时间：2022-03-15 16:54:51
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现代化的建筑规模大、标准高、人员密集、设备众多，对防火要求极为严格。为此，除对建筑物平面布置、建筑和装修材料的选用、机电设备的选型与配置有许多限制条件外，还需要设置现代化的消防设施。随着我国经济建设的发展，各种高层建筑、大中型商业建筑、厂房不断涌现，对自动消防报警系统提出了更高更严的要求。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，保卫社会主义现代化建设，在现代化的工业民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。电气工程设计、安装和使用是否正确不仅直接影响到建筑的消防安全而且也直接关系到各种消防设施能否真正发挥作用。因此，自动报警及消防联动的设计及设备选型显得尤为重要。
一、系统的组成
火灾自动报警与消防联动控制系统是建筑物防火综合监控系统，由火灾报警系统和消防联动控制系统组成。在实际工程应用中，系统的组成是多种多样的，设备量的多少、设备种类都会有很大的不同。但是，决定系统特征的是火灾自动报警和消防联动控制这两个系统的实现方式。
（一）火灾自动报警系统的组成
火灾自动报警系统一般由探测器、信号线路和自动报警装置三部分组成。
1、火灾探测器和手动报警按钮
火灾探测器是整个报警系统的检测元件。它的工作稳定性、可靠性和灵敏度等技术指标直接影响着整个消防系统的运行。
1）探测器的种类
火灾探测器的种类很多，大致有如下几种：
（1）离子感烟探测器。
（2）光电感烟探测器。
（3）感温探测器（包括定温式和差温式）。
（4）气体式探测器。
（5）红外线式探测器。
（6）紫外线式探测器。
2）常用的火灾探测器基本原理
（1）感烟火灾探测器
火灾发展过程大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。感烟火灾探测器的功能在于：在初燃生烟阶段，能自动发出火灾报警信号，以期将火扑灭在未成灾害之前。根据结构不同，感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。
①离子感烟探测器
离子式感烟探测器是由两个内含Am241放射源的串联室、场效应管及开关电路组成的。内电离室即补偿室，是密封的，烟不易进入；外电离室即检测室，是开孔的，烟能够顺利进入。在串联两个电离室的两端直接接入24V直流电源。当火灾发生时，烟雾进入检测电离室，Am241产生的α射线被阻挡，使其电离能力降低，因而电离电流减少，检测电离室空气的等效阻抗增加，而补偿电离室因无烟进入，电离室的阻抗保持不变，因此，引起施加在两个电离室两端分压比的变化，在检测电离室两端的电压增加量达到一定值时，开关电路动作、发出报警信号。
②光电感烟探测器
光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。
a、一般光电式感烟探测器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。
遮光型光电感烟探测器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。在无烟情况下，光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光电元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持在正常状态，不发出报警。当火灾发生有烟雾进入探测器，使光的传播特性改变，光强明显减弱，电路正常状态被破坏，则发出报警信号。
散射光电式感烟探测器的发光二极管和光电元件设置的位置不是对应的。光电元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光电元件上，电路维持正常状态。而发生火灾时，有烟雾进入探测器，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光电元件上，则光信号转换成电信号，经放大电路放大后，驱动自动报警装置发出报警信号。
b、激光式感烟探测器。由激光发射机（包括脉冲电源和激光发生器）和激光接收器（包括光电接收器、脉冲放大及报警）组成。它利用激光方向性强、亮度高及单色性和相干性好的特点。在无烟情况下，脉冲激光束射到光电接收器上，转换成电信号，报警器不发出报警。一旦激光束在发射过程中有烟雾遮挡而减弱到一定程度，使光电接收器信号显著减弱，探测器发出报警信号。在种类繁多的激光光源中，半导体激光器由于具有所需激发电压低、效率高、脉冲功率大、器件体积小、耐震、寿命长和价格低廉等优点而受到重视。
c、紫外光和红外光感烟探测器。它们具有灵敏度高、性能稳定、可靠、探测方位准确等优点，因而得到普遍重视，并成为目前火灾探测器的重要设备和发展方向。
光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。
（2）感温火灾探测器
感温探测器按结构原理不同有双金属片型、膜盒型、热敏电子元件型等三种。
①双金属片型是应用两种不同膨胀系数的金属片作为敏感元件的，一般制成差温和定温两种形式，定温式是当环境温度上升达到设定温度时，定温部件立即动作，发出报警信号；差温式是当环境温度急剧上升，其温升速率（℃/min）达到或超过探测器规定的动作温升速率时，差温部件立即动作，发出报警信号。
②膜盒型探测器由波纹板组成一个气室，室内空气只能通过气塞螺钉的小孔与大气相通。一般情况下（指环境温升速率不大于1℃/min），气室受热，室内膨胀的气体可以通过气塞螺钉小孔泄漏到大气中去。当发生火灾时，温升速率急剧增加，气室内的气压增大，波纹板向上鼓起，推动弹性接触片，接通电接点，发出报警信号。
③电子感温探测器由两个阻值和温度特性相同的热敏电阻和电子开关线路组成，两个热敏电阻中一个可直接感受环境温度的变化，而另一个则封闭在一定热容量的小球内。当外界温度变化缓慢时，两个热敏电阻的阻值随温度变化基本相接近，开关电路不动作。火灾发生时，环境温度剧烈上升，两个热敏电阻阻值变化不一样，原来的稳定状态破坏，开关电路打开，发出报警信号。
3）火灾探测器的选择
（1）根据火灾的特点选择探测器
①火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量热，很小或没有火焰辐射，应选用感烟探测器。
②火灾发展迅速，产生大量的热、烟和火焰辐射，可选用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。
③火灾发展迅速、有强烈的火焰辐射和少量烟和热、应选用火焰探测器。
④火灾形成特点不可预料，可进行模拟试验，根据试验结果选择探测器。
（2）根据安装场所环境特征选择探测器
①相对湿度长期大于95%，气流速度大于5m/s，有大量粉尘、水雾滞留，可能产生腐蚀性气体，在正常情况下有烟滞留，产生醇类、醚类、酮类等有机物质的场所，不宜选用离子感烟探测器。
②可能产生阴燃或者发生火灾不及早报警将造成重大损失的场所，不宜选用感温探测器；温度在0℃以下的场所，不宜选用定温探测器；正常情况下温度变化大的场所，不宜选用差温探测器。
③有下列情形的场所，不宜选用火焰探测器：
a、可能发生无焰火灾；
b、在火焰出现前有浓烟扩散；
c、探测器的镜头易被污染；
d、探测器的‘视线’易被遮挡；
e、探测器易被阳光或其他光源直接或间接照射；
f、在正常情况下，有明火作业以及X射线、弧光等影响。
高层民用建筑及探测器的灵敏度选择，应据探测器的性能及使用场所，正常情况下（无火警时）系统没有误报警为准进行选择。目前，国内高层建筑中，大部分使用光电感烟测器，只有在个别场所、厨房、发电机房、车库及有气体灭火装置的场所才用感温探测器。只用一种探测器，在联动的系统里易产生误动作，这将造成不必要的损失，无联动的系统里易误报。故应选用两种或两种以上种类探测器。他们是“与”的逻辑关系，当两种或两种以上探测器同时报警，联动装置才动作，这样才能确保不必要的损失
总之，探测器选择应根据实际环境情况选择合适的探测器，以达到及时、准确报警的目的。
4）手动报警按钮
报警区域内每个防火分区应至少设置一个手动火灾报警按钮，且从一个防火分区里的任何位置至最近一个手动火灾报警按钮的距离不应大于30m，并应设置在明显和便于操作的位置。手动报警按钮距地面1.5m。
