陳鼎淇

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003）

在機械電氣設備運行過程中，最常出現(xiàn)的安全問題包括：設備開關安裝過程中出現(xiàn)誤動操作造成設備運行效果受到影響；設備斷路器結構的裝配及安裝方式不合理，造成設備合閘速度降低，出現(xiàn)觸頭損壞問題；設備安全保護裝置受影響產(chǎn)生拒絕動作；設備中變壓器結構保護絕緣層損壞，出現(xiàn)爆炸事故等[1]。當前，PLC 工程的接線端口通常采用可以拆卸的方式，因此能夠為相關作業(yè)人員在完成PLC 編程后，提供更加有效的維修工作方式[2]。本文結合PLC 工程控制裝置，對其控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計研究。

1 系統(tǒng)硬件設計

為了確保機械電氣設備在運行過程中不會出現(xiàn)上述問題，本文在引入PLC 工程的基礎上，針對其控制系統(tǒng)進行設計研究。將PLC 工程工業(yè)控制裝置作為本文控制系統(tǒng)當中的核心硬件，構建如圖1 所示的安全控制系統(tǒng)硬件結構圖。

圖1 安全控制系統(tǒng)硬件結構圖

從圖1 可以看出本文安全控制系統(tǒng)的硬件結構按照功能可分為三個不同層次[3]。其中站控層主要針對各個機械電氣設備應用管理控制站建立，其作用是實現(xiàn)各個控制站通過本文控制系統(tǒng)與設備的連接，依次為運行數(shù)據(jù)采集和傳輸提供條件，也為各個設備的控制提供場所。通信控制層為本文系統(tǒng)核心硬件層，其主要設備包括通訊管理機和PLC 工程工業(yè)級控制裝置。間隔層包含了各類需要進行安全控制的機械電氣設備以及用于實現(xiàn)對設備安全控制的保護裝置和其他智能裝置，為達到理想的安全控制效果。

1.1 PLC 工程工業(yè)級控制裝置選型

在綜合考慮生產(chǎn)廠家、結構分類和使用性能等方面后，選擇型號為TSX4956-910 型號PLC 工程工業(yè)控制裝置，該型號PLC 裝置的額定電流為180A，額定電壓為350V±15%，殼體防護采用IP56 等級。該型號PLC 裝置應用到對機械電氣設備的保護當中能夠為設備提供多重保護，可實現(xiàn)對機械電氣設備的過熱保護、輸入輸出缺相保護、三相不平衡保護、過載保護等共八大保護功能。還具備更高性能的CPU，可滿足本文安全控制系統(tǒng)的運行需要[4]。在運行過程中TSX4956-910 型號PLC 裝置的電流十分穩(wěn)定，并且散熱能力強，其自身的安全性足以得到保障。在該型號PLC 裝置當中還安裝了LED 智能顯示屏，可方便操作人員通過顯示屏直接對設備的運行狀態(tài)進行查看。

1.2 綜保裝置選型

綜保裝置可直接實現(xiàn)對機械電氣設備的安全保護，針對設備的運行特點，本文選用型號為AM2-V1750 型號的微機保護裝置作為本文系統(tǒng)當中的綜保裝置[5]。該型號保護裝置包含了20 路通道和一個RS485 通訊接口，其中1 路～5 路為交流電流通道；6 路～8 路為電壓通道；9 路～16 路為開關量輸入通道；17路～20 路為開關量輸出通道。表1 為AM2-V1750 型號微機保護裝置技術指標參數(shù)對照表。

表1 AM2-V1750 型號微機保護裝置技術指標參數(shù)表

除表1 中該型號微機保護裝置技術指標能夠充分滿足本文控制系統(tǒng)的需要外，其針對電氣設備的各類故障問題均能夠在裝置上標出相應的指標，并在系統(tǒng)監(jiān)測到機械電氣設備存在故障問題時，發(fā)出語音報警。在完成對設備的保護后能夠保持故障自鎖狀態(tài)，并能夠發(fā)出相應的語音報警聲，以此增加安全控制系統(tǒng)的及時性。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 機械電氣設備運行狀態(tài)判斷

