王 進，王 笑，韓晨霞

(神木職業(yè)技術學院，陜西 神木 719300)

0 引言

隨著我國工業(yè)生產水平的進步，工業(yè)技術發(fā)展越來越迅速，不斷提升了工業(yè)生產的效率[1-2]。其中，機械設備的使用是提升工作效率的關鍵。但由于生產流程復雜，機械設備電氣安全問題易出現。電氣自動化控制作為技術門類眾多的綜合性技術，是檢測機械設備電氣安全、確保設備正常運行的關鍵環(huán)節(jié)。為此，該領域研究者針對機械設備電氣安全控制進行了很多研究，并取得了一定成果。文獻[3]提出帶有量化的信息物理系統安全控制；文獻[4]提出面向惡意攻擊的安全穩(wěn)定控制系統信息物理協調防御方法；文獻[5]提出馬爾可夫信息物理系統拒絕服務攻擊安全控制方法。由于上述方法未能在安全控制前依據預防控制結果制定安全控制原則，導致上述方法在開展安全控制時，機械設備的電壓裕度值高、線路容載越限程度高以及控制時間長，存在一定局限性。

為解決上述安全控制方法中存在的問題，提出基于PLC的機械設備電氣安全控制方法。

1 機械設備電氣安全控制模型

1.1 機械設備電氣安全控制指標確定

1.1.1 獲取設備裕度目標

依據機械設備發(fā)生故障時的負荷轉供能力的大小，確定機械設備裕度[6]目標函數，表示為

(1)

minfy為建立的最小裕度目標函數；Qfh為機械設備的電氣負荷容量；ΔQmin為設備中供電路徑最小裕度。

計算過程中，設備供電路徑最小裕度值若為非正數值，則可將其設定為最小正數，以此對目標函數實施懲罰，從而確定函數最優(yōu)解。

對機械設備來說，裕度目標函數值越小，說明設備負荷與ΔQmin之間對比值越小，設備路徑的均衡化程度越高。

1.1.2 電壓目標函數

機械設備的電壓水平是反映設備電氣傳輸質量安全的重要環(huán)節(jié)。在預防控制時，需要將機械設備[7-8]電壓穩(wěn)定較高水平上，并設定相關電壓閾值區(qū)間對其進行約束，過程表示為

(2)

Usx為機械設備的最高電壓閾值；Udx為機械設備的最低電壓閾值；minfdy為建立的電壓目標函數。

機械設備在預防控制時，若電壓出現越界現象，將上式中的分母調節(jié)為極小正數，以此對電壓目標值實施懲罰，擴大電壓目標值，削弱目標競爭力。

1.1.3 機械設備損耗目標

基于上述分析結果可知，機械設備在預防控制時，不僅要保障設備電氣的安全性，同時還要保障設備經濟運行，由此可制定機械設備有功損耗目標，并將其作為機械設備預防控制目標，過程表示為

minfsh=minPsh

(3)

minfsh為機械設備的有功損耗目標函數；Psh為設備有功損耗。

1.1.4 目標整合

基于上述獲取的機械設備各項目標函數值，整合獲取機械設備預防控制[9]的綜合目標函數，過程表示為

minfzh=min(ζfsh+υfy+ωfdy)

(4)

minfzh為整合目標函數；ζ、υ、ω分別為各個目標函數的權重向量值。

1.1.5 機械設備電氣出力極限計算

機械設備安全風險指標獲取過程表示為

αfx=yi0×Psh

(5)

αfx為機械設備安全風險指標;yi0為相移裕度。依據上述計算結果對機械設備的預估故障嚴重程度進行排序，電氣安全風險[10]系數越小，說明機械設備可能出現的故障就越嚴重。

機械設備發(fā)電機節(jié)點出力的比例系數為

(6)

φi為獲取機械設備發(fā)電機節(jié)點出力的比例系數；hi為發(fā)電機節(jié)點；m為總數量；zhi為預防控制指標向量；ΔmaxPyg為機械設備的最大有功出力。通過式(6)計算結果，獲取設備最佳有功出力極限，即

[Pgli+φiΔmaxPyg,Pgli+φiΔminPyg]

(7)

φiΔmaxPyg、φiΔminPyg分別為機械設備的極限有功出力；Pgli為機械設備i部分的極限發(fā)電功率。

1.2 機械設備電氣控制模型設計

依據上述獲取的各項指標，建立機械設備的預防控制模型，表達式為

(8)

δm為機械設備預防控制模型；min[fzh(x0,x)]為預防控制方程。最后通過控制方程求解，實現機械設備的預防控制,控制流程如下所述：

a.提取機械設備電氣安全運行指標，獲取機械設備出力極限，分析機械設備故障模式。

b.計算預估故障風險指標系數，剔除干擾程度較低的故障數據。

c.計算機械設備電機節(jié)點以及參與的指標，確定電機組合出力比例。

d.依據機械設備出力極限以及各項目標函數建立機械設備安全控制模型。

e.對模型方程進行求解，依據模型求解結果實現機械設備電氣控制，提高設備電氣安全控制。

2 基于PLC的安全控制實現

在上述設計的機械設備電氣安全控制模型基礎上，為提升機械設備電氣安全，引入PLC單值模型，完成機械設備電氣安全控制。

設定待控制對象的單值模型卷積方程式為

(9)

