時間：2022-03-15 16:54:51
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關鍵詞：火災自動報警消防聯(lián)動控制系統(tǒng)電氣設計
現(xiàn)代化的建筑規(guī)模大、標準高、人員密集、設備眾多，對防火要求極為嚴格。為此，除對建筑物平面布置、建筑和裝修材料的選用、機電設備的選型與配置有許多限制條件外，還需要設置現(xiàn)代化的消防設施。隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，各種高層建筑、大中型商業(yè)建筑、廠房不斷涌現(xiàn)，對自動消防報警系統(tǒng)提出了更高更嚴的要求。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產(chǎn)安全，保衛(wèi)社會主義現(xiàn)代化建設，在現(xiàn)代化的工業(yè)民用建筑、賓館、圖書館、科研和商業(yè)部門，火災自動報警系統(tǒng)已成為必不可少的設施。電氣工程設計、安裝和使用是否正確不僅直接影響到建筑的消防安全而且也直接關系到各種消防設施能否真正發(fā)揮作用。因此，自動報警及消防聯(lián)動的設計及設備選型顯得尤為重要。
一、系統(tǒng)的組成
火災自動報警與消防聯(lián)動控制系統(tǒng)是建筑物防火綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由火災報警系統(tǒng)和消防聯(lián)動控制系統(tǒng)組成。在實際工程應用中，系統(tǒng)的組成是多種多樣的，設備量的多少、設備種類都會有很大的不同。但是，決定系統(tǒng)特征的是火災自動報警和消防聯(lián)動控制這兩個系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。
（一）火災自動報警系統(tǒng)的組成
火災自動報警系統(tǒng)一般由探測器、信號線路和自動報警裝置三部分組成。
1、火災探測器和手動報警按鈕
火災探測器是整個報警系統(tǒng)的檢測元件。它的工作穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度等技術指標直接影響著整個消防系統(tǒng)的運行。
1）探測器的種類
火災探測器的種類很多，大致有如下幾種：
（1）離子感煙探測器。
（2）光電感煙探測器。
（3）感溫探測器（包括定溫式和差溫式）。
（4）氣體式探測器。
（5）紅外線式探測器。
（6）紫外線式探測器。
2）常用的火災探測器基本原理
（1）感煙火災探測器
火災發(fā)展過程大致可以分為初期階段、發(fā)展階段和衰減熄滅階段。感煙火災探測器的功能在于：在初燃生煙階段，能自動發(fā)出火災報警信號，以期將火撲滅在未成災害之前。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，感煙探測器可分為離子感煙探測器和光電感煙探測器。
①離子感煙探測器
離子式感煙探測器是由兩個內(nèi)含Am241放射源的串聯(lián)室、場效應管及開關電路組成的。內(nèi)電離室即補償室，是密封的，煙不易進入；外電離室即檢測室，是開孔的，煙能夠順利進入。在串聯(lián)兩個電離室的兩端直接接入24V直流電源。當火災發(fā)生時，煙霧進入檢測電離室，Am241產(chǎn)生的α射線被阻擋，使其電離能力降低，因而電離電流減少，檢測電離室空氣的等效阻抗增加，而補償電離室因無煙進入，電離室的阻抗保持不變，因此，引起施加在兩個電離室兩端分壓比的變化，在檢測電離室兩端的電壓增加量達到一定值時，開關電路動作、發(fā)出報警信號。
②光電感煙探測器
光電式感煙探測器由光源、光電元件和電子開關組成。利用光散射原理對火災初期產(chǎn)生的煙霧進行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。
a、一般光電式感煙探測器根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為遮光型和散射型兩種。
遮光型光電感煙探測器由一個光源（燈泡或發(fā)光二極管）和一個光電元件對應裝在小暗室內(nèi)構(gòu)成。在無煙情況下，光源發(fā)出的光通過透鏡聚成光束，照射到光電元件上，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，使整個電路維持在正常狀態(tài)，不發(fā)出報警。當火災發(fā)生有煙霧進入探測器，使光的傳播特性改變，光強明顯減弱，電路正常狀態(tài)被破壞，則發(fā)出報警信號。
散射光電式感煙探測器的發(fā)光二極管和光電元件設置的位置不是對應的。光電元件設置在多孔的小暗室里。無煙霧時，光不能射到光電元件上，電路維持正常狀態(tài)。而發(fā)生火災時，有煙霧進入探測器，光通過煙霧粒子的反射或散射到達光電元件上，則光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大電路放大后，驅(qū)動自動報警裝置發(fā)出報警信號。
b、激光式感煙探測器。由激光發(fā)射機（包括脈沖電源和激光發(fā)生器）和激光接收器（包括光電接收器、脈沖放大及報警）組成。它利用激光方向性強、亮度高及單色性和相干性好的特點。在無煙情況下，脈沖激光束射到光電接收器上，轉(zhuǎn)換成電信號，報警器不發(fā)出報警。一旦激光束在發(fā)射過程中有煙霧遮擋而減弱到一定程度，使光電接收器信號顯著減弱，探測器發(fā)出報警信號。在種類繁多的激光光源中，半導體激光器由于具有所需激發(fā)電壓低、效率高、脈沖功率大、器件體積小、耐震、壽命長和價格低廉等優(yōu)點而受到重視。
c、紫外光和紅外光感煙探測器。它們具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、可靠、探測方位準確等優(yōu)點，因而得到普遍重視，并成為目前火災探測器的重要設備和發(fā)展方向。
光電式感煙探測器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn)早期火災報警，除應用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。
（2）感溫火災探測器
感溫探測器按結(jié)構(gòu)原理不同有雙金屬片型、膜盒型、熱敏電子元件型等三種。
①雙金屬片型是應用兩種不同膨脹系數(shù)的金屬片作為敏感元件的，一般制成差溫和定溫兩種形式，定溫式是當環(huán)境溫度上升達到設定溫度時，定溫部件立即動作，發(fā)出報警信號；差溫式是當環(huán)境溫度急劇上升，其溫升速率（℃/min）達到或超過探測器規(guī)定的動作溫升速率時，差溫部件立即動作，發(fā)出報警信號。
②膜盒型探測器由波紋板組成一個氣室，室內(nèi)空氣只能通過氣塞螺釘?shù)男】着c大氣相通。一般情況下（指環(huán)境溫升速率不大于1℃/min），氣室受熱，室內(nèi)膨脹的氣體可以通過氣塞螺釘小孔泄漏到大氣中去。當發(fā)生火災時，溫升速率急劇增加，氣室內(nèi)的氣壓增大，波紋板向上鼓起，推動彈性接觸片，接通電接點，發(fā)出報警信號。
③電子感溫探測器由兩個阻值和溫度特性相同的熱敏電阻和電子開關線路組成，兩個熱敏電阻中一個可直接感受環(huán)境溫度的變化，而另一個則封閉在一定熱容量的小球內(nèi)。當外界溫度變化緩慢時，兩個熱敏電阻的阻值隨溫度變化基本相接近，開關電路不動作?；馂陌l(fā)生時，環(huán)境溫度劇烈上升，兩個熱敏電阻阻值變化不一樣，原來的穩(wěn)定狀態(tài)破壞，開關電路打開，發(fā)出報警信號。
3）火災探測器的選擇
（1）根據(jù)火災的特點選擇探測器
①火災初期有陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙和少量熱，很小或沒有火焰輻射，應選用感煙探測器。
②火災發(fā)展迅速，產(chǎn)生大量的熱、煙和火焰輻射，可選用感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器或其組合。
③火災發(fā)展迅速、有強烈的火焰輻射和少量煙和熱、應選用火焰探測器。
④火災形成特點不可預料，可進行模擬試驗，根據(jù)試驗結(jié)果選擇探測器。
（2）根據(jù)安裝場所環(huán)境特征選擇探測器
①相對濕度長期大于95%，氣流速度大于5m/s，有大量粉塵、水霧滯留，可能產(chǎn)生腐蝕性氣體，在正常情況下有煙滯留，產(chǎn)生醇類、醚類、酮類等有機物質(zhì)的場所，不宜選用離子感煙探測器。
②可能產(chǎn)生陰燃或者發(fā)生火災不及早報警將造成重大損失的場所，不宜選用感溫探測器；溫度在0℃以下的場所，不宜選用定溫探測器；正常情況下溫度變化大的場所，不宜選用差溫探測器。
③有下列情形的場所，不宜選用火焰探測器：
a、可能發(fā)生無焰火災；
b、在火焰出現(xiàn)前有濃煙擴散；
c、探測器的鏡頭易被污染；
d、探測器的‘視線’易被遮擋；
e、探測器易被陽光或其他光源直接或間接照射；
f、在正常情況下，有明火作業(yè)以及X射線、弧光等影響。
高層民用建筑及探測器的靈敏度選擇，應據(jù)探測器的性能及使用場所，正常情況下（無火警時）系統(tǒng)沒有誤報警為準進行選擇。目前，國內(nèi)高層建筑中，大部分使用光電感煙測器，只有在個別場所、廚房、發(fā)電機房、車庫及有氣體滅火裝置的場所才用感溫探測器。只用一種探測器，在聯(lián)動的系統(tǒng)里易產(chǎn)生誤動作，這將造成不必要的損失，無聯(lián)動的系統(tǒng)里易誤報。故應選用兩種或兩種以上種類探測器。他們是“與”的邏輯關系，當兩種或兩種以上探測器同時報警，聯(lián)動裝置才動作，這樣才能確保不必要的損失
總之，探測器選擇應根據(jù)實際環(huán)境情況選擇合適的探測器，以達到及時、準確報警的目的。
4）手動報警按鈕
報警區(qū)域內(nèi)每個防火分區(qū)應至少設置一個手動火災報警按鈕，且從一個防火分區(qū)里的任何位置至最近一個手動火災報警按鈕的距離不應大于30m，并應設置在明顯和便于操作的位置。手動報警按鈕距地面1.5m。
2、自動報警裝置
我國火災自動報警裝置的研究、生產(chǎn)和應用雖然起步較晚，但發(fā)展非?？?，特別是最近幾年，隨著我國四化建設的迅速發(fā)展和消防工作的不斷加強，火災自動報警裝置的生產(chǎn)和應用都有了較大的發(fā)展，生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品種類和產(chǎn)量及應用單位都不斷地增加。我國目前生產(chǎn)的火災自動報警裝置是包括報警顯示、故障顯示和發(fā)出控制指令的自動化成套裝置。當接收到火災探測器、手動報警按鈕或其他觸發(fā)器件發(fā)送來的火災信號時，能發(fā)出聲光報警信號，記錄時間、自動打印火災發(fā)生的時間、地點、并輸出控制其他消防設備的指令信號，組成自動滅火系統(tǒng)。目前，生產(chǎn)、使用的自動報警裝置，多采用多線制，分為區(qū)域報警控制器、集中報警控制器和智能型火災報警控制器。
