自动化专题作业.doc

自动化专题作业.txt你出生的时候，你哭着，周围的人笑着；你逝去的时候，你笑着，而周围的人在哭！喜欢某些人需要一小时,爱上某些人只需要一天,而忘记一个人得用一生 本文由小刘207贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 自动化专题 学院： 专业： 自动化 自动化 学生： 引言：自动化专题 专题一：自动化 自动化跨入低碳经济时代 从黑到绿，从高碳到低碳以高效、洁净及低碳排放为标志的“低碳经济” 已悄然向我们走来。目前，低碳经济已成为全球经济的潮流和趋势。低碳经济的 发展也将迎来“新的工业革命”。低碳技术有全球应用价值，收益效应明显。气候 变化是全球性问题，这意味着一项有效的低碳技术可以在世界各国推广应用，新 技术在广泛应用的过程中将获得较高盈利。 在全球气候变暖的背景下， 以低能耗、 低污染、低排放为基础的“低碳经济”成为全球的热点。低碳经济的主要内容是 节能减排，先进的自动化技术正是推动各行业节能减排的有效武器。欧美发达国 家大力推进以高能效、低排放为核心的“低碳革命”着力发展低碳技术，并对产 业、能源、技术、贸易等政策进行重大调整，以抢占先机和产业制高点。低碳经 济的争夺战，已在全球悄然打响。这对中国，是压力，也是挑战。自动化专业在 发展低碳经济过程中拥有着巨大的市场空间。 2010 年，全球“低碳”风劲吹，我国更是将“低碳”提上经济日程。大 到刚落幕的“两会”低碳提案、即将到来的上海世博会低碳城市概念，小到身边 的广告牌、大字横幅、互联网，“低碳”二字正以前所未有的曝光率走进我们的 视野。由此孕育出的低碳经济更是作为一种可持续发展生产模式被大家所认可。 到 2020 年中国的碳强度减排目标是比 2005 年减少 40%45%，“十二五” 期间二氧化碳的减排，总体上实现起来有三大途径：第一个途径是靠节能；第二 个途径是能源结构的优化，特别是低碳能源的发展，能源消耗的碳折算系数就会 相应减少；第三个途径是增加碳汇，森林碳汇、草原碳汇，也包括增加一些新的 技术，比如像 CCS 碳捕捉和封存技术，来实现减碳。 发展低碳经济为我国实现经济方式的根本转变提供了难得的机遇。走低碳 发展道路， 既是应对全球气候变化的根本途径， 也是国内可持续发展的内在需求。 发展低碳经济有利于突破我国经济发展过程中资源和环境瓶颈性约束， 走新型工 业化道路；有利于顺应世界经济社会变革的潮流，形成完善的促进可持续发展的 政策机制和制度保障体系；有利于推动我国产业升级和企业技术创新，打造我国 未来的国际核心竞争力；有利于推进世界应对气候变化的进程，树立我国对全球 环境事务负责任的发展中大国的良好形象。 自动化技术是服务于人类社会多方面、各领域的横断科学技术，它为社会 的可持续发展正作出贡献。社会在改变，科学技术作为第一生产力，必会跟着变 化，自动化跨入低碳经济新时代。面对美好的前景和巨大的商机，吸收新技术、 创新自动化技术以及打造核心竞争力和自主品牌成为自动化企业当前的首要任 务。“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”，认清当前形势、致力于可持续发展、 突破创新，自动化业必将风光无限、与祖国同辉。 在低碳经济时代，自动化专业主要的发展领域在哪些方面呢？ 在低碳经济时代，自动化专业主要的发展领域在哪些方面呢？ 专业主要的发展领域在哪些方面呢 无线通讯。国际主流自动化供应商与专业厂商所推出的无线技术与产品层 出不穷，无线传输进入工业控制领域的趋势无可质疑。无线技术的安全性、可靠 性、性价比以及无线通信技术在工业领域的应用方案，将会得到越来越广泛的应 2 用。 无线通信技术在汽车产业中应用广泛， 一直是提升汽车产品更安全、 更人性、 更舒适、 更有科技含量方面性价比的重要技术力量。 随着高能耗的时代即将过去， 新能源电动汽车的时代已经走来，ZigBee 无线组网技术和定位跟踪技术将在电 动汽车产业开始发挥更为耀眼的应用光芒，比肩过去无线领域的那些前辈。除汽 车产业外，由于其结构简单、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性和超强自 组网络等特点，ZigBee 无线通信技术在自动控制，地理信息系统、城市公交、 数据采集等领域也有着巨大的市场。 智能电网。人们对能源的需求不断增长，而电力公司希望对输送和配置进 行优化，以减少拉闸限电频率，因此电网的智能化就势在必行。智能电网将改善 用电高峰期的困难，并实现电力生产的分布式和分散性。未来智能电网市场的增 长潜力是巨大的，而智能电网的发展离不开嵌入式处理器和微控制器。