数字化技术趋势范文

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中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)05-0255-02

电网自动化技术是我国电网的六个重点技术之一，而数字化变电站技术则是电网自动化技术领域的一个重要课题。因此，建立无人值守的数字化变电站成为提高我国电网运行效率的重要手段。目前，我们新建变电站基本采用分层、分布式变电站微机监控系统，并逐步对原有变电站实行改造。随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，使得在变电站自动化系统中的信息采集、传输、处理等工作可以实现数字化。所以，数字化变电站技术的应用必将对电力系统的科技进步带来巨大的变革。

1、现状及发展趋势

1.1 变电站控制系统的应用现状及发展趋势

近年来，随着电网规模的扩大及电网运行要求的提高，对变电站控制系统提出了越来越高的要求，为了及时掌握电网的运行情况，保证电网安全、可靠地运行，要求变电站控制系统能够准确、及时地反映一次系统的状态，同时要求变电站具有较高的可控性，进而要求更多地采用远方集中控制，操作，反事故措施等，即采用无人值班的管理模式，以提高劳动生产率，减少人为误操作的可能，提高运行的可靠性。另一方面，计算机技术，网络技术等先进技术手段的应用，已改变了传统二次设备的模式，系统简化，信息共享，减少电缆，减少变电站占地面积，降低造价等方面已改变了变电站的面貌，变电站自动化已转向了实用化阶段并取得了显著的成效。

1.2 电流和电压互感器的应用现状及发展趋势

电流和电压互感器是为电力系统进行电能计量和继电保护及测控装置提供电流、电压信号的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关，是电力系统电流电压测量的基本设备。

传统的电流和电压互感器是电磁感应式的，具有类似变压器的结构。随着电力工业的发展，电力系统传输的电力容量不断增加，电网运行电压等级也越来越高，目前，俄罗斯已有1150kV的骨干电网，我国也已将原来220kV的骨干电网提高到了500kV，国家电网公司已将1000kV的输电线路纳入近几年的发展规划。随着电压等级的提高，电磁式互感器暴露出一系列固有的缺点：(1)绝缘结构越来越复杂，产品的造价也越来越高，产品重量大，支撑结构复杂。(2)电磁式电流互感器固有的磁饱和现象，一次电流较大时会使二次输出发生畸变，严重时会影响继电保护设备的运行，造成拒动或误动。(3)电磁式互感器的输出为模拟量，不能与数字化二次设备直接接口，不利于电力系统的数字化进程。

二十世纪后期，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现高电压大电流的测量。基于光学传感技术的无源光学电流互感器（Optical Current Transformer，简称OCT）和无源光学电压互感器（Optical Voltage Transformer，简称OVT）以及基于空芯线圈的有源光电互感器能有效克服传统电磁式互感器的缺点，近20年来一直受到美国、日本、法国和中国等国学者和工程技术人员的广泛关注和深入研究，先后研制出多种样机并挂网试运行，逐步成为互感器发展的主要方向。

2、关键技术

2.1 电子互感器技术

无源光互感器工作基于光学传感的原理，存在光路结构复杂、温度影响大等影响测量精度以及传感头工艺一致性不易保证等缺点，有源光互感器同样存在温度影响大、测量部件检修困难、加工精度不宜保证等问题。

2.2 同步采样技术

在传统的保护测控装置中,各路模拟量的采样是由同一个模件负责的，在同一时刻锁定采样值，保证了采样的同步及测量误差。而在使用光互感器的情况下，各相电流、电压采样可能由不同的采集单元完成，如何保证各相电流和电压信息的同步,成为合并单元能否正确工作的关键。

2.3 网络技术

变电站的信息交换特点之一是，信息长度较短，信息量较大，在电网发生故障的情况时，有可能发生网络风暴，而间隔层装置普遍采用嵌入式系统，其处理能力不强，这一特点要求变电站控制系统的网络具有很强的抗风暴能力，在发生网络风暴时，各个装置能够正常工作。变电站信息交换的另一个特点是部分信息的实时性要求很高，比如保护装置之间的信息交换，合并单元与间隔层设备之间的信息交换，要求变电站控制系统的网络具有分级交换的能力，保证高级数据的实时性。变电站控制系统的网络就像一个人的神经，所有的命令、信息都必须通过它传送，网络的可靠性、安全性对变电站控制系统来讲及其重要的，变电站控制系统应该在日常运行时对网络的状况进行监视，及时发现问题，解决问题，这就要求网络设备应具有智能功能。

