PLC在農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張新軍

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000）

1 PLC在農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

1.1 保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主體模塊、顯示模塊和主體擴(kuò)展模塊[1]三部分構(gòu)成。另外，控制器是農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的必選部分，主要作用是測(cè)量電流、控制電機(jī)運(yùn)行、保護(hù)電機(jī)工作。顯示模塊與主體擴(kuò)展模塊是可選模塊。顯示模塊不僅能夠顯示出多種信息，例如控制器故障、測(cè)量結(jié)果以及報(bào)警，還能修改保護(hù)定值、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、控制電機(jī)運(yùn)行等。主體擴(kuò)展模塊可以測(cè)量電路電壓。

1.2 PLC模塊設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的核心控制部分是PLC模塊，由超聲波測(cè)量設(shè)備、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、PLC控制器、預(yù)警、按鍵、編碼器等硬件構(gòu)成[2]。PLC控制器可直接獲取開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并且獲取和傳遞數(shù)字信號(hào)，同時(shí)接收傳感器轉(zhuǎn)換以后的信號(hào)。PLC控制器直接控制電機(jī)的運(yùn)行與停止。控制功能可以控制電機(jī)的啟動(dòng)方式、行為，還可及時(shí)停止農(nóng)業(yè)電機(jī)作業(yè)，保障安全，快速排查故障。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量工作的軟件設(shè)計(jì)。通常情況下，農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)器在測(cè)量出電路的電流電壓數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)實(shí)施一些常規(guī)量保護(hù)，比如記錄5條故障信息，處理電路中常見(jiàn)的欠壓、過(guò)壓、欠流、過(guò)流等問(wèn)題[3]。在設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)軟件的過(guò)程中，根據(jù)檢測(cè)到的結(jié)果MCU及時(shí)更新寄存器信息，再計(jì)算出保護(hù)數(shù)據(jù)、分析故障情況、采取保護(hù)措施，最后顯示在HMI或上位機(jī)。

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊軟件設(shè)計(jì)。在遠(yuǎn)程通訊軟件中，把保護(hù)器設(shè)為MODBUS的從機(jī)，時(shí)刻記錄電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)或控制命令的信息，并將具體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)設(shè)定的寄存器中。工業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議逐漸增多，例如MODBUS、ETHERNET、UART等協(xié)議。其中MODBUS協(xié)議為通訊協(xié)議，應(yīng)用于OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用層，能夠完成控制器和控制器之間的通訊，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使PLC控制器與其他設(shè)備通信。雖然每個(gè)廠家生產(chǎn)出來(lái)的控制設(shè)備型號(hào)不一致，但在MODBUS協(xié)議的引導(dǎo)下已經(jīng)構(gòu)建成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控。同時(shí)，MODBUS協(xié)議設(shè)置了統(tǒng)一的消息結(jié)構(gòu)，便于農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品間交換請(qǐng)求數(shù)據(jù)、偵測(cè)錯(cuò)誤的記錄數(shù)據(jù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)等。

1.4 功能設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量功能設(shè)計(jì)。保護(hù)系統(tǒng)需要測(cè)量接地故障電流、線電流、線間電壓、功率、損耗、電機(jī)溫度傳感器等多種信息[4]。一切保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量到的數(shù)據(jù)均需要儲(chǔ)存在指定的寄存器中，可被用于計(jì)算是否需要做出保護(hù)。電機(jī)電壓參數(shù)由系統(tǒng)擴(kuò)展模塊測(cè)量。電壓測(cè)量項(xiàng)主要有相電壓、電壓負(fù)載脫落以及欠壓過(guò)壓。電流測(cè)量項(xiàng)主要有相電流、長(zhǎng)時(shí)間啟動(dòng)、短周期循環(huán)、超溫過(guò)載、地漏電流、欠載或過(guò)載電流等內(nèi)容。功率測(cè)量項(xiàng)主要有低或高功率因素、欠功率與過(guò)功率。

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)功能設(shè)計(jì)。農(nóng)業(yè)智能電機(jī)主要通過(guò)PLC控制器發(fā)揮保護(hù)作用，檢測(cè)整個(gè)電路的電壓和電流，計(jì)算各種保護(hù)閾值[5]。若系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài)，則說(shuō)明某一處的電壓或電流或其他保護(hù)參數(shù)值已經(jīng)超出了事先設(shè)定的范圍。在這種情況下，PLC控制器會(huì)在控制面板上顯示故障信號(hào)提示用戶(hù)，并關(guān)閉輸出繼電器，使農(nóng)業(yè)電機(jī)處于停止運(yùn)行狀態(tài)。電壓保護(hù)功能主要表現(xiàn)為電壓缺相保護(hù)、電壓相不平衡保護(hù)、自動(dòng)重啟（降壓管理）等。電流保護(hù)功能最主要是在發(fā)生電流反相、長(zhǎng)啟動(dòng)、過(guò)頻啟動(dòng)、電流缺相等問(wèn)題后，能夠有效保護(hù)系統(tǒng)及機(jī)器。功率保護(hù)功能主要為過(guò)功率或欠功率因素保護(hù)、過(guò)功率或欠功率保護(hù)。熱保護(hù)功能主要為定時(shí)限熱保護(hù)、反時(shí)限熱保護(hù)等。

