工業(yè)自動(dòng)化儀表的節(jié)能方式探究

王猛

摘要：由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化儀表在我國的工業(yè)制造領(lǐng)域的作用十分重要。當(dāng)前全球范圍內(nèi)能源問題備受關(guān)注，因此工業(yè)自動(dòng)化儀表的能耗問題也成為企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。文章分析了工業(yè)自動(dòng)化儀表的簡單結(jié)構(gòu)，并闡述了3種工業(yè)自動(dòng)化儀表的節(jié)能方法，以降低工業(yè)自動(dòng)化儀表在應(yīng)用中的能耗。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化儀表；工業(yè)；節(jié)能方式

我國自改革開放以來，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，各種大容量、高效率和高參數(shù)的新型設(shè)備越來越多地在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，我國的工業(yè)生產(chǎn)正以一種蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)邁向自動(dòng)化時(shí)代。工業(yè)自動(dòng)化水平的高低，是衡量一個(gè)國家科學(xué)水平與生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。事實(shí)上，儀表和節(jié)能在工業(yè)生產(chǎn)的過程中是密不可分的。

1.工業(yè)自動(dòng)化儀表

工業(yè)自動(dòng)化儀表通常由變送器、調(diào)節(jié)器及執(zhí)行器構(gòu)成，其簡單的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。被控參數(shù)的數(shù)位，必須用各種變送器來檢測(cè)；各種數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯判斷，必須用各種調(diào)節(jié)器和邏輯運(yùn)算器來進(jìn)行；系統(tǒng)中的執(zhí)行指令，則必須由各種執(zhí)行器來完成。

變送器是將各種工藝變量和電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，包括測(cè)量部分（輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。變送器分為模擬變送器和數(shù)字變送器。數(shù)字變送器由傳感器部件和電子部件組成，其中電子部件由微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、通信器件等組成。

調(diào)節(jié)器是接收偏差信號(hào)后，按照一定的運(yùn)算規(guī)律輸出控制信號(hào)，作用于被控對(duì)象，以消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，從而使被控變量回到給定值上來。調(diào)節(jié)器分為模擬調(diào)節(jié)器和數(shù)字調(diào)節(jié)器。模擬調(diào)節(jié)器采用模擬技術(shù)，以運(yùn)算放大器等模擬器件為基本部件。模擬式控制器所傳送的信號(hào)形式為連續(xù)的模擬信號(hào)，其基本結(jié)構(gòu)包括比較環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)放大器等。比較環(huán)節(jié)：將被控變量的測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差。電動(dòng)控制器是在輸入電路中進(jìn)行電壓或電流信號(hào)的比較。反饋環(huán)節(jié)：控制器的PID控制規(guī)律是通過反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行的。輸出的電信號(hào)通過電阻和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。放大器：放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。在電動(dòng)控制器中可采用高增益的集成運(yùn)算放大器。數(shù)字調(diào)節(jié)器包括主機(jī)電路、過程輸入通道、過程輸出通道、人機(jī)聯(lián)系部分和通信部件等。

執(zhí)行器是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱調(diào)節(jié)閥。執(zhí)行器分成電動(dòng)執(zhí)行器（角行程和直行程）、氣動(dòng)執(zhí)行器（薄膜式和活塞式）、液動(dòng)執(zhí)行器，液動(dòng)執(zhí)行器的電液伺服控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表節(jié)能的方法

在化工生產(chǎn)過程中，由于儀器和液體直接接觸會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，由于這種阻力會(huì)加速能源消耗，并且阻力越大，消耗的能源越多。由于阻力不斷加大，可能會(huì)使自動(dòng)化儀表產(chǎn)生損壞或者失靈。由此可見，需要降低流體與儀表之間產(chǎn)生的阻力，這是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

（1）增加節(jié)流裝置的直徑比。節(jié)流裝置是流量中的關(guān)鍵部分之一，節(jié)流裝置在各種流量監(jiān)測(cè)裝置中應(yīng)用十分廣泛。實(shí)際流體具有一定的黏度，當(dāng)流體通過節(jié)流件時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的渦流，產(chǎn)生渦流時(shí)為了克服摩擦阻力會(huì)消耗部分能量，因而通過節(jié)流件之后液體的靜壓力會(huì)產(chǎn)生一定的損失，并且不能完全恢復(fù)，由于壓力損失和直徑比成反比，要想降低壓力損失就必須增大直徑比，利用這一原理可以降低能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最終目的。但需要注意的是，直徑比不能太大，否則也會(huì)造成不必要的電能浪費(fèi)。

（2）降低調(diào)節(jié)閥的閥阻比。調(diào)節(jié)閥的閥組比概念如下：當(dāng)閥在全開狀態(tài)時(shí)，壓降與管路總壓降之比被稱作調(diào)節(jié)閥的閥組比，通常閥組比用s表示，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)值可知，s通常不小于0.3，燃?xì)忾ys的取值一般在0.5以上，比例閥s的取值一般在0.3-0.5。閥門值s和能量損失成正比，通過降低閥組比s可以降低工業(yè)自動(dòng)化儀表的能量損耗。

（3）使用新型交流變頻調(diào)速裝置。變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變電機(jī)頻率來達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的的技術(shù)，其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60.f（1-s）/p（式中n，f，s，p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)），通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。該技術(shù)主要具備以下優(yōu)勢(shì)：調(diào)速比均勻并且調(diào)節(jié)的范圍很大，調(diào)速過高發(fā)生的概率較低，提高了運(yùn)行效率，并且降低了調(diào)節(jié)閥的使用成本；需要的啟動(dòng)電流較小，不會(huì)因?yàn)殡娏鬏^大而對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，顯著節(jié)省了用電量；具有安裝阻力小、占用空間小、裝置體積小等優(yōu)點(diǎn)，顯著降低了安裝和調(diào)試過程中的能耗；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中保持低轉(zhuǎn)差率，可以顯著降低轉(zhuǎn)子損耗。將交流變頻器與原有的調(diào)節(jié)器、截止閥并用的方法可知，使用交流變頻器可以減少1/3的電量損失，節(jié)能效果較好。此外，在應(yīng)用交流變頻器時(shí)，機(jī)組的運(yùn)載負(fù)荷可以顯著降低，降低機(jī)組故障的發(fā)生率，確保機(jī)組的長久運(yùn)行，相應(yīng)地降低維修成本的投入。由此可知，新型交流變頻調(diào)速器的應(yīng)用可以降低儀表的能耗，它的應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大替代舊有的工作設(shè)備。

（4）使用壓力損失較低的自動(dòng)化儀表。流體在裝置中會(huì)形成漩渦區(qū)、死水區(qū)或者黏度過大等造成壓損，從而浪費(fèi)能量，如果壓損過大會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行造成干擾，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)使用壓力損失較小或者無壓損的自動(dòng)化儀表。當(dāng)前，旋渦流量計(jì)由于其無需隨時(shí)更換電池，運(yùn)行功耗極低，從而降低了電力能量損耗；內(nèi)部無機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)件，降低功率，減少機(jī)械摩擦，并且更換和維修頻率顯著降低，得到了廣泛的應(yīng)用。

3.結(jié)語

由于當(dāng)前的信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展十分迅速，因此，工業(yè)自動(dòng)化儀表技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大，其性能也將不斷提升。由于當(dāng)前能源節(jié)約已經(jīng)成為我國的基本國策，因此，也要重視自動(dòng)化儀表的節(jié)能研究，快速更新工業(yè)自動(dòng)化儀表的使用方法和技術(shù)，不斷提高降低企業(yè)的能源損耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。