2、自动报警装置
我国火灾自动报警装置的研究、生产和应用虽然起步较晚，但发展非常快，特别是最近几年，随着我国四化建设的迅速发展和消防工作的不断加强，火灾自动报警装置的生产和应用都有了较大的发展，生产厂家、产品种类和产量及应用单位都不断地增加。我国目前生产的火灾自动报警装置是包括报警显示、故障显示和发出控制指令的自动化成套装置。当接收到火灾探测器、手动报警按钮或其他触发器件发送来的火灾信号时，能发出声光报警信号，记录时间、自动打印火灾发生的时间、地点、并输出控制其他消防设备的指令信号，组成自动灭火系统。目前，生产、使用的自动报警装置，多采用多线制，分为区域报警控制器、集中报警控制器和智能型火灾报警控制器。
（1）区域报警控制器
区域报警器是一种由电子电路组成的自动报警和监视装置。它联结一个区域内的所有火灾探测器，准确、及时的进行火灾自动报警。因此，每台区域报警器和所管辖区域内的火灾探测器经正确连接后，就能构成完整、独立的自动火灾报警装置。
区域报警器的基本原理如下：
①接收探测器或手动报警按钮发出的火灾信号，以声光的形式进行报警；
②电子钟可以记忆首次发生火灾的时间；
③可以带动若干对继电器触点给出适当外接功能；可
④以配置备用直流电源，当市电断电时，直流备用电便自动投入；
⑤具有自检功能，当区域报警器与探测器之间有接触不良或断线时，报警器发出开路或短路的故障声、光报警信号并自动显示故障部位；
⑥具有“火警优先”功能，各类报警信号至区域报警器，经信号选择电路处理后，进行火灾、短路、开路判断，报警器首先发出火灾报警信号，指示具体着火部位，发出火警音响，记忆火警信号、开路、短路故障信号；
⑦通过通讯接口电路将三类信号送至集中报警控制器。区域报警控制器将接收到的探测器火警信号进行“与”“或”逻辑组合，控制继电器动用联动外部设备，如排烟阀、送风阀、防火门等。
目前国内各厂家生产的区域报警器的容量即监控部位多少不同。不同型号的区域报警器需与不同型号的探测器相连接。以西安262厂生产的JB-QB-2700/088A系列区域报警器为例，它有壁挂式、柜式两种，最大容量为256路，一路是一个部位号，一个探测器占一个部位号。
在工程设计中，选择区域报警控制器的容量应大于该区域的探测器数。如一建筑物以一层为一个区，共24个房间，每个房间一个探测器，共24个，则应选择30路区域报警控制器。若48个房间，则应选择50回路区域报警控制器。
（2）集中报警控制器
集中报警控制器的基本原理如下：
①把若干个区域报警器连接起来，组成一个系统，集中管理；
②可以巡回检测相连接的各区域报警器有无火灾信号或故障信号，并能及时指示火灾区部位和故障区域，同时发出声、光报警信号；
③其他功能、原理同区域报警控制器。
在系统中如只有探测器和集中报警器是不能工作的。因为集中报警器的巡检功能、火灾报警功能、自检功能等都是与区域报警器构成系统后才具备的。所以，只有区域报警器与集中报警器配合使用，才能构成自动火灾报警系统。
集中报警系统适用于大型、复杂工程。集中报警器最大容量可接40台区域报警器。
（3）智能型火灾报警控制器
智能型火灾报警控制器的基本原理如下：
①采用模拟量探测器，能对外界非火灾因素，诸如温度、湿度和灰尘等影响实施自动补偿，从而在各种不同使用条件下为解决无灾误报和准确报警奠定了技术基础；
②报警控制器采用全总线计算机通信技术，实现总线报警和总线联动控制，减少了控制输出与执行机构之间的长距离管线；
③采用大容量的控制矩阵和交叉查寻程序软件包，以软件编程代替硬件组合，提高了消防联动的灵活性和可修改性。
262厂生产的NA1000系列火灾报警控制器就属此类形式。
（4）自动报警装置的选择
火灾自动报警系统中，所选用的火灾报警装置应具有以下基本功能：
①能为火灾探测器供电；
②能接收来自火灾探测器或手动报警按钮的报警信号；
③能检测并发出系统本身的故障信号；
④能检查火灾报警器的报警功能；
⑤具有电源转换功能。
火灾报警控制器的选择，一般考虑下列因素：
①火灾探测器、火灾报警器宜选用同一厂家的配套产品；
②报警系统所需回路数量；
③是否需要自动消防联动控制功能；
④安装位置和安装方式等。
（二）消防联动控制系统的组成
消防联动控制范围很广，据实际工程的大小、等级高低的不同各异。联动控制设备有消火栓、水灭火、气体灭火、防火门、防火卷帘、排风机、空调设施、防火阀、排烟阀、电梯、诱导灯、事故灯、警铃、切断工作电源等。
二、系统选择
火灾自动报警系统的保护对象是建筑物或建筑物的一部分。不同的建筑物，其使用性质、重要程度、火灾危险性、建筑结构形式、耐火等级、分布状况、环境条件以及管理形式等各不相同。在设计中应仔细研究这些情况，根据不同的情况选择不同的火灾自动报警系统。
（一）系统确定
火灾自动报警系统是触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其他辅助功能的装置组成的火灾报警系统，是人们为了早期发现通报火灾、并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾而设置在建筑中或其他场所的一种自动消防设施，是人们同火灾作斗争的有力工具。
报警系统的确定一般是整个系统中报警部位总点数，包括探测器数量、手动报警按钮数量及消火栓、自动门、自动阀、行程开关等总数量来确定。也就是说与建筑物大小、等级、使用功能有关。火灾自动报警系统的组成形式多种多样，特别是近年来，科研、设计单位与制造厂家联合开发了一些新型的火灾自动报警系统，如智能型、全总线型等，但在工程应用中，采用最广泛的是如下三种基本形式：区域报警系统、集中报警系统、控制中心报警系统。
1、区域报警系统
该系统一个报警区域宜设置一台区域报警控制器，系统中区域报警控制器不应超过3台，区域报警控制器宜设于有人值班的房间、场所。
系统的组成见下图。
2、集中报警系统
报警区域较多、区域报警控制器超过3台时，采用集中报警系统。集中报警系统至少有一台集中报警控制器和两台以上区域报警控制器集中报警控制器应设置有人值班的专用房间或消防班室内。
系统的组成见下图。
3、控制中心报警系统
工程建筑规模大、保护对象重要、设有消防控制设备和专用消防控制室时，采用控制中心报警系统。
系统的组成见下图。
以上各系统布线方式与探测器、报警器种类有关。采用二线制（即区域报警器到每一个探头为二线）。区域报警器单独使用为N+1式，到集中报警器为N+N/8+1+3+1式，设计、施工比较方便，而且降低造价。
除以上系统外，国内各厂家又相继推出总线制报警器。不同厂家总线制系统各异，但共同点都是总线制、地址编码形式。
（1）二总线制集中报警系统。区域报警器到探测器的线路传输只需二条总线，每一部位的控制器都有自己的编号，即一个部位一个编址单元。如JB-QB-50-2700/076型为例，它采用了先进的单片机技术，CPU主机将不断地向各编址单元发码。当编址单元接收到主机发来的信号后，加以判断：如果编址单元的码与主机的发码相同，该编址单元响应。主机接收到编址单元返回的地址及状态、信号，进行判断处理：如果编址单元正常，主机将继续向下巡检；经判断如果是故障信号，将发出故障区域声、光报警信号。发生火灾时，经主机确认后，火警信号被记忆，同时发出火灾区域声、光报警信号。
在实际工程应用中，如果用一台区域报警器控制一层楼，在二总线上可接50个编址单元；控制二层，每层二总线上可接35个编址单元；控制三层，每层二总线上可接25个编址单元。076型区域报警器的扩展型最多可设置200个编址单元。
（2）三总线制集中报警系统。该报警器是由单片机8031为中央控制单元，计算机管理的三线制报警器。三总线制系统通过三总线与被控的各区域报警器相联。三总线制在工程应用中有两种形式：楼层复示器——集中报警器系统、区域报警器——集中报警器系统。
①楼层复示器——集中报警器系统
楼层复示器可以对编址探测器发码、收码，显示本层的报警部位，具有断线故障自动报警功能。该系统适用于每层不超过32个报警部位，楼层无值班点，首层设有消防总值班室的建筑。
②区域报警器——集中报警器系统
由区域报警器和标准集中报警器组成的两级管理总线制火灾报警系统，适用于每层报警部位多少不一，并设有楼层服务台的中型宾馆等建筑物。
采用总线制报警系统布线简单，设计、施工方便，与其他报警系统相比多一些接口元件。
（二）消防联动控制系统
消防联动控制系统有无联动、现场联动、集中联动等几种形式。
在实际工程中，报警系统与消防联动系统的配合有以下几种形式：
1、区域——集中报警、横向联动控制系统。