（1）區(qū)域報警控制器
區(qū)域報警器是一種由電子電路組成的自動報警和監(jiān)視裝置。它聯(lián)結(jié)一個區(qū)域內(nèi)的所有火災探測器，準確、及時的進行火災自動報警。因此，每臺區(qū)域報警器和所管轄區(qū)域內(nèi)的火災探測器經(jīng)正確連接后，就能構(gòu)成完整、獨立的自動火災報警裝置。
區(qū)域報警器的基本原理如下：
①接收探測器或手動報警按鈕發(fā)出的火災信號，以聲光的形式進行報警；
②電子鐘可以記憶首次發(fā)生火災的時間；
③可以帶動若干對繼電器觸點給出適當外接功能；可
④以配置備用直流電源，當市電斷電時，直流備用電便自動投入；
⑤具有自檢功能，當區(qū)域報警器與探測器之間有接觸不良或斷線時，報警器發(fā)出開路或短路的故障聲、光報警信號并自動顯示故障部位；
⑥具有“火警優(yōu)先”功能，各類報警信號至區(qū)域報警器，經(jīng)信號選擇電路處理后，進行火災、短路、開路判斷，報警器首先發(fā)出火災報警信號，指示具體著火部位，發(fā)出火警音響，記憶火警信號、開路、短路故障信號；
⑦通過通訊接口電路將三類信號送至集中報警控制器。區(qū)域報警控制器將接收到的探測器火警信號進行“與”“或”邏輯組合，控制繼電器動用聯(lián)動外部設備，如排煙閥、送風閥、防火門等。
目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的區(qū)域報警器的容量即監(jiān)控部位多少不同。不同型號的區(qū)域報警器需與不同型號的探測器相連接。以西安262廠生產(chǎn)的JB-QB-2700/088A系列區(qū)域報警器為例，它有壁掛式、柜式兩種，最大容量為256路，一路是一個部位號，一個探測器占一個部位號。
在工程設計中，選擇區(qū)域報警控制器的容量應大于該區(qū)域的探測器數(shù)。如一建筑物以一層為一個區(qū)，共24個房間，每個房間一個探測器，共24個，則應選擇30路區(qū)域報警控制器。若48個房間，則應選擇50回路區(qū)域報警控制器。
（2）集中報警控制器
集中報警控制器的基本原理如下：
①把若干個區(qū)域報警器連接起來，組成一個系統(tǒng)，集中管理；
②可以巡回檢測相連接的各區(qū)域報警器有無火災信號或故障信號，并能及時指示火災區(qū)部位和故障區(qū)域，同時發(fā)出聲、光報警信號；
③其他功能、原理同區(qū)域報警控制器。
在系統(tǒng)中如只有探測器和集中報警器是不能工作的。因為集中報警器的巡檢功能、火災報警功能、自檢功能等都是與區(qū)域報警器構(gòu)成系統(tǒng)后才具備的。所以，只有區(qū)域報警器與集中報警器配合使用，才能構(gòu)成自動火災報警系統(tǒng)。
集中報警系統(tǒng)適用于大型、復雜工程。集中報警器最大容量可接40臺區(qū)域報警器。
（3）智能型火災報警控制器
智能型火災報警控制器的基本原理如下：
①采用模擬量探測器，能對外界非火災因素，諸如溫度、濕度和灰塵等影響實施自動補償，從而在各種不同使用條件下為解決無災誤報和準確報警奠定了技術基礎；
②報警控制器采用全總線計算機通信技術，實現(xiàn)總線報警和總線聯(lián)動控制，減少了控制輸出與執(zhí)行機構(gòu)之間的長距離管線；
③采用大容量的控制矩陣和交叉查尋程序軟件包，以軟件編程代替硬件組合，提高了消防聯(lián)動的靈活性和可修改性。
262廠生產(chǎn)的NA1000系列火災報警控制器就屬此類形式。
（4）自動報警裝置的選擇
火災自動報警系統(tǒng)中，所選用的火災報警裝置應具有以下基本功能：
①能為火災探測器供電；
②能接收來自火災探測器或手動報警按鈕的報警信號；
③能檢測并發(fā)出系統(tǒng)本身的故障信號；
④能檢查火災報警器的報警功能；
⑤具有電源轉(zhuǎn)換功能。
火災報警控制器的選擇，一般考慮下列因素：
①火災探測器、火災報警器宜選用同一廠家的配套產(chǎn)品；
②報警系統(tǒng)所需回路數(shù)量；
③是否需要自動消防聯(lián)動控制功能；
④安裝位置和安裝方式等。
（二）消防聯(lián)動控制系統(tǒng)的組成
消防聯(lián)動控制范圍很廣，據(jù)實際工程的大小、等級高低的不同各異。聯(lián)動控制設備有消火栓、水滅火、氣體滅火、防火門、防火卷簾、排風機、空調(diào)設施、防火閥、排煙閥、電梯、誘導燈、事故燈、警鈴、切斷工作電源等。
二、系統(tǒng)選擇
火災自動報警系統(tǒng)的保護對象是建筑物或建筑物的一部分。不同的建筑物，其使用性質(zhì)、重要程度、火災危險性、建筑結(jié)構(gòu)形式、耐火等級、分布狀況、環(huán)境條件以及管理形式等各不相同。在設計中應仔細研究這些情況，根據(jù)不同的情況選擇不同的火災自動報警系統(tǒng)。
（一）系統(tǒng)確定
火災自動報警系統(tǒng)是觸發(fā)器件、火災報警裝置、火災警報裝置以及具有其他輔助功能的裝置組成的火災報警系統(tǒng)，是人們?yōu)榱嗽缙诎l(fā)現(xiàn)通報火災、并及時采取有效措施，控制和撲滅火災而設置在建筑中或其他場所的一種自動消防設施，是人們同火災作斗爭的有力工具。
報警系統(tǒng)的確定一般是整個系統(tǒng)中報警部位總點數(shù)，包括探測器數(shù)量、手動報警按鈕數(shù)量及消火栓、自動門、自動閥、行程開關等總數(shù)量來確定。也就是說與建筑物大小、等級、使用功能有關?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)的組成形式多種多樣，特別是近年來，科研、設計單位與制造廠家聯(lián)合開發(fā)了一些新型的火災自動報警系統(tǒng)，如智能型、全總線型等，但在工程應用中，采用最廣泛的是如下三種基本形式：區(qū)域報警系統(tǒng)、集中報警系統(tǒng)、控制中心報警系統(tǒng)。
1、區(qū)域報警系統(tǒng)
該系統(tǒng)一個報警區(qū)域宜設置一臺區(qū)域報警控制器，系統(tǒng)中區(qū)域報警控制器不應超過3臺，區(qū)域報警控制器宜設于有人值班的房間、場所。
系統(tǒng)的組成見下圖。
2、集中報警系統(tǒng)
報警區(qū)域較多、區(qū)域報警控制器超過3臺時，采用集中報警系統(tǒng)。集中報警系統(tǒng)至少有一臺集中報警控制器和兩臺以上區(qū)域報警控制器集中報警控制器應設置有人值班的專用房間或消防班室內(nèi)。
系統(tǒng)的組成見下圖。
3、控制中心報警系統(tǒng)
工程建筑規(guī)模大、保護對象重要、設有消防控制設備和專用消防控制室時，采用控制中心報警系統(tǒng)。
系統(tǒng)的組成見下圖。
以上各系統(tǒng)布線方式與探測器、報警器種類有關。采用二線制（即區(qū)域報警器到每一個探頭為二線）。區(qū)域報警器單獨使用為N+1式，到集中報警器為N+N/8+1+3+1式，設計、施工比較方便，而且降低造價。
除以上系統(tǒng)外，國內(nèi)各廠家又相繼推出總線制報警器。不同廠家總線制系統(tǒng)各異，但共同點都是總線制、地址編碼形式。
（1）二總線制集中報警系統(tǒng)。區(qū)域報警器到探測器的線路傳輸只需二條總線，每一部位的控制器都有自己的編號，即一個部位一個編址單元。如JB-QB-50-2700/076型為例，它采用了先進的單片機技術，CPU主機將不斷地向各編址單元發(fā)碼。當編址單元接收到主機發(fā)來的信號后，加以判斷：如果編址單元的碼與主機的發(fā)碼相同，該編址單元響應。主機接收到編址單元返回的地址及狀態(tài)、信號，進行判斷處理：如果編址單元正常，主機將繼續(xù)向下巡檢；經(jīng)判斷如果是故障信號，將發(fā)出故障區(qū)域聲、光報警信號。發(fā)生火災時，經(jīng)主機確認后，火警信號被記憶，同時發(fā)出火災區(qū)域聲、光報警信號。
在實際工程應用中，如果用一臺區(qū)域報警器控制一層樓，在二總線上可接50個編址單元；控制二層，每層二總線上可接35個編址單元；控制三層，每層二總線上可接25個編址單元。076型區(qū)域報警器的擴展型最多可設置200個編址單元。
（2）三總線制集中報警系統(tǒng)。該報警器是由單片機8031為中央控制單元，計算機管理的三線制報警器。三總線制系統(tǒng)通過三總線與被控的各區(qū)域報警器相聯(lián)。三總線制在工程應用中有兩種形式：樓層復示器——集中報警器系統(tǒng)、區(qū)域報警器——集中報警器系統(tǒng)。
①樓層復示器——集中報警器系統(tǒng)
樓層復示器可以對編址探測器發(fā)碼、收碼，顯示本層的報警部位，具有斷線故障自動報警功能。該系統(tǒng)適用于每層不超過32個報警部位，樓層無值班點，首層設有消防總值班室的建筑。
②區(qū)域報警器——集中報警器系統(tǒng)
由區(qū)域報警器和標準集中報警器組成的兩級管理總線制火災報警系統(tǒng)，適用于每層報警部位多少不一，并設有樓層服務臺的中型賓館等建筑物。
采用總線制報警系統(tǒng)布線簡單，設計、施工方便，與其他報警系統(tǒng)相比多一些接口元件。
（二）消防聯(lián)動控制系統(tǒng)
消防聯(lián)動控制系統(tǒng)有無聯(lián)動、現(xiàn)場聯(lián)動、集中聯(lián)動等幾種形式。
在實際工程中，報警系統(tǒng)與消防聯(lián)動系統(tǒng)的配合有以下幾種形式：
1、區(qū)域——集中報警、橫向聯(lián)動控制系統(tǒng)。
此系統(tǒng)每層有一個復合區(qū)域報警控制器，他具有火災自動報警功能，能接收一些設備的報警信號，如手動報警按鈕、水流指示器、防火閥等，聯(lián)動控制一些消防設備，如防火門、卷簾門、排煙閥等，并向集中報警器發(fā)送報警信號及聯(lián)動設備動作的回授信號。此系統(tǒng)主要適用于高級賓館建筑，每層或每區(qū)有服務人員值班，全樓有一個消防控制中心，有專門消防人員值班。
2、區(qū)域——集中報警、縱向聯(lián)動控制系統(tǒng)。
此系統(tǒng)主要適用于高層“火柴盒”式賓館建筑。這類建筑物標準層多，報警區(qū)域劃分比較規(guī)則，每層有服務人員值班，整個建筑物設置一個消防控制中心。
3、大區(qū)域報警、縱向聯(lián)動控制系統(tǒng)。
此系統(tǒng)主要適用于沒有標準層的辦公大樓，如情報中心、圖書館、檔案館等。這類建筑物的每層沒有服務人員值班，不宜設區(qū)域報警器，而在消防中心設置大區(qū)域報警器，有專門消防人員值班。
4、區(qū)域——集中報警、分散控制系統(tǒng)。
此系統(tǒng)在聯(lián)動設備的現(xiàn)場安裝有“控制盒”，以實現(xiàn)設備的就地控制，而設備動作的回授信號送到消防中心。消防中心的值班人員也可以手動操作聯(lián)動設備。此系統(tǒng)主要適用于中、小型高層建筑及房間面積大的場所。