以提供低 功耗和低成本的解决方案， 包括带 LCD 驱动器的 MCU、 用于电力调制解调器的 数字信号控制器、集成 ZigBee 的无线解决方案的自动化企业商机无限。 电机节能。电机耗电占社会总耗电量的 60以上，电机节能备受市场关注。 我国经济增长直接带动了电动机的需求，2008 年全国发电装机容量已达 7.9 亿 kw，预计 2011 年将达到 10 亿 kw，年均净增 7.000 万 kw。若按发电机与电动机 1：3.5 的经验比例估算，相应的电动机总容量年均净增约 2 亿 kw，电动机市场 规模约 800 亿元。“十一五”规划明确要求，至 2010 年单位 GDP 能耗要比 2005 年下降 20，其中作为十大节能重点工程之一的电机行业的目标是电机的平均 能耗下降 2030。虽然电机节电系统机会众多，但也面临介入困难的尴尬 局面。从长远看来，调速技术将广泛应用于各类交流电机，率先应用变频技术的 企业将有很大的市场潜力。 能源。能源是每个自动化企业都着力开发的市场，且能源管理已成为自动 化之于工业的新价值。能源新政中，火电将失宠，核电、风电、水电成为主角。 这一变化的结果是：除去核电的流程行业特征，风电及水电更趋于工厂自动化特 征，也即电力行业的流程特征渐弱，顺序控制、传动控制、运动控制、SCADA 需求渐强。就产品市场而言，电力行业对 PLC、专用控制系统、变频器及伺服系 统的贡献度将会更大。 智能建筑。以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑 设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一 体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。而光伏发电 与建筑的结合，成为了国家引爆光伏发电内需的第一个切入点。光伏与建筑一体 化是未来智能建筑发展的趋势。 绿色工厂。 目前还有没一个明确的定义。 笔者将其定义为数字化工厂+节能 环保，即工厂通过拟制造技术、计算机技术、集成系统、自动化以及强大的信息 网络技术、节能照明技术和环保技术，来提高产能、降低功耗，达到污染、零排 放，从而实现生产过程的优化和未来可持续发展。数字化工厂，可谓是自动化业 的传统市场，但随着国家推进“工业化”和“信息化”的融合和现代化技术改造，对 工厂提出了新的要求。工控机（IPC） 、机器人、工业以太网、PLC、 、嵌入式、 伺服变频、机器视觉、传感器等自动化产品需求巨大。自动化企业在发掘新兴市 场时，传统市场仍然需要深耕市场。 3 专题二：工业以太网与现场总线 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用 支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、 执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。 未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息 集成中发挥越来越重要的作用， 新型的工业以太网技术与基本成熟的现场总线相 结合是最普遍的，具体表现在： 物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等; 使用标准以太网连接设备(如交换机等)，在工业现场使用工业以太网交 换机; 采用 IEEE 802.3 物理层和数据链路层标准、TCP/IP 协议组; 应用层(甚至是用户层)采用现场总线的应用层、用户层协议; 兼容现有成熟的传统控制系统，如 DCS、PLC 等。 这方面比较典型的应用有如法国施耐德公司推出“透明工厂”的概念，即将 工厂的商务网、 车间的制造网络和现场级的仪表、 设备网络构成畅通的透明网络， 并与 Web 功能相结合，与工厂的电子商务、物资供应链和 ERP 等形成整体。 随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的 通信确定性的解决提供了技术基础， 从而消除了以太网直接应用于工业现场设备 间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。 为此，国际电工委员会 IEC 正着手起草实时以太网(Real-time Ethernet，RTE) 标准，旨在推动以太网技术在工业控制领域的全面应用。