此系统每层有一个复合区域报警控制器，他具有火灾自动报警功能，能接收一些设备的报警信号，如手动报警按钮、水流指示器、防火阀等，联动控制一些消防设备，如防火门、卷帘门、排烟阀等，并向集中报警器发送报警信号及联动设备动作的回授信号。此系统主要适用于高级宾馆建筑，每层或每区有服务人员值班，全楼有一个消防控制中心，有专门消防人员值班。
2、区域——集中报警、纵向联动控制系统。
此系统主要适用于高层“火柴盒”式宾馆建筑。这类建筑物标准层多，报警区域划分比较规则，每层有服务人员值班，整个建筑物设置一个消防控制中心。
3、大区域报警、纵向联动控制系统。
此系统主要适用于没有标准层的办公大楼，如情报中心、图书馆、档案馆等。这类建筑物的每层没有服务人员值班，不宜设区域报警器，而在消防中心设置大区域报警器，有专门消防人员值班。
4、区域——集中报警、分散控制系统。
此系统在联动设备的现场安装有“控制盒”，以实现设备的就地控制，而设备动作的回授信号送到消防中心。消防中心的值班人员也可以手动操作联动设备。此系统主要适用于中、小型高层建筑及房间面积大的场所。
此外，还有自动报警和消防控制于一体的灭火装置系统，如FJ-2714自动灭火装置。此系统主要适用于计算机房、发电机房、贵重物品仓库、档案库、书库等场所的火灾自动报警及自动灭火。气体灭火、药剂灭火具有能力强、效率高、对金属腐蚀性小、不导电、长期存储不变质、不污损灭火对象等优点，但造价高。
（一）基于工作过程，构建课程设计体系
通过钢铁企业调研、专家座谈和毕业生调查等方法，确定材料成型及控制工程专业培养的目标岗位，确定各个岗位的代表性工作任务，然后分析每个岗位的典型工作任务，根据工作任务提炼为行动领域，按照教育教学方法将行动领域转化为学习领域，再转化为该学习领域课程。
（二）多方参与，提高教学质量
在课程设计资源整合时，与中冶赛迪、重钢股份有限公司等单位的行业专家、校外兼职教师进行沟通、协商，共同确立改革方案。校内专业教师主要负责调研资料的整理、课程理论基础的搜集论证，以及协调校内外教师的工作。行业专家主要负责学生的现场实践工作，并指导校内教师，确保课程设计体系的准确性。校外教师有选择地参与课程的教学过程，提供相关的实践案例。在课程设计的实施过程中，坚持行业专家、校内专业教师和校外兼职教师的多元化教学，改善教学效果，提高教学质量。
（三）采用任务驱动，重点培养实践能力
按照教学大纲的要求确定课程设计教学内容，课程设计的内容要体现项目导向任务驱动的教学理念。具体做法是根据教学大纲设计学习情境，在各种学习情境下分解具体任务。如加热炉课程设计，其典型任务是熟练掌握加热工艺要求，并对加热生产过程进行控制，根据该典型任务确定加热炉设计的下分任务，包括燃料燃烧计算、炉子的热工制度（包括炉温制度、供热制度、炉压制度及钢种的加热工艺制度）和炉膛主要尺寸的确定、炉膛热交换和金属加热时间计算、炉体结构及烟囱等辅助设备的设计，在具体的设计过程中只需进行下分任务的设计即可。
（四）坚持行动导向，注重实践能力培养
以加热炉课程设计为例，一方面通过一个个下分任务的完成，使学生能够在完成每一个下分任务的同时，不断积累经验，逐步掌握加热工艺制度制订的方法，充分利用所学理论知识，逐步建构较为完整的加热炉作业区工艺和设备情况，明确加热岗位的任务和职责，初步形成职业习惯，毕业后可以直接胜任加热岗位工作。另一方面，该课程设计结合操炉工考试相关的内容，引入行业标准，实现理论和实践的融通，提高学生的实际应用水平。
二、基于“工作过程”法的设计思路
（一）以能力为本位，确定课程设计教学目标
课程设计教学目标，是学生通过课程设计的实践锻炼在职业能力和知识认知上要达到的具体标准，它既是课程教学的龙头，又是课程教学质量评价的依据，因此必须认真分析和论证。以加热炉课程设计为例，笔者根据分析论证，确定其课程目标为：（1）能力目标。学会制订加热工艺制度（包括加热温度、加热速度、加热时间）；能正确进行炉膛尺寸设计，熟练掌握不同钢种的加热要求。（2）知识目标。熟悉加热制度制订的依据，掌握炉型特点和结构设计的要求；熟练掌握加热的特点和要求，准确掌握不同加热缺陷的特点和判断。
（二）以工作过程为导向，选取教学内容
同样以加热炉课程设计为例，通过在特定条件下进行加热炉初步设计（包括燃料燃烧计算、炉子的热工制度和炉膛主要尺寸的确定、炉膛热交换和金属加热时间计算、炉体结构及烟囱等辅助设备的设计），要求学生把理论和实践结合起来，培养学生综合应用所学的理论知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为实际工程设计奠定基础。
（三）以项目教学为手段，实现教学目标
课程设计教学充分体现了专业性、应用性和实践性。加热炉课程设计的具体思路是：首先，明确该课程与专业、职业的关系，确定该课程是材料成型及控制工程专业的核心课程。其次，进行学习情境和任务的设计，即确定教学内容。如在确定加热温度的过程中既考虑避免出现过热过烧，还要考虑Si、Mn等合金元素的影响及加热目的，从而进行综合确定。最后，进行考核与评价。通过聘请赛迪工业炉和重钢集团的专家进行现场数据对比分析，确定设计与现场生产的差距，从而确定合理的评价体系，促进课程设计的不断完善。
（四）构建多元化、开放式的教学评价体系
仍以加热炉课程设计为例，从入炉到出炉采用流程化作业，根据工艺的各个环节，将每一段的温度、速度和炉压确定有机结合起来，制订适合生产现场的工艺制度。在考核方面进行多元化考核，在结束设计后，学生采用答辩的方式将自己的设计思路、理念和工艺规程进行有效整合，老师结合学生的答辩提出问题，最后送行业专家评阅，从而实现过程性考核和结果性考核的有机结合。
三、基于“工作过程”法的实践效果
2012年下半年开始用基于“工作过程”法对材料成型及控制工程专业的课程设计类实践课进行改革，将现场数据采集和课堂工艺设计有机结合起来，经过两年的教学实践，采用平时观察、访谈等方式分析了该方法的实施效果。
（一）提高了学生的学习兴趣
采用基于“工作过程”法，将现场的工艺设计搬到课程设计里面，利用课程设计完成现场工艺参数的选择和确定，利用课程设计解决现场的实际问题，显著提高了学生的学习兴趣。
（二）提高了课程设计的学习效果
基于“工作过程”法将理论课程和实践课程有效结合起来，将知识体系进行重新构建，扩展了学习的时间和空间，为学生的深入思考和广泛交流提供了便利，加深了学生对理论知识的理解，能够从生产实际出发，主动提出问题、分析问题和解决问题，使学生从以前的不问所以然的埋头计算变成了分析工艺参数和处理现场问题的参与者，从而促进了对知识的理解与应用。
四、结语
1.1LED和键盘设计
为了能够实现人与机器的对话，单片机的步进电机控制系统设计了3*4键盘以及4*8LED数码管，人们可以直接对其进行控制。该系统通电后，通过键盘输入控制步进机的运转、启动以及转动方向等，由LED管动态清晰显示步进机的转向以及转速。器件8279能够控制系统键盘的输入以及LED的输出，进而减少单片机工作的承载，8279在控制系统工作的过程中，将键盘输入的信息进行扫描，利用其抖功能，避免事故的发生。（下图为LED和键盘模块）
1.2放大和驱动设计
逻辑转换器是步进机控制过程中的脉冲分配器，其是CMOS集成电路，其输出的源电流为20毫安，能够应用于三相以及四相步进机，其工作可以选择以下6种激进方式进行控制；其中，对于三相步进电机有1、2、1-2相；对于四相步进电机有1、2、1-2相，其输入的方式有单、双时钟选择方式，其具有正向控制、方向控制、监视原点、初始化原位等功能。PMM8713器件主要由激励方式判断、控制以及时钟设置等部分组成，所有的输入端都设置有秘制的电路，进而提高抗外界干扰的能力。PMM8713输出能够接受功率驱动电路，其通过驱图1LED和键盘模块动器，输出最大的工作电流，以满足电机工作的需求。单片机通过调节相关端口的脉冲信号，控制步进机的运行状态、运转方向以及运转速度等。
2单片机的步进电机控制系统软件设计
2.1单片机程序设计
通过中断脉冲信号，计算步进电机的运转步数以及圈数，并对其进行记录；实现对步进电机运转速速的控制；采用端口的中断程序关闭其相关程序，将电机控制在停机状态；通过中断电机的开启部位，将其转换到运行状态，实现电机的运行；PMM8713的U和D端口通过输出高电平，达到控制步进电机运转方向的目的；8279将其接口与自身的8个数据连接口进行连接，当单片机运行到键盘部位时，采用相关端口中断其工作状态，进而达到控制步进机的启动、停止、速度以及方向等，并将其反馈给8279，利用LED将其显示，明确其运转的速度以及方向。
2.2PC上位机设计