此外，還有自動報警和消防控制于一體的滅火裝置系統(tǒng)，如FJ-2714自動滅火裝置。此系統(tǒng)主要適用于計算機房、發(fā)電機房、貴重物品倉庫、檔案庫、書庫等場所的火災自動報警及自動滅火。氣體滅火、藥劑滅火具有能力強、效率高、對金屬腐蝕性小、不導電、長期存儲不變質(zhì)、不污損滅火對象等優(yōu)點，但造價高。
（一）基于工作過程，構(gòu)建課程設計體系
通過鋼鐵企業(yè)調(diào)研、專家座談和畢業(yè)生調(diào)查等方法，確定材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)的目標崗位，確定各個崗位的代表性工作任務，然后分析每個崗位的典型工作任務，根據(jù)工作任務提煉為行動領域，按照教育教學方法將行動領域轉(zhuǎn)化為學習領域，再轉(zhuǎn)化為該學習領域課程。
（二）多方參與，提高教學質(zhì)量
在課程設計資源整合時，與中冶賽迪、重鋼股份有限公司等單位的行業(yè)專家、校外兼職教師進行溝通、協(xié)商，共同確立改革方案。校內(nèi)專業(yè)教師主要負責調(diào)研資料的整理、課程理論基礎的搜集論證，以及協(xié)調(diào)校內(nèi)外教師的工作。行業(yè)專家主要負責學生的現(xiàn)場實踐工作，并指導校內(nèi)教師，確保課程設計體系的準確性。校外教師有選擇地參與課程的教學過程，提供相關的實踐案例。在課程設計的實施過程中，堅持行業(yè)專家、校內(nèi)專業(yè)教師和校外兼職教師的多元化教學，改善教學效果，提高教學質(zhì)量。
（三）采用任務驅(qū)動，重點培養(yǎng)實踐能力
按照教學大綱的要求確定課程設計教學內(nèi)容，課程設計的內(nèi)容要體現(xiàn)項目導向任務驅(qū)動的教學理念。具體做法是根據(jù)教學大綱設計學習情境，在各種學習情境下分解具體任務。如加熱爐課程設計，其典型任務是熟練掌握加熱工藝要求，并對加熱生產(chǎn)過程進行控制，根據(jù)該典型任務確定加熱爐設計的下分任務，包括燃料燃燒計算、爐子的熱工制度（包括爐溫制度、供熱制度、爐壓制度及鋼種的加熱工藝制度）和爐膛主要尺寸的確定、爐膛熱交換和金屬加熱時間計算、爐體結(jié)構(gòu)及煙囪等輔助設備的設計，在具體的設計過程中只需進行下分任務的設計即可。
（四）堅持行動導向，注重實踐能力培養(yǎng)
以加熱爐課程設計為例，一方面通過一個個下分任務的完成，使學生能夠在完成每一個下分任務的同時，不斷積累經(jīng)驗，逐步掌握加熱工藝制度制訂的方法，充分利用所學理論知識，逐步建構(gòu)較為完整的加熱爐作業(yè)區(qū)工藝和設備情況，明確加熱崗位的任務和職責，初步形成職業(yè)習慣，畢業(yè)后可以直接勝任加熱崗位工作。另一方面，該課程設計結(jié)合操爐工考試相關的內(nèi)容，引入行業(yè)標準，實現(xiàn)理論和實踐的融通，提高學生的實際應用水平。
二、基于“工作過程”法的設計思路
（一）以能力為本位，確定課程設計教學目標
課程設計教學目標，是學生通過課程設計的實踐鍛煉在職業(yè)能力和知識認知上要達到的具體標準，它既是課程教學的龍頭，又是課程教學質(zhì)量評價的依據(jù)，因此必須認真分析和論證。以加熱爐課程設計為例，筆者根據(jù)分析論證，確定其課程目標為：（1）能力目標。學會制訂加熱工藝制度（包括加熱溫度、加熱速度、加熱時間）；能正確進行爐膛尺寸設計，熟練掌握不同鋼種的加熱要求。（2）知識目標。熟悉加熱制度制訂的依據(jù)，掌握爐型特點和結(jié)構(gòu)設計的要求；熟練掌握加熱的特點和要求，準確掌握不同加熱缺陷的特點和判斷。
（二）以工作過程為導向，選取教學內(nèi)容
同樣以加熱爐課程設計為例，通過在特定條件下進行加熱爐初步設計（包括燃料燃燒計算、爐子的熱工制度和爐膛主要尺寸的確定、爐膛熱交換和金屬加熱時間計算、爐體結(jié)構(gòu)及煙囪等輔助設備的設計），要求學生把理論和實踐結(jié)合起來，培養(yǎng)學生綜合應用所學的理論知識去分析和解決工程實際問題的能力，幫助學生鞏固、深化和拓展知識面，使之得到一次較全面的設計訓練，為實際工程設計奠定基礎。
（三）以項目教學為手段，實現(xiàn)教學目標
課程設計教學充分體現(xiàn)了專業(yè)性、應用性和實踐性。加熱爐課程設計的具體思路是：首先，明確該課程與專業(yè)、職業(yè)的關系，確定該課程是材料成型及控制工程專業(yè)的核心課程。其次，進行學習情境和任務的設計，即確定教學內(nèi)容。如在確定加熱溫度的過程中既考慮避免出現(xiàn)過熱過燒，還要考慮Si、Mn等合金元素的影響及加熱目的，從而進行綜合確定。最后，進行考核與評價。通過聘請賽迪工業(yè)爐和重鋼集團的專家進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比分析，確定設計與現(xiàn)場生產(chǎn)的差距，從而確定合理的評價體系，促進課程設計的不斷完善。
（四）構(gòu)建多元化、開放式的教學評價體系
仍以加熱爐課程設計為例，從入爐到出爐采用流程化作業(yè)，根據(jù)工藝的各個環(huán)節(jié)，將每一段的溫度、速度和爐壓確定有機結(jié)合起來，制訂適合生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝制度。在考核方面進行多元化考核，在結(jié)束設計后，學生采用答辯的方式將自己的設計思路、理念和工藝規(guī)程進行有效整合，老師結(jié)合學生的答辯提出問題，最后送行業(yè)專家評閱，從而實現(xiàn)過程性考核和結(jié)果性考核的有機結(jié)合。
三、基于“工作過程”法的實踐效果
2012年下半年開始用基于“工作過程”法對材料成型及控制工程專業(yè)的課程設計類實踐課進行改革，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和課堂工藝設計有機結(jié)合起來，經(jīng)過兩年的教學實踐，采用平時觀察、訪談等方式分析了該方法的實施效果。
（一）提高了學生的學習興趣
采用基于“工作過程”法，將現(xiàn)場的工藝設計搬到課程設計里面，利用課程設計完成現(xiàn)場工藝參數(shù)的選擇和確定，利用課程設計解決現(xiàn)場的實際問題，顯著提高了學生的學習興趣。
（二）提高了課程設計的學習效果
基于“工作過程”法將理論課程和實踐課程有效結(jié)合起來，將知識體系進行重新構(gòu)建，擴展了學習的時間和空間，為學生的深入思考和廣泛交流提供了便利，加深了學生對理論知識的理解，能夠從生產(chǎn)實際出發(fā)，主動提出問題、分析問題和解決問題，使學生從以前的不問所以然的埋頭計算變成了分析工藝參數(shù)和處理現(xiàn)場問題的參與者，從而促進了對知識的理解與應用。
四、結(jié)語
1.1LED和鍵盤設計
為了能夠?qū)崿F(xiàn)人與機器的對話，單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計了3*4鍵盤以及4*8LED數(shù)碼管，人們可以直接對其進行控制。該系統(tǒng)通電后，通過鍵盤輸入控制步進機的運轉(zhuǎn)、啟動以及轉(zhuǎn)動方向等，由LED管動態(tài)清晰顯示步進機的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速。器件8279能夠控制系統(tǒng)鍵盤的輸入以及LED的輸出，進而減少單片機工作的承載，8279在控制系統(tǒng)工作的過程中，將鍵盤輸入的信息進行掃描，利用其抖功能，避免事故的發(fā)生。（下圖為LED和鍵盤模塊）
1.2放大和驅(qū)動設計
邏輯轉(zhuǎn)換器是步進機控制過程中的脈沖分配器，其是CMOS集成電路，其輸出的源電流為20毫安，能夠應用于三相以及四相步進機，其工作可以選擇以下6種激進方式進行控制；其中，對于三相步進電機有1、2、1-2相；對于四相步進電機有1、2、1-2相，其輸入的方式有單、雙時鐘選擇方式，其具有正向控制、方向控制、監(jiān)視原點、初始化原位等功能。PMM8713器件主要由激勵方式判斷、控制以及時鐘設置等部分組成，所有的輸入端都設置有秘制的電路，進而提高抗外界干擾的能力。PMM8713輸出能夠接受功率驅(qū)動電路，其通過驅(qū)圖1LED和鍵盤模塊動器，輸出最大的工作電流，以滿足電機工作的需求。單片機通過調(diào)節(jié)相關端口的脈沖信號，控制步進機的運行狀態(tài)、運轉(zhuǎn)方向以及運轉(zhuǎn)速度等。
2單片機的步進電機控制系統(tǒng)軟件設計
2.1單片機程序設計
通過中斷脈沖信號，計算步進電機的運轉(zhuǎn)步數(shù)以及圈數(shù)，并對其進行記錄；實現(xiàn)對步進電機運轉(zhuǎn)速速的控制；采用端口的中斷程序關閉其相關程序，將電機控制在停機狀態(tài)；通過中斷電機的開啟部位，將其轉(zhuǎn)換到運行狀態(tài)，實現(xiàn)電機的運行；PMM8713的U和D端口通過輸出高電平，達到控制步進電機運轉(zhuǎn)方向的目的；8279將其接口與自身的8個數(shù)據(jù)連接口進行連接，當單片機運行到鍵盤部位時，采用相關端口中斷其工作狀態(tài)，進而達到控制步進機的啟動、停止、速度以及方向等，并將其反饋給8279，利用LED將其顯示，明確其運轉(zhuǎn)的速度以及方向。
2.2PC上位機設計
設計PC上位機的主要目的就是控制步進電機，利用單片機中相關部位，實現(xiàn)人與機的對話，其利用單片機發(fā)出執(zhí)行命令，實現(xiàn)對步進電機的有效控制。其中，單片機接受的執(zhí)行命令會存儲在相關軟件中，其與儲存在片內(nèi)的Flash的相關地址進行比較，不沖突的信息就儲存在其中，如與其中儲存的信息發(fā)生沖突，就會自動中斷，有效的保護電機的正常運行。同時，此軟件在運行的過程中，應該對晶振中的USART模塊進行設置，其相關的控制軟件由VB6.0對其進行編寫，采用MSComm軟件實現(xiàn)實時通訊。
3結(jié)語
橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝基本分為干拌法和濕拌法，因干拌法生產(chǎn)的橡膠瀝青存放時間不得超過7天，且需要連續(xù)攪拌，目前基本被淘汰；濕拌法就是在工廠進行批量加工，生產(chǎn)橡膠瀝青時橡膠粉進行多道膠體磨，細度能達到100目以上，橡膠顆粒更均勻地混熔在基質(zhì)瀝青中，解決了儲存穩(wěn)定性同時，更是大大提高了橡膠瀝青材料質(zhì)量的穩(wěn)定性，所以可儲存較長時間，同時膠粉的摻量更高（瀝青質(zhì)量的15%~25%），由此帶來了更高粘度的瀝青材料。
2橡膠瀝青混合合比設計
2.1選擇原材料
2.1.1集料
橡膠瀝青混合料一般用于路面的表面層，混合配合比設計時集料選擇石質(zhì)堅硬、潔凈、干燥、表面粗糙、不含風化顆粒、近立方體顆粒的碎石，如玄武巖類集料。
2.1.2填料