针对这种形势，以浙江 大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮 电学院等单位，在国家“863 计划的支持下，开展了 EPA(Ethernet for Plant Automation)技术的研究，重点是研究以太网技术应用于工业控制现场设备间通 信的关键技术，通过研究和攻关，取得了以下成果： 以太网应用于现场设备间通信的关键技术获得重大突破。 针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和 要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场 设备间通信的关键技术： 实时通信技术。其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术， 以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网 段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。 总线供电技术。采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网 络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。 远距离传输技术。采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以 及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。 网络安全技术。采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安 全过滤的现场控制器与系统主干相连， 实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上 的网络隔离。 可靠性技术。采用分散结构化设计、EMC 设计、冗余、自诊断等可靠性设计 技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室 EMC 测试，设备可靠 性符合工业现场控制要求。 起草了 EPA 国家标准。 以工业现场设备间通信为目标， 以工业控制工程师(包括开发和应用)为使用 对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+TCP/IP 协议，起草了“用于工业测 量与控制系统的 EPA 系统结构和通信标准”(草案)，并通过了由 TC124 组织的技 术评审。 开发基于以太网的现场总线控制设备及相关软件原型样机，并在化工生 产装置上成功应用。针对工业现场控制应用的特点，通过采用软、硬件抗干扰、 EMC 设计措施，开发出了基于以太网技术的现场控制设备，主要包括：基于以太 网的现场设备通信模块、变送器、执行机构、数据采集器、软 PLC 等成果。 由于以太网有“一网到底”的美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制 层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现 场总线中的主流技术。工业控制网络通讯技术服务于工业控制系统，其发展与控 制技术的发展紧密相关，而控制技术是应生产工具/装置的要求而产生的，工业 控制网络通讯技术的发展与生产技术的发展是相辅相成的。 人类发展的过程是一个生产力发展的过程，也是制造和使用工具水品提升 的过程，我们经过了最早的手工阶段，然后机械化生产到现在的自动化生产以及 将来的智能化生产，技术的提高不可不为之惊叹。1973 年，美国学者哈林顿博 士提出计算机集成制造 CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)的概念， 其基本出发点是： 企业的名种生产经营活动是不可分割的，要统一考虑；整个生产制造过程实 质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。 20 多年来，CIMS 的概念已从典型的离散型机械制造业扩展到化工、冶金等 连续或半连续制造业。CIMS 与计算机综合自动化制造系统是同义词，是自动化 程度不同的多个子系统的集成，如管理信息系统、制造资源计划系统、计算机辅 助设计系统、计算机辅助工艺设计系统、计算机辅助制造系统、柔性制造系统 （FMS）等。它面向整个企业，覆盖企业的多种经营活动，包括生产经营管理、 工程设计和生产制造各个环节，即从产品报价、接受订单开始，经计划安排、设 计、制造直到产品出厂及售后服务等的全过程。 