基于PLC 工程的机械电气设备安全控制系统研究分析

陈鼎淇

（国营长虹机械厂，广西 桂林 541003）

在机械电气设备运行过程中，最常出现的安全问题包括：设备开关安装过程中出现误动操作造成设备运行效果受到影响；设备断路器结构的装配及安装方式不合理，造成设备合闸速度降低，出现触头损坏问题；设备安全保护装置受影响产生拒绝动作；设备中变压器结构保护绝缘层损坏，出现爆炸事故等[1]。当前，PLC 工程的接线端口通常采用可以拆卸的方式，因此能够为相关作业人员在完成PLC 编程后，提供更加有效的维修工作方式[2]。本文结合PLC 工程控制装置，对其控制系统进行优化设计研究。

1 系统硬件设计

为了确保机械电气设备在运行过程中不会出现上述问题，本文在引入PLC 工程的基础上，针对其控制系统进行设计研究。将PLC 工程工业控制装置作为本文控制系统当中的核心硬件，构建如图1 所示的安全控制系统硬件结构图。

图1 安全控制系统硬件结构图

从图1 可以看出本文安全控制系统的硬件结构按照功能可分为三个不同层次[3]。其中站控层主要针对各个机械电气设备应用管理控制站建立，其作用是实现各个控制站通过本文控制系统与设备的连接，依次为运行数据采集和传输提供条件，也为各个设备的控制提供场所。通信控制层为本文系统核心硬件层，其主要设备包括通讯管理机和PLC 工程工业级控制装置。间隔层包含了各类需要进行安全控制的机械电气设备以及用于实现对设备安全控制的保护装置和其他智能装置，为达到理想的安全控制效果。

1.1 PLC 工程工业级控制装置选型

在综合考虑生产厂家、结构分类和使用性能等方面后，选择型号为TSX4956-910 型号PLC 工程工业控制装置，该型号PLC 装置的额定电流为180A，额定电压为350V±15%，壳体防护采用IP56 等级。该型号PLC 装置应用到对机械电气设备的保护当中能够为设备提供多重保护，可实现对机械电气设备的过热保护、输入输出缺相保护、三相不平衡保护、过载保护等共八大保护功能。还具备更高性能的CPU，可满足本文安全控制系统的运行需要[4]。在运行过程中TSX4956-910 型号PLC 装置的电流十分稳定，并且散热能力强，其自身的安全性足以得到保障。在该型号PLC 装置当中还安装了LED 智能显示屏，可方便操作人员通过显示屏直接对设备的运行状态进行查看。

1.2 综保装置选型

综保装置可直接实现对机械电气设备的安全保护，针对设备的运行特点，本文选用型号为AM2-V1750 型号的微机保护装置作为本文系统当中的综保装置[5]。该型号保护装置包含了20 路通道和一个RS485 通讯接口，其中1 路～5 路为交流电流通道；6 路～8 路为电压通道；9 路～16 路为开关量输入通道；17路～20 路为开关量输出通道。表1 为AM2-V1750 型号微机保护装置技术指标参数对照表。

表1 AM2-V1750 型号微机保护装置技术指标参数表

除表1 中该型号微机保护装置技术指标能够充分满足本文控制系统的需要外，其针对电气设备的各类故障问题均能够在装置上标出相应的指标，并在系统监测到机械电气设备存在故障问题时，发出语音报警。在完成对设备的保护后能够保持故障自锁状态，并能够发出相应的语音报警声，以此增加安全控制系统的及时性。

2 系统软件设计

2.1 机械电气设备运行状态判断

由于影响设备运行状态的程度不同，对其造成影响的程度也不同。因此，在遵循状态反应精准度的原则下，对设备运行状态判断因素进行选择[6]。考虑到各个判断因素的重要程度，将其划分为一级判断因素和二级判断因素两类。其中，一级判断因素主要包括机械电气设备运行因素、检修因数和停运因素；二级判断因素主要包括历史检修数据、负载程度、短路断路、操作过压等。考虑到不同因素数据的变化与机械电气设备运行状态之间的关系存在正向和反向两种，因此针对存在正向相关关系的因素得出其运行状态判断依据公式为：

公式（1）中，T 表示为机械电气设备运行状态参数；Pn表示为设备运行过程中的实测数据；P0表示为设备对应指标下的允许值；Pmax表示为设备对应指标下的允许最大值；t 表示为影响程度系数。根据上述公式，计算得出与设备运行状态正向相关的运动状态参数。假设χ 表示为机械电气设备的状态阈值，当T>χ 时，则说明此时被控制的机械电气设备的运行状态为故障运行状态；当T<χ 或T=χ 时，则说明此时被控制的机械电气设备的运行状态为正常运行状态。再针对存在反向相关关系的因素得出其运行状态判断依据公式为：

