基于PLC的智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河池 547000）

0 引言

智能倉儲物流系統(tǒng)主要包括自動化立體倉庫與物流配送系統(tǒng)，自動化立體倉庫主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具與用電信息采集的自動倉儲，物流配送系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具與用電采集終端在電能計(jì)量中心的自動封箱、配送、盤點(diǎn)以及出入庫[1,2]。因此，對智能電表運(yùn)行故障進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義，是保證智能倉儲物流系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

現(xiàn)階段，通常采用定期現(xiàn)場校驗(yàn)的形式對智能電表故障信息進(jìn)行采集，需耗費(fèi)大量人力物理，同時因?yàn)檠矙z周期相對較差，無法及時發(fā)現(xiàn)智能電表故障[3]。當(dāng)前電表越來越智能，運(yùn)行故障具有突發(fā)性與復(fù)雜性等特性，為智能電表故障監(jiān)測帶來了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法無法及時有效發(fā)現(xiàn)智能電表故障[4]，為此，設(shè)計(jì)了一種新的基于PLC的智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)，通過PLC完成智能電表控制程序的編寫，完成故障診斷，同時通過智能電表數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控及處理。

1 基于PLC的智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于PLC的智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

PLC采用日本三菱企業(yè)A2N系列[5]，按照功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、輸入模塊、輸出模塊、主板以及擴(kuò)展板。通過輸入模塊對智能倉儲物流系統(tǒng)智能電表運(yùn)行故障信號進(jìn)行采集[6]，通過輸出模塊對繼電器輸出故障復(fù)位信號進(jìn)行帶動，并對故障信號報警信息進(jìn)行顯示。利用通信接口和工控機(jī)完成信息交換。除此之外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在主板與擴(kuò)展板上設(shè)置備用空間。

1.2 PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

按照現(xiàn)階段技術(shù)的發(fā)展，在監(jiān)控領(lǐng)域中PLC為相對成熟的控制技術(shù)，具有安全穩(wěn)定、靈活性與控制功能強(qiáng)的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用[7]。設(shè)計(jì)的基于PLC的智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)將PLC作為系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 通信接口設(shè)計(jì)

通信接口主要包括無線微控制單元、DSP單元和電源模塊，詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 通信接口結(jié)構(gòu)

無線微控制單元主要結(jié)構(gòu)為P87LPC764芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸功能，利用SPI接口和DSP單元達(dá)到通訊的目的。

DSP單元主要用于實(shí)現(xiàn)對采集信息的預(yù)處理，把得到的結(jié)果通過P87LPC764芯片發(fā)送到主機(jī)[8]。

為了達(dá)到通訊的目的，需按照數(shù)字信號對載波進(jìn)行調(diào)整。在大多數(shù)系統(tǒng)中，通常把正弦波信號當(dāng)成載波，利用信號離散型對載波進(jìn)行修正，獲取振幅鍵控等，本節(jié)選用二進(jìn)制數(shù)字頻移鍵控模式，其利用載波頻率實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字信號傳輸，即符號“1”和載頻“1”相應(yīng)，而符號“0”和載頻的已調(diào)波形相應(yīng)。已調(diào)信號可描述成：

式中，g(t)為矩形脈沖；Ts為周期；an計(jì)算公式是：

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個階段，第一個階段為通過C語言在上位機(jī)對智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)制表程序進(jìn)行編制，從而對故障累積統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行查詢及打印。第二個階段為通過PLC通用MEDOC軟件包在PC機(jī)上對PLC進(jìn)行離線編程及在線調(diào)試處理[9]。

MEDOC軟件包不但功能強(qiáng)大，同時人機(jī)互動能力強(qiáng)，通過菜單驅(qū)動，使用過程簡單。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

軟件設(shè)計(jì)中，輸入數(shù)據(jù)處理非常關(guān)鍵，依據(jù)系統(tǒng)功能要求，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，達(dá)到智能倉儲物流系統(tǒng)智能電表運(yùn)行故障診斷的目的，為故障監(jiān)控提供依據(jù)。

復(fù)位輸出對不同復(fù)位信號進(jìn)行輸出處理，對非故障信號進(jìn)行自動復(fù)位，對故障信號進(jìn)行外復(fù)位。通過故障記錄將出現(xiàn)故障的具體時間及次數(shù)傳輸至對應(yīng)文件寄存器。在故障記錄點(diǎn)數(shù)高于設(shè)定值的情況下，利用數(shù)據(jù)移送功能把前天的記錄刪除。

1.5 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

1.5.1 故障診斷模型

本節(jié)通過數(shù)據(jù)挖掘法對以往智能倉儲物流系統(tǒng)智能電表運(yùn)行故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取有意義的故障信息及規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)智能電表運(yùn)行故障診斷。智能電表故障監(jiān)測按照出現(xiàn)故障時電表采集終端的事件記錄分析結(jié)果進(jìn)行診斷，研究不同結(jié)果間的關(guān)系，為電表故障監(jiān)測提供依據(jù)。