设计PC上位机的主要目的就是控制步进电机，利用单片机中相关部位，实现人与机的对话，其利用单片机发出执行命令，实现对步进电机的有效控制。其中，单片机接受的执行命令会存储在相关软件中，其与储存在片内的Flash的相关地址进行比较，不冲突的信息就储存在其中，如与其中储存的信息发生冲突，就会自动中断，有效的保护电机的正常运行。同时，此软件在运行的过程中，应该对晶振中的USART模块进行设置，其相关的控制软件由VB6.0对其进行编写，采用MSComm软件实现实时通讯。
3结语
橡胶沥青的生产工艺基本分为干拌法和湿拌法，因干拌法生产的橡胶沥青存放时间不得超过7天，且需要连续搅拌，目前基本被淘汰；湿拌法就是在工厂进行批量加工，生产橡胶沥青时橡胶粉进行多道胶体磨，细度能达到100目以上，橡胶颗粒更均匀地混熔在基质沥青中，解决了储存稳定性同时，更是大大提高了橡胶沥青材料质量的稳定性，所以可储存较长时间，同时胶粉的掺量更高（沥青质量的15%~25%），由此带来了更高粘度的沥青材料。
2橡胶沥青混合合比设计
2.1选择原材料
2.1.1集料
橡胶沥青混合料一般用于路面的表面层，混合配合比设计时集料选择石质坚硬、洁净、干燥、表面粗糙、不含风化颗粒、近立方体颗粒的碎石，如玄武岩类集料。
2.1.2填料
宜采用石灰岩碱性石料经磨细得到的矿粉。矿粉必须干燥、清洁。拌和机回收的矿粉不得采用。经过磨细的石灰粉或者水泥可代替矿粉。
2.2橡胶沥青配合比设计考虑因素
橡胶沥青混合料配合比设计要考虑重载车辆对路面的影响，所以级配选择时应优先考虑适应重载车辆的结构形式；选用合理的级配范围，现行施工技术规范的级配范围上下限比较宽，要根据当地的实际情况确定合适的级配范围，目前部分地区已确定地方性标准以便配合比设计时参考；油石比是必须考虑的重要因素，因为橡胶沥青中添加了大量的橡胶粉，按照以往的办法计算粉胶比并不合适，应扣除沥青中德橡胶粉进行计算，所以沥青用量将会增加；配合比验证是橡胶沥青混合料配合比设计的关键，必须通过车辙试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验进行验证，只有验证结果合格的沥青混合料配合比才能进行使用。
2.2.1路面结构形式和混合料级配选择
从目前相关研究看，橡胶沥青混合料的级配范围比沥青混凝土路面施工技术规范给定的级配范围小，而且级配均偏粗，所以进行配合比设计时要进行合理选择。同时必须考虑关键筛孔的通过率，作为配级设计的控制性指标的关键筛孔通过率对橡胶沥青体积指标以及骨架组成有着巨大的影响，4.75mm、2.36mm筛孔通过率直接关系沥青混合料的骨架，0.075mm的通过率关系沥青混合料的高温稳定性。其次，关键筛孔的通过率对混合材料的水稳定性有着重要影响，通过采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验可以得出这个结论。
2.2.2外掺剂的影响
外掺剂是指沥青混合料中添加少量经过磨细的石灰粉或水泥代替一部分矿粉，主要是增加沥青混合料中各种材料粘结力，进而提高沥青混合料的水稳定性。橡胶沥青配合比设计时可能会遇到冻融劈裂强度比不足的现象，这是就需要采用石灰或水泥代替矿粉，根据试验情况确定石灰或水泥掺量的比例（一般情况下掺量在2%左右）。
2.3橡胶沥青混合料配合比验证
橡胶沥青配合比验证主要是车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，车辙试验是验证沥青混合料高温抗车辙的能力的试验，以动稳定度车来表示，目前橡胶沥青动稳定度没有统一的标准，部分地区采用施工技术规范的3000次/mm，部分地区规定要达到，其实橡胶沥青的动稳定度基本高于6000次/mm，主要和车辙试验的成型有很大关系，橡胶沥青混合料进行车辙车型时温度应提高10℃~15℃；浸水马歇尔试验是检验沥青混合料抗水损害能力的验证试验，冻融劈裂试验是检验沥青混合料低温性能试验，有时该试验的指标达不到，沥青混合料配合比需要调整，其调整的办法是用石灰或水泥代替矿粉，能有效提高沥青混合料的水稳定性和低温性能。
3橡胶沥青混合料的质量控制
3.1橡胶沥青混合料的拌合
在对橡胶沥青混合物进行搅和时，要严格控制好搅拌的速度和橡胶沥青混合料平衡。橡胶沥青混合料生产时，拌合周期比一般沥青混合料长，大约为60秒左右，主要控制点是沥青混合的温度控制，沥青、材料加热温度均高于一般沥青混合料，出料温度需要控制在185℃左右。
3.2橡胶沥青混合物材料的运输
为了使橡胶混合料的温度保持在合理范围内，混合材料在运输过程中要采取必要的保温措施用双层棉被进行覆盖，并且要用大吨位的载货车进行运输。在铺沥青橡胶混合材料是一定要持续铺设，在现场等待卸材料的车不能太少以免发生橡胶混合物铺设间断现象，并且在卸载橡胶混合物的材料时一定要直接卸料，不能掀开棉被。
3.3橡胶沥青混合料的摊铺和碾压
橡胶沥青混合料的摊铺和其他沥青混合料的摊铺基本无区别，主要是摊铺机能够连续匀速摊铺，但橡胶沥青混合料温度较高，温度损失也相对快一些，若温度过低沥青混合料很难压实，所以施工时现场的组织和管理水平要求相对较高，禁止出现停机待料的情况；碾压环节是橡胶沥青混合料施工的控制重点，必须在混合料温度下降前完成碾压，否则压实度难以得到保证，所以压实设备配置要足量，碾压过程必须遵循紧跟慢压，减少温度损失。
4小结
传感器芯体上面集成了测温电阻与加热电阻，测温电阻能实时监测传感器芯体的当前温度，且反馈到控制电路的输入端，作为温度误差信号的一个输入端，形成闭环控制。电路框图如图1所示，测温电路把当前芯体温度值转化为电压值，该值是一个微弱信号值，必须经过高信噪比前置放大电路放大到合适的电压输出值，再经过系统放大，然后输送给PID环节进行控制输出，控制输出产生宽度可调脉冲信号驱动加热电路，给传感器芯体加热。传感器当前温度与设定温度温差值越大，误差电压信号越大，经过PID控制输出脉宽开通时间越长，加热功率越大，反之亦然，从而实现了恒温控制。
二、系统控制设计
2.1温度与加热功率
传感器芯体温度与加载在芯体上的正热能与负热能大小有关。若传感器芯体温度维持在环境温度以上，则传感器芯体加载的正热能来自电能，由焦耳定律可以知道若给定电阻R上加热电流为I，加热时间为T，那么有I2RT的电能转换成热能；而传感器芯体加载的负热能可以是传感器芯体与周围环境的温度差而产生的热对流及热传导带来的热能转移。这种正热能与负热能对温度的影响体现为传感器芯体的加热功率与制冷功率，它们共同决定了传感器芯体的稳定温度。假设传感器芯体工作环境温度为25℃，传感器芯体气体浓度响应最佳温度为80℃，因热传导和热对流损失的负热能为某个可测量值且保持恒定，那么该点环境下芯体温度只与加热功率有关。如上所述，给芯体合适电流，那芯体就可以维持设定点温度，若环境温度上下波动，芯体加热与制冷的功率随温度发生变化，要使芯体继续维持在设定点温度，只需要调节芯体上电流的大小。在25℃环境下，实际测得加热功率与芯体温度的关系，加热功率为0．45W时芯体即可稳定工作在设定温度80℃。
2.2温度测量
为了更加准确地测量敏感芯体温度场的温度，在氢敏芯体上集成了一个测温电阻与一个加热电阻。测温电阻、加热电阻和氢敏电阻版图设计经过温度场仿真实现最佳耦合。因而测温电阻能真实反映氢敏电阻当前工作温度。测温电阻材料采用高纯铂电阻镀膜而成，实际测试的测温电阻温度特性，从图中可以看出测温电阻具有良好的温度线性关系。该测温电阻的温度系数因为采用薄膜沉积工艺制备，温度系数没有标准PT100大，但并不影响使用。电阻经过测温电桥检测，输出反映温度的电压信号。这个信号在控制区域非常微弱，为了提高温度测量精度，采用四线制检测电路，减少测温铂电阻引线长度与铂电阻通电电流对温度测量的影响。
2.3温度控制环路
通常温度系统是大惯性系统，具有较大的滞后性，往往需要具有超前调节的微分环节。气体传感器芯体体积很小，无论是加热还是制冷，芯体对温度都有快速响应，采用比例积分［3］控制就可以获得不错的效果。
2.3.1比例环节
比例环节具有快速调节能力，比例系数越大静差越小，过大容易震荡。电路如图4所示，其增益为－RP1／RP2，试验测试比例系数为－4时控制效果较好。
2.3.2积分环节
积分环节可以消除系统静差，当系统有稳态误差时，积分环节的输出会持续增大使得控制作用加强，从而减小稳态误差。积分系数越小，积分作用越明显，控制精度越高。积分电路如图5所示，其增益为－1／RI1CI1S，其中S为拉式算子。经调整时间常数RI1CI1为4．7s比较合适。采用PWM通断控制模式，能最大化利用加热功率。在导通瞬间，加热电压完全加载在加热电阻上，电流峰值会比较大，因此需要控制加热电阻合适的阻值。另外PWM控制存在完全导通的情况，虽然在本电路应用中不会带来坏的影响，但是为了调整最大加热功率以达到控制最大加热温度的目的，在PID输出环节采用稳压二极管，控制PID输出电压的幅度，保证PWM能够输出一定宽度的死区。