公式（2）中，T'表示为机械电气设备运行状态参数；Pmin表示为设备对应指标下的允许最小值。根据上述公式（2），计算得出与设备运行状态反向相关的运动状态参数。同样按照上述方式，将计算结果与阈值进行对比，以此实现对机械电气设备运行状态的判断。

2.2 机械电气设备模糊PID 控制

应明确模糊PID 控制属于控制过程中的一种综合控制方法，控制过程的基本思想是基于计算机技术的应用，通过模拟神经元的方式，实现对前端的有效控制，但大多被控对象是需要遵循某种控制原则的，因此，控制的结果具有一定随机性与模糊性[7]。而要在此过程中确保控制行为的有效，应当从信息接口与输入端进行信息的模糊化表达。信息在经过模糊端被传输时，可以推理机将进行信息值的实际化处理，此时后端将调用知识接口进行信息规则的制定，当信息与知识库内某个信息匹配成功后，可直接按照知识库内既定的控制模式，进行控制量的转化，转化后输出控制的实际量，以此作为模糊PID 控制的结果。在控制过程中，其流程可用如下公式表示：

公式（3）中，u（t）表示为模糊PID 控制输出值；K 表示为比例系数；e（t）表示为控制过程中产生的误差值。根据上述公式计算，将其输出结果作为控制参数，实现对机械电气设备的安全控制。但在实际应用中，大部分导入的信息无法与知识库中的内容进行对接，因此，需要对信息进行对接过程中偏差值的分析，通过偏差分析后，得到一个具体的数值P，P 被导入控制器中。此时控制器中的规则将根据实际规则进行参数的在线调整，调整后的参数属于一个模糊量，而执行机构将根据输入模糊量参数进行控制量的求解。可在计算前进行设备运行过程中静态误差的消除，避免静态误差过大造成的设备运行振荡与信号偏差。综合上述分析，实现对机械电气设备的模糊PID 控制，完成本文系统软件功能的开发。

3 两种控制系统应用效果分析

结合本文以上论述，从硬件和软件两方面实现对安全控制系统的理论设计，为了验证该系统的实际应用效果，选择将传统基于FPGA 的控制系统作为对照组，将本文设计系统作为实验组，并通过设置对照条件的方式，对两种控制系统的应用效果进行对比分析。选择将某工业生产企业当中常见的机械电气设备作为研究对象，已知该设备常见的安全故障问题包括过载、堵转等，本文选择将机械电气设备的堵转作为两种控制系统需要进行控制的安区前问题。通过人为方式对机械电气设备进行堵转，并观察两种控制系统的运行情况。为了实现对两种控制系统的对比，选择利用示波器装置对两种系统控制下的机械电气设备运行过程中电流的变化情况进行记录，再利用计时装置对两种控制系统的反应时间记录，并将两组记录的数据结果绘制成表2 所示。

表2 实验组与对照组控制系统应用效果对比表

从表2 记录的数值结果可以看出，实验组控制系统在对设备出现运行堵转安全问题进行控制时，能够确保设备的运行电流始终控制在16.23A 上下波动，并且波动范围不超过±0.02A，而对照组控制系统在对设备出现运行堵转安全问题进行控制时，其电流值发生了较大的变化，设备的运行稳定性没有得到有效保障。从两种控制系统的反应时间可以看出，在发现机械电气设备出现运行堵转的问题时，本文控制系统的反应时间均在25ms 以内，而传统控制系统的反应时间在40ms～60ms 范围内。因此，通过上述实验能够进一步证明，本文设计的安全控制系统在实际应用中能够实现对机械电气设备安全问题的有效控制，在发现设备存在安全问题时，可以在第一时间对其进行合理控制，从而保证设备的稳定运行，避免安全问题对周围及设备本身造成影响。通过实验也能够证明，引入PLC工程工业级控制装置后，控制系统的应用性能得到充分提升，为机械电气设备的运行提供技术条件。

4结论

通过本文上述论述，在明确机械电气设备存在的常见安全问题后，在此基础上对其从硬件和软件两方面进行设计，并提出一种以PLC 工程工业级控制装置为核心结构的安全控制系统。将该安全控制系统与传统基于FPGA 的控制系统进行对比实验，进一步验证了新的控制系统具有更理想的控制效果。将该控制系统应用到对机械电气设备的安全控制当中，能够对设备出现故障的第一时间对其运行状态进行判断，并通过模糊PID 控制对设备安全问题进行处理，以此确保设备始终保持稳定的状态运行。但由于研究能力有限，本文提出的控制系统在实际应用中虽然能够提高设备的运行稳定性，但在控制过程中，系统需要完成较多的计算操作任务，因此控制效率还需要进一步优化。在后续的研究中将把这一问题作为重点研究方向，从而不断提高控制系统的应用性能。