电气控制技术综述

电气学科概论

电气控制技术综述

陆宣妤

121705108

电气1202

水利与能源动力工程学院

2013年11

月

电气控制技术综述

作者：陆宣妤

班级：电气1202 专业：电气工程及其自动化 学院：水利与能源动力工程学院

日期：2013年11月6日

摘要：电气控制技术是一门以电子技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。人事部门的调查统计数据表明，2001年～2005年计算机控制技术专业人才需求已进入社会总体需求前五名的行业。

一、电气控制技术的基本原理与领域知识

1.电气控制系统

电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路，不同的设备有不同的控制回路，而且高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同。

（1）辅助电气设备的功能

为了保证一次设备运行的可靠与安全，需要有许多辅助电气设备为之服务，能够实现某项控制功能的若干个电器组件的组合，称为控制回路或二次回路。这些设备要有以下功能：

①自动控制功能

高压和大电流开关设备的体积是很大的，一般都采用操作系统来控制分、合闸，特别是当设备出了故障时，需要开关自动切断电路，要有一套自动控制的电气操作设备，对供电设备进行自动控制。

②保护功能

电气设备与线路在运行过程中会发生故障，电流(或电压)会超过设备与线路允许工作的范围与限度，这就需要一套检测这些故障信号并对设备和线路进行自动调整(断开、切换等)的保护设备。

③监视功能

电是眼睛看不见的，一台设备是否带电或断电，从外表看无法分辨，这就需要设置各种视听信号，如灯光和音响等，对一次设备进行电气监视。

④测量功能

灯光和音响信号只能定性地表明设备的工作状态(有电或断电)，如果想定量地知道电气设备的工作情况，还需要有各种仪表测量设备，测量线路的各种参数，如电压、电流、频率和功率的大小等。

（2）常用的控制线路的基本回路的组成部分

在设备操作与监视当中，传统的操作组件、控制电器、仪表和信号等设备大多可被电脑控制系统及电子组件所取代，但在小型设备和就地局部控制的电路中仍有一定的应用范围。这也都是电路实现微机自动化控制的基础。常用的控制线路的基本回路由以下几部分组成：

①电源供电回路

供电回路的供电电源有AC380V和220V等多种。

②保护回路

保护(辅助)回路的工作电源有单相220、36V或直流220、24V等多种，对电气设备和线路进行短路、过载和失压等各种保护，由熔断器、热继电器、失压线圈、整流组件和稳压组件等保护组件组成。

③信号回路

能及时反映或显示设备和线路正常与非正常工作状态信息的回路，如不同颜色的信号灯，不同声响的音响设备等。

④自动与手动回路

电气设备为了提高工作效率，一般都设有自动环节，但在安装、调试及紧急事故的处理中，控制线路中还需要设置手动环节，通过组合开关或转换开关等实现自动与手动方式的转换。

⑤制动停车回路

切断电路的供电电源，并采取某些制动措施，使电动机迅速停车的控制环节，如能耗制动、电源反接制动，倒拉反接制动和再生发电制动等。

⑥自锁及闭锁回路

启动按钮松开后，线路保持通电，电气设备能继续工作的电气环节叫自锁环节，如接触器的动合触点串联在线圈电路中。两台或两台以上的电气装置和组件，为了保证设备运行的安全与可靠，只能一台通电启动，另一台不能通电启动的保护环节，叫闭锁环节。如：两个接触器的动断触点分别串联在对方线圈电路中。

(3)电气控制系统图

电气控制系统图是电气线路安装、调试、使用与维护的理论依据，主要包括电气原理图、电气安装接线图、电器元件布置图。系统中各所用电气设备的电气控制原理，用以指导电气设备的安装和控制系统的调试运行工作。

2.电气控制技术的应用领域

（1）机组电气控制

大型火力发电机组的电气控制既要考虑安全性, 又要与汽机、锅炉控制统一协调。电气控制实现计算机的自动控制,有两种途径:

