基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

徐 洋，李蓮英，曹 倩

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院 河南 許昌 461000）

0 引言

將人工智能技術(shù)引入到電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用中，可有效地解決傳統(tǒng)模式下電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的控制難題，從而顯著地提高系統(tǒng)的總體運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。 人工智能技術(shù)是一種智能化、信息化的創(chuàng)新技術(shù)手段，能夠?qū)Ａ康臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行集成處理，最短時(shí)間內(nèi)挖掘數(shù)據(jù)中的有效信息，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率和質(zhì)量。

人工智能技術(shù)還包括機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、影像處理等多樣化技術(shù)形式，具有較強(qiáng)的綜合性。 利用人工智能技術(shù)，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)能夠逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、實(shí)踐認(rèn)知等功能，并受人工智能核算算法的驅(qū)動(dòng)，使其在實(shí)際工作中能夠模仿“人腦”進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算等，并根據(jù)指令做出相應(yīng)操作。 人工智能技術(shù)可快速、高效地處理系統(tǒng)內(nèi)的海量數(shù)據(jù)信息，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析、處理，從而縮短作業(yè)的時(shí)間，提高整體的工作效率。

1 人工智能技術(shù)概述及其在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 人工智能技術(shù)概述

人工智能技術(shù)是將計(jì)算機(jī)，通信等數(shù)字化技術(shù)相融合，通過(guò)核心算法讓機(jī)器設(shè)備成功模仿人類行為的一種技術(shù)手段。 隨著我國(guó)科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，人工智能技術(shù)已廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中。

將人工智能技術(shù)引入電氣自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，不僅能夠有效縮短工作時(shí)長(zhǎng)，提升工作效率和品質(zhì)，而且還能增加系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。 因此，相較于傳統(tǒng)模式下的單一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，人工智能技術(shù)的加入，能夠更加高效、精準(zhǔn)地獲取系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)線的工作效率，從而顯著增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益［1］。

1.2 人工智能技術(shù)在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.2.1 降低系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)難度

將人工智能技術(shù)引入電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，人工智能控制指令的發(fā)出是基于已完成的協(xié)議封裝軟件，該運(yùn)行模式在一定程度上顯著降低系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)難度。 系統(tǒng)運(yùn)行人員在操作過(guò)程中需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將不同類型的組件進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的成功傳輸。 隨著人工智能技術(shù)的加入，該運(yùn)行模式不再單純依賴于人工操作，而僅需通過(guò)已建立的軟件系統(tǒng)就能夠?qū)⒖刂浦噶顐鬏斨辽a(chǎn)線，極大地提升電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作效率。

1.2.2 提升系統(tǒng)操作精準(zhǔn)程度

在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)，能提升系統(tǒng)操作的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全方面掃描，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度挖掘，減少系統(tǒng)運(yùn)行的失誤率，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.3 增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

人工智能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用是以計(jì)算機(jī)技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)等智能化技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，人工智能技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到越來(lái)越多的領(lǐng)域，其中電氣自動(dòng)化行業(yè)也逐步引入人工智能技術(shù)。 將人工智能技術(shù)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，能夠增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)安全地運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，電氣自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域工作人員也可借助人工智能技術(shù)的周期性優(yōu)勢(shì)，定期對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢修，降低人工成本，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期。

2 基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

電氣自動(dòng)化具有較為復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)，涉及多層面知識(shí)體系，例如，在電氣自動(dòng)化的設(shè)備操作處理方面，要求相關(guān)人員需具備良好的綜合素質(zhì)和完備的專業(yè)技能知識(shí)，同時(shí)要求程序人員必須具備過(guò)硬的專業(yè)技術(shù)能力，需涉獵自動(dòng)化系統(tǒng)方面的專業(yè)理論知識(shí)，進(jìn)入生產(chǎn)線展開實(shí)際的操作，真正了解在生產(chǎn)環(huán)節(jié)易出現(xiàn)操作失誤的步驟，并提出改進(jìn)意見。 將人工智能技術(shù)引入電氣自動(dòng)化系統(tǒng)操作運(yùn)行中，以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行程序編輯，從而在滿足系統(tǒng)基本需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能化控制，降低人工成本，提高工作效率和質(zhì)量。

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)屬于模塊化結(jié)構(gòu)，是由若干電氣元器件組合形成，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)或某些對(duì)象的有效控制，從而確保被控設(shè)備能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，主要功能包括自動(dòng)控制、保護(hù)、監(jiān)測(cè)和測(cè)量等。 在實(shí)際的電氣作業(yè)管理過(guò)程中，工作人員利用數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域范圍轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)的管控，以此保證電網(wǎng)工作的穩(wěn)定性。 基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電氣控制等模塊，在根本上改變電氣自動(dòng)控制的整體水平，并提高電氣控制的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化運(yùn)行和管理。

