電氣工程自動(dòng)化及其節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用

黃琬祎

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

1 簡(jiǎn)介

電氣自動(dòng)化[1-3]是指機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)檢查和自動(dòng)生產(chǎn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析和判斷的過(guò)程。在生產(chǎn)和管理過(guò)程中不直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)前的預(yù)期目標(biāo)[4-5]。電氣自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通、貿(mào)易、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等。自動(dòng)化技術(shù)的使用不僅使人們擺脫繁重的體力勞動(dòng)、腦力勞動(dòng)和危險(xiǎn)的工作環(huán)境，而且還擴(kuò)展了人體功能，極大地提高了人類的生產(chǎn)力，增強(qiáng)了人們對(duì)世界的理解和改造。因此，電氣工程自動(dòng)化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要信號(hào)[6]。

為了提高節(jié)能效率，有必要合理、經(jīng)濟(jì)地使用節(jié)能設(shè)備[7-8]。換句話說(shuō)，機(jī)械設(shè)備應(yīng)盡可能減少能耗，生產(chǎn)與原始產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量相同的產(chǎn)品，或在相同能耗下生產(chǎn)比原始產(chǎn)品更多的產(chǎn)品。隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注我們所生活的世界環(huán)境。世界上大多數(shù)國(guó)家都充分意識(shí)到環(huán)境對(duì)人類發(fā)展的重要性[9]。因此，各國(guó)都在采取積極有效的措施改善環(huán)境，減少污染。最重要的是能源問(wèn)題。除了尋找新能源來(lái)解決基本能源問(wèn)題外，節(jié)能是減少能耗的最關(guān)鍵、最直接、最有效的措施。

根據(jù)“十二五”規(guī)劃，國(guó)內(nèi)能源消耗將減少至0.869 噸普通煤，比2010 年的普通煤量減少16%[10]。基于上述背景，實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化的節(jié)能不僅可以幫助工廠減少原材料，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益，還可以滿足國(guó)家節(jié)能降耗，走可持續(xù)發(fā)展道路的政策。

2 電氣工程自動(dòng)化中的問(wèn)題

2.1 項(xiàng)目的自動(dòng)化功能相對(duì)缺乏

電氣自動(dòng)化信息技術(shù)在中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用。電氣自動(dòng)化信息技術(shù)極大地提高了中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的效率，并增加了工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。但是，考慮到當(dāng)前中國(guó)電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)工程的發(fā)展，該技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較慢，功能也相對(duì)欠缺。例如，我們?cè)O(shè)計(jì)的電子工程自動(dòng)化設(shè)備只能完成兩個(gè)或三個(gè)任務(wù)，而不能完成更多任務(wù)，這會(huì)浪費(fèi)資源。另外，電子設(shè)備與其他設(shè)備之間的通信很少。信息技術(shù)無(wú)法理解電氣工程自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)問(wèn)題的存在會(huì)影響電氣工程自動(dòng)化信息技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2 電氣自動(dòng)化的大量能源消耗

由于電氣工程自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域沒(méi)有統(tǒng)一的研發(fā)水平，因此企業(yè)研究人員的目標(biāo)僅僅是滿足企業(yè)發(fā)展的需要，獲得額外的經(jīng)濟(jì)利益，而無(wú)需關(guān)注該技術(shù)的節(jié)能設(shè)計(jì)。由于這種情況，導(dǎo)致了中國(guó)電氣工程自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備節(jié)能技術(shù)的發(fā)展落后于一些發(fā)達(dá)國(guó)家。此外，研究人員在設(shè)計(jì)電氣工程自動(dòng)化設(shè)備時(shí)只注重提高經(jīng)濟(jì)效益，而往往忽略了電氣工程自動(dòng)化節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，許多公司不愿在自動(dòng)化節(jié)能技術(shù)的研發(fā)上投入更多的資金，從而帶來(lái)更多的收益。

2.3 電氣自動(dòng)化的信息化建設(shè)相對(duì)落后

在電氣工程自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程中，電氣工程自動(dòng)化的發(fā)展一直朝著更加智能化的戰(zhàn)略方向發(fā)展。當(dāng)前，不同企業(yè)在電氣自動(dòng)化開(kāi)發(fā)中沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)過(guò)程，不同企業(yè)采用的設(shè)計(jì)框架和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也不同。這種差異直接導(dǎo)致當(dāng)今的電氣自動(dòng)化不能適應(yīng)更多的技術(shù)任務(wù)，從而導(dǎo)致電氣自動(dòng)化在企業(yè)機(jī)械設(shè)備中的差異不斷擴(kuò)大，無(wú)法形成完整的設(shè)備系統(tǒng)。此階段電氣自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的差異主要是一些用戶的需求。該公司無(wú)法提供完整的電氣自動(dòng)化設(shè)備。用戶需要不同的制造商來(lái)購(gòu)買(mǎi)不同的電氣工程自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。由于設(shè)備制造商的不同，電氣工程自動(dòng)化設(shè)備的概念也不同，設(shè)備生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)框架存在差異，導(dǎo)致設(shè)備與設(shè)備之間的通信無(wú)法有效地聯(lián)系起來(lái)。設(shè)備之間的通信將影響電氣工程自動(dòng)化中信息的開(kāi)發(fā)，也將導(dǎo)致現(xiàn)階段電氣工程自動(dòng)化設(shè)備的落后發(fā)展。

