工業設備是如何應對工業現場的工況的？

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控制設備、通信設備、現場匯流排和感測器等，是如何做到在工業環境下應對複雜工況的。比如：撞擊、雨水、灰塵、電磁環境等的，又是怎麼做到提高穩定性長時間不出故障的；同時，又怎麼做到擁有可靠性與安全性（即某一功能長期不啟用，但一旦啟用就能夠完全按照設定工作）的？

我覺得，這是我在知乎看到的最有價值的一個問題。

題主的問題是：「工業設備（控制設備、通信設備、現場匯流排和感測器等）是如何做到在工業環境下應對複雜工況的？比如：撞擊、雨水、灰塵、電磁環境等；又是怎麼做到長時間不出故障的？又怎麼做到擁有可靠性與安全性（即某一功能長期不啟用，但一旦啟用就能夠完全按照設定工作）的？」

第一個相關問題方面：防護等級和防護區域

我們來設想一下，有一台設備，假定就是普通的水泵機組及其控制裝置，它當然要接入交流電源。當它運行起來後，有一位老兄就非要把手指深入到電機內部去觸摸它的結構，還要打開配電設備的門去撫摸裡面的電器。這時，我們怎麼辦呢？

這叫做直接性的防護。防護包括人的手指，當然也包括灰塵和水。

關於用電設備的直接防護，IEC有一份地球人都共同遵守的標準：IEC
60529《外殼的防護等級（IP代碼）》。

我們來看看有關防護型式IP等級的意義，如下：

我們看到，IP00是無防護的，而IP20表示能防止手指插入殼體內，但不防水；當防護等級為IP54時，用電設備不但能防塵，還能防止噴濺的水侵入用電設備。

電機的防護等級可達IP50以上，開關設備的防護等級最高可達IP54，電機甚至可以達到IP56。

另外，還有防護區域的問題。規定了什麼區域是普通人能去的，什麼區域是普通人不能去的。例如汽車的充電樁，普通人不但要去，而且還要用，所以它的防護等級很高；而電力變壓器，普通人想去也去不了，所以它的防護等級就低一些，甚至只是在周圍用圍欄圍起來就行了。

第二個問題方面：溫升和濕度

是不是防護等級越高就越好？答案是否定的。防護等級越高，用電設備散熱越差，它的溫升也就越高，繼而用電設備的絕緣就會加速老化，絕緣效果也會變差；另外溫升越高，導電材料（銅和鋁）和結構材料（鋼材）的強度會降低，使得系統的動穩定性和可靠性均降低。