用S描述智能電表故障以往數(shù)據(jù)，同時把S的60%數(shù)據(jù)看作訓(xùn)練集W，將剩余數(shù)據(jù)看作測試集T，通過C5.0法完成對訓(xùn)練集W的數(shù)據(jù)挖掘。

把W劃分為n個子集W1，W2，…，Wn，其中n用于描述W中n個子集W1，W2，…，Wn，其中n用于描述W中屬性X的數(shù)量。假設(shè)訓(xùn)練集W的熵用inf o(W)進(jìn)行描述，計(jì)算公式為：

其中，|W|用于描述W中樣本總量，freq(Di,W)用于描述W中決策屬性屬于Di類別的樣本數(shù)量，N用于描述決策屬性總類別數(shù)。

按照屬性X把訓(xùn)練集W劃分為n個子集，求出不同子集的信息熵，公式如下：

其中，inf oX(W)用于描述屬性X的信息熵，|Wi|用于描述Wi中屬于Di種類的樣本總量，m用于描述屬性總類別數(shù)量。

增益標(biāo)準(zhǔn)gain(X)可通過下式求出：

屬性X形成潛在信息G(X)可描述成：

屬性X的信息增益率gain_ratio(X)可通過下式求出：

把信息增益率最高的屬性當(dāng)成根節(jié)點(diǎn)構(gòu)造決策樹，剩余屬性繼續(xù)依據(jù)信息增益率最高方法進(jìn)行遞歸計(jì)算，直至產(chǎn)生整個決策樹，得到診斷規(guī)則。

為了驗(yàn)證診斷結(jié)果是否可靠，假設(shè)診斷正確率R的計(jì)算公式為：

其中，Mt用于描述測試集中準(zhǔn)確診斷的數(shù)量，M用于描述測試集總數(shù)據(jù)量。

假設(shè)R'是故障診斷準(zhǔn)確率基準(zhǔn)，如果R≥R'，則相應(yīng)分類規(guī)則可靠；反之，如果R＜R'，則返回訓(xùn)練集重新訓(xùn)練。從而獲取決策樹，產(chǎn)生診斷規(guī)則，實(shí)現(xiàn)智能倉儲物流系統(tǒng)智能電表故障監(jiān)測。

1.5.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理即依據(jù)統(tǒng)一格式完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)與診斷結(jié)果的處理，變成可識別邏輯項(xiàng)，主要包括邏輯項(xiàng)形成、轉(zhuǎn)換以及歸類三個階段，詳細(xì)分析如下：

邏輯項(xiàng)形成即按照既定模型從采集的數(shù)據(jù)中獲取之恩給你電表故障信息，智能電表與采集終端時間記錄能夠直接產(chǎn)生故障信息，量測量、狀態(tài)量等信息需完成對數(shù)據(jù)或狀態(tài)的判斷，才可產(chǎn)生可用故障信息。

邏輯項(xiàng)轉(zhuǎn)換即把故障信息變成可識別邏輯項(xiàng)，令其應(yīng)用在關(guān)聯(lián)規(guī)則的產(chǎn)生和故障監(jiān)測過程中的故障診斷，診斷結(jié)果轉(zhuǎn)換為對統(tǒng)計(jì)故障結(jié)果進(jìn)行邏輯化處理，將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)項(xiàng)。

邏輯項(xiàng)歸類即按照故障診斷結(jié)果的屬性完成對故障信息的分類處理，加快數(shù)據(jù)挖掘速度。

在上述分析的基礎(chǔ)上，給出一組故障信息F={F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)N}與診斷結(jié)果E={E1，E2，…，EN}，挖掘即的蘊(yùn)含式，其中X、Y依次為F與E的項(xiàng)與項(xiàng)集，在實(shí)際應(yīng)用中，如果產(chǎn)生關(guān)聯(lián)關(guān)系{s1%，c1%}，說明利用故障信息診斷得到的故障是R1，支持度是s1，置信度是c1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選擇某智能倉儲物流智能電能表，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過本文系統(tǒng)對之恩給你電表運(yùn)行故障進(jìn)行監(jiān)控，得到的結(jié)果用表1進(jìn)行描述。

表1 本文系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

分析表1可以看出，測試集總量為115，其中監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確的數(shù)量是110個，準(zhǔn)確率高于設(shè)定值，說明系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果可靠。

下面針對1個月、2個月和3個月的監(jiān)測，比較本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的平均監(jiān)測響應(yīng)時間與監(jiān)測誤差，結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，在監(jiān)測時間相同的狀態(tài)下，本文系統(tǒng)監(jiān)測平均響應(yīng)時間和誤差都比文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)低，說明本文系統(tǒng)監(jiān)測性能更優(yōu)。

表2 三種系統(tǒng)性能比較

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于PLC的智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控系統(tǒng)。給出設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通信接口。介紹了軟件設(shè)計(jì)過程。通過數(shù)據(jù)挖掘法實(shí)現(xiàn)智能電表運(yùn)行故障診斷，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，達(dá)到智能電表運(yùn)行故障監(jiān)控的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控精度高，響應(yīng)時間短。