νi(i=1，…，M)為設備時間脈沖系數；γ(k)為卷積系數；M為脈沖數量；a(k)為常數項；j(k)為設備卷積方程。機械設備輸出結果為

(10)

由于單值模型預測輸出值與時間設備電氣輸出之間存在誤差，需要依據模型實際預測誤差校正處理，獲取機械設備待控制對象的第l步預測輸出，過程為

jl(k+l)=jn(k+l)+σ[j(k)-jn(k)]

(11)

jl(k+l)為機械設備的電氣閉環(huán)輸出；jn(k+l)為開環(huán)輸出值；σ為機械設備電氣實際預測值。

依據上述結果獲取機械設備電氣安全控制加權性能指標[11-13]，得

(12)

δτ為機械設備的電氣加權控制指標；ε為性能參數；η為加權系數；r2(k)為設備加權項。

依據上述PLC單值模型[14-15]進行機械設備電氣安全控制時，在k時刻改變模型控制量，可完成機械設備的電氣安全控制。

在此基礎上，獲取設備階躍響應時間，以此實現機械設備的電氣安全控制，即

T(s)=(K/G+1)·λ-ιs

(13)

T(s)為控制器的傳遞函數；K為機械設備的電氣靜態(tài)增益；ι為滯后時間系數；λ為傳遞系數；G為設備脈沖數量。

3 實驗分析

3.1 實驗方案設計

為驗證上述安全控制方法的整體有效性，需要進行實驗研究。實驗中以某工廠的機械電氣設備為研究對象，對該設備的電氣安全進行有效控制。分別采用基于PLC的機械設備電氣安全控制方法(本文方法)、帶有量化的信息物理系統安全控制(文獻[3]方法)、馬爾可夫信息物理系統拒絕服務攻擊安全控制(文獻[5]方法)進行測試。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 裕度提升效果測試

在樣本機械設備電氣安全控制過程中，電壓裕度值提升結果能夠側面證明控制方法的控制性能。在機械設備電氣安全控制過程中，電壓裕度值越高，說明該安全控制方法的控制性能越差，電壓裕度值越低，說明安全控制方法控制性能越好。采用本文方法、文獻[3]方法以及文獻[5]方法對電氣安全控制時，測試3種方法控制下電壓裕度提升情況，測試結果如圖1所示。

圖1 不同控制方法電壓裕度值測試結果

由圖1可知，電壓節(jié)點幅值的增加會提升電壓裕度值測試結果。本文方法經過安全控制后測試出的電壓裕度值低于文獻[3]方法及文獻[5]方法的電壓裕度值，且能夠在電壓節(jié)點幅值增長至一定規(guī)模時，將電壓裕度值穩(wěn)定在固定范圍內。這主要是由于本文方法在機械電氣安全控制前，設置控制模型，能夠有效控制電壓裕度的提升范圍。

3.2.2 越限情況測試

隨機選定1組機械設備，設定該設備線路極限容載量為208 A，測試3種控制方法控制后線路超限情況，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，測試次數增加會提升線路的容載量。本文方法在測試線路容載時，測試出的容載量位于固定極限容載范圍內，而文獻[5]方法在測試次數為300時，線路容載就超出極限容載量，文獻[3]方法也在測試次數為400時，超出極限容載。由此可知，本文方法在安全控制時，能夠將設備的線路容載固定在極限容載范圍內，說明該控制方法的控制性能優(yōu)于其他2種控制方法。

圖2 不同控制方法線路越載情況測試結果

3.2.3 控制時間測試

在安全控制過程中，控制時間越短，說明控制效果越好，反之則越差。測試上述3種控制方法的安全控制時間，測試結果如表1所示。

表1 不同控制方法的控制時間測試結果

由表1可知，隨著電壓節(jié)點數量的不斷增加，3種算法的安全控制時間均呈直線上升趨勢，其中，本文算法安全控制時間在3種控制方法中最低。由此可證明，本文算法受到設備電壓節(jié)點數量的影響比較小，安全控制方法具備有效性。

4 結束語

隨著機械設備構造越來越復雜，機械設備的電氣安全控制變得愈加重要。針對傳統電氣安全控制方法中存在的問題，提出基于PLC的機械設備電氣安全控制方法。該方法依據設備控制指標構建電氣安全控制模型，并依據PLC單值模型完成控制器設計，實現機械設備的電氣安全控制。實驗結果表明，采用本文方法可有效提升機械設備的電氣安全性。