3 實(shí)驗(yàn)構(gòu)想與設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)想

電氣工程自動(dòng)化作為一種新技術(shù)，新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與人類生活息息相關(guān)，并在人們的日常生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要作用。該技術(shù)的出現(xiàn)可以有效減少人工消耗，提高質(zhì)量并保證效率。隨著綠色市場(chǎng)概念的不斷發(fā)展，節(jié)能減排正在引起人們的關(guān)注。為了真正了解現(xiàn)實(shí)生活中的能源效率，自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)非常重要，我們需要改進(jìn)節(jié)能產(chǎn)業(yè)來(lái)接管市場(chǎng)，并且需要改變當(dāng)前的市場(chǎng)狀況。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，本文使用了一組控制實(shí)驗(yàn)。該生產(chǎn)設(shè)備目前使用的是機(jī)械設(shè)備控制小組。在實(shí)驗(yàn)組中，我們?yōu)閷?shí)驗(yàn)交換了不同的變壓器、電阻器和濾波器，并計(jì)算了實(shí)驗(yàn)的有效轉(zhuǎn)換率。其中，我們用銅變壓器代替了鐵變壓器，選擇了損耗小的變壓器，增加了電阻的截面積和長(zhǎng)度，采用了線性設(shè)計(jì)，用有源濾波器代替了原來(lái)的濾波器，并選擇了穩(wěn)定高效的導(dǎo)體。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 機(jī)械設(shè)備有效轉(zhuǎn)換率

4 討論

4.1 電氣工程自動(dòng)化的節(jié)能分析效果

在電氣工程自動(dòng)化節(jié)能技術(shù)的發(fā)展中，設(shè)備需要選擇合適的變壓器。自從變壓器問(wèn)世以來(lái)，變壓器本身就存在著隱患。在現(xiàn)實(shí)生活中，斷電現(xiàn)象也很?chē)?yán)重。因此，在電氣工程自動(dòng)節(jié)能機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中，我們需要選擇最佳的變壓器，以減少能量損失，因此需要認(rèn)真考慮一些細(xì)節(jié)，選擇合適的變壓器，將其功率消耗變壓器本身略微減小。根據(jù)法律法規(guī)的要求，應(yīng)及時(shí)選擇效率更高的變壓器，以最大程度地降低能耗，減少電力傳輸過(guò)程中過(guò)度能耗的濫用。對(duì)于導(dǎo)線，由于電阻本身是穩(wěn)定的，但在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生斷電，從而會(huì)造成一定量的能量損失。如果要正確地回收廢功率，則需要降低控制線本身的電阻。目前，有兩種降低導(dǎo)線電阻的方法。首先，第一步是科學(xué)地確定導(dǎo)線的位置，設(shè)計(jì)該問(wèn)題的各種解決方案，并顯著減少導(dǎo)線的長(zhǎng)度并增加導(dǎo)線的橫截面積。第二種方法是選擇低電阻材料，并在制作需要降低電阻的電線時(shí)嘗試使用直線連接。

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)組，用變壓器，電阻器和濾波器代替了機(jī)械設(shè)備?？刂平M使用原始工廠的機(jī)械設(shè)備。本文旨在研究電氣工程自動(dòng)化的節(jié)能分析。

從圖1 的數(shù)據(jù)可以看出，隨著時(shí)間的變化，兩組器件的轉(zhuǎn)換效率均在下降，而實(shí)驗(yàn)組器件的下降較慢。隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加，電氣設(shè)備將受到磨損并產(chǎn)生一些損失。在實(shí)驗(yàn)組中，當(dāng)我們選擇變壓器時(shí)，若選擇信息變壓器，因?yàn)殂~的材料損耗很小，可以改善系統(tǒng)的節(jié)能效果。另外，在選擇電阻時(shí)，我們嘗試選擇橫截面積較大的電阻，因?yàn)椴牧系臋M截面積越大，電阻值越小，功率損耗也越小。