宜采用石灰?guī)r堿性石料經(jīng)磨細得到的礦粉。礦粉必須干燥、清潔。拌和機回收的礦粉不得采用。經(jīng)過磨細的石灰粉或者水泥可代替礦粉。
2.2橡膠瀝青配合比設計考慮因素
橡膠瀝青混合料配合比設計要考慮重載車輛對路面的影響，所以級配選擇時應優(yōu)先考慮適應重載車輛的結(jié)構(gòu)形式；選用合理的級配范圍，現(xiàn)行施工技術規(guī)范的級配范圍上下限比較寬，要根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況確定合適的級配范圍，目前部分地區(qū)已確定地方性標準以便配合比設計時參考；油石比是必須考慮的重要因素，因為橡膠瀝青中添加了大量的橡膠粉，按照以往的辦法計算粉膠比并不合適，應扣除瀝青中德橡膠粉進行計算，所以瀝青用量將會增加；配合比驗證是橡膠瀝青混合料配合比設計的關鍵，必須通過車轍試驗、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗進行驗證，只有驗證結(jié)果合格的瀝青混合料配合比才能進行使用。
2.2.1路面結(jié)構(gòu)形式和混合料級配選擇
從目前相關研究看，橡膠瀝青混合料的級配范圍比瀝青混凝土路面施工技術規(guī)范給定的級配范圍小，而且級配均偏粗，所以進行配合比設計時要進行合理選擇。同時必須考慮關鍵篩孔的通過率，作為配級設計的控制性指標的關鍵篩孔通過率對橡膠瀝青體積指標以及骨架組成有著巨大的影響，4.75mm、2.36mm篩孔通過率直接關系瀝青混合料的骨架，0.075mm的通過率關系瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。其次，關鍵篩孔的通過率對混合材料的水穩(wěn)定性有著重要影響，通過采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗可以得出這個結(jié)論。
2.2.2外摻劑的影響
外摻劑是指瀝青混合料中添加少量經(jīng)過磨細的石灰粉或水泥代替一部分礦粉，主要是增加瀝青混合料中各種材料粘結(jié)力，進而提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。橡膠瀝青配合比設計時可能會遇到凍融劈裂強度比不足的現(xiàn)象，這是就需要采用石灰或水泥代替礦粉，根據(jù)試驗情況確定石灰或水泥摻量的比例（一般情況下?lián)搅吭?%左右）。
2.3橡膠瀝青混合料配合比驗證
橡膠瀝青配合比驗證主要是車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，車轍試驗是驗證瀝青混合料高溫抗車轍的能力的試驗，以動穩(wěn)定度車來表示，目前橡膠瀝青動穩(wěn)定度沒有統(tǒng)一的標準，部分地區(qū)采用施工技術規(guī)范的3000次/mm，部分地區(qū)規(guī)定要達到，其實橡膠瀝青的動穩(wěn)定度基本高于6000次/mm，主要和車轍試驗的成型有很大關系，橡膠瀝青混合料進行車轍車型時溫度應提高10℃~15℃；浸水馬歇爾試驗是檢驗瀝青混合料抗水損害能力的驗證試驗，凍融劈裂試驗是檢驗瀝青混合料低溫性能試驗，有時該試驗的指標達不到，瀝青混合料配合比需要調(diào)整，其調(diào)整的辦法是用石灰或水泥代替礦粉，能有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫性能。
3橡膠瀝青混合料的質(zhì)量控制
3.1橡膠瀝青混合料的拌合
在對橡膠瀝青混合物進行攪和時，要嚴格控制好攪拌的速度和橡膠瀝青混合料平衡。橡膠瀝青混合料生產(chǎn)時，拌合周期比一般瀝青混合料長，大約為60秒左右，主要控制點是瀝青混合的溫度控制，瀝青、材料加熱溫度均高于一般瀝青混合料，出料溫度需要控制在185℃左右。
3.2橡膠瀝青混合物材料的運輸
為了使橡膠混合料的溫度保持在合理范圍內(nèi)，混合材料在運輸過程中要采取必要的保溫措施用雙層棉被進行覆蓋，并且要用大噸位的載貨車進行運輸。在鋪瀝青橡膠混合材料是一定要持續(xù)鋪設，在現(xiàn)場等待卸材料的車不能太少以免發(fā)生橡膠混合物鋪設間斷現(xiàn)象，并且在卸載橡膠混合物的材料時一定要直接卸料，不能掀開棉被。
3.3橡膠瀝青混合料的攤鋪和碾壓
橡膠瀝青混合料的攤鋪和其他瀝青混合料的攤鋪基本無區(qū)別，主要是攤鋪機能夠連續(xù)勻速攤鋪，但橡膠瀝青混合料溫度較高，溫度損失也相對快一些，若溫度過低瀝青混合料很難壓實，所以施工時現(xiàn)場的組織和管理水平要求相對較高，禁止出現(xiàn)停機待料的情況；碾壓環(huán)節(jié)是橡膠瀝青混合料施工的控制重點，必須在混合料溫度下降前完成碾壓，否則壓實度難以得到保證，所以壓實設備配置要足量，碾壓過程必須遵循緊跟慢壓，減少溫度損失。
4小結(jié)
傳感器芯體上面集成了測溫電阻與加熱電阻，測溫電阻能實時監(jiān)測傳感器芯體的當前溫度，且反饋到控制電路的輸入端，作為溫度誤差信號的一個輸入端，形成閉環(huán)控制。電路框圖如圖1所示，測溫電路把當前芯體溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值，該值是一個微弱信號值，必須經(jīng)過高信噪比前置放大電路放大到合適的電壓輸出值，再經(jīng)過系統(tǒng)放大，然后輸送給PID環(huán)節(jié)進行控制輸出，控制輸出產(chǎn)生寬度可調(diào)脈沖信號驅(qū)動加熱電路，給傳感器芯體加熱。傳感器當前溫度與設定溫度溫差值越大，誤差電壓信號越大，經(jīng)過PID控制輸出脈寬開通時間越長，加熱功率越大，反之亦然，從而實現(xiàn)了恒溫控制。
二、系統(tǒng)控制設計
2.1溫度與加熱功率
傳感器芯體溫度與加載在芯體上的正熱能與負熱能大小有關。若傳感器芯體溫度維持在環(huán)境溫度以上，則傳感器芯體加載的正熱能來自電能，由焦耳定律可以知道若給定電阻R上加熱電流為I，加熱時間為T，那么有I2RT的電能轉(zhuǎn)換成熱能；而傳感器芯體加載的負熱能可以是傳感器芯體與周圍環(huán)境的溫度差而產(chǎn)生的熱對流及熱傳導帶來的熱能轉(zhuǎn)移。這種正熱能與負熱能對溫度的影響體現(xiàn)為傳感器芯體的加熱功率與制冷功率，它們共同決定了傳感器芯體的穩(wěn)定溫度。假設傳感器芯體工作環(huán)境溫度為25℃，傳感器芯體氣體濃度響應最佳溫度為80℃，因熱傳導和熱對流損失的負熱能為某個可測量值且保持恒定，那么該點環(huán)境下芯體溫度只與加熱功率有關。如上所述，給芯體合適電流，那芯體就可以維持設定點溫度，若環(huán)境溫度上下波動，芯體加熱與制冷的功率隨溫度發(fā)生變化，要使芯體繼續(xù)維持在設定點溫度，只需要調(diào)節(jié)芯體上電流的大小。在25℃環(huán)境下，實際測得加熱功率與芯體溫度的關系，加熱功率為0．45W時芯體即可穩(wěn)定工作在設定溫度80℃。
2.2溫度測量
為了更加準確地測量敏感芯體溫度場的溫度，在氫敏芯體上集成了一個測溫電阻與一個加熱電阻。測溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設計經(jīng)過溫度場仿真實現(xiàn)最佳耦合。因而測溫電阻能真實反映氫敏電阻當前工作溫度。測溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成，實際測試的測溫電阻溫度特性，從圖中可以看出測溫電阻具有良好的溫度線性關系。該測溫電阻的溫度系數(shù)因為采用薄膜沉積工藝制備，溫度系數(shù)沒有標準PT100大，但并不影響使用。電阻經(jīng)過測溫電橋檢測，輸出反映溫度的電壓信號。這個信號在控制區(qū)域非常微弱，為了提高溫度測量精度，采用四線制檢測電路，減少測溫鉑電阻引線長度與鉑電阻通電電流對溫度測量的影響。
2.3溫度控制環(huán)路
通常溫度系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，具有較大的滯后性，往往需要具有超前調(diào)節(jié)的微分環(huán)節(jié)。氣體傳感器芯體體積很小，無論是加熱還是制冷，芯體對溫度都有快速響應，采用比例積分［3］控制就可以獲得不錯的效果。
2.3.1比例環(huán)節(jié)
比例環(huán)節(jié)具有快速調(diào)節(jié)能力，比例系數(shù)越大靜差越小，過大容易震蕩。電路如圖4所示，其增益為－RP1／RP2，試驗測試比例系數(shù)為－4時控制效果較好。
2.3.2積分環(huán)節(jié)
積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)靜差，當系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差時，積分環(huán)節(jié)的輸出會持續(xù)增大使得控制作用加強，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。積分系數(shù)越小，積分作用越明顯，控制精度越高。積分電路如圖5所示，其增益為－1／RI1CI1S，其中S為拉式算子。經(jīng)調(diào)整時間常數(shù)RI1CI1為4．7s比較合適。采用PWM通斷控制模式，能最大化利用加熱功率。在導通瞬間，加熱電壓完全加載在加熱電阻上，電流峰值會比較大，因此需要控制加熱電阻合適的阻值。另外PWM控制存在完全導通的情況，雖然在本電路應用中不會帶來壞的影響，但是為了調(diào)整最大加熱功率以達到控制最大加熱溫度的目的，在PID輸出環(huán)節(jié)采用穩(wěn)壓二極管，控制PID輸出電壓的幅度，保證PWM能夠輸出一定寬度的死區(qū)。
2.3.3微分電路
微分環(huán)境對輸入快速變化的情況具有較大的反應輸出，能提高控溫系統(tǒng)對環(huán)境溫度波動的快速響應能力。
2.3.4PWM產(chǎn)生電路
PWM電路［4］采用簡單分立器件搭建，具體電路如圖7所示，主要構(gòu)成有比較器產(chǎn)生限閾值翻轉(zhuǎn)波形，然后經(jīng)過積分電路充放電產(chǎn)生標準鋸齒波，鋸齒波在與PID環(huán)節(jié)輸出電壓比較，產(chǎn)生脈寬隨溫度誤差調(diào)整的波形，該波形輸出給驅(qū)動加熱電路。
三、實驗結(jié)果
樣機進行了穩(wěn)定動態(tài)過程的短時間測試和穩(wěn)定點長時間測試。短時間測試樣機溫度曲線，其中可以看出樣機到達溫度設定點90％的時間非常短，大概為120s，整體控溫精度在0．15℃以內(nèi)。當環(huán)境溫度波動時控溫點會隨著擾動，很快就能回到設定的溫度值，動態(tài)響應非?？臁訖C控溫效果穩(wěn)定點長時間監(jiān)測曲線如圖9所示，從該圖可知整體控溫精度在0．15℃以內(nèi)更加明顯，說明樣機電路控溫點不會隨時間飄移，也不隨環(huán)境緩慢變化的溫度波動漂移。
四、結(jié)束語
1.1下位從控機
