基于現(xiàn)場總線技術的電氣設備智能控制系統(tǒng)設計

文/李卉

當前，由于常規(guī)集散控制系統(tǒng)（DCS）對信號累積的影響不夠顯著，多組電氣設備的運行效率無法有效提升。因此，電氣設備逐漸開始采用以現(xiàn)場總線技術為支撐的智能化控制系統(tǒng)。在硬件方面，智能化控制系統(tǒng)可以通過模擬信號的發(fā)送回路，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制；在軟件方面，智能化控制系統(tǒng)可以采用模糊控制的方法轉(zhuǎn)換電氣設備信號。此外，本文還通過實驗證明：若采用多組電氣裝置協(xié)同工作作為控制條件，以設備的日運轉(zhuǎn)速率和月運轉(zhuǎn)速率為指標，則與常規(guī)集散控制系統(tǒng)相比，在智能化控制系統(tǒng)下，電氣設備的日運轉(zhuǎn)速率、月運轉(zhuǎn)速率分別提高了35.36%和37.21%。

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，自動化控制技術逐漸在各個行業(yè)中推廣開來。自動化控制技術既能對各種工藝、設備的參數(shù)進行精確調(diào)整，還能有效降低人工、材料消耗，進一步提升生產(chǎn)效率。當前，現(xiàn)場總線技術是自動化領域的前沿技術之一，其可以在計算機網(wǎng)絡中形成一個有效的控制區(qū)域，通過微處理器和數(shù)據(jù)通信等方式，在特定時間內(nèi)實現(xiàn)多個控制裝置的高效連接。通過該技術，生產(chǎn)廠家可以有效改善電氣設備的運行狀態(tài)，提高其工作效率，進而在減少原材料損耗、克服高生產(chǎn)成本難題的同時，實現(xiàn)高精度生產(chǎn)與精準控制的理想效果。簡單來說，現(xiàn)場總線技術的優(yōu)勢主要有：可利用多個傳送介質(zhì)來傳送數(shù)字信號；單條線路可同時實現(xiàn)對幾十個裝置的控制；兼容常規(guī)電纜、光纜、光纖等傳輸媒體，可向需要調(diào)整的設備發(fā)送數(shù)字訊息；以總線為基準，可在不同環(huán)境下進行電氣設備的交換，確保用戶集中掌握設備選擇權。

一、電氣設備智能控制系統(tǒng)的硬件設計

筆者基于通信鏈路和控制鏈路的串行特性，將多個信號接收傳感器放置于不同的電子裝置中，以有效縮短信號在主/備用電路中的傳輸時間；同時，筆者還將模擬路徑添加到符合標準的CC-LINK開放式現(xiàn)場總線中，并在位置模塊和裝置變換模塊中的信號發(fā)送距離達到最短后，直接將高壓電阻放置到初始電路的接入裝置中。[1]用于傳輸模擬信號的電路設計如圖1 所示。

如圖1 所示，整個信號發(fā)送線路共包含兩種級別的切換設備，且這兩種級別的切換設備均可在接收到主要站點發(fā)出的信號后，根據(jù)信號內(nèi)容和量級調(diào)整轉(zhuǎn)換燈的狀態(tài)和顏色，以此實現(xiàn)對線電壓、線電流的開關控制。在此期間，26V以上的信號電流將自動通過上行線，26V 以下的信號電流則自動通過下行線。在信號轉(zhuǎn)移時，馬達的轉(zhuǎn)速會被智能系統(tǒng)控制，以確保主控裝置的相應參數(shù)維持在合理范圍之內(nèi)。

二、電氣設備智能控制系統(tǒng)的軟件設計

（一）用模糊測量方法轉(zhuǎn)換電氣裝置的信號

在一般情況下，模糊控制方法是從生產(chǎn)實踐中總結出來的。該方法將傳感器的輸出和變化看作是模糊操作產(chǎn)生的誤差，并在此前提下開展模糊推理，其通常對輸出量有一定的要求。因此，在選取輸出量時，筆者首先激發(fā)信號，使其根據(jù)實際需要完成智能轉(zhuǎn)化。在電氣設備的運動區(qū)域，實際數(shù)字輸出信號的數(shù)值可用q 來表示。在[0，500]的轉(zhuǎn)化區(qū)間內(nèi)，筆者基于模糊原理，將量化系數(shù)i 添加到方向上（通常，i=5/500=0.01）；在第一次輸入信號后，筆者按時間順序?qū)ο嚓P信號進行排列，并將每分鐘同時累計的信號看作是一個集合。隨后，筆者根據(jù)以下公式計算出輸入信號的實際值和可變數(shù)值。

式中，D 表示兩個類似輸入信號的真實值；DF 表示相似組中的信號改變值；ia 代表每個變量集合的給定區(qū)間；qaa則表示在[-50，50]輸出區(qū)間內(nèi)，量化系數(shù)模糊處理后的轉(zhuǎn)換區(qū)域。基于此，筆者根據(jù)相應轉(zhuǎn)換間隔重新設置了信號的所屬集合，并按信號變化幅度對其進行排列。最靠近類似信號的變化數(shù)值的信號為一組，其他的作為一個整體。當同一條線路上的裝置全部接收到信號后，筆者便能通過對類似數(shù)據(jù)進行同化或者集中分類，以精確分析電氣設備的運行數(shù)據(jù)，從而有效減少相同數(shù)據(jù)在傳輸過程中的疊加次數(shù)，進而實現(xiàn)電氣設備的調(diào)速驅(qū)動。

