電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

史棟元

(齊齊哈爾工程學(xué)院,黑龍江齊齊哈爾,161005)

1 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)概述

(1)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的最初目的是為特定的工作程序提供操作控制。該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：控制器和受控對(duì)象，并使用特定的控制設(shè)備來檢測(cè)或控制設(shè)備。在組成系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)中，控制器是控制機(jī)器或控制過程的控制設(shè)備，控制對(duì)象是由控制器控制的機(jī)器或操作過程。控制參數(shù)也是系統(tǒng)中的重要概念，并且是實(shí)現(xiàn)控制過程并遵守電氣控制系統(tǒng)的輸入和輸出規(guī)則所需的數(shù)據(jù)參數(shù)。

(2)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)分類

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)可分為三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)它可以分為三類：調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。基于數(shù)學(xué)模型它們分為兩類：線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)信號(hào)它分為兩類：連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。

(3)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)性能要求

對(duì)電氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能有兩個(gè)要求。一種是跟隨輸入，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出與輸入范圍有關(guān)。同時(shí)，更改輸入量會(huì)影響輸出結(jié)果。遵循輸入是重要的輸出原理，并且遵循某些參數(shù)，例如數(shù)據(jù)、軌跡和輸入時(shí)間。第二是防干擾。 由于輸出遵循輸入?yún)?shù)，因此第二個(gè)主要性能要求是如何確保輸入的原始參數(shù)，如何避免外部因素的影響，改進(jìn)抗干擾性并在控制過程中確保輸出精度。

2 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)新思路

(1)實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化電氣信息量監(jiān)控

廠用電保護(hù)器以及MCC和PC控制器可以滿足保護(hù)、測(cè)量和高速通信集成的要求。這些將集成到本地以形成專用的ECS，以實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)字電氣信息監(jiān)控的目標(biāo)。它為DCS提供了高速實(shí)時(shí)數(shù)字通信接口，DCS以通信軟消息的形式收集和控制與順序控制相關(guān)的電量，并且不使用輔助電纜進(jìn)行硬接線，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和構(gòu)造，并節(jié)省了大量經(jīng)濟(jì)成本。它具有出色的實(shí)時(shí)性能、強(qiáng)大的抗干擾能力以及電廠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。人機(jī)界面功能強(qiáng)大，操作控制簡(jiǎn)單、方便、靈活。在確保系統(tǒng)和其他技術(shù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)性能和可靠性的同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有出色的可維護(hù)性，并確保MTTR指標(biāo)較小。

(2)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

工廠基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，工業(yè)設(shè)備的操作監(jiān)視和控制在中央控制室的操作員工作站上進(jìn)行。同時(shí)，每個(gè)LCU可以通過觸摸屏和開關(guān)按鈕監(jiān)視和控制控制設(shè)備的操作。單元和開關(guān)鉆/公共單元通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接到全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)并由其監(jiān)視。同時(shí)，這些系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制柜配備了用于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的控制開關(guān)和控制按鈕。本實(shí)用新型是一種用于沖孔機(jī)自動(dòng)瓶蓋的新型機(jī)械，該機(jī)器解決了在沖瓶蓋的制造過程中手動(dòng)用眼睛和手將沖拼蓋在上下沖頭之間定向的問題。可以根據(jù)“無人值守”（少量值班人員）的操作模式來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，觸摸屏和PLC之間使用標(biāo)準(zhǔn)的開放式高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（MPD）。為了確保PLC與觸摸屏，本地單元和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換安全，最大通信速度為12 Mbps。現(xiàn)代化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于擴(kuò)展硬件設(shè)備很有用，并且可以適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的功能和規(guī)模。

(3)全開放式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)監(jiān)控方式

全開放式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)使用智能I/0模塊作為設(shè)備訪問互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，同時(shí)節(jié)省了資金，使用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)分散和開放的發(fā)展趨勢(shì)。開放性對(duì)于新一代控制系統(tǒng)無疑是重要的。使用開放控制器硬件及其開放配置軟件來替換DCS專用控制器。數(shù)據(jù)連接性以及硬件和軟件可移植性的結(jié)合保留了DCS冗余和配置技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以太網(wǎng)和OPc是數(shù)據(jù)連接功能的示例，而PC是開放式硬件和軟件平臺(tái)的示例，開放性基于促進(jìn)開放性的標(biāo)準(zhǔn)。

3 閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)

(1)開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)可以理解為系統(tǒng)輸出不影響控制效果，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要進(jìn)行相應(yīng)的比較。從當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展情況來看，洗衣機(jī)就是一個(gè)非常好的開環(huán)系統(tǒng)例子。洗滌、漂洗和脫水過程是按順序進(jìn)行的，而沒有測(cè)量衣物的清潔度。開環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)類似例子是使用基于時(shí)間的信號(hào)控制的交通控制系統(tǒng)。這種類型的系統(tǒng)不能測(cè)量汽車的實(shí)際流量，雖然不能進(jìn)行測(cè)量，但是可以由時(shí)間進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)輸出完全不用與參考輸入進(jìn)行比較，因此，各個(gè)參考輸入都有與之對(duì)應(yīng)的操作狀態(tài)，而且每個(gè)操作狀態(tài)都是固定的，在這樣的模式下，校準(zhǔn)的精度會(huì)直接影響系統(tǒng)的精度。在發(fā)展過程中為了更好的進(jìn)行校準(zhǔn)，并且保證在校準(zhǔn)的過程中數(shù)值不會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，開環(huán)控制系統(tǒng)無法完成配置的任務(wù)。因此，只有當(dāng)輸入和輸出之間的關(guān)系已知并且沒有內(nèi)部或外部干擾時(shí)，才能使用開環(huán)控制。請(qǐng)注意，任何沿時(shí)間軸單向運(yùn)行的系統(tǒng)都是開環(huán)系統(tǒng)。