因為系統(tǒng)中的每一個倉室運行中所承受的負荷都時不同的，所以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，現(xiàn)場控制的時候就需要除塵設備的每一個艙室都能夠獨立的運行，這樣就可以保證一個倉室出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)還可以維持正常運轉(zhuǎn)，在對設備進行設置的過程中還要能夠根據(jù)運行的需要去更改設備的某些控制參數(shù)，同時每一個倉室都應該有一個可以對倉室運行情況進行反饋的裝置，這樣就可以讓每一個倉室都可以獨立完成噴吹操作，這是因為，每個倉室所承受的負荷不同也會使得相應的噴吹參數(shù)也產(chǎn)生非常大的變化。每個倉室在系統(tǒng)運行的過程中也應該設置不同的控制模式。為了讓現(xiàn)場的工作人員進行手動除塵的時候可以更加的方便，手動控制器上要設置一個可以控制開關的磁閥，這樣就可以在出現(xiàn)緊急狀況的情況下及時的通過這個閥門對倉室進行控制。當然也可以按照所有倉室之間具體的壓差情況進行倉室的排序，對靠前的倉室要首先除塵，同時也可以按照壓差的具體情況對開閥的時間和噴吹的時間間隔進行更加有效的控制，也可以對倉室的噴吹方式和噴吹的周期進行有效的調(diào)整。
1.2上位主控機
上位主控制系統(tǒng)包括工廠中心控制室和值班室控制等。主控機作為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機管理層接入CAN網(wǎng)絡中.其主控機的設計功能包括：①遠程監(jiān)控和設定功能。在使用的過程中，用戶可以憑借這一功能在主控機的工作室完成所有的控制工作，而且，上機位還可以借助網(wǎng)絡的力量對設備運行的情況進行異地監(jiān)控，在監(jiān)控的過程中，工作人員可以看到現(xiàn)場發(fā)生的一切，同時這一系統(tǒng)中還設置了不同的用戶口令，這樣就很好的劃定了管理的范圍，更加有效的提高了系統(tǒng)運行的安全。②趨勢變化分析功能。在系統(tǒng)運行的過程中，這一功能占據(jù)著非常重要的位置，上機位的管理功能就主要體現(xiàn)在了它可以經(jīng)過一定的程序你會指出除塵過程中設備運行的趨勢曲線和報警記錄等非常重要的內(nèi)容，同時它還可以用不同的方式展現(xiàn)給相關的人員。③監(jiān)控功能，在除塵設備的阻力正常變化的情況下。人們通過肉眼也是可以看到煙霧的排放量不斷增加的，無論阻力是上升和還是下降，都證明局部的布袋出現(xiàn)了破損，而想要解決這一問題，最好的方法就是測量倉室內(nèi)外口的壓力差，這種壓差式的方式可以很好的減少噴吹的頻率，同時也對過濾袋產(chǎn)生了非常有效的保護作用，進而也降低了設備運行過程中的能源消耗，延長了設備運行的時間和壽命。
2各模塊功能簡介
2.1主控制器監(jiān)控部分
主控制器是系統(tǒng)的主要控制部分，本系統(tǒng)采用ARM芯片做主控芯片。晶振電路，電源電路，復位電路等構(gòu)成了ARM微處理器的最小系統(tǒng)運行所需要的基本電路。ARM微處理器參與系統(tǒng)工作的全過程，它控制系統(tǒng)各個部分的啟動、停止、控制等工作以及各部分運行的協(xié)調(diào)。主機模塊是整個控制系統(tǒng)的大腦，它負責向觸摸屏輸入各種數(shù)據(jù)，還有讀取輸入狀態(tài)，并對輸入的數(shù)據(jù)進行處理，將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)給從控機進行操作，它還接收從控機的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)除塵設備狀態(tài)的監(jiān)視，接收下位機采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過控制程序，發(fā)送有效的控制信號，為適合不同工作環(huán)境，調(diào)節(jié)現(xiàn)場工作參數(shù)，并且顯示現(xiàn)場運行狀態(tài)。系統(tǒng)功能包括報錯、顯示以及控制等，負責系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示、設置以及故障提示，初始化完成后系統(tǒng)運行過程的故障提醒，和對數(shù)據(jù)的查詢等。其中報錯通過蜂鳴聲、LED光和屏幕閃爍報錯，并提供故障信息。假如某一分系統(tǒng)運行故障或程序出錯將在顯示屏上顯示出錯信息，同時通過蜂鳴聲報警和LED光閃爍提示。在數(shù)據(jù)采集完成后可以通過觸摸屏來查詢處理過的參數(shù)數(shù)值，并可修改設置。
2.2從控機數(shù)據(jù)采集與動作執(zhí)行部分
壓差傳感器用來比較從進風口和出風口兩個地方傳輸過來的氣壓值，進風口的氣壓值一般來說不變，隨著濾袋灰塵加厚出風口的氣壓值會減小，可以設定一個壓差值即在出風口氣壓值和進風口氣壓值相差為多少時，控制系統(tǒng)會發(fā)出信號，要求開通電磁閥進行噴吹除塵?？梢哉f壓差采集電路相當于整個系統(tǒng)的觸手，觸手的感覺是否準確，靈敏，決定了控制系統(tǒng)處理信號的準確度和反應速度，因此這部分在系統(tǒng)中極為重要。
2.3CAN總線實現(xiàn)從機與主機的連接
CAN總線是一種串行通信網(wǎng)絡，它能實現(xiàn)分布式與實時控制，可以點對點、一點對多點或者全局廣播的方式通信；CAN總線通信距離非常遠，最遠可達到10km，并且保證速率為5Kb/s以上，在距離為40m時最高速率可以達到1Mb/s，由于目前CAN收發(fā)器的驅(qū)動能力有限，最多只能掛接110個CAN節(jié)點，但已經(jīng)夠用了。CAN通信方式中，我們主要考慮實時性和抗干擾性。CAN節(jié)點的抗干擾設計中需要收發(fā)器與控制器之間的光耦隔離、連接線間電容、信號濾波等，對傳輸介質(zhì)也有一些考慮因素如：線長、波特率、抗外界干擾、有效電阻等。按照CAN總線的長度計算傳輸速率，確定通訊周期，看是否符合性能要求來調(diào)整線的長度、連接方式和總線上的節(jié)點個數(shù)。
3結(jié)語
關鍵詞：運動控制CompactPCI總線PCI9030熱插拔
近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展及其對硬件可靠性要求的提高，特別是帶有多個運動控制卡的網(wǎng)絡運動控制系統(tǒng)的發(fā)展，對運動控制卡提出了新的要求。運動控制卡應具有帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口。在這樣的運動控制系統(tǒng)中，采用可靠性高的嵌入式系統(tǒng)軟件，上位機只需對被控對象實施總體的控制和管理；而位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制的計算及控制量的輸出則均可由以DSP為核心的運動控制卡完成，極大地提高了運算速度和控制響應速度。通過帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口的上下機聯(lián)接，使系統(tǒng)具有更高的可靠性和帶電更換故障板卡的能力。
1CompactPCI接口總線概述
CompactPCI接口總線定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標準完全兼容。CompactPCI接口卡安裝在支架上，并使用標準的Eurocard外型。CompactPCI雖然與標準PCI屬同一標準，二者還是有很大的不同。CompactPCI相對PCI來講具有很多優(yōu)點：(1)具有更好的機械特性。它增強了PCI系統(tǒng)在電信或其它條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護性和可靠性。(2)采用Eurocard封裝，系統(tǒng)中氣流均勻。(3)CompactPCI連接器的電源和信號引線支持熱插拔規(guī)范，這對于容錯系統(tǒng)是非常重要的，也是標準PCI所不能實現(xiàn)的功能。(4)總線易于擴展，可同時支持多達256個標準的PCI總線設備。(5)CompactPCI背板的連接器插針分為長針、中長針和短針。長針是一些電源針，最短的針是BD-SEL#，其它總線信號和部分電源信號是中長針。連接器插槽J1插孔有長針插孔、中長針和短針插孔，而J2插槽都是中長針插孔。
2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)概述
開放式四軸DSP運動控制卡經(jīng)12位DAC驅(qū)動四個伺服電機，并通過CompactPCI總線背板連接器與主機通信。其中DSP處理器與CompactPCI接口采用PLX公司的PCI9030接口芯片使之和雙口RAM緩沖區(qū)進行通信。
PCI9030是業(yè)界首個支持熱交換的PCI目標接口芯片，為CompactPCI接口提供了優(yōu)秀的解決方案。它采用SMARTarget技術，可以保證高性能的熱交換實施功能，可以支持具有熱交換功能的PICMG2．1目標設備，并且符合PCIv2．2規(guī)范所規(guī)定的32位33MHz目標接口功能，可以獲得高達132Mbyte／s的PCI突發(fā)傳輸速度，局部總線操作速度最高可達60MHz，支持5個局部地址空間到PCI總線地址空間的映射(空間0、1、2、3、4以及1個擴展的ROM)，傳輸?shù)却芷诩翱偩€寬度可編程。另外，PCI9030內(nèi)含預充電BIOS、早期電源支持、熱交換控制／狀態(tài)寄存器(HS_CSR)和附加引腳資源，可利用這些資源以及ENUM#輸出信號、彈出開關和表示用戶插入／取出狀態(tài)的LED燈實現(xiàn)運動控制板卡的帶電熱插拔的軟硬件控制。
圖1
其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由以下幾部分組成：
·核心處理器TMS320LF2407，主要完成位置速度PID控制、插補迭代運算、開關量輸入和輸出、PLC控制等對實時性要求高的任務，另外還完成程序和數(shù)據(jù)存儲和上下機的通信任務。
·模擬量控制電路，將數(shù)字量速度信號經(jīng)四路12位數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC7725轉(zhuǎn)換為-10V～10V的模擬信號，輸出到電機伺服驅(qū)動模塊。
·反饋電路，由兩片CPLD元件EPM7128SLC84構(gòu)成四路12位可逆脈沖計數(shù)器，對差分光電編碼器的編碼脈沖進行循環(huán)計數(shù)，可實現(xiàn)編碼器Z相點硬件中斷。
·FLASH電路，用于存儲數(shù)控參數(shù)和數(shù)控指令代碼，也用于緊急情況下保護數(shù)據(jù)。
·開關量電路，包括通用8／8I／O點、4個電機使能輸出、4個軸的左右極限輸入和原點中斷輸入等電路。