2.3.3微分电路
微分环境对输入快速变化的情况具有较大的反应输出，能提高控温系统对环境温度波动的快速响应能力。
2.3.4PWM产生电路
PWM电路［4］采用简单分立器件搭建，具体电路如图7所示，主要构成有比较器产生限阈值翻转波形，然后经过积分电路充放电产生标准锯齿波，锯齿波在与PID环节输出电压比较，产生脉宽随温度误差调整的波形，该波形输出给驱动加热电路。
三、实验结果
样机进行了稳定动态过程的短时间测试和稳定点长时间测试。短时间测试样机温度曲线，其中可以看出样机到达温度设定点90％的时间非常短，大概为120s，整体控温精度在0．15℃以内。当环境温度波动时控温点会随着扰动，很快就能回到设定的温度值，动态响应非常快。样机控温效果稳定点长时间监测曲线如图9所示，从该图可知整体控温精度在0．15℃以内更加明显，说明样机电路控温点不会随时间飘移，也不随环境缓慢变化的温度波动漂移。
四、结束语
1.1下位从控机
因为系统中的每一个仓室运行中所承受的负荷都时不同的，所以在系统出现故障的时候，现场控制的时候就需要除尘设备的每一个舱室都能够独立的运行，这样就可以保证一个仓室出现故障的时候，系统还可以维持正常运转，在对设备进行设置的过程中还要能够根据运行的需要去更改设备的某些控制参数，同时每一个仓室都应该有一个可以对仓室运行情况进行反馈的装置，这样就可以让每一个仓室都可以独立完成喷吹操作，这是因为，每个仓室所承受的负荷不同也会使得相应的喷吹参数也产生非常大的变化。每个仓室在系统运行的过程中也应该设置不同的控制模式。为了让现场的工作人员进行手动除尘的时候可以更加的方便，手动控制器上要设置一个可以控制开关的磁阀，这样就可以在出现紧急状况的情况下及时的通过这个阀门对仓室进行控制。当然也可以按照所有仓室之间具体的压差情况进行仓室的排序，对靠前的仓室要首先除尘，同时也可以按照压差的具体情况对开阀的时间和喷吹的时间间隔进行更加有效的控制，也可以对仓室的喷吹方式和喷吹的周期进行有效的调整。
1.2上位主控机
上位主控制系统包括工厂中心控制室和值班室控制等。主控机作为分布式数据采集系统的上位机管理层接入CAN网络中.其主控机的设计功能包括：①远程监控和设定功能。在使用的过程中，用户可以凭借这一功能在主控机的工作室完成所有的控制工作，而且，上机位还可以借助网络的力量对设备运行的情况进行异地监控，在监控的过程中，工作人员可以看到现场发生的一切，同时这一系统中还设置了不同的用户口令，这样就很好的划定了管理的范围，更加有效的提高了系统运行的安全。②趋势变化分析功能。在系统运行的过程中，这一功能占据着非常重要的位置，上机位的管理功能就主要体现在了它可以经过一定的程序你会指出除尘过程中设备运行的趋势曲线和报警记录等非常重要的内容，同时它还可以用不同的方式展现给相关的人员。③监控功能，在除尘设备的阻力正常变化的情况下。人们通过肉眼也是可以看到烟雾的排放量不断增加的，无论阻力是上升和还是下降，都证明局部的布袋出现了破损，而想要解决这一问题，最好的方法就是测量仓室内外口的压力差，这种压差式的方式可以很好的减少喷吹的频率，同时也对过滤袋产生了非常有效的保护作用，进而也降低了设备运行过程中的能源消耗，延长了设备运行的时间和寿命。
2各模块功能简介
2.1主控制器监控部分
主控制器是系统的主要控制部分，本系统采用ARM芯片做主控芯片。晶振电路，电源电路，复位电路等构成了ARM微处理器的最小系统运行所需要的基本电路。ARM微处理器参与系统工作的全过程，它控制系统各个部分的启动、停止、控制等工作以及各部分运行的协调。主机模块是整个控制系统的大脑，它负责向触摸屏输入各种数据，还有读取输入状态，并对输入的数据进行处理，将处理好的数据发给从控机进行操作，它还接收从控机的数据，实现除尘设备状态的监视，接收下位机采集的数据，数据经处理后通过控制程序，发送有效的控制信号，为适合不同工作环境，调节现场工作参数，并且显示现场运行状态。系统功能包括报错、显示以及控制等，负责系统运行状态显示、设置以及故障提示，初始化完成后系统运行过程的故障提醒，和对数据的查询等。其中报错通过蜂鸣声、LED光和屏幕闪烁报错，并提供故障信息。假如某一分系统运行故障或程序出错将在显示屏上显示出错信息，同时通过蜂鸣声报警和LED光闪烁提示。在数据采集完成后可以通过触摸屏来查询处理过的参数数值，并可修改设置。
2.2从控机数据采集与动作执行部分
压差传感器用来比较从进风口和出风口两个地方传输过来的气压值，进风口的气压值一般来说不变，随着滤袋灰尘加厚出风口的气压值会减小，可以设定一个压差值即在出风口气压值和进风口气压值相差为多少时，控制系统会发出信号，要求开通电磁阀进行喷吹除尘。可以说压差采集电路相当于整个系统的触手，触手的感觉是否准确，灵敏，决定了控制系统处理信号的准确度和反应速度，因此这部分在系统中极为重要。
2.3CAN总线实现从机与主机的连接
CAN总线是一种串行通信网络，它能实现分布式与实时控制，可以点对点、一点对多点或者全局广播的方式通信；CAN总线通信距离非常远，最远可达到10km，并且保证速率为5Kb/s以上，在距离为40m时最高速率可以达到1Mb/s，由于目前CAN收发器的驱动能力有限，最多只能挂接110个CAN节点，但已经够用了。CAN通信方式中，我们主要考虑实时性和抗干扰性。CAN节点的抗干扰设计中需要收发器与控制器之间的光耦隔离、连接线间电容、信号滤波等，对传输介质也有一些考虑因素如：线长、波特率、抗外界干扰、有效电阻等。按照CAN总线的长度计算传输速率，确定通讯周期，看是否符合性能要求来调整线的长度、连接方式和总线上的节点个数。
3结语
由于双燃料发动机是在原有柴油发动机的基础上改装而成，因此发动机必须符合一定的工作状态，才可以通过转换在双燃料状态下工作，或者在一定条件下，发动机在双燃料状态下才具有良好的效果。一般情况下，当发动机水温高于50℃时，发动机才适合在双燃料状态工作。为了更好地使用和保护发动机，燃料转换机构应该保证在发动机水温满足一定的条件进，才可以转换到双燃料工作状态。为实现燃料转换的顺利进行，研制了燃料转换控制机构。
1系统方案设计
转换机构的逻辑控制单元主要用来接收司机的转换信号X1、发动机的水温信号X2、高压天然气的压力信号X3及燃料转换机构工作状态的反馈信号X4等，先进行一定的逻辑判断，发出适当的指令，完成指定的任务。然转换机构示意图如图1所示。
然转换机构的机械执行部分必须能够将逻辑控制单元的指令信号化为机械运行，以实现燃料转换的目的，这一功能由开关电磁铁完成。在方案设计中，要求开关电磁铁的两种位置对应机械执行部分的两种工作状态，即双燃料工作状态和纯柴油工作状态。通过机械部分的连动，传动机构切断或连接加速踏板的运动，控制调速器控制杆的运动状态。当加速踏板对调速器起作用时，调速器控制杆决定发动机的运动，此时逻辑控制部分关闭高压天然气阀与电控单元（ECU），这就是纯柴油工作状态。当加速踏板的运动向调速器控制杆的传递被机械部分切断时，调速器控制杆被固定在怠速油量位置，逻辑控制单元开启天然气高压阀并给电控单元（ECU）发送工作信号，这就是双燃料工作状态。这样，司机只需板动转换开关，由它发出指令，逻辑控制单元根据接收的信号作出判断，同时驱动外沿器件，即可实现纯柴油与双燃料两种工作状态的转换[1]。
2逻辑控制单元设计
逻辑控制单元主要实现信号的接收、判断和发送。主要由三个部分组成，即逻辑判断部分、外沿接口部分和电源转换部分。
逻辑控制单元的工作过程如下：外沿接口部分将接收的模拟信号转化为数字信号传递给逻辑判断部分后，由逻辑判断部分判断转换条件是否满足，并发出控制指令；再由外沿接口部分将指令转化为对应器件能识别的信号，如驱动电源阀的大电流等。电源部分主要是将汽车电瓶的12V电压转换为逻辑控制单元上电子元件所需要的电压（5V）。
2.1逻辑判断部分
逻辑判断部分接收外沿接口部分传来的数字信号，进行判断后发出适应的指令。