農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)。保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制，控制電機(jī)的操作方式、運(yùn)行模式、解決故障等。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)由PLC控制器顯示、控制與保護(hù)，確保電機(jī)可做出準(zhǔn)備、運(yùn)行、啟動(dòng)及報(bào)警狀態(tài)。運(yùn)行模式有雙步、過(guò)載、雙速、可逆形式、正轉(zhuǎn)獨(dú)立形式5種特定模式，與用戶(hù)自由編寫(xiě)邏輯控制輸出模式?？刂颇Ｊ焦灿?種，分別是人機(jī)操作控制、本地端口控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。處理故障的方式有手動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)復(fù)位、遠(yuǎn)程復(fù)位等。

2 試驗(yàn)分析

2.1 FMEA風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)

FMEA風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)需要分析每項(xiàng)農(nóng)業(yè)電機(jī)作業(yè)有可能產(chǎn)生的故障情況，并預(yù)測(cè)故障將對(duì)系統(tǒng)造成的影響。每種故障分類(lèi)可依據(jù)嚴(yán)重程度、出現(xiàn)頻率、檢測(cè)與修復(fù)的難易程度等情況進(jìn)行劃分。容錯(cuò)性質(zhì)表示部分組件會(huì)使系統(tǒng)在故障中繼續(xù)正常運(yùn)行。保護(hù)系統(tǒng)可設(shè)置軟件機(jī)制或增加硬件設(shè)備，檢測(cè)可能產(chǎn)生異常的固件，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保障系統(tǒng)安全。系統(tǒng)內(nèi)在固件產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或指令，將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)智能電機(jī)出現(xiàn)異常行為。因此，F(xiàn)MEA風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)需要對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，判斷失效模式和異常行為，預(yù)測(cè)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響并制定檢測(cè)機(jī)制與解決方案。

2.2 邏輯應(yīng)用測(cè)試

通過(guò)實(shí)際操作檢驗(yàn)保護(hù)系統(tǒng)的邏輯情況，重點(diǎn)測(cè)試邏輯文件能否有效控制農(nóng)業(yè)智能電機(jī)的行為，并判斷系統(tǒng)是否與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。第1項(xiàng)測(cè)試是FALLBACK模式測(cè)試，電機(jī)失去信號(hào)后會(huì)有4種運(yùn)行模式，分別是HOLD、ON_OFF、OFF_ON、ON，通過(guò)獨(dú)立檢測(cè)發(fā)現(xiàn)電機(jī)行為與預(yù)期一致，表明系統(tǒng)FALLBACK能有效發(fā)揮控制功能。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。第2項(xiàng)測(cè)試是電壓跌落測(cè)試。系統(tǒng)瞬間啟動(dòng)恢復(fù)的時(shí)間范圍在0～0.4 s，在電機(jī)突然掉電并持續(xù)運(yùn)行時(shí)，如果電壓可以在設(shè)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，那么電機(jī)能夠立刻啟動(dòng)運(yùn)行。具體延時(shí)恢復(fù)啟動(dòng)的時(shí)間范圍在0～300 s，重啟時(shí)間范圍是0～9 999 s。當(dāng)農(nóng)業(yè)智能電機(jī)在運(yùn)行中突然掉電并依然保持運(yùn)行時(shí)，若電壓在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)能夠恢復(fù)，那么電機(jī)會(huì)在規(guī)定重啟時(shí)間后啟動(dòng)。若電壓沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)恢復(fù)，那么系統(tǒng)啟動(dòng)模式將轉(zhuǎn)換為手動(dòng)重啟，人為的啟動(dòng)電機(jī)。第3項(xiàng)測(cè)試是遠(yuǎn)程測(cè)試與本地測(cè)試。系統(tǒng)在遠(yuǎn)程模式下，若產(chǎn)品接線端口生效且啟動(dòng)鍵無(wú)法發(fā)揮作用，那么可以通過(guò)停止鍵終止電機(jī)運(yùn)行。在本地模式下，當(dāng)遠(yuǎn)程寄存器難以控制電機(jī)時(shí)，接線端口與HMI依然可以發(fā)揮作用。第四項(xiàng)測(cè)試是故障檢測(cè)。系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后，農(nóng)業(yè)智能電機(jī)1將直接進(jìn)入停止運(yùn)行模式，農(nóng)業(yè)智能電機(jī)2作為備用設(shè)備繼續(xù)執(zhí)行命令。當(dāng)用戶(hù)發(fā)出人為指令“復(fù)位”時(shí)，電機(jī)中的故障信息被消除并恢復(fù)系統(tǒng)的原本運(yùn)行模式，直到下一個(gè)出現(xiàn)故障并停機(jī)時(shí)。

表1 FALLBACK模式測(cè)試Tab.1 The FALLBACK mode test

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)PLC在農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，本文提出了完整有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測(cè)用例以及測(cè)試結(jié)果。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行需求，文章對(duì)PLC在農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的總體結(jié)構(gòu)、模塊、軟件及功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出可執(zhí)行具有可行性的設(shè)計(jì)方案。此外，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FMEA風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)和邏輯應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)镻LC在農(nóng)業(yè)智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的可靠運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作且在農(nóng)業(yè)智能電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中可以做到靈活可變。