①类似于变电站的综合自动化系统：

综合自动化系统是纯电气的欧诺个和控制系统，通过系统线与各监控子站及有通讯接口的继电

保护、自动装置等设备联成一体, 可大 大节省设备间的硬接线，操作方式针对电气操作的特点设计，运行安全、方便。

②纳入机、炉的分散控制系统：

分散控制系统广泛应用于汽轮机、锅炉控制的分散控制系统(DCS) , 具有分级分层、 分散式冗余结构, 构成灵活, 易于扩展, 可靠性高。

（2）电梯电气控制技术

①电梯电气控制技术是否,主要体现在电梯电气控制系统的设计上。

②电梯的电气控制主要是对各种指令信号、位置信号、速度信号和安全信号进行管理,使电梯正常运行或处于保护状态,发出各种显示信号。

③电梯的电气控制,过去采用继电器 逻辑线路,一般称继电器控制。这种硬布线的逻辑控制方式具有原理简单、直观 等特点。但通用性差,逻辑系统由许多触点组成,接线复杂、故障率高、设备庞大,国家已规定淘汰。目前我国电梯主要由先进的、可靠性高的微型计算机或可 编程控制器(PLC)控制。电梯电气控制技术是一个综合性的系统技术,包括控制器、传感器和调速方法等多种技术。

二、电气控制技术的研究及存在问题

1.电气控制技术的研究方向

（1）计算机化

现在,同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机,因此,用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟,这将是微机保护的发展方向之一。市场上已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继电保护装置。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。

（2） 网络化

要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应,必须获得更多的系统运行和故障信息,只有实现保护的计算机网络化,才能做到这一点。对于某些保护装 置实现计算机联网,也能提高保护的可靠性。由上述可知,微机保护装置网络化 可大大提高保护性能和可靠性,这是微机保护发展的必然趋势。

（3）保护、控制、测量、数据通信一体化

在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下,保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机,是整个电力系统计算机网络上的一个智?能终端。它可从网上获 取电力系统运行和故障的任何信息和数据,也可将它所获得的被保护元件的任何 信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此,每个微机保护装置不但可完 成继电保护功能,而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信 功能,亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

（4）智能化

近年来,人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电 力系统各个领域都得到了应用,在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络 是一种非线性映射的方法,很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题, 应用神经网络方法则可迎刃而解。可以预见,人工智能技术在继电保护领域必会 得到应用,以解决用常规方法难以解决的问题。

2.研究现状

（1）新型控制策略的出现

随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现,不断改变着电气控制技术的面貌。

①在控制方法上，电气控制技术从手动控制发展到自动控制；

②在控制功能上，电气控制技术从简单控制发展到智能化控制；

③在操作上，电气控制技术从笨重发展到信息化处理；

④在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。

（2）继电器一接触器控制系统

继电器一接触器控制系统至今仍是许多生产机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习更先进电气控制系统的基础。它主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成。由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。可编程控制器(PLC)具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境,指令系统简单、编程简便易学、易于掌握,体积小、维修工作少、现场连接安装方便等一系列优点正 逐步取代传统的继电器控制系统,广泛应用于冶金、采矿、建材、机械制造、石油、化工、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环保等各个行业的控制中。

（3）自动化领域

在自动化领域,可编程控制器与 CAD//CAM、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱。其应用日益广泛。可编程控制器技术是以硬接线的继电器一接 触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数,又有运算、数据处理、 模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或者模拟量的输入、输出满足各种类型机械控制的需要。可编程控制器及有关外部设备均按既易于与工业控制系统联成一个整体,又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

3.存在问题

电气控制系统主要受瞬变的危害

（1）瞬变的含义

瞬变是指电气控制系统在某些参数发生变化时或外界干扰信号产生时所产生的瞬间反应。

（2）瞬变产生的原因

瞬变是一种重复的电现象,它可能由供电系统或用户开//关电源,电源 中断,起、停电机等电器设备产生,闪电也可能对电源,数据线和电话线诱发瞬变。由于在现代电气控制系统中,大多数电气设备都具有电感性质,因此设备在 电源接通、电源断开以及电路发生变化时,会产生较大的冲击电流。而在大多数时候,冲击电流会对电气设备产生一定的副作用。

（3）电气技术人员在实践过程中, 应特别注意:

①瞬变会破坏设备的安全运行。

②瞬变会破坏使用中的仪器仪表。

③瞬变会使用户的用电成本增加。

（4）瞬变使一个用电系统的电耗增加的方式有：

①系统效率下降。

仪器和仪表,仪器仪表使用不当,会因电路的瞬变而受到损坏。

②电机温度升高。

瞬变使电感性负载电流损失增加和铜损提高。

③电表转速加快。

驱动电度表表盘的同时性力矩的大小,取决于电路中的线电压与线电流的大小。它会导致作用于电度盘上的同时性力矩突然发生变化,从而导致电表转速加快。

三、电气控制技术的时代特点及发展趋势

1.电气控制技术的时代特点

（1）电气控制技术的发展方向

电气技术开始时沿着信息传送(弱电)和电能利用(强电)两个方向发展,现代电气控制的特点是以弱电控制强电,使两支洪流又汇合起来。

（2）电气控制技术的应用范围

电气控制的应用范围极广,从控制对象工艺过程上看,大体可分为电气传动控制和电气仪表过程控制两大部类,它们在控制规律上有许多相似之处。

（3）电气控制技术的技术目标

电气控制的目标是保证生产过程和产品质量的优化、节约能源、提高可靠性和自动化水平,是现代化生产中提高生产力的必要途径。

（4）当前标志电气控制技术先进水平的是:

①以电子计算机和其它电子装置为主要控制手段；

②以电力电子装置为弱电控制强电的媒介；

③以自动控制理论和信息传输理论为理论基础；

④充分了解控制对象,从控制对象的物理规律抽象出数学模型是实现电气控制的重要前提； ⑤以数字仿真和计算机辅助设计、辅助制造(CAD/CAM)等为科研和生产的工具。因此,电气控制技术正成为电工、自动控制、计算机应用、电力电子学、数字仿真与CAD几门学科互相交叉的新兴学科。

（5）电气控制技术的发展概述

①现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于生产设备的先

进性和电气自动化程度。

②电气控制技术随社会科技进步的发展而不断创新，从开始的手动控制发展到自动控制，从简单控制到复杂控制，从单机控制到生产线控制，从继电接触控制到PLC控制。

③随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新途径。

（6）电气控制技术与电气拖动的密切关系

20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的拖动发生了变革，用电动机代替蒸汽机，机床的电气拖动随电动机的发展而发展。

①成组拖动 一台电机拖动一组机床

②单电机拖动 一台电机拖动一台机床

③多电机拖动 多台电机拖动多台机床

④交、直流无级调速

2.电气控制技术的发展趋势

电气控制技术经过几十年的应用、研究和发展,已经在国民经济众多领域发挥了重要作用。取得了巨大的成功,大大提高了各种系统运行管理水平。近年来，随着计算机技术的飞速发展以及计算机在电气控制领域中的广泛应用.新的控制原理和方法被不断应用于电气控制中.电气控制的研究向更高的层次发展,其未来趋势向计算机化,网络化,智能化。保护、控制、测量和数据通信一体化方向发展。

（1）电气控制系统更趋开放性

①单片机技术的飞速发展与创新，使得电气控制系统硬件设计更加便捷、性价比更多。同时，为实现灵活化、高可靠性和模块化的通用软硬件平台创造了条件。

②硬件技术的不断更新，使电气控制对技术升级的开放性有了迫切要求。网络特别是现场总线的发展及其在实时控制系统中的成功应用充分说明。网络是模块化分布式系统中相互联系和通信的理想方式。电气控制的网络化，将为电气控制的设计和发展带来一种全新的理念和刨新,将会大大简化硬件设计、增强硬件的可靠性,使装置真正具有了局部或整体升级的可能，提高了系统的开放性。

（2）电气控制系统更趋智能化

①随着人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电气控制领域都的广泛

应用。电气控制领域的研究也向人工智能方向转变。

②人工神经网络(ANN)具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点。其应用研究发展十分迅速,目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问 题。

③将这些人工智能方法适当结合起来，可以使电气控制系统更具智能化，可以大大提高控制的可靠性和精准性。

（3）电气控制系统更趋网络化

随着网络技术、移动通信技术的发展，以及自适应控制技术在电气控制系统的推广应用，电气控制系统的网络化趋势越来越明显,较好地实现了系统集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元(RTU)、微机控制装置为核心，将对设备的控制、信号、测量等回路纳入计算机系统，取代传统的站点式控制模式,可以有效降低投资成本,提高控制效益。

四、结束语

回顾一个世纪以来电气控制技术的发展概况,不难看出它时钟是伴随着社会 生产规模的扩大、成产水平的提高而前进的。电气控制技术的进步反过来又促进 了社会生产力的进一步提高。从另一方面看,电气控制技术又是与微电子技术、 电力电子技术、检测技术、机械制造技术等紧密联系在一起的。当前科学技术继 续在突飞猛进,向前发展,在不久的将来,电气控制技术必将达到更高的水平。

参考文献：

1、王兆明,《电气控制与PLC技术》

2、陈伯时，《电气控制技术及其发展展望》

3、金其挺、钱力晶，《电气控制技术的文献综述》

4、《电气控制技术综述》