2.4 软件平台技术

软件平台是数字化变电站控制系统的重要支撑。数字化变电站需要实现变电站二次子系统的数字化和一体化，继电保护、测量控制、故障录波、安全自动装置、电能质量监测、一次设备在线安全监测等专业监控功能将在一个统一的软件平台上实现，因而支撑软件平台的研究开发十分重要。为满足100KV到500KV变电站的多层次的需要，该平台需支持Unix/Linux/Windows跨平台应用，满足电力系统信息安全要求，支持IEC61850标准和各功能的自由分配，满足变电站安全操作、经济运行等管理需求。

2.5 装置内部数据交换技术

在数字化变电站中，采样数据通过合并单元的网络送给保护测控装置，由于保护测控装置的嵌入式系统的处理能力有限，一般将装置的数据接收模件与数据处理模件分开，数据接收模件采用带以太网协议的实时多任务系统，数据处理模件普遍采用DSP方式，这两个模件之间的数据交换速率在10Mbps以上。合并单元汇集多个采集单元的数据，内部模件的数据交换更加频繁，特别是考虑到母线和变压器的合并单元，内部数据交换可能达到100Mbps，如何实现如此高速的数据交换是本项目的关键技术之一。

3、技术方案

通过对变电站控制系统和电压电流互感器技术现状的分析，现有的变电站系统虽然在近几年取得了很大的发展和进步，但是仍然存在着许多有待改进、提高的地方，随着技术的发展和人们对变电站控制系统认识的提高，以光互感器应用和IEC61850标准为框架的数字化变电站控制系统正受到人们越来越多地关注，成为变电站控制系统发展的新焦点。220kV变电站一次接线考虑，主变压器按本期一台，最终2台设计，电压等级采用220/110/35kV考虑。

对于主变压器间隔以及220KV线路间隔、110KV线路间隔全部实施数字化方案，即从过程层、间隔层到变电站层全数字化。考虑到35kV间隔设备安装在开关柜内，35kV侧本身保护测控一体化装置已下放，节省电缆的需求不大，且对低电压等级而言，光互感器的优势不明显，甚至增加设备配置的复杂性，例如使用了光互感器后各间隔电压数据的获得、同一个间隔保护装置与电度表数据的采集等，将使成本大幅上升，所以35KV侧不配置光互感器，采用保护测控一体化装置的方案。

4、结语

在变电站系统实现数字化改造后，在变电站维护、调试时间、土地使用、系统的可用性、设备安全等五个方面都将得到提高，使得设备能够少校验，甚至免校验，减少维护工作量，缩减变电站的土地建筑使用面积，减少变电站系统调试时间，降低设备的绝缘要求，对系统能够快速维护，提高了互感器的安全。数字化变电站可以在总体上提高变电站的劳动生产率，减少人为误操作的可能，提高运行的可靠性，促进了变电站信息的共享，提升电网的技术和管理水平，提高电力工业的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]高翔.数字化变电站应用技术.中国电力出版社,2008.

[2]高翔,张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术,2006,30(23):67 72.

[3]IEC61850系列标准.

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中图分类号：TK421 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0004-01

中高速柴油机广泛应用于船舶动力推进和船舶电站、陆用电站等，具有结构复杂、尺寸大、零部件类型及数量多、配套行业面广的产品特点，产品生产具有批量小、配套方案多样化的特征，制造周期较长。如何在行业内广泛深入的应用数字技术，对于提高柴油机制造业的生产效率及产品质量具有重要的意义，也是未来中高速柴油机制造技术发展的方向。