在当前全球经济环境下，CIMS 被赋予了新的含义，即现代集成制造系统 （Contemporary Integrated Manufacturing System） 。将信息技术、现代管理技术和 制造技术相结合，应用于企业经营的各个阶段，通过信息集成、过程优化及资源 优化，提高企业的市场应变能力和竞争力。 现场级与车间级自动化监控及信息集成系统主要完成底层设备单机控制、 连 机控制、 通信连网、 在线设备状态监测及现场设备运行、 生产数据的采集、 存储、 统计等功能，保证现场设备完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传 送到工厂管理层，向工厂级 MIS 系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理 层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级监控及信息集成 系统是实现工厂自动化及 CIMS 系统的基础。 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统的主要特点是， 现场层设 备与控制器之间的连接是一对一（一个 I/O 点对设备的一个测控点） ，即所谓 I/O 接线方式，信号传递 4-20mA（传送模拟量信息）或 24VDC（传送开关量信息） 信号。这种传统的连接方式存在信息量、开放性、可靠性、可维护性等方面还存 在不足之处。 随着大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场智能 设备的功能迅速提升，内置处理芯片，能够完成诸如数模转换、自诊断、量程转 5 换、回路调节等功能。对于这些智能现场设备，可以方便的增加一个串行数据接 口，这样，上位控制器就可以按其规定的通信协议，通过串行通信方式实现对现 场设备的监控。 如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一 的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有 现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。基于以上初始想法，使用一 根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设 备层传递的不再是 I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通 信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。 现场总线技术的构想始于 20 世纪 70 年代，随着 CIMS 概念的提出，人们迫 切希望能够出现一种能够用于工业环境，可靠性高、实时性强、实现起来价格便 宜的通讯系统，来构建工厂的底层网络，完成现场设备之间的数字化通信，并能 够于外界实现信息交换。现场总线就是在这种需求背景之下出现的产物。北美和 欧洲的自动化产品厂商和相关的国际标准化组织都着手现场总线相关标准的制 定，由于行业和区域的差别，以及各个利益集团为了维护自己的经济利益互不妥 协，本来应该统一的现场总线标准迟迟难以统一。 与欧美发达国家相比，中国的工业通讯技术发展较晚，技术上一直处于跟随 状态，至今没有一种被全球广泛认可的现场总线标准。但是现场总线运用方面中 国的发展非常迅速。 相对其他自动化产品，中国在现场总线运用方面起点比较高，国际上最主要 的现场总线技术都可以在中国找到使用的案例， 非流程行业使用现场总线已经非 常普遍，流程行业使用现场总线技术也走在世界前列，目前世界上最大的两个流 程行业现场总线项目都在中国。 可以说在现场总线运用方面中国与国际水平保持 同步。而在未来今年内，现场总线仍将保持主流地位。 6 专题三： 专题三：智能电网 智能电网发展成国家战略 全球向低碳经济转型，使新能源装备受到更多关注，协调统筹新能源发电入 网的智能电网，自然备受瞩目。国网能源研究院副院长胡兆光说：“低碳电力= 综合资源战略规划 （清洁发电+能效电厂） +智能电网， 能效电厂就是需求侧管理， 是指导用户科学用电、合理用电、节约用电，智能电网的内涵又包括智能输电网 和智能配电网等。”在这个链条上，智能电网所发挥的作用巨大，由智能电网带 动的相关设备厂商必然受到更多关注。