·通訊電路，通過PCI接口從模式使3．3V芯片PCI9030和雙口RAM芯片70V24與PC機的CompactPCI總線相連，可以進行高速數(shù)據(jù)傳輸。
本系統(tǒng)是一個閉環(huán)多軸運動控制硬件系統(tǒng)，具有快速精確的計算能力以及較強的數(shù)據(jù)通訊能力，是良好的復雜數(shù)控系統(tǒng)平臺。
3CompactPCI接口的設計
CompactPCI接口的設計要點在于在硬件插拔過程中，不能對CompactPCI總線產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。所以應具有良好的熱電源切換控制電路和相應的總線電路以及便于軟件處理熱插拔過程的控制信號。
電源控制和PCI9030的接口原理框圖如圖2所示。
3．1PCI9030芯片熱插拔控制信號的作用
在CompactPCI規(guī)范中規(guī)定：(1)板卡插入后，硬件初始化過程中應點亮藍燈；(2)板卡即將拔出，軟件能獲知板卡即將拔出，并做好善后工作后，點亮藍燈。
PCI9030芯片有BD_SEIL#輸入信號引腳、ENUM#輸出信號引腳、CPCISW輸入信號引腳和LEDON#輸出信號引腳，均用作CompactPn接口熱插拔控制信號。其功能分別如下：
PCI9030的BD_SEL#輸入信號引腳同運動控制卡CompactPCI接口的引腳BD_SEL#相連，當BD_SEL#信號變高時，使PCI9030輸出引腳成高阻態(tài)，保護芯片。PCI9030的ENUM#信號是送到背板的帶上拉的集電極開路信號；它通知背板主機CPU板卡是剛剛插入，還是即將拔出。并通知CPU系統(tǒng)配置改變，使CPU同時執(zhí)行相關必要的軟件操作(在板卡安裝時，安裝設備驅(qū)動程序；在移出板卡前，卸載設備9B動程序)。板卡的插入／拔出狀態(tài)是由CPCISW信號送到PCI9030完成的，這時，PCI9030通過ENUM#信號通知背板主饑硬件配置改變情況，同時主機CPU執(zhí)行相關必要的軟件操作。當操作結(jié)束時，主機CPU通過PCI9030將CPCISW信號寫入HS-CSR寄存器的相應位中，使LEDON#信號變化，點亮或熄滅藍燈，通知板卡可安全取出或已安全插入。另外，PCI9030將板卡插入／拔出的狀態(tài)(即CPCISW信號)寫入HS_CSR寄存器的相應位中，軟件可以通過這些位來查詢板卡插入／拔出狀態(tài)，使軟件可采取各種切換措施，也可以通過向寄存器的相應位寫1來清除該位。
3．2熱插拔電源電路的原理設計
3．2．1熱插拔電源管理器的確定
熱插拔電源電路需在插拔過程中和正常工作時，對CompactPCI接口板電源進行監(jiān)控，按一定的速率及時地上電和斷電，把該電源的情況及時通知背板系統(tǒng)以便通過軟件進行處理；同時需對CompactPCI接口板的總線信號提供預充電電壓，使CompaetPCI接插件的插針點的預充電電壓達到1V，保證CompactPCI接口板在插拔過程中，對CompactPCI總線的沖擊很??；另外需對背板的PCIRST信號和CompaetPCI接口板的電源好壞情況進行邏輯處理來產(chǎn)生該接口板上的LOCAL_PCI_RST信號。為此，熱插拔電源電路采用了芯片LTCl646作為CompactPCI熱插拔電源管理器。它能夠使線路板在運行中的CompactPCI總線插槽內(nèi)安全地插入和拔出。兩個外部N溝道通路晶體管IRF7413控制3．3V和5V電源，使電源能在電流限制或可設置速率上電。電子電路斷路器可保護兩組電源不受過流故障情況的損害。
圖2
3．2．2LTCl646芯片的主要引腳功能
·LTCl646的3．3V和5V輸入主要來自中等長度的電源插針。3．3V和5V連接器長插針在CompactPCI插卡上與中等長度的3．3V和5V電源插針短接在一起，為LTCl646的預充電電路、VI／O上拉電阻和PCI9030芯片提供初期電源。
CompactPCI背板的連接器插針中有引腳BD_SEL#、HEALTHY#用于熱插拔電源電路。
·芯片PWRGD#信號引腳輸出指示何時所有電源電壓都在容許范圍內(nèi)，連接于PWRGD#引腳的HEALTHY#信號把板卡電源情況通知背板主機，當HEALTHY#信號變高時，說明板卡電源情況出了問題。
·芯片OFF／ON#輸入信號引腳連接于板卡的BD_SEL#引腳，用來控制開關板卡電源或?qū)㈦娫磾嗦菲鲝臀?。而BD_SEL#信號應通過1．2kΩ電阻上拉至PCI9030的I／O工作電壓VI／O。
·芯片PRECHARGE引腳用于產(chǎn)生1V的預充電電壓。可在板卡插拔過程中對總線I／O引腳施加偏置。板卡上需要進行預充電的CompactPCI總線引腳(即接插件J1、J2與CompactPCI接口器件PCI9030連接的引腳)包括：ADO～AD31、C／BEO#~C／BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#。LTCl646產(chǎn)生的預充電信號經(jīng)過較大的10kΩ電阻上拉至預充電電壓(PRECHARGEOUT)。而BD_SEL#、ENUM#、INTA#信號應上拉至PCI9030的I／O工作電壓VI／O。
·芯片的RESETIN#引腳輸入信號PCI_RST#，在片內(nèi)與HEALTHY#信號進行邏輯結(jié)合，從而在引腳RESETOUT#生成LOCAL_PCI_RST#信號送到PCI9030芯片的PCI_RST#信號引腳，用來在任一組電源超出范圍時對板卡和芯片PCI9030進行復位。
3．2．3在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的上電順序
當插卡插入時，長3．3V和5V連接器插針以及長GND插針首先接觸。LTCl646預充電電路在插入階段將總線I／O插針偏置為1V。3．3V和5V中等長度的電源插針在插入的下一個階段接觸，但只要OFF／ON#引腳被1．2kΩ上拉電阻拉到VI／O，線路板電源則被關斷。在線路板插入的最后階段，BD_SEL#短連接器插針開始接觸，OFF／ON#引腳被拉低。這使得通路晶體管導通；并且在內(nèi)部有一個5μA電流源與TIMER引腳連接。時每個通路晶體管的電流開始增加，直至增加到各自的電流限值；然后，3．3V和5V電源被允許按一定的速率上電，一旦兩組電壓都在容差范圍之內(nèi)，HEALTHY#將拉低，LOCAL_PCI_RST#可自由跟隨PCI_RST#。
3．2．4在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的斷電順序
當BD_SEL#被拉高時則開始一個斷電過程。LTCl646內(nèi)部開關被連接于每個輸出電源電壓引腳，使旁路電容器向地放電。TIMER引腳立即被拉低。GATE引腳被一個200μA的電流源拉低，以防止3．3V和5V電源上的負載電流同時變?yōu)榱銖亩鴮﹄娫措妷涸斐筛蓴_。當任一輸出電壓跌落在門限以下時，HEALTHY#引腳被拉高，LOCAL_PCI_RST#將被確定為低。
一旦斷電過程完成，插卡就可以從插槽內(nèi)取出。在拔出期間，預充電電路繼續(xù)將總線I／O插針偏置為1V，直到5V和3．3V長連接器插針分開。
3．3CompactPCI接口設計的其它電氣措施
·熱插拔板卡在帶電拔插過程中，為了保護板卡免遭靜電損壞，必須進行靜電放電。所以，必須在板卡上設計放電條。
·為了減小板卡上的CompactPCI總線的信號線分支對總線的影響，必須對CompactPCI總線信號進行串聯(lián)電阻匹配。需要加串聯(lián)匹配電阻的引腳包括：AD0～AD31、C／BE0#～C／BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#以及INTA#。根據(jù)CompactPCI規(guī)范，對CompactPCI的信號線長度和到預充電電阻的分支線的長度必須進行限制(PCB的布線特征阻抗應設計為65Ω±10％)。線的長度越短，對CompactPCI總線的沖擊越小。在CompactPCI接口板上，對于預充電的信號，從接插件J1n或J2到PCI9030器件管腳，總的信號線長度應小于38．1mm。其中，從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線長度應小于15．2mm，預充電電阻的分支長度最好是零，最長不能超過2．5mm。
1．1被控對象分析
蒸發(fā)器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發(fā)器上部進入蒸發(fā)器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發(fā)器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。蒸發(fā)器為真空操作，蒸發(fā)器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。
1．2工藝流程分析蒸發(fā)器的工藝流程可以具體描述為：
1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發(fā)器E1201注入稀液，并使蒸發(fā)器液位穩(wěn)定在80％左右。
2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發(fā)器通入過熱蒸汽，使蒸發(fā)器溫度達到108℃，并保持穩(wěn)定。
3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續(xù)出料，使?jié)饪s液流量達到4．63kg／s，并保持流量平穩(wěn)。
2系統(tǒng)總體方案設計
2．1控制要求與技術指標
（1）控制要求
基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發(fā)器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據(jù)工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發(fā)器液位、提升蒸發(fā)器溫度、蒸發(fā)器提升負荷運行、濃縮液濃度控制、蒸發(fā)器溫度控制、蒸發(fā)器液位控制、濃縮液流量控制。
（2）系統(tǒng)安全要求
現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)包括基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)和安全儀表系統(tǒng)（SIS）。蒸發(fā)過程可能會出現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)壓力過大而引起事故，因此SIS系統(tǒng)的設計非常重要。
2．2控制系統(tǒng)總體方案設計