由于影響設備運行狀態(tài)的程度不同，對其造成影響的程度也不同。因此，在遵循狀態(tài)反應精準度的原則下，對設備運行狀態(tài)判斷因素進行選擇[6]?？紤]到各個判斷因素的重要程度，將其劃分為一級判斷因素和二級判斷因素兩類。其中，一級判斷因素主要包括機械電氣設備運行因素、檢修因數(shù)和停運因素；二級判斷因素主要包括歷史檢修數(shù)據(jù)、負載程度、短路斷路、操作過壓等?？紤]到不同因素數(shù)據(jù)的變化與機械電氣設備運行狀態(tài)之間的關系存在正向和反向兩種，因此針對存在正向相關關系的因素得出其運行狀態(tài)判斷依據(jù)公式為：

公式（1）中，T 表示為機械電氣設備運行狀態(tài)參數(shù)；Pn表示為設備運行過程中的實測數(shù)據(jù)；P0表示為設備對應指標下的允許值；Pmax表示為設備對應指標下的允許最大值；t 表示為影響程度系數(shù)。根據(jù)上述公式，計算得出與設備運行狀態(tài)正向相關的運動狀態(tài)參數(shù)。假設χ 表示為機械電氣設備的狀態(tài)閾值，當T>χ 時，則說明此時被控制的機械電氣設備的運行狀態(tài)為故障運行狀態(tài)；當T<χ 或T=χ 時，則說明此時被控制的機械電氣設備的運行狀態(tài)為正常運行狀態(tài)。再針對存在反向相關關系的因素得出其運行狀態(tài)判斷依據(jù)公式為：

公式（2）中，T'表示為機械電氣設備運行狀態(tài)參數(shù)；Pmin表示為設備對應指標下的允許最小值。根據(jù)上述公式（2），計算得出與設備運行狀態(tài)反向相關的運動狀態(tài)參數(shù)。同樣按照上述方式，將計算結果與閾值進行對比，以此實現(xiàn)對機械電氣設備運行狀態(tài)的判斷。

2.2 機械電氣設備模糊PID 控制

應明確模糊PID 控制屬于控制過程中的一種綜合控制方法，控制過程的基本思想是基于計算機技術的應用，通過模擬神經(jīng)元的方式，實現(xiàn)對前端的有效控制，但大多被控對象是需要遵循某種控制原則的，因此，控制的結果具有一定隨機性與模糊性[7]。而要在此過程中確?？刂菩袨榈挠行?，應當從信息接口與輸入端進行信息的模糊化表達。信息在經(jīng)過模糊端被傳輸時，可以推理機將進行信息值的實際化處理，此時后端將調用知識接口進行信息規(guī)則的制定，當信息與知識庫內(nèi)某個信息匹配成功后，可直接按照知識庫內(nèi)既定的控制模式，進行控制量的轉化，轉化后輸出控制的實際量，以此作為模糊PID 控制的結果。在控制過程中，其流程可用如下公式表示：

公式（3）中，u（t）表示為模糊PID 控制輸出值；K 表示為比例系數(shù)；e（t）表示為控制過程中產(chǎn)生的誤差值。根據(jù)上述公式計算，將其輸出結果作為控制參數(shù)，實現(xiàn)對機械電氣設備的安全控制。但在實際應用中，大部分導入的信息無法與知識庫中的內(nèi)容進行對接，因此，需要對信息進行對接過程中偏差值的分析，通過偏差分析后，得到一個具體的數(shù)值P，P 被導入控制器中。此時控制器中的規(guī)則將根據(jù)實際規(guī)則進行參數(shù)的在線調整，調整后的參數(shù)屬于一個模糊量，而執(zhí)行機構將根據(jù)輸入模糊量參數(shù)進行控制量的求解?？稍谟嬎闱斑M行設備運行過程中靜態(tài)誤差的消除，避免靜態(tài)誤差過大造成的設備運行振蕩與信號偏差。綜合上述分析，實現(xiàn)對機械電氣設備的模糊PID 控制，完成本文系統(tǒng)軟件功能的開發(fā)。