智能电网可以解决精确供能、电力需求侧 管理、电网自由接入、多电源互动以及分散储能等问题，它不仅服务于大电网， 而且服务于我们的电力终端用户，有可能大大改变我们未来的生活。 智能电网和新能源成为电力行业关注热点。智能电网首次写入政府工作报 告，10 月 18 日，国务院出台关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定 ， 新能源产业、新能源汽车产业名列七大战略性新兴产业之中。继 2009 年中国坚 ， 强智能电网建设启动，到 2010 年智能电网首次进入温总理的政府工作报告 再到国家电网、南方电网制定智能电网的标准体系，一股巨大的产业投资机会正 在向市场释放。电网企业智能电网建设工作正步入正轨，产业发展受到各级政府 关注。 而新能源产业快速发展将促进电网侧尽快解决并网问题。 目前我国的新能源产业化遭遇瓶颈性过剩的威胁， 下游并网接入问题尚未得 到有效解决。智能电网的建设和应用将打破新能源产业的瓶颈，进而加快新能源 产业化进程，并使新能源在我国能源结构的占比得到实质性的提升，因此，对于 新能源产业发展而言，智能电网的建设和应用迫在眉睫。智能电网建设阶段将主 要带动我国的电网基础设施设备制造、电力自动化产品研发制造、电力信息化技 术研发与服务、电力通信技术研发与产品制造等一系列产业的快速发展，市场面 临巨大的机遇。据研究机构赛迪顾问预计，20092015 年间，智能电网建设带 智能电网的建设将带动起一系列相关产业迅速发 动的产业规模将接近 2 万亿元。 展，智能电网产业将促进多种产业融合发展，推动区域产业升级。从智能电网的 产业链环节来看，每个细分领域具备不同的投资机会和进入方式。另外，电力增 值服务以及互动终端领域， 将是伴随智能电网建设， 而逐步发展壮大的一类产业， 也是未来一个重要的新兴市场。 智能电网通过需求侧管理提高终端响应能力，如果一座建筑、一个工厂有无 数个电动机，电梯、水泵、风机都要电动机运行，电动机在启动时的电流是运行 电流的 57 倍， 如果同时启动将占用大量供电系统的负荷容量， 造成供电设备装 机容量和投资巨大，但是如果我们通过智能控制，将电机启动时间错开，就可以 节约大量的电力负荷和相关投资，这对于智能电网来讲是很容易就能实现的，这 样就可以大大提高电力系统效益。 奥巴马的能源新政使“智能电网”和“智慧能源”成为全球能源界热议的焦 点，在国内也已成为一系列能源研讨会的主要议题，专家们对于发展智能电网的 重要性和宏观意义认识高度一致。但在一些具体问题上，特别是通过具体事例描 述智能电网及相关技术用途时，专家们的意见却迥然不同，可谓仁者见仁，智者 见智。一些专家的构想也使大家陷入迷茫。有一位著名专家提出发展智能电网就 是要将 220kV 的输电线路上架设光缆，使信息控制水平得以提升。事实上，中国 早已完成 220kV 输电线路的光纤化通讯，110kV 的输电线路及变电站基本也采用 了光纤通讯，在许多更低等级的输电线路和变电站，甚至开闭站上都采用的各种 先进的通讯控制手段。中国的电网是全球最先进的电网之一，多项技术领先于世 界，信息智能化控制管理水平远远超过美国，甚至欧洲、日本，电网反应速度已 经达到毫秒级，跨大区域的统一电网正在逐步形成，这些都是美国在未来 1020 年的奋斗目标。但是，中国的电网企业仍然感到电网不够安全，停电事故还是时 有发生，电网难以满足未来经济社会发展的需要，所以国家电网提出要建设一个 “坚强的国家电网”。 低碳经济是智能电网发展的必由之路 传统电网存在不支持大规模间歇性电源与分布式电源接入、输电损失巨大、 且用户无法互动等问题，无法满足低碳经济时代的要求，而智能电网作为先进信 息技术和高级物理电网的充分结合，是解决未来能源输送问题的理想方案，是电 网发展的大势所趋。 按照我国智能电网建设规划， 预计能创造近万亿元市场需求。 2012 年前是特高压建设高峰期，相关设备需求将成倍增长；2015 年前数字 化变电站将完全替代传统变电站，预计带来每年 65 亿元的市场需求，较传统变 电站自动化市场规模提高近 60%；2009-2013 年用电信息采集系统投资将达 800 亿元，需求年复合增长率为 40%。 智能电网是新能源和可再生能源能否成功上网、 插电式新能源汽车能否成功 充电的关键，是低碳经济中的核心，重点关注荣信股份、国电南瑞、特变电工、 长城开发、思源电气和安泰科技。智能电网是节能减排和清洁能源接入的纽带， 是为各部委、两大电网公司共同推动的，最具有政策一致性的领域。大电网时代 伴随着大国低碳经济的到来而到来， 低碳经济所关注的用户端节能和发电端清洁 同时需要电网的高度智能化。 建筑节能已日趋成为建筑智能化的发展方向。中国能源消耗处于全球前列， 而建筑能耗更是占社会总能耗的 25%。