圖1 兩組的功率轉(zhuǎn)換率均隨時(shí)間變化

此外，我們根據(jù)改進(jìn)后的設(shè)備進(jìn)行了關(guān)于滿意度的調(diào)查研究。從圖2 中的數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)后的設(shè)備的滿意度為86%，不滿意的人數(shù)占14%。不滿意的主要原因是，盡管我們提高了設(shè)備的自動(dòng)化效率和工廠的經(jīng)濟(jì)效率，但是在選擇原材料時(shí)，盡管所選材料的效果要比普通材料好，但是材料的價(jià)格卻高也增加了。為了提高電氣工程自動(dòng)化的效率，同時(shí)降低原材料的使用成本，是我們繼續(xù)研究的主要方向。

圖2 改進(jìn)后的設(shè)備滿意度

4.2 節(jié)能技術(shù)在電氣自動(dòng)化控制中的合理應(yīng)用

電氣自動(dòng)化在自動(dòng)化過(guò)程中會(huì)消耗大量電能，因此提高系統(tǒng)效率和降低能耗非常重要。另外，減少能耗不是為了補(bǔ)償能量，而是為了改善動(dòng)力傳輸并減少設(shè)備損耗。電氣自動(dòng)化還可以在節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮負(fù)載成本，整合實(shí)際值并調(diào)整合理值，將其與電氣自動(dòng)化系統(tǒng)集成，科學(xué)地選擇負(fù)載價(jià)格以提高自動(dòng)化效率并滿足節(jié)能要求。我們從以下三個(gè)方面解釋了節(jié)能技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化中的科學(xué)合理應(yīng)用。

4.2.1 提高電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率

在為電氣工程選擇自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，節(jié)能設(shè)備是最佳選擇。這是因?yàn)樗粌H可以為下一代電氣工程的節(jié)能和排放目標(biāo)提供不間斷的支持，而且還可以通過(guò)反饋功率補(bǔ)償（例如負(fù)載平衡，減少電路損耗，節(jié)能控制功能）來(lái)改善電力系統(tǒng)。和現(xiàn)實(shí)世界中的其他方式。例如，在采用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷調(diào)整和設(shè)計(jì)因子選擇方法的配電設(shè)計(jì)連接中，電力系統(tǒng)負(fù)荷和運(yùn)行中使用的總能量不斷增加，最終達(dá)到了減少能量損失的目的。

4.2.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化改造

電力系統(tǒng)的主要?jiǎng)訖C(jī)是為電氣系統(tǒng)中的電氣設(shè)備提供不間斷的電源。因此，設(shè)計(jì)和實(shí)施這種分配方案的最小控制要求是為運(yùn)行提供不竭的支持動(dòng)力。此外，系統(tǒng)本身的操作是完全集成和控制的。電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)中節(jié)能設(shè)備的重點(diǎn)是確保電氣設(shè)備控制的有效性，并滿足電氣設(shè)備的可靠性、負(fù)載能力等因素的標(biāo)準(zhǔn)。這種配電控制器不僅必須滿足電氣和電子設(shè)備的基本操作要求，而且還必須確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和簡(jiǎn)單性。特別是在配電設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有必要保持線束中的隔熱距離，并充分干擾電力系統(tǒng)的安全性，使線束重新工作。它可確保維護(hù)期間電源，配電和電氣設(shè)備的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。然后，還要與電氣系統(tǒng)聯(lián)系以進(jìn)行基本保護(hù)和防雷保護(hù)。

4.2.3 高效運(yùn)作

為了保持電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)選擇節(jié)能設(shè)備，以減少節(jié)能減排。同時(shí)，為了提高能源效率，重要的是找到一種有效的解決方案，以減少運(yùn)行中機(jī)械設(shè)備的損失，并獲得統(tǒng)一的電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)，這不僅可以確保更安全的運(yùn)行，而且可以顯著地提高運(yùn)行效率和電氣設(shè)備效率，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能減排。

5 結(jié)論

綜上所述，電氣自動(dòng)化的節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)仍處于中國(guó)研究的前沿，處于電氣自動(dòng)化的初級(jí)探索階段，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方先進(jìn)國(guó)家。因此，電氣工程自動(dòng)化相關(guān)研究人員要做的就是不斷提高其經(jīng)濟(jì)效益和科研能力，并且始終需要考慮能源問(wèn)題，因?yàn)楣?jié)能減排是發(fā)展的關(guān)鍵。本文通過(guò)改進(jìn)電阻，變壓器和濾波器的選擇來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的設(shè)備的自動(dòng)化利用率較高，并且隨著時(shí)間的增加其功耗減小。在現(xiàn)代技術(shù)的幫助下，電氣工程自動(dòng)化的能耗更低，因此污染對(duì)環(huán)境的影響正在減少。因此，該實(shí)驗(yàn)的研究可以應(yīng)用于一些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。