在此规定：在司机将转换开关转换到双燃料工作位置时，转换信号x1=1，而纯柴油位置时，X1=0；当水温达到双燃料状态的要求时，水温信号x2=1，否则x2=0；当高压天然气在允许使用的最小压力以上时，天然气气压信号x3=1，否则x3=0；当机械部分处于双燃料工作状态时，反馈信号x4=1，当机械部分恢复纯柴油工作状态时，反馈信号x4=0。逻辑判断部分发出的指令有：启动开关电磁铁信号Y1（供电时开关电磁铁工作，将机械部分转换至双燃料工作状态时Y1=1，否则Y1=0），启动高压天然气电磁阀信号Y2（供电时电磁阀开启时Y2=1，否则电磁阀关闭Y2=0），故障信号Y2（有故障时故障信号灯供电Y3=1，否则，Y3=0），启动电控单元（ECU）信号Y4（给ECU供电使其工作时Y4=1，否则Y4=0）。
由以上分析得出以下各输出信号与输入信号的逻辑关键式：
Y1=X1X2X3
Y2=X1X2X3X4
Y3=X1X4+X1X2X3X4
X4=X1X2X3X4
由于逻辑关系比较简单，采用TTL电路，由74系列的芯片完成其逻辑判断功能，逻辑部分的电路图如图2所示[2]。图中，7411和7408是与门，7404是反相器，7402是或非门。输入信号是X1、X2、X3、X4，输出信号是Y1，Y3，Y4。由于Y2=Y4，所以高压天然气的电磁阀和电控单元（ECU）的驱动电路都可以由Y4来控制。
2.2外沿接口电路
因为有些器件的输出信号是模拟量，如水温传感器输出的是可连续变化的电压信号，逻辑控制单元无法直接接收并辨识判断，因此就需要有外沿接口电路将其转化为数字信号。
外沿接口电路的另一个作用就是将逻辑判断部分的指令转化为一些器件所需的电信号，如电流信号等。
2.2.1电压比较器
在逻辑控制单元中，有两处需要用到电压比较器，一个是水温传感器的接口，另一个是天然气压力传感器的接口。
对比较器LM311给定一个参考电压，当输入电压低于参考电压时，比较器输出的电压为低电平，高于参考电压时，输出电压为高电平。
2.2.2驱动电路部分
在燃料转换机构的驱动器件中，开关电磁铁和高压天然气截止阀需要较强的工作电流，驱动电路部分采用固态继电器，将逻辑判断部分的指令转换为较强的电流信号。
图3为高压天然气截止阀的驱动电路，器件01为固态继电器。当发动机处于双燃料状态工作时，燃料转换机构工作，逻辑判断部分发出指令，使Y4=1，为高电平，经U2（7404，反相器）后，B点的电热UB为低电平，面A点的电势UA比点B高，这时固态继电器的输入端接通，输出端也导通。输出端CD一旦接通，电磁阀HPVALVE两端就会加上12V的额定工作电压，使减压器前的高压天然气阀门打开，天然气经减压进入发动机。当逻辑判断部分发出的指令使电磁阀关闭时，Y4=0，经反相器后，B为高电平，UA=UB，固态继电器的输入端没有电流通过，输出端不导通，电磁阀在弹簧力的作用下恢复常闭状态。
图4为开关电磁铁的驱动电路，其中器件U8是74123芯片，器件02、03是固态继电器，线圈PUSH是开关电磁铁的吸入线圈，HOLD则是其维持线圈，电源VDD为24V。当然转换机构转换到双燃料工作状态时，从74123的B脚输入的Y1从低电平向高电平跳转，迷种变化会让74123的输出端Q输出一个瞬时的高电平脉冲电流，维持时间为ΔT。经反相器7404后，A点的电势UA将会出现同样脉宽的低电平，固态继电器02的输入端也有ΔT时间的电流通过，这时固态继电器02的输出端出现ΔT时间的导通。在这段时间内，很强的吸入电流通过开关电磁铁的吸入线圈，产生足够的电磁力吸入电磁铁的铁芯。脉宽ΔT的选择应该参考开关电磁铁的性能参数设定，既要满足吸入铁芯的要求，又不能太长导致线圈烧毁。
ΔT是通过选择电阻R10和电容C3的值来确定的。本处ΔT取为1秒，R10=1000Ω，C3=1000μF。
从产生机理上讲，开关电磁铁的维持电流与高电压天然气电磁阀的工作电流是同样的机理：当Y1=1时，存在维持电流，铁芯维持在吸入状态；当Y1=0时，不存在维持电流，铁芯在回位弹簧的作用下恢复原来的伸出位置。
2.3电源部分
电源部分是以VOLTREG（7805）为核心的调压电路。汽车电瓶上提供的是12V电源，而逻辑控制单元的芯片的工作电压都是5V，因此需进行电压转换。图5为电源部分的电路图，输入12V，输出点VCC的电压为5V。
1．1被控对象分析
蒸发器的示意所示，其工作流程大致可描述为：待浓缩的稀液从蒸发器上部进入蒸发器E1201，吸收过热蒸汽提供的热量，稀液中的水分变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩液从蒸发器底部排出；浓缩液浓度不能在线测量；稀液流量为F1201，稀液管线上设阀门V1201；浓缩液流量为F1202，浓缩液管线上设阀门V1202；二次蒸汽流量为F1203，二次蒸汽管线上设阀门V1203；从蒸发器中部通入满足工艺要求的过热蒸汽，蒸汽流量为F1105，过热蒸汽管线上设阀门V1105；换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。蒸发器为真空操作，蒸发器液位为L1201，温度为T1201，压力为P1201。
1．2工艺流程分析蒸发器的工艺流程可以具体描述为：
1）打开稀液流量阀V1201，向蒸发器E1201注入稀液，并使蒸发器液位稳定在80％左右。
2）打开过热蒸汽流量阀V1105和二次蒸汽流量阀V1203，向蒸发器通入过热蒸汽，使蒸发器温度达到108℃，并保持稳定。
3）待浓缩液浓度达到7．5％时，开启浓缩液流量阀V1202，开始连续出料，使浓缩液流量达到4．63kg／s，并保持流量平稳。
2系统总体方案设计
2．1控制要求与技术指标
（1）控制要求
基础过程控制（BPCS）的任务是保证蒸发器温度、浓缩液浓度以及浓缩液流量均符合工艺要求。根据工艺要求可以将BPCS的控制任务分解为：建立蒸发器液位、提升蒸发器温度、蒸发器提升负荷运行、浓缩液浓度控制、蒸发器温度控制、蒸发器液位控制、浓缩液流量控制。
（2）系统安全要求
现代过程控制系统包括基本过程控制系统(BPCS)和安全仪表系统（SIS）。蒸发过程可能会出现蒸发器内压力过大而引起事故，因此SIS系统的设计非常重要。
2．2控制系统总体方案设计
考虑到安全可靠和经济适用的同时兼顾，本方案选择了西门子的PLCS7416－2F，与PCS7BOX构成冗余结构，两个CPU同时具有基础控制系统（BPCS）和安全控制系统（SIS）的功能，正常运行状态下PCS7BOX执行BPCS功能，PLCS7416－2F执行SIS功能。BPCS系统和SIS系统共用一个工程师站和一个操作员站，这样避免了传统DCS和SIS之间复杂的数据处理，节省了成本与安装费用，系统中备件品种少，经济性好，并且可以互为代用，便于维护。BPCS系统与SIS系统之间的通信连接采用光纤实现，使系统的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互独立，冗余系统的存在与否不影响控制系统的正常运行。用PROFINET工业以太网扩展此系统，使此系统一方面可与管理系统对接，另一方面具有了良好的可扩展性，能方便地实现监控功能，同时使此系统的维护也变得更加方便。
3控制系统硬件设计与实现
3．1仪表供配电设计
为保证供电的安全和可靠，设计供电系统时，应按照用电仪表的电压等级和电源类型进行设计。本方案采用二级供电方式，由第一级总供电箱直接向设置在底层的各二级供电箱供电，并在第二级供电系统中同样设置总供电箱、分供电箱。供电系统可采用多回路供电的配电方式，将各分供电箱分别接到总供电箱上的各组端子上，这样在灵活分配用电负荷的同时能够分散端子故障所带来的影响。
3．2输入／输出模块配置
BPCS和SIS的输入／输出模块配置相类似，以BPCS为例，在分析控制系统的基础上。确定了BPCS所需配置的I／O点数后，即可进行输入／输出模块的选择。本方案选择西门子公司的分布式I／O产品ET200M。
3．3系统控制柜设计
接下来是系统控制柜的设计，包括主控制柜和分控制柜的设计，确定控制柜以及输入输出模块后，绘制系统输入输出模块的接线原理图。
3．4系统组态
在SIMATICManager中完成系统组态。系统硬件组态如图3上半部分所示，左边是BPCS系统的硬件组态，右边是SIS系统的硬件组态。通信网络的组态如图3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均挂接在PROFIBUS总线上。PCS7BOX和IM153－2分别是BPCS的CPU和ET200M通信模块；AS400F和IM153－2FO则是SIS的CPU和ET200M通信模块。
4控制系统软件设计与实现
4．1控制程序总体设计
根据程序的功能以及程序执行情况，控制程序可以被划分为3个部分：
1）启动组织块OB100。OB100在PLC启动时执行一次，通过该组织块可以实现初始化操作。