按照十一五规划，建筑行业要完成节能 达 1.01 亿吨标准煤，建筑节能总面积达 21.46 亿平方米，而相较于政府的节能目 标， 目前来看实现难度较大， 单位 GDP 能耗下降 20%的目标至 2008 年底仅下降 了 8.5%，政府未来进一步完善节能政策仍具有较大的紧迫性。 中国电力已有良好基础，只要能从实际国情出发，坚持科学发展观，制定 正确电力变革方向、目标的智能电网战略，在政府良好的政策环境和有效组 织下，集国家 之力量，在实施中能将有限资源包括资金、人力、技术发挥最大 的社会效益，在市场化电力管理体制建立条件下，中国电力变革实效在未来二、 三十年中达到甚至超越发达国家是完全可能的。 中国“智能电网”以安全、经济、高效、清洁、低碳为核心。中国“智能电 网”基本形态：发送供用储、信息和电力流双向互动系统，集中统一与分散分布 相结合的电源结构，统一协调调度。“智能电网”的核心和基本形态是在传统电 网基础上的扩展和变革，但不论如何变革，统一协调调度是不变的，只是“智能 电网”的调度更重要，难度更大，技术支撑要更完善，理念、体制、管理更新更 迫切。中国“智能电网”建立要应用或研发的关键技术：电力储能、电力电子、 智能电表、高温超导、特和超高压交直流输变电、灵活交流输电和潮流控制、低 碳排放清洁电源、可再生能源发电和分布式能源系统等先进电力技术；现代传感 测量、通信、集成、控制等先进数字电子技术。关键技术是手段，非核心与宗旨。 8 专题四：半实物仿真 随着工业技术的发展， 市场竞争对企业的产品多样性和新品开发速度提出了 更高的要求和挑战，同时对机电系统鲁棒性及可靠性的要求也日益增加。目前许 多大型的机电系统的设计方法仍然是完全基于软件仿真的开发过程， 由于开发过 程中只实现控制系统结构及控制原理和控制算法的验证， 最终样机硬件系统性能 难以保证，一方面系统硬件部分未进行仿真测试，另一方面往往会出现软件代码 甚至代码运行硬件环境不可靠（如：新设计制造的电机控制器本身存在缺陷）等 问题，最终导致项目周期和成本增加，甚至还可能导致项目以失败告终。 半实物仿真技术的出现彻底改变了传统启发式开发方法， 使得面向应用的现代开 发方法成为可能。 半实物仿真技术在系统开发的初期阶段就引入可靠性高的实时 软/硬件环境做技术保障，并贯穿于整个系统研发过程中，满足现代机电系统高 效、精确、快速的设计要求，从而最大限度减少样机系统试制次数，提高设计和 开发效率。 基本概念：半实物仿真技术是将实际系统的一部分用数学模型加以描述，并 转变为仿真模型在计算机上运行，将系统的另一部分以实物形式引入仿真回路， 如下图所示。 半实物仿真技术包括两方面： 快 速 控 制 原 型 （ Rapid Control Prototype， 简 称 RCP） 在机电系统开发初期，通过半实物仿真平台，工程师将系统仿真软件框图与 实际控制对象相连，并对控制对象进行多次在线的试验来验证控制系统软、硬件 方案的可行性， 从而可避免软件仿真中对实际控制对象建模不精确而导致仿真结 果不准，同时也实现了控制算法更高效、精确的验证。 硬 件 在 环 仿 真 （ Hardware In Loop， 简 称 HIL） 在控制器设计完成后必须对其进行详细的测试，如果按传统的测试方法，用真实 的对象或环境进行测试，无论是人员、设备还是资金都需要较大的投入，而且周 期长，不能进行极限条件下的测试，试验的可重复性差，所得测试结果可记录性 及可分析性都较差。通过半实物仿真平台，采用真实的控制器，被控对象或者系 统运行环境部分采用实际的物体、部分采用实时数字模型来模拟，进行整个系统 的仿真测试，可以任意模拟控制对象运行及故障状态，以便进行实时控制软件错 误排查、系统极限及失效测试，从而得到整个机电系统的完整性能预测与分析。 传统的控制系统设计一般包括系统建模、算法设计、软件和硬件的设计以及性能 测试等；涉及控制理论、机电技术、软件开发、电路设计等多个领域的知识。这 意味着设计人员不仅需要进行软件编程和查错，还需进行硬件电路的设计，一方 面对设计人员的能力要求较高，再者也会导致开发时间过长。同时对于这种顺序 的开发过程，一旦发现错误，就必须从头进行设计和实现，延误项目进度。 半实物仿真技术的发展，为解决上述问题提供了新的途径和良好的发展前 景。用户可以在系统硬件组装之前，建立平台控制系统的实时仿真回路，实现控 制软件代码在接近于真实的环境中执行，评估各种算法的优劣，优化系统，还可 以尽早发现控制软件的设计问题，极大地加快了控制系统的开发速度。 