3 兩種控制系統(tǒng)應用效果分析

結合本文以上論述，從硬件和軟件兩方面實現(xiàn)對安全控制系統(tǒng)的理論設計，為了驗證該系統(tǒng)的實際應用效果，選擇將傳統(tǒng)基于FPGA 的控制系統(tǒng)作為對照組，將本文設計系統(tǒng)作為實驗組，并通過設置對照條件的方式，對兩種控制系統(tǒng)的應用效果進行對比分析。選擇將某工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)當中常見的機械電氣設備作為研究對象，已知該設備常見的安全故障問題包括過載、堵轉等，本文選擇將機械電氣設備的堵轉作為兩種控制系統(tǒng)需要進行控制的安區(qū)前問題。通過人為方式對機械電氣設備進行堵轉，并觀察兩種控制系統(tǒng)的運行情況。為了實現(xiàn)對兩種控制系統(tǒng)的對比，選擇利用示波器裝置對兩種系統(tǒng)控制下的機械電氣設備運行過程中電流的變化情況進行記錄，再利用計時裝置對兩種控制系統(tǒng)的反應時間記錄，并將兩組記錄的數(shù)據(jù)結果繪制成表2 所示。

表2 實驗組與對照組控制系統(tǒng)應用效果對比表

從表2 記錄的數(shù)值結果可以看出，實驗組控制系統(tǒng)在對設備出現(xiàn)運行堵轉安全問題進行控制時，能夠確保設備的運行電流始終控制在16.23A 上下波動，并且波動范圍不超過±0.02A，而對照組控制系統(tǒng)在對設備出現(xiàn)運行堵轉安全問題進行控制時，其電流值發(fā)生了較大的變化，設備的運行穩(wěn)定性沒有得到有效保障。從兩種控制系統(tǒng)的反應時間可以看出，在發(fā)現(xiàn)機械電氣設備出現(xiàn)運行堵轉的問題時，本文控制系統(tǒng)的反應時間均在25ms 以內(nèi)，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的反應時間在40ms～60ms 范圍內(nèi)。因此，通過上述實驗能夠進一步證明，本文設計的安全控制系統(tǒng)在實際應用中能夠實現(xiàn)對機械電氣設備安全問題的有效控制，在發(fā)現(xiàn)設備存在安全問題時，可以在第一時間對其進行合理控制，從而保證設備的穩(wěn)定運行，避免安全問題對周圍及設備本身造成影響。通過實驗也能夠證明，引入PLC工程工業(yè)級控制裝置后，控制系統(tǒng)的應用性能得到充分提升，為機械電氣設備的運行提供技術條件。

4結論

通過本文上述論述，在明確機械電氣設備存在的常見安全問題后，在此基礎上對其從硬件和軟件兩方面進行設計，并提出一種以PLC 工程工業(yè)級控制裝置為核心結構的安全控制系統(tǒng)。將該安全控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于FPGA 的控制系統(tǒng)進行對比實驗，進一步驗證了新的控制系統(tǒng)具有更理想的控制效果。將該控制系統(tǒng)應用到對機械電氣設備的安全控制當中，能夠對設備出現(xiàn)故障的第一時間對其運行狀態(tài)進行判斷，并通過模糊PID 控制對設備安全問題進行處理，以此確保設備始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)運行。但由于研究能力有限，本文提出的控制系統(tǒng)在實際應用中雖然能夠提高設備的運行穩(wěn)定性，但在控制過程中，系統(tǒng)需要完成較多的計算操作任務，因此控制效率還需要進一步優(yōu)化。在后續(xù)的研究中將把這一問題作為重點研究方向，從而不斷提高控制系統(tǒng)的應用性能。