夏天天熱，我們用電風扇來降溫，其本質就是通過空氣的流動來帶走人體熱量。類似地，用電設備也是依靠空氣的流動帶走熱量。

那麼用電設備的降溫與正常使用與哪些因素有關？這些因素包括：環境溫度、空氣濕度和鹽度、海拔高度和防護等級等等。我們來逐條簡單分析一下：

1）環境溫度越高，用電設備的溫升當然也越高；

2）空氣濕度和鹽度會破環絕緣材料的表面絕緣性能。所以，許多配電設備都有濕度和環境氣氛條件的限制。我們會發現，生活在海邊，電視機和電冰箱更容易壞，就是這個道理；

3）海拔高度越高，空氣密度越低，紫外線越強，用電設備的散熱越困難，而電弧也越發不容易消除。所以，當用電設備在高海拔地區運行時，需要降容；

4）防護等級越高，散熱越困難。超過一定的防護等級，則用電設備需要降容。

在這方面最典型的代表就是開關設備。我們來看ABB的Emax斷路器的參數，如下：

對於一般的低壓電器來說，可參閱GB14048系列標準，或者IEC60947系列標準。

第三個問題方面：振動

工作環境中的振動會引起共振，這對於某些用電設備來說會有很大的影響。這種影響屬於用電設備的動穩定性之一。

動穩定性包括四方面的內容，即：共振影響、短路電流電動力的衝擊、地震影響，還有電器觸頭霍姆力等等。

因此，對用電設備來說，現場振動條件是必須考核的要素之一。

用電電器在上市前，都必須經過型式試驗的考核，其中就包括振動和地震測試。在這方面，核電的要求最高。

關於振動和動穩定性，國家標準、國際標準和國際原子能委員會標準作了詳實的規定和規範。

第四個問題方面：EMC問題

所謂EMC，就是用電設備的電磁騷擾。

用電設備當然不希望受到強烈的電磁騷擾，同時，也不希望自己輸出電磁騷擾去干擾其它設備。這裡又出現大量的相關知識點，以及相關的國際和國家標準。

這裡的知識量很大，這個帖子只能點到為止。圖書館裡與EMC有關的書籍也很多。

第五個問題方面：電源的諧波問題

電源的諧波值得簡單地介紹一下。

我們知道，照明燈具會引發三次諧波，用電設備會因此而嚴重發熱。影視中心的調光設備特別多，所以影視中心是三次諧波的重災區。

還有，五次諧波會引起電機發熱。企業中電動機多，電動機也會因此而大面積損壞。

可見，抑制諧波與用電設備穩定工作有很大的關係。

對於電網來說，諧波日益成為主要污染源之一。如何消除三次和五次諧波，是企事業單位共同面對的重大問題。一般採取諧波抑制器，還有用帶電抗器的無功功率補償器來消除諧波。

在諧波抑制方面，同樣也有大量的理論知識和國家國際標準，以及各種規範。事實上，在供配電的出版物和論文中，諧波的分析和討論向來都佔有很大的比例。

第六個問題方面：電壓凹陷引起的用電設備工作失穩

大功率用電電器的起動會造成電壓跌落，專業術語叫做電壓凹陷。電壓凹陷後，會引起其它用電設備的轉速下降，而電壓恢復後又會造成負載轉矩衝擊。

所以，電壓凹陷也是當前討論的重點。在這方面同樣也有大量的論文，以及國際和國家標準。

第七個問題方面：智能化帶來的通信問題

智能化，當然就是利用各種單片機、PLC和計算機構建用電電器的就地測控和遠方測控，以及參數傳遞。在這方面，目前也是一日千里，方興未艾。

不過，數據傳輸的穩定性極為重要。如果傳輸不穩定，可想而知其後果是什麼。

目前，用電設備大多採用現場匯流排，或者工業乙太網傳輸數據，也有用4到20毫安信號傳輸數據的。

這方面，論文、標準、書籍也非常多，也是當下的重點。

事實上，在知乎網的帖子中都能看到這方面的內容。

第八個問題方面：自動控制和人機界面問題

第八個問題與上面第七個問題有一點聯繫。第七個問題的關注點在於數據傳輸，而第八個問題這把關注點放在測控本身。

我們大家都知道PID，也即比例、積分和微分控制，它不但可用於現場控制，也可以駐留在後台測控中心中執行測控。

實際上的測控遠比PID要複雜很多。例如石化廠的流程式控制制、發電廠的發電機控制等等，甚至連我們家裡的冰箱控制，都有點類似的原理在裡面。

測控不但涉及到控制方式，更重要的是資料庫，以及人機對話的界面。

這方面，同樣也有大量的標準，也有海量的論文論及此問題。

第九個問題方面：用電設備的可靠性

關於可靠性，這實在是一個太過龐大的問題了，並且十分重要。

可靠性，既涉及到設備本身，也涉及到設備的使用和外界影響。可靠性是一個很大的範疇，是任何用電設備必須具有的基本要求。

別的不說，如果我們用微波爐來加熱午餐，卻發現全新的微波爐根本就不能用，多讓人煩惱，這就是微波爐的可靠性。

可靠性還牽涉到用電電器電壽命的概率統計數據。

因此，關於可靠性的探討，還是留給知友們吧。本帖無法探討如此巨大的問題。

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主要就是這九個方面。

在題主的這個主題下，任何一個枝節都有海量的理論論文，都有大量的規範和標準。可以這麼說，這個主題事實上就是現代工業控制的一個縮影，也是電器工程師們關注的焦點。

限於篇幅沒法再細寫下去了，有待於知友們在評論區自行指出吧。

此貼我會根據評論的內容適當更新。

就設備本身而言，都有相應的型式試驗、EQ實驗報告，報告包含了樓主說的IP等級、抗震、EMC、老化等等.......

就設計方和採購方而言，按照實際運行工況和技術要求去選擇市場上滿足要求的設備即可！

當然也會出現市場沒有設備可以滿足要求的情況，這種情況需要重新做EQ；重新做EQ的情況較麻煩，一方面實驗周期很長、另一方面價格很高（有的實驗可能在百萬千萬美元以上），設備製造廠考慮成本因素也有可能會拒絕.