2）主程序OB1。OB1由操作系统不断地循环调用。通过OB1可以进行系统常规处理，转换系统的运行状态，比如更新程序中的标志，并进行相应处理。
3）循环中断OB35。循环中断组织块按照设定的时间间隔执行中断程序。在循环中断中完成模拟量采集、数字滤波、PID运算，最后是控制量输出。
4．2控制程序设计与实现
（1）S7CFC编程语言
CFC（ContinuousFunctionChart，连续功能图）用图形的方式连接程序库中的各种功能块，包括从简单的逻辑操作到复杂的闭环和开环控制等领域。编程的时候将需要的功能块复制到图中并用线连接起来即可。定时中断程序即采用CFC来编写。
（2）定时中断的整体结构
在定时中断中进行模拟量采集、数字滤波、PID运算以及控制信号输出，同时实现参数超限时的报警和停车。程序的控制单元主要有：温度控制、液位控制、浓度控制等。不同被控量所需定时中断的时间间隔均不相同，定时时间要根据现场调试情况来确定。
4．3推理程序设计与实现
经过分析，可以看出被控对象的特点是多回路、多参数、强耦合。因此控制策略为：将复杂大系统分解成相对独立的简单子系统进行处理，控制律力求简单实用。其中，根据对被控对象的分析，发现浓缩液浓度不可在线测量。为了实现浓度的准确控制，采用了推理控制策略，利用可实时测得的稀液流量、浓缩液流量以及二次蒸汽流量，通过推理运算实现浓度的间接控制。推理控制算法采用SCL（类似于C语言）进行编程，并将其编译成模块，供CFC编程调用。BPCS部分主要采用连续功能图CFC实现。
4．4系统安全SIS设计
作为保证生产安全的重要措施，安全控制系统主要包含安全仪表和信号报警两部分。大多数工业生产过程要求安全仪表系统和信号报警遵循失效安全原则，使工业设备在发生故障的时候转入预定义的安全状态。在本方案中，包括了报警指示、紧急停车联锁等安全控制。紧急停车联锁在蒸发器装置的机械设备故障、某些过程参数越限、系统自身故障或稀液进料中断时，对系统实施紧急停车。紧急停车联锁能自动产生一系列预先定义的动作，使工艺装置和人员处于安全状态。
4．5系统监控设计
控制系统使用西门子WinCC组态软件对操作员站进行了组态，实现对蒸发器的实时控制及调整、系统运行监控与管理。WinCC使生产过程的状态能够以文字、图像、曲线和报警等多种形式清晰地表达出来，同时能够记录生产过程中发生的事件，供历史查询使用，还可以组态可打印的报表。
5系统运行与验证控制
关键词：体育场照明设计电气控制设计
1.体育场照明的重要性
对于一座现代化的体育场，不但要求建筑外形美观大方、各种体育设备齐全完善，而且要求有良好的照明环境，即要求有合适、均匀的照度和亮度、理想的光色，有立体感及无眩光等。除保证满足观众良好的视看效果外，还必须保证裁判员、运动员和比赛项目所需的照明要求以及应保证有良好的电视转播效果。
照明是依靠光线的功能，保证灯光作用于运动员、裁判员、观众的眼睛、产生视觉，才能看见体育场地上的一切，如场地环境的明暗、物体建筑、器具及服装等表面的颜色、观看目标的形状和大小、深度、立体感及运动员运动时的状态和体育场的气氛等等。所以，良好的照明在现代体育场中占有重要地位。
一般，在一个体育场的照明设计中，应考虑以下三方面的因素：
1满足运动比赛时运动员的视觉要求，并且使灯光对比赛的客观影响降到最低程度。
2满足观众的视觉要求，使灯光对观看比赛时所引起的不适感觉降低到最低程度。
3满足彩电转播的照明要求，尽可能提高转播质量。
总之，照明与运动项目的比赛要求密切相关，与观众视看效果密切相关，没有良好照明设施的体育场是不完整的体育场，必将严重影响它的使用功能。
2.体育场照明设计标准
为了得到良好的照明设计方案，合理利用光线的分布来满足运动员、观众、裁判员视觉以及良好的电视转播效果的要求，必需先确定照明标准，包括照度标准和照明质量标准。照明质量标准，其中包括眩光、光源色温有显色性要求，光的方向性、节能要求等。
2.1照度标准
根据国际体联第83号推荐照度要求及《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第2.2.9条中的规定，提出以下照度标准推荐值见表1。几点说明：
1根据《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第2.2.9－1条中规定：足球场比赛照度标准值：当观看距离为120m时，为150～200～300lx；观看距离为160m时，为200～300～500lx；观看距离为200m时，为300～500～750lx.观看距离指观众席最后一排到场地边线的距离。
2根据《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第2.2.9－2条中规定：电视转播需要的垂直照度：最大拍摄距离分为三组，①对于足球项目而言，最在拍摄距离为25m时平均垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为75m时平均垂直照度应为1000lx；最大拍摄距离为150m时平均垂直照度为1500lx；②对于田径项目而言，最大拍摄距离为25m时平均垂直照度应为500lx；最大拍摄距离为75m平均垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为150m时平均垂直照度为1000lx.上述每个垂直照度用于一个给定的运动等级和给定的最在拍摄距离相对于1.0m垂直面的值，各照度值的中间值用于其它拍摄距离。
3上述照度指体育场的最终平均照度，设计时选取的初始照度必须计入维护系数，一般可采用0.7～0.8的数值。
4水平照度的均匀度：照度均匀度一般用最小照度与最大照度之比表示，也可用最小照度与平均照度之比表示，最小照度与最大照度的比值应大于0.5.
5垂直照度的均匀度：最小照度与最大照度的比值应大于0.4，才能满足主电视摄像的要求。
2.2照明质量标准
1眩光
体育照明的关键除提供足够的水平和垂直照度以外，还需要减少眩光，从而达到亮而无眩光的效果。眩光是影响照明质量的最重要因素之一。根据CIENO.83出版物“彩电系统的体育场地照明”，场内最大眩光指数GRmax应小于50.眩光额定值GR愈小，眩光限制愈好，眩光额定值为50时。眩光额定值GR由下列公式算出：
GR=27＋24LgLvl/Lve0.9
1式中，Lvl是灯具产生的光幕亮度，Lve是环境产生的光幕亮度。一般在计算照度时，应计算不同方向的眩光额定值GR，在GR<50时，即可行。眩光的限制除了合理确定灯具的选型，安装高度和排列方式外，还可以采取提高赛场背景照度的方法。
2光源色温及显色性要求
为达到良好的彩电转播效果，体育场的照明质量不但与照度有关，而且与照明光源的色温及显色性有紧密关系。我国《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第3.3.2条中规定：彩电转播用一般光源显色指数Ra不应小于65.依据CIENO.83号出版物及国际足联的要求，光源相关色温Tc大于5000K和光源显色指数Ra大于等于80，以达到最佳的现场照明效果及彩电转播效果。
3光的方向性
灯具的俯角不仅影响垂直照度，同时也对运动员、观众和裁判有可能产生较大眩光影响。对地体育场照明设计，应选择好灯具的瞄准方向。另外，主摄像机与另一侧过来的光线之比例应控制在一定范围内，而照明的最重点是在足球场的中央及设置。
4节能要求
照明节能重在采用合理的照明方案和高效的照明装置，降低线路损耗及良好的照明控制。体育建筑属照明用电较大的建筑项目，从节能意义上讲，仅比较初始投资费用，而不以最低运行成本为基础选择得出的照明设计不是合理的设计，应根据具体情况，将初始投资及运行成本综合加以考虑。
应选择高效率的光源和灯具，采用能耗较低的镇流器等附件，并加补偿电容，提高系统的功率因数。照明设计应有多种开灯模式及对应的控制方案。可以通过调节灯具数量，为不同需要的比赛和活动提供合适的照明，控制方案要简单、实用，并具有较强的灵活性。
3.体育场照明设计的计算
体育场照明设计的照度计算通常有三种方法：一是单位面积容量估算法；二是平均照度计算法，用以计算被照面上的平均照度；三是逐点计算法，可以精确的计算出某一点的照度。
1单位面积容量估算法基本公式：
N=P×A/PL2
式中：N—泛光灯灯数；PL—每台泛光灯功率W；P—单位面积功率W/m2；A—被照面积m2。
m=1/η×η1×U×U1×K3
式中：m—简化系数；η—灯具效率；η1—光源效率，1m/W；U—利用系数；U1—照度均匀度；K—灯具维护系数，一般取0.7～0.8.