1 国内中高速柴油机企业数字化制造技术现状

我国中高速柴油机企业数字化制造技术经过十几年的摸索，在柴油机零部件设计、工艺、工装、数控加工等方面取得了一定的效果，数字化应用水平逐步提高，大致如下。

1）基础环境：计算机应用基本普及，网络建设和计算机硬件配备与时代接轨，行业通用仿真分析软件、CAD/CAM/CAE/PDM等软件系统逐步普及，与软件开发公司合作开发了部分有企业特征的专用数字化系统，形成了初具模型的数字化工作方法和能力，为数字化技术推广应用提供了保障。

2）设计、工艺技术：普及了以二维CAD软件为基础的产品、工装设计，三维CAD/CAM设计份额持续增长；CAPP技术在工艺中得到了较普遍的应用；PDM开始在企业局部应用；MES数字化信息管理系统逐步构建。

3）企业管理：在人力资源、财务管理、生产计划、车间物流计划等方面均推广了各种信息数字化技术；实现了产品生产计划和物料定额计划数字化方案制定和管理；开展了EPR、OA等管理流程优化工作，管理效率明显提升，管理成本大幅降低，应用效果显著。

4）生产线：机械加工数控设备有较大增长，关键零件实现数控编程制造；检测设备仪器采用了三坐标、数显测量尺、电子窥镜、激光扫描等数字设备；仓储管理引入计算机管理系统。

2 我国中高速柴油机数字化制造面临的问题

国内中高速柴油机数字化制造技术应用与国外先进水平仍然差距显著，数字化制造在中高速柴油机制造业中的应用广度和深度函待提高。主要表现如下。

1）数字化制造技术缺少成熟模型。企业多注重柴油机产品设计技术，一般只在部分环节上辅以数字化技术手段，忽视数字化技术系统化应用。行业缺少可参考的完整成熟数字化方案，难以形成系统化数字制造技术体系。数字化制造技术应用产生的效益、效果只是比较传统作业手段有所长进，并未充分发挥数字化功效。

2）数字化技术“信息孤岛”问题十分严峻。单位与单位甚至单位内部不同部门，不同人员之间，数字化技术系统相互隔离、各自为政。各种相互有关联的数据资源无法有效的集成和共享、交流，大量不必要的重复建设经常发生。数据共享和交流平台建设缓慢，平台建设者和使用者缺乏深入沟通，纸介质技术资料继续是部门之间信息传递的唯一“合法”手序，数字化数据更新滞后难以实战。

3）企业内部数字化系统未摆脱传统串行模式，并行工程不易实施。企业设计、工艺、生产、检验数字化应用体系串行现象突出，缺乏能够引领团队协作的数字化顶层并行设计方案，使得制造数据衔接缺乏默契，生产准备周期长，信息交流存在各种障碍，由此造成实施柴油机制造并行工程困难。

4）数字化制造技术开发滞后。柴油机企业的数字化开发能力不强，数字技术标准建设滞后于数字技术的推广应用。数字化软件企业对柴油机行业又缺少符合时展要求的长周期系统化调研，数字化软件设计也常常只是简单模仿部分传统作业模式流程，数字化模式未能深入改变传统作业思路。

3 中高速规模柴油机企业数字化制造技术的发展趋势

柴油机的研制水平要与时展相得益彰，数字化技术必须在更广的范围和更深的层次上得到应用，通过数字技术增强柴油机企业的研发能力。我国中高速规模柴油机制造正处于与数字化制造技术相结合由引进技术向自行研发的重要时期，呈现出以下趋势。

1）建立基于单一数据源制造模式。实现CAD/CAPP/CAM/CAE等多种数字技术一体化，使产品制造向无纸化制造方向发展。产品设计、工艺工装设计、加工与装配数据实现共享和继承、重组，单一数据源为产品的优化设计、性能分析、生产制造、装配、质量检验及企业生产系统规划、调度、各级过程管理与控制提供一体化模型支持，可使生产全过程信息交流无障碍、从而使产品生产效率和质量得到更好的结果。

2）实现相互关联不同资源的整合。人力资源、知识库资源、制造资源、用户资源等各种相互关联资源将进一步得到整合，基于数字技术的虚拟体系使企业各级人员能够利用数字化工具协同工作，消除“信息孤岛”现象，进一步提升各种资源的利用效率。