(2)閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單來說是指輸出信號(hào)直接影響控制功能的系統(tǒng)，除了可以成為閉環(huán)系統(tǒng)以外，還被稱之為反饋控制系統(tǒng)。誤差信號(hào)指的是輸入的信號(hào)與反饋出的信號(hào)之間的差異。直接將誤差信號(hào)添加到控制器上，通過這樣的方式能夠有效減少系統(tǒng)誤差，同時(shí)還能使得系統(tǒng)輸出與所需值更加相近。如果站在另外一個(gè)角度進(jìn)行理解，閉環(huán)其實(shí)就是為了減少系統(tǒng)錯(cuò)誤。閉環(huán)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于T型工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。例如：位移跟蹤系統(tǒng)，大部分機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)以及熱水器等等。

4 淺談電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能

(1)監(jiān)測(cè)職能

對(duì)于電氣設(shè)備來說，最為主要且基本的功能就是監(jiān)控功能，目前絕大部分電氣設(shè)備都具備該功能。監(jiān)控功能之所以會(huì)成為主要功能，主要是因?yàn)殡姎庾詣?dòng)控制系統(tǒng)的電源是電能。該電能有一個(gè)特點(diǎn)，那就是無法通過肉眼來對(duì)其性能進(jìn)行判斷，如果想利用人工的方式進(jìn)行識(shí)別則顯得十分不顯示，為了彌補(bǔ)人工存在的不足，監(jiān)視功能應(yīng)運(yùn)而生。監(jiān)視功能最明顯的一個(gè)特征就是系統(tǒng)通過傳感器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，同時(shí)利用傳感器來對(duì)傳輸?shù)囊暵犘盘?hào)進(jìn)行監(jiān)視。在監(jiān)視的過程中如果發(fā)現(xiàn)異常，不僅會(huì)自動(dòng)調(diào)整，還會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)還可以提醒員工實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化。在對(duì)監(jiān)控功能進(jìn)行研究的過程中，可以將其分為三個(gè)模塊，分別是集中監(jiān)視、遠(yuǎn)程監(jiān)視以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視。每種不同的監(jiān)視都具有各自的特點(diǎn)，對(duì)于集中監(jiān)視來說，側(cè)重點(diǎn)在集成上，這樣會(huì)增加集中監(jiān)控處理器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，但這種方式便于監(jiān)控和操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控需要多種設(shè)備進(jìn)行支持，比較常見的輔助設(shè)備有電纜、電線，輔助設(shè)備的增加也會(huì)在一定程度上提高系統(tǒng)維護(hù)的難度。最后就是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視來說，并不需要太多的設(shè)備作為支持，而且也能減少遠(yuǎn)程干擾的程度，該種方式不僅降低了經(jīng)濟(jì)成本，而且使監(jiān)控方法更加靈活和適用。

(2)保護(hù)功能和測(cè)量功能

系統(tǒng)保護(hù)功能能夠從根本上實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的操作安全性與穩(wěn)定性，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的手動(dòng)工作模式有著本質(zhì)上的區(qū)別，在進(jìn)行操作的進(jìn)行具體操作的過程中，可能會(huì)發(fā)生一些安全隱患。例如，在進(jìn)行電氣操作時(shí)，電路的安全性存在問題，電流與電壓過低。電氣裝置不連續(xù)或者供電不穩(wěn)定。在嚴(yán)重的情況下，設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致電氣控制系統(tǒng)癱瘓。同時(shí)，電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)需要基于大型電氣設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)備的高輸出必然意味著無法提供合適的保護(hù)設(shè)備使電氣設(shè)備處于保護(hù)狀態(tài)下運(yùn)行。因此，電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)需要手動(dòng)或自動(dòng)及時(shí)采取預(yù)警措施，通過傳輸故障信號(hào)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，并具有足夠強(qiáng)的保護(hù)功能。自動(dòng)電氣控制系統(tǒng)具有測(cè)量功能，該功能具有一定的獨(dú)特性，在進(jìn)行測(cè)量的過程中不需要使用相應(yīng)的參數(shù)判斷其準(zhǔn)確性。歷史上，電氣控制系統(tǒng)依靠電氣設(shè)備的手動(dòng)特性來確定參數(shù)設(shè)置和合理性，或者使用特定的設(shè)備來確定設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流和功率。目前的自動(dòng)電子控制系統(tǒng)具有獨(dú)特的測(cè)量功能，減輕了工人的負(fù)擔(dān)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有積極的影響。此外，支持測(cè)量功能的功能，如參數(shù)調(diào)試功能和參數(shù)合理性設(shè)置功能，正在逐步開發(fā)和利用。

(3)智能功能

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平在不斷進(jìn)步，在未來的發(fā)展過程中，電氣自動(dòng)控制將會(huì)朝著智能化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，目前，智能功能已經(jīng)成為一個(gè)十分重要的發(fā)展領(lǐng)域。在發(fā)展智能化的過程中主要是要積極應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)的操作方式，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。未來自動(dòng)電控系統(tǒng)將更加智能化，數(shù)字功能更加清晰，減少人工操作，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，獲得強(qiáng)大的控制效果。

(4)自動(dòng)控制功能

自動(dòng)控制功能主要是針對(duì)啟動(dòng)和關(guān)閉兩個(gè)環(huán)節(jié)，從根本上來說，自動(dòng)控制功能主要是起到一個(gè)安全保護(hù)的作用。該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如果系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常，該功能會(huì)立即對(duì)電源進(jìn)行切斷，通過這樣的方式能夠有效避免較為嚴(yán)重的安全事故，同時(shí)還能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。