（二）基于現(xiàn)場總線技術的智能控制變頻傳動

在一般情況下，控制系統(tǒng)可利用現(xiàn)場總線技術來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的MCC（電機控制中心）可以直接對需要調(diào)速的設備進行變頻控制。其間，其通常會將全部的數(shù)字變頻調(diào)速裝置與流水線相連接，并在現(xiàn)場總線與基本設備連接后，對轉(zhuǎn)換后的信號進行數(shù)據(jù)通信。[2]

此外，考慮到大多數(shù)電氣設備在生產(chǎn)和運行過程中會承受較大的負荷，筆者統(tǒng)一調(diào)控了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速能力，并將每一次的加載倍數(shù)控制在2.0；當負荷低于200%時，適當延長同線路設備切換操作的時間。

筆者通過分析不同模擬傳送信號在電動機工作時的轉(zhuǎn)速，進一步了解了設備運行過程中存在的問題，并對設備變頻器的工作頻率進行科學控制。采用硬件聯(lián)機的方式后，筆者對多個模組進行配對，并根據(jù)模擬需要提供相應的頻譜轉(zhuǎn)換能量。隨后筆者發(fā)現(xiàn)，當數(shù)據(jù)交換量較大時，技術人員需要適當增加電纜數(shù)量。此外，為滿足不同控制設備的差異化要求，筆者在較小范圍內(nèi)將電力系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換為模擬策略，并采用現(xiàn)場總線技術對生產(chǎn)工藝中的各種設施設備進行分類、匯總和智能控制。

三、實驗結果與分析

（一）準備工作

為了進一步明確本文所述的智能化控制系統(tǒng)能否在后續(xù)使用過程中有效降低維修成本，筆者決定采取實驗的方法進行驗證和分析。在前期準備階段，筆者決定將各實驗裝置的運行速度作為參數(shù)，然后進行全負載運行實驗。

首先，筆者選取了一條新的生產(chǎn)流程線，并將該實驗線的日常生產(chǎn)量控制在2t 以上，耗電功率控制在45～65kW。同時，該實驗線上的原材料已于2022 年9月全面投入生產(chǎn)，證實了該實驗線具備一定的生產(chǎn)能力。隨后，筆者在開展全負載運行實驗之前，對選定的10組裝置的參數(shù)進行了科學設置，具體內(nèi)容見表1。

表1 10 組實驗裝置參數(shù)設定

表2 不同控制系統(tǒng)下設備日/月運行速率結果對比

在本次實驗中，每三組相鄰設備處于同一條生產(chǎn)線，剩余一組電氣設備單獨處于一條生產(chǎn)線，且該組相對獨立的生產(chǎn)線的產(chǎn)量為其他三條生產(chǎn)線產(chǎn)量的總和。結合表1數(shù)據(jù)可知，受生產(chǎn)線路較長的影響，將OPC 通信設備加入每一個正在運行的電子設備中，可以高效接收來自不同設備發(fā)出的信號。基于此，筆者結合變頻傳動和遠程控制的方式，進一步測試了這10 組設備的運行速率。

（二）實驗結果分析

為了比較在相同操作環(huán)境下常規(guī)集散控制系統(tǒng)與本文設計的控制系統(tǒng)的實際效果，筆者借助MATLAB 軟件驗證了生產(chǎn)模型的可操作性，并測量了實驗線上的設備在日、月兩種周期內(nèi)的運行速率。經(jīng)實驗，筆者發(fā)現(xiàn)，當功率設定為55kW 時，同一生產(chǎn)線路上的設備運行時間相同，且生產(chǎn)效率均滿足當日生產(chǎn)要求。同時，各實驗裝置的可靠性系數(shù)都在99.87以上。這表明，此次實驗所獲取的數(shù)據(jù)具備較高的精準度。在本次實驗中，筆者在相同時刻對上述流水線進行了6 次實驗，相關測試結果如表2 所示。

由表2 可以看出，本文設計的控制系統(tǒng)的設備日運行速率的最大值為98.67%、月運行速率的最大值為97.42%，整體表現(xiàn)明顯優(yōu)于常規(guī)集散控制系統(tǒng)。經(jīng)計算，在同等條件下，本文設計的控制系統(tǒng)的日均運行速率分別為98.63%和97.39%。與常規(guī)集散控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)的日/月平均運行速率分別高出35.36%和37.21%。這表明，本文所設計的新型控制系統(tǒng)可有效提高電氣設備的運行效能，進而實現(xiàn)對電網(wǎng)的科學調(diào)控。

四、結語

綜上所述，本文基于自動化技術探討并設計出一種基于現(xiàn)場總線技術的電氣設備智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)單點在線方式的限制，為降低電氣設備生產(chǎn)和后期維修的工作量、實現(xiàn)精準智能化管控奠定了堅實的基礎。