3）建立数字化并行网络辅助制造体系。制造系统采用并行化网络制造环境组织业务流程，实现产品和工艺设计结果的早期验证，快速响应市场需求。

4）建立支持产品全生命周期的虚拟企业协同工作平台。实现数字化工厂和数字化车间，从产品设计，工艺方案、生产计划、零件制造、装配试验、仓储物流到用户服务的快速响应系统，建立基于实现共享和交流的集成工作平台标准体系。使产品从设计到交付全过程信息无缝链接传递及反馈。

4 数字化制造技术进一步发展的思路

面对国内中高速柴油机制造业的迫切需要，数字化制造技术还需要从以下几个方面着手推动进一步发展。

1）推动流程优化。研究和分析国内外先进制造、管理模式，总结和提炼适应我国柴油机设计和制造数字化模式。以自主研发为契机，推动中高速柴油机企业在设计、工艺、制造、管理等产品全生命周期数字化流程优化，落实并行工程全面实施。

2）重点研究数字化制造统一数据库及集成应用。着重研究CAD/CAPP/CAM/PDM/MES等各类单项数字化制造技术应用系统的集成，构建基于统一数据库体系的企业级集成平台，发挥集成应用效果。

3）开展柴油机企业之间、企业与院校、研究机构、软件公司等相互交流，共同为中高速柴油机行业摸索出一条具有行业特征的系统化数字制造技术模式。

4）加强人才队伍建设。制定数字化制造技术专业人员激励、培养、锻炼计划，对技术人员和管理人员规范化和高层次地数字化制造技术培训应广泛开展。

5 结束语

数字化制造技术是全局性、体系化的新技术，涉及产品研制的各个环节，中高速柴油机是关系我国国计民生，国防安全的重要产品，数字化制造技术的应用是国内中高速柴油机企业研制的必由之路，此项技术的深入发展和广泛应用必将使国内中高速柴油机研制水平跨上一个新的台阶。

参考文献

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1自动化技术概论

在科学技术快速发展的今天，各种高端技术不断被发明创造，可谓是百花齐放，而自动化技术就是这姹紫嫣红的科技万花筒中一朵璀璨的奇葩。说起自动化技术它与人们生活密切相关，生活中处处都有着自动化技术，并大大改善了人们的生活质量、工作和生产方式，而且影响正日益增大。自动化技术在各行各业中被广泛的运用，如生活中的全自动洗衣机、智能控温空调等，人们只需提前设定好最优期望值，剩下的工作由机器自动完成。

2自动化的核心

2.1最简单的控制――开环控制

在自动控制中，开环控制是自动控制中最简单的控制方式，日常生活中开环控制方式的应用随处可见，其中电磁炉就是一个常见的例子。如图1，是一个以开环控制方式的电磁炉加热系统框图。

图1所示的控制方式之所以称为开环控制，是因为输出变量（炉温）没有反馈到系统的输入端，输入信号（控制电压）仅通过系统单向传递到输出信号（炉温）就终止了，没有闭合回路使输出、输入变量有反向联系。这种控制系统的特点在于不论输出量有多大变化都不会对系统的控制作用产生任何影响。开环控制系统难以克服的缺陷是抗干扰能力差（含外部干扰和内部干扰），但同时也具有许多优点，主要为是成本低廉，结构简单，调整方便等。适用于扰动影响小和对控制精度要求不高的场合，开环控制系统的组成可分为按系统的扰动控制方式组成和按系统的给定量控制方式组成，开环控制有经常被称为前馈控制或顺馈控制。

2.2自动控制的精髓――反馈控制

在前面提到的开环控制方式的基础上，当把系统的输出变量（炉温）通过反馈回路反馈到系统的输入端，并根据输出量的波动调整输入量就形成了反馈控制，如图2是一个以反馈控制方式的电磁炉加热系统框图。

