工业自动化仪表的节能方式探究
王猛
摘要:由于科学技术的发展,工业自动化仪表在我国的工业制造领域的作用十分重要。当前全球范围内能源问题备受关注,因此工业自动化仪表的能耗问题也成为企业关注的焦点。文章分析了工业自动化仪表的简单结构,并阐述了3种工业自动化仪表的节能方法,以降低工业自动化仪表在应用中的能耗。
关键词:自动化仪表;工业;节能方式
我国自改革开放以来,工业生产规模日益扩大,各种大容量、高效率和高参数的新型设备越来越多地在工业生产中应用,我国的工业生产正以一种蓬勃发展的趋势迈向自动化时代。工业自动化水平的高低,是衡量一个国家科学水平与生产技术先进程度的重要标志之一。事实上,仪表和节能在工业生产的过程中是密不可分的。
1.工业自动化仪表
工业自动化仪表通常由变送器、调节器及执行器构成,其简单的结构原理如图1所示。被控参数的数位,必须用各种变送器来检测;各种数学运算和逻辑判断,必须用各种调节器和逻辑运算器来进行;系统中的执行指令,则必须由各种执行器来完成。
变送器是将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一标准信号,包括测量部分(输入转换部分)、放大器和反馈部分。变送器分为模拟变送器和数字变送器。数字变送器由传感器部件和电子部件组成,其中电子部件由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信器件等组成。
调节器是接收偏差信号后,按照一定的运算规律输出控制信号,作用于被控对象,以消除扰动对被控变量的影响,从而使被控变量回到给定值上来。调节器分为模拟调节器和数字调节器。模拟调节器采用模拟技术,以运算放大器等模拟器件为基本部件。模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号,其基本结构包括比较环节、反馈环节放大器等。比较环节:将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。反馈环节:控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。放大器:放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。数字调节器包括主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机联系部分和通信部件等。
執行器是由执行机构和调节机构组成,执行机构产生推力或位移的装置,调节机构直接改变能量或物料输送量的装置,通常称调节阀。执行器分成电动执行器(角行程和直行程)、气动执行器(薄膜式和活塞式)、液动执行器,液动执行器的电液伺服控制系统如图2所示。
2.工业自动化仪器仪表节能的方法
在化工生产过程中,由于仪器和液体直接接触会产生一定的阻力,由于这种阻力会加速能源消耗,并且阻力越大,消耗的能源越多。由于阻力不断加大,可能会使自动化仪表产生损坏或者失灵。由此可见,需要降低流体与仪表之间产生的阻力,这是实现节能降耗的关键。
(1)增加节流装置的直径比。节流装置是流量中的关键部分之一,节流装置在各种流量监测装置中应用十分广泛。实际流体具有一定的黏度,当流体通过节流件时会产生一定的涡流,产生涡流时为了克服摩擦阻力会消耗部分能量,因而通过节流件之后液体的静压力会产生一定的损失,并且不能完全恢复,由于压力损失和直径比成反比,要想降低压力损失就必须增大直径比,利用这一原理可以降低能量损耗,从而实现节能减排的最终目的。但需要注意的是,直径比不能太大,否则也会造成不必要的电能浪费。
(2)降低调节阀的阀阻比。调节阀的阀组比概念如下:当阀在全开状态时,压降与管路总压降之比被称作调节阀的阀组比,通常阀组比用s表示,根据以往的经验值可知,s通常不小于0.3,燃气阀s的取值一般在0.5以上,比例阀s的取值一般在0.3-0.5。阀门值s和能量损失成正比,通过降低阀组比s可以降低工业自动化仪表的能量损耗。
(3)使用新型交流变频调速装置。变频调速技术是一种以改变电机频率来达到电机调速目的的技术,其基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60.f(1-s)/p(式中n,f,s,p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数),通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。该技术主要具备以下优势:调速比均匀并且调节的范围很大,调速过高发生的概率较低,提高了运行效率,并且降低了调节阀的使用成本;需要的启动电流较小,不会因为电流较大而对系统造成冲击,显著节省了用电量;具有安装阻力小、占用空间小、装置体积小等优点,显著降低了安装和调试过程中的能耗;电动机运行过程中保持低转差率,可以显著降低转子损耗。将交流变频器与原有的调节器、截止阀并用的方法可知,使用交流变频器可以减少1/3的电量损失,节能效果较好。此外,在应用交流变频器时,机组的运载负荷可以显著降低,降低机组故障的发生率,确保机组的长久运行,相应地降低维修成本的投入。由此可知,新型交流变频调速器的应用可以降低仪表的能耗,它的应用范围将逐步扩大替代旧有的工作设备。
(4)使用压力损失较低的自动化仪表。流体在装置中会形成漩涡区、死水区或者黏度过大等造成压损,从而浪费能量,如果压损过大会对整个生产系统的运行造成干扰,因此,在实际生产过程中会使用压力损失较小或者无压损的自动化仪表。当前,旋涡流量计由于其无需随时更换电池,运行功耗极低,从而降低了电力能量损耗;内部无机械传动构件,降低功率,减少机械摩擦,并且更换和维修频率显著降低,得到了广泛的应用。
3.结语
由于当前的信息技术、计算机技术及自动化技术的发展十分迅速,因此,工业自动化仪表技术的应用领域也将不断扩大,其性能也将不断提升。由于当前能源节约已经成为我国的基本国策,因此,也要重视自动化仪表的节能研究,快速更新工业自动化仪表的使用方法和技术,不断提高降低企业的能源损耗,提高企业的经济效益。