由于半实物仿真在缩短开发时间以及消减开发成本上的优势， 许多商业公司纷纷 推出快速控制原型实时仿真和开发平台，如：美国 Mathworks 公司开发了基于 Simulink 的代码自动生成环境 RTW；德国 dSPACE 公司开发的一套基于 RTW 的控制系统在实时环境下的开发和测试平台 dSPACE；加拿大 Quanser 公司开 发的一套基于 MATLAB/RTW 的控制系统开发及半实物仿真的软硬件集成一体 化平台 QStudioRP。 半实物仿真系统一般由以下几个部分组成： 1）仿真计算机：它是实时仿真系统的核心部分，它运行实体对象和仿真环境的 数学模型和程序。一般地，采用层次化、模块化的建模方法，将模块化程序划分 为不同的速率块，在仿真计算机中按速率块实时调度运行。 2）物理效应设备：它是模拟复现真实世界的物理环境，形成仿真环境或称虚拟 环境。 3）接口设备：仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的物理效应设 备。接口设备同时将操作人员或实物系统的反馈信号调入仿真计算机。 半实物仿真技术包括两方面：快速控制原型 RCP 和硬件在回路 HIL。快速 控制原型技术，是指在产品开发的初期，将工程师开发的算法下载到计算机硬件 平台中，通过实际 I/O 与被控对象实物连接，用实时仿真机来模拟控制器，并与 实物相连检测控制算法的性能， 并在控制算法不理想的情况下进行快速反复设计 以找到理想的控制方案；在确定控制方案后，通过代码的自动生产及下载，形成 最终的控制器产品。硬件在回路仿真主要用来进行控制系统的性能测试和分析。 10 专题五：电气节能专题 电气节能设计应遵循的原则：满足建筑物的功能考虑实际经济效益、节能应 考虑国情，计及实际经济效益、节省无谓消耗的能量 变压器的选择 变压器节能的实质就是：降低其有功功率损耗、提高其运行效率。 变压器的有功功率损耗如下式表示： 式中为空载损耗又称铁损，它由铁芯的涡流损耗及漏磁损耗组成，其值与硅 钢片的性能及铁芯制造工艺有关， 而与负荷大小无关， 是基本不变的部分。 因此， 变压器应选用 SL7、SLZ7、S9、SC9 等节能型变压器，它们都是选用高导磁的优 质冷轧晶粒取向硅钢片和先进工艺制造的新系列节能变压器。 “取向” 由于 处理， 使硅钢片的磁场方向接近一致，以减少铁芯的涡流损耗；全斜接缝结构， 使接缝密合性好，可减少漏磁损耗。与老产品比，SL7、SLZ7 无励磁调压变压器 的空载损失和短路损失，10kV 系列分别降低 41.5和 13.93；35kV 系列分别 降低 38.33和 16.22。S9、SC9 系列与 SL7、SLZ7 系列比，其空载和短路损 耗又分别降低 5.9和 23.33，平均每千伏安较 SL7、SLZ7 系列年节电 9kWh。 新系列节能型变压器，因其具有损耗低、质量轻、效率高、抗冲击、节能显著等 优点，而在近年得到了广泛的应用，所以，设计应首选低损耗的节能变压器。上 式中，是传输功率的损耗，即变压器的线损，它取决于变压器绕组的电阻及 流过绕组电流的大小。因此，应选用阻值较小的铜芯绕组变压器。对， 用微分求它的极值，可知当时，变压器的能耗最小。但这仅仅是从变 压器节能的单一角度出发，而没有考虑综合经济效益。因为的负载率 仅减少了变压器的线损，并没有减少变压器的铁损，因此节能效果有限；且在此 低负载率下，由于需加大变压器容量而多付的变压器价格，或变压器增大而使出 线开关、母联开关容量增大引起的设备购置费，再计及设备运行、折旧、维护等 费用，累积起来就是一笔不小的投资。由此可见，取变压器负载率为是得 不偿失的。 综合考虑以上各种费用因素，且使变压器在使用期内预留适当的容量，笔者认 为，变压器的负载率应选择在为宜。这样既经济合理，又物尽 其用。另一方面，因为变压器在满负荷运行时，其绝缘层的使用年限一般为 年，年后通常会有性能更优的变压器问世，这样就可有机会更换新的设备， 从而使变压器总趋技术领先水平。 合理设计供配电系统及线路 根据负荷容量及分布、供电距离、用电设备特点等因素，合理设计供配电系统 和选择供电电压，可达到节能目的。供配电系统应尽量简单可靠，同一电压供电 系统变配电级数不宜多于两级。按经济电流密度合理选择导线截面，一般按年综 合运行费用最小原则确定单位面积经济电流密度。由于一般工程的干线、支线等 线路总长度动辙数万米，线路上的总有功损耗相当可观，所以，减少线路上的损 耗必须引起设计足够重视。由于线路损耗R，而 R=p.L/S，则线路损耗 与其电导率 p、长度 L 成正比，与其截面 S 成反比。为此，应从以下几方面入 手：选用电导率 p 较小的材质做导线。铜芯最佳，但又要贯彻节约用铜的原则。 因此，在负荷较大的一类、二类建筑中采用铜导线，在三类或负荷量较小的建筑 中可采用铝芯导线。 