2.2 基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

將人工智能技術(shù)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)中，將電氣控制管理平臺(tái)與數(shù)據(jù)終端建立聯(lián)系，通過(guò)人工智能技術(shù)采集數(shù)據(jù)信息，并將獲取的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至終端設(shè)備的儀表內(nèi)，使得設(shè)備儀表可根據(jù)數(shù)據(jù)信息，在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)內(nèi)部的元器件進(jìn)行相應(yīng)程序配置，并及時(shí)投入生產(chǎn)運(yùn)行中。 通過(guò)系統(tǒng)終端控制軟件及各硬件設(shè)備，采集獲取整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各元器件涉及的運(yùn)行環(huán)境及參數(shù)等信息，并將獲取的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和匯總，一旦系統(tǒng)遇到突發(fā)問(wèn)題，可在第一時(shí)間根據(jù)已獲取的數(shù)據(jù)情況提供應(yīng)對(duì)措施，極大地縮短系統(tǒng)處理突發(fā)問(wèn)題的時(shí)間［2］。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸作為雙向的傳輸過(guò)程，主要利用系統(tǒng)相關(guān)軟件及終端設(shè)備，完成電氣作業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。 其中數(shù)據(jù)管控中心作為數(shù)據(jù)信息運(yùn)行的終端環(huán)節(jié)，其核心任務(wù)是管理和傳輸數(shù)據(jù)。 在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，還會(huì)涉及傳輸時(shí)應(yīng)用的光纜、電纜等，在實(shí)際操作過(guò)程中根據(jù)終端間的距離、設(shè)備參數(shù)類型等，會(huì)匹配最佳的數(shù)據(jù)傳輸模式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。 在此基礎(chǔ)上，電氣系統(tǒng)內(nèi)涉及的全部控制裝置，均需設(shè)置相應(yīng)的控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、電源模塊等，從而保證系統(tǒng)間各模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行［3］。 將人工智能技術(shù)引入到數(shù)據(jù)傳輸模塊的信息分析過(guò)程，其作為系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)管的重要環(huán)節(jié)，需要通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)分析并將獲取的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效挖掘，最終將有效的數(shù)據(jù)傳輸至終端，具體流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.2.3 電氣控制模塊設(shè)計(jì)

在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，將人工智能技術(shù)引入電氣控制模塊的操作運(yùn)行中，能夠顯著提高控制模塊的運(yùn)行速率，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 在電氣控制模塊的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，其將應(yīng)用人工智能的模糊控制技術(shù)，主要是基于模糊數(shù)據(jù)理論集、語(yǔ)言變量及邏輯推理，從行為上模仿“人類”推理和決策的控制形式，通過(guò)模糊控制裝置對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的管控對(duì)象進(jìn)行控制的過(guò)程，模糊控制程序如圖2 所示。

圖2 模糊控制程序圖

2.2.4 系統(tǒng)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控模塊而言，是指在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)加入人工智能、大數(shù)據(jù)等智能化信息技術(shù)手段，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 人工智能化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)圖3 可知，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)將內(nèi)部包含的每個(gè)基站作為一個(gè)獨(dú)立的子站，在每個(gè)獨(dú)立子站上設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)管及控制設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)每個(gè)子站的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 與此同時(shí)，獨(dú)立的子站還能夠?qū)@取的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)操作平臺(tái)，當(dāng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)成功接收到子站發(fā)送的數(shù)據(jù)信息時(shí)，將在第一時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合外部的環(huán)境因素，對(duì)數(shù)據(jù)中有效信息進(jìn)行更加深入的挖掘。 此時(shí)，人工智能化監(jiān)控平臺(tái)將進(jìn)一步根據(jù)數(shù)據(jù)的操作運(yùn)行結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)子站傳輸指令，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化管理［4］。

2.2.5 信息通信模塊設(shè)計(jì)

信息通信模塊，是電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成結(jié)構(gòu)之一，也是保證數(shù)據(jù)信息通信的“要塞”，在進(jìn)行信息通信時(shí)，需要確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和精準(zhǔn)性，一旦數(shù)據(jù)發(fā)生任何偏差，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重后果。 由于系統(tǒng)內(nèi)部包括較多的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，若想提高數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率，就需全面掌握數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)際情況，從而為其匹配最佳的數(shù)據(jù)傳輸模式。 現(xiàn)階段，使用最多的信息通信模式就是“有線＋無(wú)線”的相互融合，能夠達(dá)到最佳效果。 相比而言，高速智能化的信息通信傳輸模式，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠根據(jù)實(shí)際情況自主匹配最佳的傳輸路徑，并還可以進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行概況的自主上報(bào)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)檢索等，一般應(yīng)用至具有較高要求的配電終端設(shè)備上，但劣勢(shì)是價(jià)格高昂。

