電氣工程及其自動(dòng)化的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

張龍

【摘 要】如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關(guān)的工程行為，隨著科技的發(fā)展，電氣工程及其自動(dòng)化的應(yīng)用越來越廣泛。要根據(jù)科學(xué)合理的原則與思想來進(jìn)行電氣工程及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】電氣工程；自動(dòng)化；應(yīng)用；設(shè)計(jì)

電氣工程是現(xiàn)代科技領(lǐng)域核心學(xué)科之一，傳統(tǒng)的電氣工程定義為用于創(chuàng)造產(chǎn)生電氣與電子系統(tǒng)的有關(guān)學(xué)科的總和。21世紀(jì)的電氣工程概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這一范疇，如今電氣工程涵蓋了幾乎所有與電子、光子有關(guān)的工程行為。電氣工程的發(fā)展程度直接體現(xiàn)了國(guó)家的科技進(jìn)步水平，因此，電氣工程的教育和科研在發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)中始終占據(jù)重要地位。

一、電氣工程及其自動(dòng)化的應(yīng)用

與電氣工程及其自動(dòng)化相關(guān)的產(chǎn)業(yè)主要有電力工業(yè)、電氣裝備制造業(yè)以及幾乎所有使用電力的行業(yè)，電氣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也主要集中在這些行業(yè)。但隨著科技的發(fā)展，電氣工程及其自動(dòng)化的應(yīng)用越來越廣泛。

（一）可再生能源技術(shù)

1995年全球可再生能源僅占一次能源的18%，預(yù)測(cè)到2050年可再生能源要占一次能源的22%，21世紀(jì)，光伏技術(shù)、風(fēng)電技術(shù)、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)等得到了快速發(fā)展。下面著重介紹人類的未來能源——?dú)淠?。科學(xué)家們一直致力于研究把氫能作為人類未來的能源，氫能有其他能源無與倫比的優(yōu)勢(shì)：

1.清潔。其反應(yīng)后的生成物為水和氮化氫，對(duì)環(huán)境沒有污染。

2.儲(chǔ)量豐富。地球上的海水所含的氫用來發(fā)電就夠人類用數(shù)億年。

3.熱值高。單位重量的發(fā)熱量叫熱值，氫的熱值是汽油的3倍，煤炭的4倍?，F(xiàn)在世界上很多國(guó)家正在斥巨資研究這一能源，但目前還處在實(shí)驗(yàn)室階段，距工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。

（二）輸電信技術(shù)

超導(dǎo)技術(shù)在電氣工程中的廣泛應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢(shì)。

1.超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。將電能轉(zhuǎn)換為電磁能，利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存起來。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)是除電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之外的又一儲(chǔ)能系統(tǒng)，其使用將提高電網(wǎng)的安全性。

2.超導(dǎo)故障限流器。利用超導(dǎo)體超導(dǎo)與正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)變特性，快速限制電力系統(tǒng)故障短路電流，保障電網(wǎng)安全。

3.超導(dǎo)大容量電纜?？纱蟠蠼档洼旊娺^程中的電耗，提高能源效率。

靈活交流輸電技術(shù)（FACTS）。用大功率電子器實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)、功率、相位角等的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和輸電過程中的能耗。

（三）高速磁懸浮列車

磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了列車脫離地面、不帶燃料的“飛行”，德、日兩國(guó)在這方面的技術(shù)領(lǐng)先，最高時(shí)速已達(dá)到每小時(shí)550公里。高速磁懸浮列車是綜合運(yùn)用磁懸浮、低溫超導(dǎo)、計(jì)算機(jī)控制與信息技術(shù)等高新技術(shù)的成果。

（四）建筑

智能化建筑的發(fā)展必然離不開電氣自動(dòng)化。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及數(shù)字電子化科技發(fā)展，高檔智能化建筑無疑已經(jīng)成為當(dāng)今建筑界的主要發(fā)展方向。自然達(dá)到合理利用設(shè)備，在資源方面，人力的節(jié)省就有了建筑設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。智能化建筑內(nèi)有大量的電子設(shè)備與布線系統(tǒng)。這些電子設(shè)備及布線系統(tǒng)一般都屬耐壓等級(jí)低，防干擾要求高，是最怕受到雷擊的部分。智能建筑多屬于一級(jí)負(fù)荷，應(yīng)該設(shè)計(jì)為一級(jí)防雷建筑物，組成具有多層屏蔽的籠形防雷體系。