为简化计算，按照η=0.6、U=0.75、U1=0.7、K=0.7给出不同光源的m值见表2.
P=m×E4
式中E为最小照度，lx.
2平均照度计算法，运用以下公式可以计算出灯具的数量。
N=E×A/η×F×K5
式中：N—灯具的数量个；E—表面平均照度lx，由表1查得：A—被照面面积m2；η—灯具的效率；F—光通量1m；K—维护系数，取0.7～0.8.以上两种照度计算法应用较普遍，主要用于照度的估算，比较适合方案和初步设计阶段。
3点光源逐点计算法
采用计算机软件进行逐点计算。泛光灯的尺寸与其照射的距离相比要小的多，因此泛光灯可被当作点光源，一盏灯具照度计算的数学模型如公式6所示。
EΦcosα±D/h×sinαEh=ΨEh
6式中，Eh：一盏灯照射到垂直立面上产生的平均照度lx，Eh用公式7计算：
Eh=Iθ×cosθ/R27
Iθ—θ角照射方向的光强cd；R—光源至被照面间的距离m；h—光源至垂直立面的垂直计算距离m；D—R在垂直立面上的投影m；α—斜面与水平面的夹角，单位为度；θ—灯具光束中心与水平面的夹角，单位为度；Ψ—系数，Ψ=cosα±D/h×sinα。
4.体育场照明灯具分类与布置方式
4.1照明灯具分类
体育场照明灯具按其光束形状可分为A、B、C三类，如表3所示。
在照明设计中，应根据具体情况选择合适的灯具。通常对于侧面布灯方式，采用光束为扇形B或C型泛光灯的利用系数要高于圆柱对称光束A型泛光灯。对于四塔布灯方式，采用圆柱对称光束A型泛光灯的利用系数要高于扇形B或C型泛光灯。
4.2灯具的布置方式
为有效地利用光源的光通量，还应根据投射距离选择泛光灯光束角的大小。按光束角的大小可分为7类，如表4所示。
1四塔式布灯
①四角灯塔位置应选在球门中线民地底线成15°角、半场中心线与边线成5°角的两线相交后延长线所夹得空间范围，并宜将灯塔设置在场地的对角线上。将泛光灯安装在4个高塔上，这种布置型式适用于没有挑棚的体育场，其照明利用率较低；而且要解决好灯具的维护检修问题。
②灯塔的高度应使最低一排泛光灯至场地中心与场地水平地面的夹角在20°～30°，超过这一范围，不仅使灯塔的造价大大提高，同时也会降低垂直照度与水平照度的比例，影响物体造型的立体感和降低识别运动物体的速度。
灯塔最低一排泛光灯至场地水平面的垂直高度可由式8确定：
H≥L×tan25°或H≥0.4663L
8式中：H—灯塔最低一排泛光灯至场地水平面的垂直高度m；L—场地中心点至灯塔座的水平距离m。
上式中的L与H关系还可以采用下列比值确定：与场地水平面夹角为25°时，LH=2.1451；与场地水平面夹角为20°时，LH=2.7471
③灯塔顶部应装置防雷接地设施，接地电阻不大于10Ω。灯塔顶部应设置红色高度标志灯，且不少于2台。灯塔上安装的接线端子箱、敷设的电缆及线醴均由灯塔厂配套提供。
④灯塔设置位置及塔上最低一排泛光灯投射角度及高度应满足以下要求：α>5°，β>15°，20°<γ<30°，45°<θ<70°
2混合式布灯
①将灯带式与灯塔式有机地组合在一起的布灯方法。一般大型综合性体育场解决照明技术效果比较好的一种布灯型式。
②混合布置，灯塔的投射角和方位布置可以适当灵活处理，光带的长度可以适当缩短，光带的高度也可适当降低。
5.体育场照明供电设计
1体育场的照明供电，一般由低压配电室引来两路电源供给，互为备用，手动与自动投切，平时两路电源各带50％左右的负荷，且均匀分布，以便任何一路断电，熄灭了的灯光尚未点燃时，场地内仍能保持均匀的照度分布，使一般性比赛仍可进行。另外，由于气体放电灯的启动时间约为4～8min，再启动时间约为10～15min，因此，即使采用两种电源自投，也无法使熄灭了的灯光立即点燃，故对有人值班的控制室，可采用两种电源手动互投的切换方式。对无人值班的控制室则应采用两路电源自投不自复的切换方式，保证比赛的正常进行，延长光源的使用寿命。
①此种供电方式可不再另外考虑场地的应急照明，而且当电源转换时仍能基本保证比赛的正常进行。
②配电系统设计相对较为复杂，造价亦相应较高。
③采用四塔式照明时，将电源柜放在灯塔底部内侧，电源线沿灯塔内壁敷设，灯具的镇流器箱放在塔的顶部，这种配电方式较为合理。
④采用光带式照明时，将电源直接送到挑棚马道上的配电柜台，配电的分支线路可以采用沿马道旋转的金属线槽敷设方式。
2比赛灯的开关，主要靠交流接触器或无触点的晶闸管可控硅实现。用交流接触器控制，简单可靠，也较经济；用晶闸管控制，技术先进，但价格较贵。为了便于维护和灯光方案的变化，宜采用单灯单控，也可一个开关控制2～3个灯，以不超过3个灯为宜。
3气体放电灯点燃时，冲击电流很大，开启灯光时，单灯宜间隔0.5s；组控时，宜间隔10～30s.另外，气体放电灯的频闪效应对照明质量的影响很大。由交流电源供电的气体放电灯有二倍于电源频率的周期性频闪。频闪会使迅速运动的物体，出现幻影，这种效应对于摄像，尤其是慢动作摄像影响很大，放映时，会显示出一种令人难以忍受的闪动，频闪还会造成视觉疲劳。通常用光通量的波动深度Fbd来衡量。
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。只要将波动深动降至25％以下，人的视觉对频闪将不产生疲劳效应。这可通过改变配电方式来实现。例如：将相邻的气体放电灯接在不同相位的电源上；在方案设计时，还可考虑氢不同相位的气体放电灯所发出的光通量相到重叠等。总之，在大量使用气体放电灯的体育场照明设计中必须考虑频闪对照明质量的影响。
6.体育场照明控制
体育场及观众席照明控制主要形式为在专设的灯光控制室采用计算机控制台集中控制。计算机控制台为人机对话形式，设有灯位布置模拟盘、灯光单控、组控开关等，灯光单控开关的布置应与灯位布置模拟盘相对应。可以自动控制，也可以手动控制，计算机可以模拟现场开灯状态，自动控制及检测灯具是否正常工作，并反馈显示故障灯组位置，可根据实际需要设置不同的控制方案，以满足不同比赛内容及活动对照度的不同要求及同一体育项目不同比赛级别对照度的不同需要。预先确定若干种开灯方案，编程后存入计算机内，根据不同的需要调用相应的开类方案。
7.结束语
良好的体育场照明环境的实现，主要取决于正确地确定照明设计方案，同时依赖于使用性以面优异的照明设备的选取及照明电气控制系统。这里所谈的仅是一些粗浅的认识，有待于在今后的照明设计中深入探讨，摸索出其内在的规律，使之进一步理论化、系统化，从而更有利于指导实践工作。
以上是笔者对于体育场照明及电气控制设计的一些粗浅认识，不当之处请读者指正。
参考文献
1.《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90
2.《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16－92
3.日本照明学会编。《照明手册》。中国建筑工业出版社。1995
4.李恭慰等。《体育建筑照明设计手册》。原子能出版社。1993
5.《建筑电气专业设计技术措施》。中国建筑工业出版社。2000
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