提高系统的功率因数 提高变压器二次侧的功率因素，由于可使总的负荷电流减少，故可减少变压 器的铜损，并能减少线路及变压器的电压损失。当然，另一方面，提高系统功率 因素，使负荷电流减少，相当于增大了发配电设备的供电能力。 提高功率因素的措施：减少供用电设备无功消耗，提高自然功率因素、用静电电 容器进行无功补偿： 无功补偿设计原则为： 低压电容器补偿相结合； 高、 固定与自动补偿相结合； 分散与集中补偿相结合，对无功容量较大、负荷较平稳、距供电点较远的用电设 备，采用单独就地补偿；对用电设备集中的地方采用成组补偿，其他的无功功率 则在变电所内集中补偿； 有必要指出的是，就地安装无功补偿装置，可有效减少线路上的无功负荷传 输，其节能效果比集中安装、异地补偿要好。还有一点，对于电梯、自动扶梯、 自动步行道等不平稳的断续负载，不应在电动机端加装补偿电容器。因为负荷变 动时，电机端电压也变化，使补偿电容器没有放完电又充电，这时电容器会产生 无功浪涌电流，使电机易产生过电压而损坏。另外，如星三角起动的异步电动机 也不能在电动机端加装补偿电容器，因为它起动过程中有开路、闭路瞬时转换， 使电容器在放电瞬间又充电，也会使电机过电压而损坏。 照明部分的节能 选用高效光源。按工作场所的条件，选用不同种类的高效光源，可降低 电能消耗，节约能源。其具体要求如下： 一般室内场所照明，优先采用荧光灯 或小功率高压钠灯等高效光源，推荐采用 T5 细管、U 型管节能荧光灯，以满足 建筑照明设计标准（GB50034-2004）对照明功率密度（LPD）的限值要求。 不宜采用白炽灯，只有在开合频繁或特殊需要时，方可使用白炽灯，但宜选用双 螺旋（双绞丝）白炽灯。高大空间和室外场所的一般照明、道路照明，应采用金 属卤化物灯、 高压钠灯等高光强气体放电灯。 气体放电灯应采用耗能低的镇流器， 且荧光灯和气体放电灯，必须安装电容器，补偿无功损耗。选用高效灯具。除装 饰需要外，应优先选用直射光通比例高、控光性能合理；反射或透射系数高、配 光特性稳定的高效灯具：采用非对称光分布灯具。由于它具有减弱工作区反射眩 光的特点，在一定的照度下，能够大大改善视觉条件，因此可获得较高的效能。 选用变质速度较慢的材料制成的灯具，如玻璃灯罩、搪瓷反射罩等，以减少光能 衰减率。室内灯具效率不应低于 70（装有遮光栅格时，不应低于 55）；室 外灯具效率不应低于 40（但室外投光灯不应低于 55）。 电动机的节能 选用高效率电动机：提高电动机的效率和功率因素，是减少电动机的电能损 耗的主要途径。与普通电动机相比，高效电动机的效率要高 36，平均功 率因数高 79，总损耗减少 2030，因而具有较好的节电效果。所以在 设计和技术改造中，应选用 Y、YZ、YZR 等新系列高效率电动机，以节省电能。 另一方面要看到，高效电机价格比普通电机要高 2030，故采用时要考虑 资金回收期，即能在短期内靠节电费用收回多付的设备费用。 选用交流变频调速装置：推广交流电机调速节电技术，是当前我国节约电能 的措施之一。采用变频调速装置，使电机在负载下降时，自动调节转速，从而与 负载的变化相适应，即提高了电机在轻载时的效率，达到节能的目的。 选用软起动器设备：比变频器价格便宜的另一种节能措施是采用软起动器。软 起动器设备是按起动时间逐步调节可控硅的导通角，以控制电压的变化。由于电 12 压可连续调节，因此起动平稳，起动完毕，则全压投入运行。软起动器也可采用 测速反馈、电压负反馈或电流正反馈，利用反馈信息控制可控硅导通角，以达到 转速随负载的变化而变化。 软起动器通常用在电机容量较大、又需要频繁起动的水泵设备中，以及附近 用电设备对电压的稳定要求较高的场合。因为它从起动到运行，其电流变化不超 过三倍， 可保证电网电压的波动在所要求的范围内。 但由于它是采用可控硅调压， 正弦波未导通部分的电能全部消耗在可控硅上，不会返回电网。因此，它要求散 热条件较好、通风措施完善。 总结 走过“十一五”，迎来“十二五”，在交叉的 2010 年，中国电力产业发展整体 向好。这一年里，以风电、核电、光伏发电为代表的新能源产业发展迅速。其中， 水电装机容量、风电新增容量、核电在建规模和太阳能热水器集热面积均居世界 第一，拉开了中国电力产业结构大规模转型的序幕。作为中国电力产业转型升级 发展元年，2010 年将被永久定格。然而，进入 2011 年，电力产业发展仍存在 不可逾越的障碍。 对于传统电力产业而言，最大障碍就是电力价格市场化改革。由于推进缓 慢、改革困难，电厂、电网等各环节存在深层次的利益博弈。这几年来，随着煤 炭价格频繁波动，电力成本增加，火电企业出现不同程度的亏损，而今年火电情 况更加不乐观。让人不安的是，新