當(dāng)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的主線程將對(duì)串行口進(jìn)行初始化運(yùn)行，并通過(guò)系統(tǒng)的通信線程完成數(shù)據(jù)串行接口的監(jiān)控任務(wù)，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，數(shù)據(jù)的通信線程將會(huì)在第一時(shí)間將獲取的緊急事件傳遞到主線程，此時(shí)系統(tǒng)的主線程根據(jù)事件的具體情況展開串行口的讀寫操作，串行通信流程如圖4 所示。

圖4 串行通信流程圖

主線程與數(shù)據(jù)通信線程間，主要是通過(guò)信息通信模塊進(jìn)行連接，若系統(tǒng)默認(rèn)主線程不需再接收相關(guān)的數(shù)據(jù)信息時(shí)，此時(shí)需及時(shí)將其相匹配的串口監(jiān)控線程撤銷。 在實(shí)際信息通信過(guò)程中，其是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的中心站點(diǎn)對(duì)從屬站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的輪詢操作，當(dāng)從屬站點(diǎn)成功接收到中心站點(diǎn)發(fā)出的指令時(shí)，此時(shí)從屬站點(diǎn)根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行。 依托該運(yùn)行模式，最終形成分布式的電氣監(jiān)控系統(tǒng)［5］。

3 基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用分析

在基于人工智能的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，以某電廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)分散型控制系統(tǒng)，內(nèi)部包含1 個(gè)中心數(shù)據(jù)控制站、5 個(gè)工作操作站、5個(gè)數(shù)據(jù)處理中心。 其中信息通信模式選擇工業(yè)Ethernet，優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用范疇廣、成本低廉、運(yùn)行速率快等，極大地滿足1 Gbit／s 的數(shù)據(jù)信息傳輸速率、具有較為豐富的軟硬件系統(tǒng)資源，顯著提高系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)行的速率，便于與系統(tǒng)的Internet 進(jìn)行連接，從而在一定程度上滿足自動(dòng)化作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)控制需求。

實(shí)際上，采用工業(yè)模式的Ethernet，不僅是基于電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，而且還是為了便于整個(gè)電力儀表的管理和監(jiān)控，使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10 Mbps。 對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的I／O 點(diǎn)而言，主要包括發(fā)電機(jī)組、生產(chǎn)線、低壓電設(shè)備系統(tǒng)等，在生產(chǎn)運(yùn)行的全部過(guò)程中均處于監(jiān)控狀態(tài)，其中分散型控制系統(tǒng)總設(shè)計(jì)的I／O 點(diǎn)包括2 303 個(gè)，系統(tǒng)可容納的實(shí)際量為3 100 個(gè)，I／O 點(diǎn)數(shù)的具體分布情況如表1 所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)I／O 點(diǎn)數(shù)的分布 個(gè)

在此，將選用AS417－4－2H 型控制裝置，主要包括數(shù)據(jù)采集、事故報(bào)警、操作控制、系統(tǒng)維護(hù)等功能。 在系統(tǒng)的功能模塊運(yùn)行過(guò)程中，使用者可根據(jù)自己的編程模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自主動(dòng)態(tài)的操作運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)“無(wú)存儲(chǔ)”區(qū)域的邏輯編程。 將系統(tǒng)內(nèi)部的臨時(shí)功能數(shù)據(jù)參量存儲(chǔ)于局部數(shù)據(jù)模塊內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)參量的程序功能執(zhí)行完畢后，可將相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行丟失處理。 此時(shí)，在系統(tǒng)的功能模塊內(nèi)還設(shè)計(jì)了一個(gè)具有存儲(chǔ)功能的程序塊，也就是后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊。該存儲(chǔ)裝置可保存與主模塊相關(guān)的功能數(shù)據(jù)參量，同時(shí)可存儲(chǔ)功能程序中運(yùn)行的靜態(tài)變量參數(shù)，當(dāng)每次系統(tǒng)發(fā)出調(diào)用指令時(shí)，分配相應(yīng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，以便于傳輸系統(tǒng)的電力儀表參數(shù)。 通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況可知，能夠滿足實(shí)際需求，達(dá)到自動(dòng)化控制各項(xiàng)設(shè)備的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將人工智能技術(shù)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊都能高效運(yùn)行，不僅在一定程度上使傳統(tǒng)模式下的機(jī)械化電氣系統(tǒng)得到較大的完善，而且還能夠建立人工作業(yè)危險(xiǎn)性，保證工作人員的生命安全，提高生產(chǎn)線的整體工作效率和質(zhì)量。 在未來(lái)的發(fā)展進(jìn)程中，人工智能技術(shù)是發(fā)展的主流趨勢(shì)，希望各個(gè)電氣領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)對(duì)人工智能技術(shù)的重視程度，不斷引入專業(yè)的技術(shù)型人才和設(shè)備，創(chuàng)新工藝，使其在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。