在反馈控制系统中，通过检测炉温反馈回输入端不断调整控制电压就能使炉温基本稳定，达到稳定的期望值。反馈控制方式的本质是按偏差（给定电压与反馈电压之差）进行的一种特殊控制方式，与开环控制相比明显的特点是当被控量偏离期望值而波动产生一个相应的误差时，系统便相应的产生一个反馈量去减小或消除这个偏差，使被控量与其期望值逐步靠近，并最终达到相对稳定。该种控制方式的特点是控制精确度较高，但系统结构复杂，且系统的性能分析和设计也较困难，反馈方式可分为正反馈之和负反馈，但在实际的控制系统中很少采用正反馈。在反馈控制系统的基础上增加一个补偿控制，这种将开环控制与闭环控制二者相结合形成的自动控制方式称为复合控制，复合控制对波动较大的扰动幅度能够更迅速、更灵敏地进行补偿和抑制，抗干扰和控制精度性能与反馈控制相比更优良。

2.3最简单的控制方法――PID控制

HD控制的历史久远，比例控制是最早采用的控制方式，这种控制方式较为简单，后来通过实际生产生活中遇到的问题逐步针对性的引入了积分控制和微分控制，即形成了著名的PID控制。

HD其工作的本质是对系统的误差进行比例放大、积分、微分后通过一定的方式合成为新的控制量，以e（t）表示系统的误差，以u（t）表示系统的控制量，HD的控制规律可以表达为：

在控制系统中积分控制一般不单独使用，而是和比例控制相互组合成PI调节器；由于微分控制作用反映的是系统的变化率，因此微分控制只在系统的动态变化过程中起作用，微分控制不独立使用，而是和比例积分控制一起组成PID调节器，有时也和比例控制组合成PD调节器。PID控制应用广泛，通用性强，但也有它的缺点和局限性。

3自动化技术的发展

自动化技术的发展凝聚了无数科学家的经验、智慧与汗水。在“蒸汽时代”过后，随着电磁感应、发电机、电磁波等的发明和应用，人类进入“电气纪元”，在生产设备中，广泛的采用各种接触器、断路器、放大器、电磁调速器等各种的电子和电气控制装置，大大改善了工厂的自动化水平。19世纪末至20世纪中叶是自动化技术和理论发展的顶峰时期，一些被沿用至今的经典方法在这一时期被提出来，如李雅谱诺夫（Lyapunov）提出关于运动稳定性的分析方法，奈奎斯特（Nyquist）的基于系统频率响应特性的分析方法，伊万思（Evans）分析系统性能如何随增益变化而变化的根轨迹法等。以单输入、输出系统为核心的经典控制理论逐步被运用到自动化技术中。

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随着科学技术的突飞猛进的发展，工业上传统的加工方法和加工工艺由于存在效率低下、质量不均的缺陷已经不能满足需求。为了在日益激烈的市场竞争中取得优势，企业急需采取一种灵活的、高效的、智能的柔性自动化技术，数控技术应运而生。数控技术的发展和应用给工业发展打开了一个新的发展局面，能适应市场多品种、大小批量、快速高质量生产的需求。同时，面对劳动力精力有限和工资上涨的现状，企业也力求通过提高设备的自动化程度来降低生产成本、提高生产效率和提高企业收益。但是，目前我国的数控技术和自动化水平与世界先进水平还存在一定差距。对数控技术和自动化进行研究，讨论其发展趋势，对于把握现代工业的未来发展方向和促进我国经济的发展具有重要的理论和现实意义。

1数控技术概述

数控技术是综合了计算机技术、电子技术、自动控制技术和制造技术等的柔性制造自动化技术[1]。计算机预先设定好控制程序，数控系统按照给定的程序对设备实施控制。

数控技术具有很多显著的特点，简要概括为为以下三个方面：（1）功能集成化和工艺复合化（2）数控加工的应用范围广（3）良好的经济效益。

我国在数控系统、数控主机、伺服驱动等技术的基础上，对其中大部分技术，我国充分进行了商品化开发，同时建立了一批生产能力强的生产厂，如华中数控、航天数控等，建立了一支数控研究和应用的人才队伍。但是，对于高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面，我国的技术水平发展现状还远不能满足实际需求，相对国外仍有较大差距。