考慮到安全可靠和經(jīng)濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與PCS7BOX構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，兩個CPU同時具有基礎控制系統(tǒng)（BPCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS）的功能，正常運行狀態(tài)下PCS7BOX執(zhí)行BPCS功能，PLCS7416－2F執(zhí)行SIS功能。BPCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統(tǒng)DCS和SIS之間復雜的數(shù)據(jù)處理，節(jié)省了成本與安裝費用，系統(tǒng)中備件品種少，經(jīng)濟性好，并且可以互為代用，便于維護。BPCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)之間的通信連接采用光纖實現(xiàn)，使系統(tǒng)的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨立，冗余系統(tǒng)的存在與否不影響控制系統(tǒng)的正常運行。用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)擴展此系統(tǒng)，使此系統(tǒng)一方面可與管理系統(tǒng)對接，另一方面具有了良好的可擴展性，能方便地實現(xiàn)監(jiān)控功能，同時使此系統(tǒng)的維護也變得更加方便。
3控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)
3．1儀表供配電設計
為保證供電的安全和可靠，設計供電系統(tǒng)時，應按照用電儀表的電壓等級和電源類型進行設計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統(tǒng)中同樣設置總供電箱、分供電箱。供電系統(tǒng)可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。
3．2輸入／輸出模塊配置
BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統(tǒng)的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數(shù)后，即可進行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產(chǎn)品ET200M。
3．3系統(tǒng)控制柜設計
接下來是系統(tǒng)控制柜的設計，包括主控制柜和分控制柜的設計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統(tǒng)輸入輸出模塊的接線原理圖。
3．4系統(tǒng)組態(tài)
在SIMATICManager中完成系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統(tǒng)的硬件組態(tài)，右邊是SIS系統(tǒng)的硬件組態(tài)。通信網(wǎng)絡的組態(tài)如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。
4控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)
4．1控制程序總體設計
根據(jù)程序的功能以及程序執(zhí)行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：
1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執(zhí)行一次，通過該組織塊可以實現(xiàn)初始化操作。
2）主程序OB1。OB1由操作系統(tǒng)不斷地循環(huán)調(diào)用。通過OB1可以進行系統(tǒng)常規(guī)處理，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的運行狀態(tài)，比如更新程序中的標志，并進行相應處理。
3）循環(huán)中斷OB35。循環(huán)中斷組織塊按照設定的時間間隔執(zhí)行中斷程序。在循環(huán)中斷中完成模擬量采集、數(shù)字濾波、PID運算，最后是控制量輸出。
4．2控制程序設計與實現(xiàn)
（1）S7CFC編程語言
CFC（ContinuousFunctionChart，連續(xù)功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復雜的閉環(huán)和開環(huán)控制等領域。編程的時候?qū)⑿枰墓δ軌K復制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。
（2）定時中斷的整體結(jié)構(gòu)
在定時中斷中進行模擬量采集、數(shù)字濾波、PID運算以及控制信號輸出，同時實現(xiàn)參數(shù)超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況來確定。
4．3推理程序設計與實現(xiàn)
經(jīng)過分析，可以看出被控對象的特點是多回路、多參數(shù)、強耦合。因此控制策略為：將復雜大系統(tǒng)分解成相對獨立的簡單子系統(tǒng)進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據(jù)對被控對象的分析，發(fā)現(xiàn)濃縮液濃度不可在線測量。為了實現(xiàn)濃度的準確控制，采用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運算實現(xiàn)濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調(diào)用。BPCS部分主要采用連續(xù)功能圖CFC實現(xiàn)。
4．4系統(tǒng)安全SIS設計
作為保證生產(chǎn)安全的重要措施，安全控制系統(tǒng)主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程要求安全儀表系統(tǒng)和信號報警遵循失效安全原則，使工業(yè)設備在發(fā)生故障的時候轉(zhuǎn)入預定義的安全狀態(tài)。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯(lián)鎖等安全控制。緊急停車聯(lián)鎖在蒸發(fā)器裝置的機械設備故障、某些過程參數(shù)越限、系統(tǒng)自身故障或稀液進料中斷時，對系統(tǒng)實施緊急停車。緊急停車聯(lián)鎖能自動產(chǎn)生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態(tài)。
4．5系統(tǒng)監(jiān)控設計
控制系統(tǒng)使用西門子WinCC組態(tài)軟件對操作員站進行了組態(tài)，實現(xiàn)對蒸發(fā)器的實時控制及調(diào)整、系統(tǒng)運行監(jiān)控與管理。WinCC使生產(chǎn)過程的狀態(tài)能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產(chǎn)過程中發(fā)生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態(tài)可打印的報表。
5系統(tǒng)運行與驗證控制
關鍵詞：體育場照明設計電氣控制設計
1.體育場照明的重要性
對于一座現(xiàn)代化的體育場，不但要求建筑外形美觀大方、各種體育設備齊全完善，而且要求有良好的照明環(huán)境，即要求有合適、均勻的照度和亮度、理想的光色，有立體感及無眩光等。除保證滿足觀眾良好的視看效果外，還必須保證裁判員、運動員和比賽項目所需的照明要求以及應保證有良好的電視轉(zhuǎn)播效果。
照明是依靠光線的功能，保證燈光作用于運動員、裁判員、觀眾的眼睛、產(chǎn)生視覺，才能看見體育場地上的一切，如場地環(huán)境的明暗、物體建筑、器具及服裝等表面的顏色、觀看目標的形狀和大小、深度、立體感及運動員運動時的狀態(tài)和體育場的氣氛等等。所以，良好的照明在現(xiàn)代體育場中占有重要地位。
一般，在一個體育場的照明設計中，應考慮以下三方面的因素：
1滿足運動比賽時運動員的視覺要求，并且使燈光對比賽的客觀影響降到最低程度。
2滿足觀眾的視覺要求，使燈光對觀看比賽時所引起的不適感覺降低到最低程度。
3滿足彩電轉(zhuǎn)播的照明要求，盡可能提高轉(zhuǎn)播質(zhì)量。
總之，照明與運動項目的比賽要求密切相關，與觀眾視看效果密切相關，沒有良好照明設施的體育場是不完整的體育場，必將嚴重影響它的使用功能。
2.體育場照明設計標準
為了得到良好的照明設計方案，合理利用光線的分布來滿足運動員、觀眾、裁判員視覺以及良好的電視轉(zhuǎn)播效果的要求，必需先確定照明標準，包括照度標準和照明質(zhì)量標準。照明質(zhì)量標準，其中包括眩光、光源色溫有顯色性要求，光的方向性、節(jié)能要求等。
2.1照度標準
根據(jù)國際體聯(lián)第83號推薦照度要求及《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第2.2.9條中的規(guī)定，提出以下照度標準推薦值見表1。幾點說明：
1根據(jù)《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第2.2.9－1條中規(guī)定：足球場比賽照度標準值：當觀看距離為120m時，為150～200～300lx；觀看距離為160m時，為200～300～500lx；觀看距離為200m時，為300～500～750lx.觀看距離指觀眾席最后一排到場地邊線的距離。
2根據(jù)《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第2.2.9－2條中規(guī)定：電視轉(zhuǎn)播需要的垂直照度：最大拍攝距離分為三組，①對于足球項目而言，最在拍攝距離為25m時平均垂直照度應為750lx；最大拍攝距離為75m時平均垂直照度應為1000lx；最大拍攝距離為150m時平均垂直照度為1500lx；②對于田徑項目而言，最大拍攝距離為25m時平均垂直照度應為500lx；最大拍攝距離為75m平均垂直照度應為750lx；最大拍攝距離為150m時平均垂直照度為1000lx.上述每個垂直照度用于一個給定的運動等級和給定的最在拍攝距離相對于1.0m垂直面的值，各照度值的中間值用于其它拍攝距離。
3上述照度指體育場的最終平均照度，設計時選取的初始照度必須計入維護系數(shù)，一般可采用0.7～0.8的數(shù)值。
4水平照度的均勻度：照度均勻度一般用最小照度與最大照度之比表示，也可用最小照度與平均照度之比表示，最小照度與最大照度的比值應大于0.5.