（五）凈化空調(diào)設(shè)備

凈化空調(diào)系統(tǒng)控制自動(dòng)監(jiān)控裝置，可以設(shè)計(jì)成單個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量、控制系統(tǒng)，也可以設(shè)計(jì)成以數(shù)字計(jì)算機(jī)控制管理的系統(tǒng)。在溫度控制方面，凈化空調(diào)系統(tǒng)采用DDC控制。裝設(shè)在回風(fēng)管的溫度傳感器所檢測(cè)的溫度送往DX一9100，與設(shè)定點(diǎn)比較，用比例加積分、微分運(yùn)算進(jìn)行控制，輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，控制加熱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或冷水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，控制回風(fēng)溫度應(yīng)保持在18～16度之間，從而使得潔凈室溫度符合GMP要求。在濕度控制方面，裝設(shè)在同風(fēng)管內(nèi)的濕度傳感器所檢測(cè)的濕度，送往控制器與設(shè)定濕度比較，用比例加積分運(yùn)算控制，輸出電JK信號(hào)，控制蒸汽電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，控制回風(fēng)濕度應(yīng)該保持在45%～65%之間，這樣潔凈室濕度方能滿足GMP要求。

二、電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則和設(shè)計(jì)思想

（一）設(shè)計(jì)原則

1.最大限度滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電氣控制的要求。生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求是電氣設(shè)計(jì)的依據(jù)，這些要求常常以工作循環(huán)圖、執(zhí)行原件動(dòng)作節(jié)拍表、檢測(cè)元件狀態(tài)表等形式提供，對(duì)于有調(diào)速要求的場(chǎng)合，還應(yīng)給出調(diào)速技術(shù)指標(biāo)。其他如啟動(dòng)，轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、照明、保護(hù)等要求，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需要充分考慮。

2.在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)方案應(yīng)力求簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)。

3.妥善處理機(jī)械與電氣的關(guān)系。很多生產(chǎn)機(jī)械是采用機(jī)電結(jié)合控制方式來實(shí)現(xiàn)控制要求的，要從工藝要求、制造成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、使用維護(hù)方便等方面協(xié)調(diào)處理好二者的關(guān)系。

4.正確合理地選用電器元件。

5.確保使用安全、可靠；

6.制造美觀、使用維護(hù)方便。

（二）設(shè)計(jì)思想

1.集中監(jiān)控方式。

集中監(jiān)控方式不但運(yùn)行維護(hù)方便，控制站的防護(hù)要求也不高，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)也很容易。但由于這種方式是將系統(tǒng)的各個(gè)功能集中到一個(gè)處理器進(jìn)行處理，所以處理器的任務(wù)相當(dāng)繁重，處理速度也會(huì)受到一定的影響。由于電氣設(shè)備全部進(jìn)入監(jiān)控，致使主機(jī)冗余的下降、電纜數(shù)量增加，投資加大，長(zhǎng)距離電纜引入的干擾也可能影響系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，隔離刀閘的操作閉鎖和斷路器的聯(lián)鎖采用硬接線，由于隔離刀閘的輔助接點(diǎn)經(jīng)常不到位，這也會(huì)造成設(shè)備無法操作。這種接線的二次接線比較復(fù)雜，查線也不方便，而大大增加了維護(hù)量，還存在在查線或傳動(dòng)過程中由于接線復(fù)雜而造成誤操作的可能性。

2.遠(yuǎn)程監(jiān)控方式。

遠(yuǎn)程監(jiān)控方式具有節(jié)約大量電纜、節(jié)省安裝費(fèi)用、節(jié)約材料、可靠性高和組態(tài)靈活等優(yōu)點(diǎn)。但由于各種現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊速度不是很高，使得電廠電氣部分通訊量相對(duì)又比較大，所以這種方式大都用于小系統(tǒng)監(jiān)控，而在全廠的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)建中卻不適用。

3.現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式。

目前，對(duì)于以太網(wǎng)（Ethernet）、現(xiàn)場(chǎng)總線等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，而且已經(jīng)擁有了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，智能化電氣設(shè)備也有了較快的發(fā)展，這些都為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)電廠電氣系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加具有針對(duì)性，對(duì)于不同的間隔可以有不同的功能，這樣就可根據(jù)間隔的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種監(jiān)控方式除了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控方式的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外，還可以減少大量的隔離設(shè)備、端子柜、模擬量變送器等，而且智能設(shè)備就地安裝，與監(jiān)控系統(tǒng)通過通信線連接，節(jié)省了大量控制電纜，節(jié)約了很多投資和安裝維護(hù)工作量，從而降低成本。此外，各裝置的功能相對(duì)獨(dú)立，組態(tài)靈活，使整個(gè)系統(tǒng)具有可靠性而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式是今后發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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