖1所示）[2]。

2 單神經(jīng)元PID控制算法

在變壓器注油系統(tǒng)的自動(dòng)化控制中，以西門(mén)子S7-300 PLC作為核心控制器，結(jié)合單神經(jīng)元PID控制算法，可以實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的控制。這種結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典PID控制器優(yōu)點(diǎn)的新型控制方法不僅借鑒了生物神經(jīng)元學(xué)習(xí)的自適應(yīng)機(jī)制，還保留了PID控制的簡(jiǎn)便性和有效性。

2.1單神經(jīng)元學(xué)習(xí)規(guī)則

在該系統(tǒng)中，選用單神經(jīng)元模型進(jìn)行控制，核心控制器是西門(mén)子S7-300 PLC。采用PID控制算法，通過(guò)設(shè)計(jì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)確保流量控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。調(diào)整參數(shù)能夠提高控制效果。

單神經(jīng)元模型的原理如下。

神經(jīng)元的輸入和輸出關(guān)系見(jiàn)式（1）[3]。

式（1）中：表示神經(jīng)元的輸入；表示權(quán)重；表示輸入信號(hào)。

輸出函數(shù)見(jiàn)式（2）。

式（2）中：表示神經(jīng)元的輸出；表示激活函數(shù)。

為了使實(shí)際輸出盡可能地接近期望輸出，需要定義誤差函數(shù)，見(jiàn)

式（3）。

然后，采用Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，以減小誤差，見(jiàn)式（4）。

式（4）中，是學(xué)習(xí)率。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)多次調(diào)整權(quán)重并不斷更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的補(bǔ)償處理，從而提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

2.2 有監(jiān)督Hebb單神經(jīng)元PID控制

在有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元PID控制器中輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器處理，會(huì)生成3種輸入信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)誤差信號(hào)的比例、積分與微分部分。輸出控制信號(hào)u（k）則由單神經(jīng)元經(jīng)過(guò)加權(quán)求和和激勵(lì)函數(shù)處理后獲得，其中單神經(jīng)元PID控制器的輸出可表示為3個(gè)分量的加和，即見(jiàn)式（5）[4]：

在離散化的數(shù)字控制系統(tǒng)中，積分和微分部分通常表示為式6、式7[5]：

因此，PID輸出可表示為式（8）：

在單神經(jīng)元模型中，PID參數(shù)通過(guò)Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則自適應(yīng)調(diào)整。設(shè)，則控制輸出可表示為式（9）：

式（9）中：權(quán)重對(duì)應(yīng)PID參數(shù)，其更新規(guī)則為式（10）：

通過(guò)這種自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，單神經(jīng)元PID控制器能夠?qū)崟r(shí)優(yōu)化控制參數(shù)，確保系統(tǒng)在不同條件下的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

2.3被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型

在設(shè)計(jì)變壓器注油系統(tǒng)的自動(dòng)化控制時(shí)，假設(shè)其動(dòng)態(tài)特性可簡(jiǎn)化為一個(gè)線性二階系統(tǒng)。該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)通常表示為式（11）：

式（11）中：為系統(tǒng)增益；為時(shí)間常數(shù)；為阻尼比；為拉普拉斯變換變量。

為了在離散域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，需將連續(xù)域傳遞函數(shù)離散化。常用方法包括雙線性變換法。假設(shè)采樣時(shí)間為，則系統(tǒng)的離散化傳遞函數(shù)可以表示為式（12）：

離散化后的系統(tǒng)差分方程為式（13）：

式（13）中：系數(shù)根據(jù)離散化方法和系統(tǒng)參數(shù)確定。

通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)建模，可以為設(shè)計(jì)有效的控制策略奠定基礎(chǔ)。利用單神經(jīng)元控制器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，可以提升變壓器注油系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

3仿真與分析

3.1 單神經(jīng)元PID仿真

單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，主要通過(guò)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)精確控制。其中，控制器利用誤差信號(hào)和自適應(yīng)機(jī)制調(diào)節(jié)PID參數(shù)，輸出控制信號(hào)。仿真結(jié)果顯示（如圖2所示），系統(tǒng)在0.2 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，表明控制器能快速適應(yīng)系統(tǒng)變化并保持穩(wěn)定輸出。這種方法展現(xiàn)了良好的控制性能和適應(yīng)能力。

3.2" PLC中實(shí)現(xiàn)單神經(jīng)元PID控制算法的性能分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證單神經(jīng)元PID控制算法的性能，本研究將其與傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單神經(jīng)元PID控制器在響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，如表1所示。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一套基于西門(mén)子S7-300 PLC和單神經(jīng)元PID控制算法的變壓器注油自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)分布式I/O控制網(wǎng)絡(luò)，精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注油流量，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的若干缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果b表明，該系統(tǒng)顯著提升了變壓器注油過(guò)程的自動(dòng)化水平，減少了人為干預(yù)和誤操作，提高了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王輝.電力系統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化中PLC自動(dòng)控制技術(shù)的運(yùn)用探討[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2023，64（4）：41-44.

[2]ZHANG X.Exploring the Application of PLC Technology in Mechanical Electrical Control Devices[J].Academic Journal of Management and Social Sciences，2023，2（3）：94-99.

[3] DHAMELIYA N.Revolutionizing PLC systems with AI：A new era of industrial automation[J].American DigitsJournal of Computing and Digital Technologies，2023，1（1）：33-48.

[4] 吳大偉.PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].造紙裝備及材料，2023，52（5）：140-142.

[5]耿直，王佳楠，馮雨桐.PLC技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化控制中的應(yīng)用分析[J].電子元器件與信息技術(shù)，2022（1）：34-35，59.