建筑电气自动化设计及发展趋势的探讨
摘要：最近几年由于电气设备、自动化设备、网络通讯设备及其技术的发展成熟,使得电气设计和自动化设计工作相互渗透、交融,并且使之思想方法、工作方式发生了很大的变化。本文从笔者的工作经验出发,分析了电气自动化设计在工程实践中等相关信息探讨；以供参考！
关键词：电气系统；自动化设计；电气保护；接地；发展趋势
1传统电气设计和自动化设计思想的基础和特点
按传统设计制造方式提供的电气设备其控制、保护和计量主要由分立的、机械的、物理的方式和部件来完成,其相互之间的功能组合构成达到用户要求的配电产品。与其对应的完全由计算机构成的自动化控制系统,通过软硬件组态达到用户要求的系统控制管理功能。上述两类设备分别由不同类的制造商提供,界限径渭分明,它们由项目设计人员依据标准的现场信号条件和统一的控制管理原则划定互联的明显界面,进行协调连接。电气设计根据用电设备的用电负荷、负荷特点和用电设备的分布情况,设置高中低压变配电系统。进而根据供电方条件、要求和用电设备要求和特点进行高中低压变配电系统二次计量、保护、控制的设计；根据工艺控制要求和自动化系统要求,进行配电系统末端的用电设备就地控制设备的设计。
2设备与技术发展为设计提供的现实基础条件
高压配电柜内的综合保护控制器、综合电量计量器,低压配电柜内的自动空气断路器中的计算机控制模块、马达控制中心中的软启动器、变频器的可控硅触发数字控制器,就地机电设备中的小型PLC控制器,阀门电动装置调节控制器,现场过程仪表,这些都可用现场总线连接在一起,以相同的通讯协议进行数据通讯。这些由于芯片嵌入、机电一体化、网络通讯及其标准化统一所带来的发展变化,使得测量和控制彻底的分散化于现场设备层得以实现。现场通讯总线上的人机界面设备通过DDE方式采用商业化通用多平台监控软件,提供运行管理人员介入系统的手段,并且不受时间、地点的限制。同时现在的监控组态工具软件亦有统一的标准IEC1131-3,系统制造商均对此予以支持。从控制系统拓扑结构上看,以现场总线为通讯媒介,只分为人机界面管理计算机、现场控制器两个层面。现在有几大现场总线组织制定了相应的几种现场总线通讯协议,符合同种通讯协议的现场控制器、仪表、嵌入式控制装置可方便的通过现场总线连接组成控制系统。监控管理计算机可通过专用或商用通讯网络与更加广泛的管理系统相联系。
3新设计思想的内容和特点
由于现在高低压变配电设备中具有嵌入式控制装置、用电设备就地控制设备中具有的小型PLC控制器等,所以进行电气设计时,不用像传统设计时考虑集中的二次信号、计量、保护系统设备和自动化控制系统的预留互联条件,只要按用电设备要求、工艺控制要求进行高低压变配电系统、用电设备就地控制设备的一次电气设计。同时按工艺控制要求进行仪表系统设计。根据供电方条件、要求和用电设备的要求和特点进行高低压变配电系统二次计量、保护、控制的控制流程图设计；根据工艺控制要求和自动控制要求,进行配电系统末端的用电设备就地控制设备的控制流程图设计；在人机界面管理计算机上按上述各部分的控制流程图,以符合IEC113-3标准的组态工具软件进行控制系统监控软件组态,包括对仪表系统的组态。最后进行电气及其控制设备安装、电缆互联和敷设设计。这样的设计流程与传统的设计方式中电气设计、自动化设计过程是平行进行、并在过程中互提测控条件的方式有很大的不同,它简化了设计流程、将电气和自动化设计人员合二为一、提高设计时效。另外,自动化设计中组态工作无需象以往等待系统硬件定牌后才可进行,标准的组态工具软件和网络通信协议使不同的设备如同同一系统供应商的产品一样便捷的整合成系统。工程项目经过这样的设计后,得到的整个电气及其控制系统是完全为扁平化、开放化的。其优点是电气与自动化系统合一,从电气的角度看系统全部智能化,从控制系统的角度看系统彻底分散化,从网络的角度看扁平、开放的结构提供给用户更经济、易用、高效的共享数据。
4 新设计思想与未来技术发展趋势的契合
嵌入式控制装置将覆盖全部现场设备,现场总线通讯协议统一至最少的数量,嵌入式控制装置具有完全符合标准现场总线通讯协议的网络通讯功能,现场总线网络上的全部节点设备的数据库为分布式实时数据库,这些就如同PC及其外设的USB接口形成一样。同样智能化、分布式、扁平化的设备控制系统构成的生产过程,也是生产管理系统的主要组成部分,数据共享、快速、高效、可靠、低成本也是扁平化管理系统的特点。为了实现上述功能,在进行未来的设计工作中要求设计人员既要进行电气系统设计,又要能对嵌入式控制装置进行编程组态,同时还要完成基于现场总线通讯协议网络的构架及其监控软件(包括数据库)的组态。这样一个项目的设计工作过程无论从人员还是到流程亦是快速、高效、扁平化的。通过互联网设备供货商、项目设计人员、企业生产管理者均可对设备和生产流程进行离线或在线的技术支持和调整,这也得益于嵌入式控制装置和标准现场总线通讯协议网络的全面实现。