2数控技术的发展趋势

随着计算机、控制理论等领域技术的成熟，为数控技术向高速、高精度、复合化、智能化及网络化奠定了基础。

2.1高速高精度

高速高精加工技术可显著地提高生产效率，改善产品的质量，缩短生产周期和提高企业竞争力，是企业争相发展的关键技术。提高数控设备的加工精度有多种方法，除了可以通过机械方面提高设备的制造和装配精度来达到以外，还可通过减小数控系统的控制误差和采用补偿技术来实现[2]。

2.2复合化

数控技术的一个重要发展方向是复合加工。复合化加工降低了加工的整体费用和设备的维修保养费用，使效率和精度得到提高。复合化加工的含义包括两方面；一是工序和工艺的集成；二是指工艺的成套。复合化加工的理念越来越得到认可，复合化加工设备的发展也呈现多样化的发展态势。

2.3智能化、网络化

面对人工智能技术持续发展的现状和生产柔性化、自动化的实际需求，数控技术的智能化程度也不断提高，数控系统要具备以下功能：一、学习功能；二、自适应控制功能；三、故障诊断功能；四、自动识别和自动优化调整参数功能。

同时，网络化的发展也对柔性自动化技术的发展起到了推动作用。网络化的主旨是指数控系统与其它控外部制系统进行网络连接和控制，面向生产现场和企业内部的局域网，再以因特网为渠道，通向企业的外部[3]。通过数控技术的网络化，系统可满足对信息集成的需求，这也是实现其他新技术的基础。

3 自动化概述

自动化技术是一门综合性技术，它涉及了计算机、制造、控制和电子等多学科知识。通过利用设备集成和信息集成的方式，能达到从规划设计到生产制造，最后到管理销售等各阶段的自动化控制[4]。作为一项面向整个工业领域的重要技术，自动化是连接传统与现代工业的桥梁。作为现代化工业建立与发展的关键支撑技术，自动化技术与国民经济的发展和人们生活水平的提高息息相关。它把现代管理技术和信息技术转化为现实生产力，它的地位的重要性显露无疑。

改革开放以来，我国工业化水平日新月异，关键之一就是自动化技术的兴起。自动化在我国的应用越来越广泛，取得的成绩也十分显著，一些产业已经实现了无人作业，节省人力的同时使效率和质量得到了改善，为我国经济的进一步发展做出了重要的贡献。同时，我国自动化与世界先进水平之间的差距也是不容忽视的。实际上，我国的自动化水平还处于初级阶段，比较薄弱，在利用自动化技术对传统产业进行改造和升级上还处于起步阶段。

4 自动化发展趋势

随着自动化的逐步发展，市场对自动化的要求也越来越高，未来自动化必将沿着高效、安全、数字化和智能化的方向继续优化以展现出更大的优势。

自动化的应用使生产更加高效，这也是未来自动化发展的必由之路。同时，在计算机技术、网络技术与现代管理科学相互渗透相互影响的共同作用下，数字化应用也会日益突出[5]。近年来，工业系统正在由最初的原来的能量驱动型变化为信息驱动型，这种转变对系统提出了新的要求，系统既要表现出一定的柔性，还要体现出一定的智能，能自主处理复杂信息。信息化技术推动自动化，自动化技术相互渗透和进行互补，自动化系统更加注重功能集成和信息安全。

5 结语

数控技术和自动化综合利用了计算机、电子、控制、信息处理和科学管理等领域知识，因而高效和高精度是其突出特点。随着数控技术和自动化的发展，随着现代科学技术的推广应用，传统工业发生了翻天覆地的变化。企业通过采用数控技术，提高生产自动化水平，提高市场竞争力。国民经济飞速发展，人们生活得到改善。未来，数控技术将朝着高效高精度、复合化加工和智能化的方向发展，自动化技术将沿着高效、安全、数字化和智能化的方向前进，通过提高生产效率和提高产品质量，使工业发展迈上更高的台阶。

参考文献：

[1]王立新.浅谈数控技术的发展趋势[J].赤峰学院学报：自然科学版，2008， 23（5）： 119-120.

[2]郭聚东，李兰.数控技术的发展趋势[J].轻工机械，2005（3）：70-72.

[3]胡俊，王宇晗.数控技术的现状和发展趋势[J].机械工程师，2000（3）：5-7.