關於樓主說的安全性可靠性問題，目前有兩種思路：一種是精簡設備，設備越少越安全；一種是增加冗餘，備用越多越安全；兩種思路都有道理，但孰優孰劣不得而知！

工業設備在設計、安裝、調試、運行、維護等一系列環節中，都是人起著主導地位的，譬如設計者首先應考慮設備的工作環境，應用場合，限制條件，然後給出相應的設備參數並逐步優化；工業設備的安裝調試，應從人、機、料、法、環方面去控制設備的安裝精度，進而保證設備運行的穩定性。

如果以上都達標了，剩下的就是運行維護了，設備運行的穩定、安全、可靠主要靠兩方面，一是運行維護人員及時發現設備缺陷並及時處理，二是靠設備本身自動控制功能（也是人類預先設計的）。

以水電廠為例，設備幾乎每年都要檢修，如保護全檢，定值核對，二次聯動，自動開停機等，這些都是為了保證設備的穩定安全運行；此外，運行人員每天巡迴檢查兩次，及時發現設備障礙並聯繫處理，也是為了設備運行安全穩定；有人說，現在不都智能化了么，不都無人值班了么，怎麼還要巡檢，我個人的感覺是，無人值班指的是變電站吧，反正電廠尤其是大型電廠想無人值班，基本不太可能，畢竟設備太多，要關注的點太多，不像變電站，遇到故障，跳閘以後可以慢慢處理，水電廠由於多了大壩，一旦出事，是要通天的。尤其目前許多測控設備精度並不高，可靠性也難保證，如油箱大量進水，油混水裝置卻不動作，由於載流密度大，碳刷溫度高達300度，卻無報警，還要臨時加風機吹。所以說，設備一旦選型並安裝完成，很多只能靠運行維護人員去保證設備的可靠安全穩定。

仍以水電廠為例，說明一下如何設備自動完成某些功能，當然，之前說過，這些功能都是設計者預先設定的。理論部分就不說了，教科書上都有，先說保護裝置，基本上都是採集電流、電壓，處理之後與定值做比較，越限了則動作。實際上，這類設計是傳統的保護，只有越限才會動作，當然也有突變數啟動之類的，但定值過低，往往不會引起重視。由於設備從正常運行到故障是需要一定時間的，所以設備運行參數可以抽象成與時間相關的函數，我猜想以後的保護可能不僅僅是越限才動作，而是具有在線診斷功能，或者梯度變化報警功能，不僅僅是電氣量，一些重要的模擬量如油位，水壓都可以趨勢預警，那樣的話運行維護的工作量可能會小很多，而不是無休止的抄表，監屏；

此外，來說說AGC、AVC，這可能是電廠設備控制的核心了，畢竟是跟系統相關。水電廠最重要的兩大部件即水輪機，發電機，各部分關係如下：

AGC主要是調節有功以保障系統頻率偏差不會越限，同樣AVC是調節無功以保障系統電壓不會越限。這功能是好東西，尤其在應對系統衝擊導致頻率或電壓奔潰時，但實際上很多電廠AGC、AVC更多是用來方便調節有功無功的，為的是省卻人為調整的麻煩，當系統衝擊時，AGC、AVC功能往往是自動退出的，電壓突變時也只有勵磁系統的強勵能支撐10幾秒。當然，由於AGC、AVC功能的不完善，所以不能讓它貿然應對電力系統的衝擊，所以衝擊時，調度員的壓力倍增。

綜上所述，設備的安全穩定及其可靠性，本身是由設計安裝決定的，後期靠運行維護管理並校驗的，至於如何動作，如何實現，翻一翻教材總會有答案~~~

我看各位說的主要是電控設備的要求，作為工藝工程師，我簡單說說本體的要求。

工業設備相對民用設備來說，要高效，皮實，要適應各種不同工況的要求。主要有以下幾個方面的措施。

1.採用高標準材料或者結構，技術，以提高對各種不利工況。比如採用特種鋼，塗防護漆，做深碳滲氮處理，提高防護等級，增加過濾裝置等等等。一方面會提高成本，另一方面會完成一些困難，比如耐腐蝕的塑膠一般不耐高溫，鋼材一般耐磨和耐腐蝕是矛盾的等等，需要在設計時權衡。