5电气保护
5.1交流工作接地：工作接地主要指的是变压器中性点或中性线（N线）接地。N线必须用铜芯绝缘线。在配电中存在辅助等电位接线端子，等电位接线端子一般均在箱柜内。必须注意，该接线端子不能外露；不能与其它接地系统，如直流接地，屏蔽接地，防静电接地等混接；也不能与PE线连接。在高压系统里，采用中性点接地方式可使接地继电保护准确动作并消除单相电弧接地过电压。中性点接地可以防止零序电压偏移，保持三相电压基本平衡，这对于低压系统很有意义，可以方便使用单相电源。
5.2安全保护接地：安全保护接地就是将电气设备不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。即将大楼内的用电设备以及设备附近的一些金属构件，用PE线连接起来，但严禁将PE线与N线连接。在现代建筑内，要求安全保护接地的设备非常多，有强电设备，弱电设备，以及一些非带电导电设备与构件，均必须采取安全保护接地措施。当没有做安全保护接地的电气设备的绝缘损坏时，其外壳有可能带电。如果人体触及此电气设备的外壳就可能被电击伤或造成生命危险。我们知道：在一个并联电路中，通过每条支路的电流值与电阻的大小成反比，即，接地电阻越小，流经人体的电流越小，通常人体电阻要比接地电阻大数百倍经过人体的电流也比流过接地体的电流小数百倍。当接地电阻极小时，流过人体的电流几乎等于零。实际上，由于接地电阻很小，接地短路电流流过时所产生的压降很小，所以设备外壳对大地的电压是不高的。人站在大地上去碰触设备的外壳时，人体所承受的电压很低，不会有危险。加装保护接地装置并且降低它的接地电阻，不仅是保障智能建筑电气系统安全，有效运行的有效措施，也是保障非智能建筑内设备及人身安全的必要手段。
5.3屏蔽接地与防静电接地：在现代建筑中，屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰的最佳保护方法。可将设备外壳与PE线连接；导线的屏蔽接地要求屏蔽管路两端与PE线可靠连接；室内屏蔽也应多点与PE线可靠连接。防静电干扰也很重要。在洁净、干燥的房间内，人的走步、移动设备，各自磨擦均会产生大量静电。例如在相对湿度10~20％的环境中人的走步可以积聚3.5万伏的静电电压、如果没有良好的接地，不仅仅会产生对电子设备的干扰，甚至会将设备芯片击坏。将带静电物体或有可能产生静电的物体（非绝缘体）通过导静电体与大地构成电气回路的接地叫防静电接地。防静电接地要求在洁静干燥环境中，所有设备外壳及室内（包括地坪）设施必须均与PE线多点可靠连接。智能建筑的接地装置的接地电阻越小越好，独立的防雷保护接地电阻应≤10Ω；独立的安全保护接地电阻应≤4Ω；独立的交流工作接地电阻应≤4Ω；独立的直流工作接地电阻应≤4Ω；防静电接地电阻一般要求≤100Ω。
5.4直流接地：在一幢智能化楼宇内，包含有大量的计算机，通讯设备和带有电脑的大楼自动化设备。在这些电子设备在进行输入信息，传输信息，转换能量，放大信号，逻辑动作，输出信息等一系列过程中都是通过微电位或微电流快速进行，且设备之间常要通过互联网络进行工作。因此为了使其准确性高，稳定性好，除了需有一个稳定的供电电源外，还必须具备一个稳定的基准电位。可采用较大截面的绝缘铜芯线作为引线，一端直接与基准电位连接，另一端供电子设备直流接地。该引线不宜与PE线连接，严禁与N线连接。
5.5防雷接地：智能化楼宇内有大量的电子设备与布线系统，如通信自动化系统，火灾报警及消防联动控制系统，楼宇自动化系统，保安监控系统，办公自动化系统，闭路电视系统等，以及他们相应的布线系统。这些电子设备及布线系统一般均属于耐压等级低，防干扰要求高，最怕受到雷击的部分。不管是直击，串击，反击都会使电子设备受到不同程度的损坏或严重干扰。因此智能化楼宇的所有功能接地，必须以防雷接地系统为基础，并建立严密，完整的防雷结构。智能建筑多属于一级负荷，应按一级防雷建筑物的保护措施设计，接闪器采用针带组合接闪器，避雷带采用25×4（mm）镀锌扁钢在屋顶组成≤10×10（m）的网格，该网格与屋面金属构件作电气连接，与大楼柱头钢筋作电气连接，引下线利用柱头中钢筋，圈梁钢筋，楼层钢筋与防雷系统连接，外墙面所有金属构件也应与防雷系统连接，柱头钢筋与接地体连接，组成具有多层屏蔽的笼形防雷体系。这样不仅可以有效防止雷击损坏楼内设备，而且还能防止外来的电磁干扰。
6.结语
从上述内容可以看出电气设计、自动化设计过程是平行进行的,在过程中互提测控条件,在本方实施条件内容的同时,落实和确认对方条件内容；最后进行控制系统设备安装、电缆敷设设计。使得电气自动化之更加完善！