5垂直照度的均勻度：最小照度與最大照度的比值應大于0.4，才能滿足主電視攝像的要求。
2.2照明質(zhì)量標準
1眩光
體育照明的關鍵除提供足夠的水平和垂直照度以外，還需要減少眩光，從而達到亮而無眩光的效果。眩光是影響照明質(zhì)量的最重要因素之一。根據(jù)CIENO.83出版物“彩電系統(tǒng)的體育場地照明”，場內(nèi)最大眩光指數(shù)GRmax應小于50.眩光額定值GR愈小，眩光限制愈好，眩光額定值為50時。眩光額定值GR由下列公式算出：
GR=27＋24LgLvl/Lve0.9
1式中，Lvl是燈具產(chǎn)生的光幕亮度，Lve是環(huán)境產(chǎn)生的光幕亮度。一般在計算照度時，應計算不同方向的眩光額定值GR，在GR<50時，即可行。眩光的限制除了合理確定燈具的選型，安裝高度和排列方式外，還可以采取提高賽場背景照度的方法。
2光源色溫及顯色性要求
為達到良好的彩電轉(zhuǎn)播效果，體育場的照明質(zhì)量不但與照度有關，而且與照明光源的色溫及顯色性有緊密關系。我國《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第3.3.2條中規(guī)定：彩電轉(zhuǎn)播用一般光源顯色指數(shù)Ra不應小于65.依據(jù)CIENO.83號出版物及國際足聯(lián)的要求，光源相關色溫Tc大于5000K和光源顯色指數(shù)Ra大于等于80，以達到最佳的現(xiàn)場照明效果及彩電轉(zhuǎn)播效果。
3光的方向性
燈具的俯角不僅影響垂直照度，同時也對運動員、觀眾和裁判有可能產(chǎn)生較大眩光影響。對地體育場照明設計，應選擇好燈具的瞄準方向。另外，主攝像機與另一側(cè)過來的光線之比例應控制在一定范圍內(nèi)，而照明的最重點是在足球場的中央及設置。
4節(jié)能要求
照明節(jié)能重在采用合理的照明方案和高效的照明裝置，降低線路損耗及良好的照明控制。體育建筑屬照明用電較大的建筑項目，從節(jié)能意義上講，僅比較初始投資費用，而不以最低運行成本為基礎選擇得出的照明設計不是合理的設計，應根據(jù)具體情況，將初始投資及運行成本綜合加以考慮。
應選擇高效率的光源和燈具，采用能耗較低的鎮(zhèn)流器等附件，并加補償電容，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。照明設計應有多種開燈模式及對應的控制方案?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)燈具數(shù)量，為不同需要的比賽和活動提供合適的照明，控制方案要簡單、實用，并具有較強的靈活性。
3.體育場照明設計的計算
體育場照明設計的照度計算通常有三種方法：一是單位面積容量估算法；二是平均照度計算法，用以計算被照面上的平均照度；三是逐點計算法，可以精確的計算出某一點的照度。
1單位面積容量估算法基本公式：
N=P×A/PL2
式中：N—泛光燈燈數(shù)；PL—每臺泛光燈功率W；P—單位面積功率W/m2；A—被照面積m2。
m=1/η×η1×U×U1×K3
式中：m—簡化系數(shù)；η—燈具效率；η1—光源效率，1m/W；U—利用系數(shù)；U1—照度均勻度；K—燈具維護系數(shù)，一般取0.7～0.8.
為簡化計算，按照η=0.6、U=0.75、U1=0.7、K=0.7給出不同光源的m值見表2.
P=m×E4
式中E為最小照度，lx.
2平均照度計算法，運用以下公式可以計算出燈具的數(shù)量。
N=E×A/η×F×K5
式中：N—燈具的數(shù)量個；E—表面平均照度lx，由表1查得：A—被照面面積m2；η—燈具的效率；F—光通量1m；K—維護系數(shù)，取0.7～0.8.以上兩種照度計算法應用較普遍，主要用于照度的估算，比較適合方案和初步設計階段。
3點光源逐點計算法
采用計算機軟件進行逐點計算。泛光燈的尺寸與其照射的距離相比要小的多，因此泛光燈可被當作點光源，一盞燈具照度計算的數(shù)學模型如公式6所示。
EΦcosα±D/h×sinαEh=ΨEh
6式中，Eh：一盞燈照射到垂直立面上產(chǎn)生的平均照度lx，Eh用公式7計算：
Eh=Iθ×cosθ/R27
Iθ—θ角照射方向的光強cd；R—光源至被照面間的距離m；h—光源至垂直立面的垂直計算距離m；D—R在垂直立面上的投影m；α—斜面與水平面的夾角，單位為度；θ—燈具光束中心與水平面的夾角，單位為度；Ψ—系數(shù)，Ψ=cosα±D/h×sinα。
4.體育場照明燈具分類與布置方式
4.1照明燈具分類
體育場照明燈具按其光束形狀可分為A、B、C三類，如表3所示。
在照明設計中，應根據(jù)具體情況選擇合適的燈具。通常對于側(cè)面布燈方式，采用光束為扇形B或C型泛光燈的利用系數(shù)要高于圓柱對稱光束A型泛光燈。對于四塔布燈方式，采用圓柱對稱光束A型泛光燈的利用系數(shù)要高于扇形B或C型泛光燈。
4.2燈具的布置方式
為有效地利用光源的光通量，還應根據(jù)投射距離選擇泛光燈光束角的大小。按光束角的大小可分為7類，如表4所示。
1四塔式布燈
①四角燈塔位置應選在球門中線民地底線成15°角、半場中心線與邊線成5°角的兩線相交后延長線所夾得空間范圍，并宜將燈塔設置在場地的對角線上。將泛光燈安裝在4個高塔上，這種布置型式適用于沒有挑棚的體育場，其照明利用率較低；而且要解決好燈具的維護檢修問題。
②燈塔的高度應使最低一排泛光燈至場地中心與場地水平地面的夾角在20°～30°，超過這一范圍，不僅使燈塔的造價大大提高，同時也會降低垂直照度與水平照度的比例，影響物體造型的立體感和降低識別運動物體的速度。
燈塔最低一排泛光燈至場地水平面的垂直高度可由式8確定：
H≥L×tan25°或H≥0.4663L
8式中：H—燈塔最低一排泛光燈至場地水平面的垂直高度m；L—場地中心點至燈塔座的水平距離m。
上式中的L與H關系還可以采用下列比值確定：與場地水平面夾角為25°時，LH=2.1451；與場地水平面夾角為20°時，LH=2.7471
③燈塔頂部應裝置防雷接地設施，接地電阻不大于10Ω。燈塔頂部應設置紅色高度標志燈，且不少于2臺。燈塔上安裝的接線端子箱、敷設的電纜及線醴均由燈塔廠配套提供。
④燈塔設置位置及塔上最低一排泛光燈投射角度及高度應滿足以下要求：α>5°，β>15°，20°<γ<30°，45°<θ<70°
2混合式布燈
①將燈帶式與燈塔式有機地組合在一起的布燈方法。一般大型綜合性體育場解決照明技術效果比較好的一種布燈型式。
②混合布置，燈塔的投射角和方位布置可以適當靈活處理，光帶的長度可以適當縮短，光帶的高度也可適當降低。
5.體育場照明供電設計
1體育場的照明供電，一般由低壓配電室引來兩路電源供給，互為備用，手動與自動投切，平時兩路電源各帶50％左右的負荷，且均勻分布，以便任何一路斷電，熄滅了的燈光尚未點燃時，場地內(nèi)仍能保持均勻的照度分布，使一般性比賽仍可進行。另外，由于氣體放電燈的啟動時間約為4～8min，再啟動時間約為10～15min，因此，即使采用兩種電源自投，也無法使熄滅了的燈光立即點燃，故對有人值班的控制室，可采用兩種電源手動互投的切換方式。對無人值班的控制室則應采用兩路電源自投不自復的切換方式，保證比賽的正常進行，延長光源的使用壽命。
①此種供電方式可不再另外考慮場地的應急照明，而且當電源轉(zhuǎn)換時仍能基本保證比賽的正常進行。
②配電系統(tǒng)設計相對較為復雜，造價亦相應較高。
③采用四塔式照明時，將電源柜放在燈塔底部內(nèi)側(cè)，電源線沿燈塔內(nèi)壁敷設，燈具的鎮(zhèn)流器箱放在塔的頂部，這種配電方式較為合理。
④采用光帶式照明時，將電源直接送到挑棚馬道上的配電柜臺，配電的分支線路可以采用沿馬道旋轉(zhuǎn)的金屬線槽敷設方式。
2比賽燈的開關，主要靠交流接觸器或無觸點的晶閘管可控硅實現(xiàn)。用交流接觸器控制，簡單可靠，也較經(jīng)濟；用晶閘管控制，技術先進，但價格較貴。為了便于維護和燈光方案的變化，宜采用單燈單控，也可一個開關控制2～3個燈，以不超過3個燈為宜。
3氣體放電燈點燃時，沖擊電流很大，開啟燈光時，單燈宜間隔0.5s；組控時，宜間隔10～30s.另外，氣體放電燈的頻閃效應對照明質(zhì)量的影響很大。由交流電源供電的氣體放電燈有二倍于電源頻率的周期性頻閃。頻閃會使迅速運動的物體，出現(xiàn)幻影，這種效應對于攝像，尤其是慢動作攝像影響很大，放映時，會顯示出一種令人難以忍受的閃動，頻閃還會造成視覺疲勞。通常用光通量的波動深度Fbd來衡量。
Fbd=Fmax－Fmin/2Fav×100％
9式中：Fmax—光通量的最大值；Fmin—光通量的最小值；Fav—光通量的平均值。只要將波動深動降至25％以下，人的視覺對頻閃將不產(chǎn)生疲勞效應。這可通過改變配電方式來實現(xiàn)。例如：將相鄰的氣體放電燈接在不同相位的電源上；在方案設計時，還可考慮氫不同相位的氣體放電燈所發(fā)出的光通量相到重疊等?？傊诖罅渴褂脷怏w放電燈的體育場照明設計中必須考慮頻閃對照明質(zhì)量的影響。
6.體育場照明控制
體育場及觀眾席照明控制主要形式為在專設的燈光控制室采用計算機控制臺集中控制。計算機控制臺為人機對話形式，設有燈位布置模擬盤、燈光單控、組控開關等，燈光單控開關的布置應與燈位布置模擬盤相對應?？梢宰詣涌刂疲部梢允謩涌刂?，計算機可以模擬現(xiàn)場開燈狀態(tài)，自動控制及檢測燈具是否正常工作，并反饋顯示故障燈組位置，可根據(jù)實際需要設置不同的控制方案，以滿足不同比賽內(nèi)容及活動對照度的不同要求及同一體育項目不同比賽級別對照度的不同需要。預先確定若干種開燈方案，編程后存入計算機內(nèi)，根據(jù)不同的需要調(diào)用相應的開類方案。
7.結(jié)束語
良好的體育場照明環(huán)境的實現(xiàn)，主要取決于正確地確定照明設計方案，同時依賴于使用性以面優(yōu)異的照明設備的選取及照明電氣控制系統(tǒng)。這里所談的僅是一些粗淺的認識，有待于在今后的照明設計中深入探討，摸索出其內(nèi)在的規(guī)律，使之進一步理論化、系統(tǒng)化，從而更有利于指導實踐工作。
以上是筆者對于體育場照明及電氣控制設計的一些粗淺認識，不當之處請讀者指正。
參考文獻
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