自動化技術(shù)在消防工程中的應(yīng)用

2007.01CSU自動化技術(shù)在消防工程中的應(yīng)用趙望達(dá)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所電話mail:wdzhao@第1頁，共39頁。2010年消防系列教材交流研討會自動控制原理一傳感器及智能傳感器二先進(jìn)測控技術(shù)及其應(yīng)用五智能建筑4四工業(yè)控制計算機及單片機3三中南大學(xué)土木建筑學(xué)院防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所第2頁，共39頁。一、自動控制原理

1、自動控制定義：是指在無人參與的情況下，利用控制器操縱被控對象，使被控量按照預(yù)先規(guī)定的規(guī)律運行。2、自動控制系統(tǒng)的組成：1）控制器2）被控對象3）控制量第3頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所自動控制系統(tǒng)的基本原理第4頁，共39頁。3自動控制理論體系

（1）自動控制理論發(fā)展的三個階段1）經(jīng)典控制（上世紀(jì)30～60年代）代表人物：維納以反饋理論為基礎(chǔ)以傳遞函數(shù)為工具研究對象：單輸入單輸出（SISO)研究方法：時域法、頻域法、根軌跡法應(yīng)用：工業(yè)被控對象2）現(xiàn)代控制（60～80年代）代表人物：錢學(xué)森：工程控制論以空間狀態(tài)法為基礎(chǔ)以空間矩陣為工具對象：多輸入多輸出（MIMO)應(yīng)用、航空、航天3）先進(jìn)控制（80年代～至今）智能控制、復(fù)合控制、網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、研究方法：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究對象：各種對象應(yīng)用：各種各樣場合第5頁，共39頁。

（2）自動控制理論系列課程體系1）自動控制原理2）自動控制工程3）現(xiàn)代控制理論4）計算機控制系統(tǒng)5）最優(yōu)控制6）隨機控制第6頁，共39頁。

（3）自動控制學(xué)科體系1）一級學(xué)科：控制科學(xué)與工程2）二級學(xué)科：a）控制理論與控制工程b）檢測技術(shù)與自動化裝置c）系統(tǒng)工程d）模式識別與智能系統(tǒng)e)飛行器導(dǎo)航與控制第7頁，共39頁。

（4）各學(xué)校自動控制專業(yè)發(fā)展特色1）清華大學(xué)：電機、電力系統(tǒng)控制2）浙江大學(xué)：化工控制3）中南大學(xué)：冶金（有色、黑色）4）北京航空航天大學(xué)：航空航天5）國防科技大學(xué)：軍事6）華中科技大學(xué)：控制與系統(tǒng)工程結(jié)合7）西安交通大學(xué)：系統(tǒng)工程第8頁，共39頁。

（5）我們消防工程專業(yè)自動控制方向特色1）課程：自動控制原理傳感器技術(shù)單片機原理及應(yīng)用智能建筑通信指揮調(diào)度2）特色：針對消防工程火災(zāi)探測與控制3）課時分配及學(xué)習(xí)要求：32學(xué)時，相對較少，了解概貌，盡量講授關(guān)鍵知識點以及基本原理。第9頁，共39頁。4反饋控制思想

電子技術(shù)：運算放大器、負(fù)反饋概念

其他可以通用。關(guān)鍵思想：比較、模擬、仿真。人物：郭雷中科院院士第10頁，共39頁。二、傳感器及智能傳感器1、什么是傳感器？在我們?nèi)粘Ｉ钪?，使用著各種各樣的傳感器，電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器;空調(diào)中的溫度和濕度傳感器;煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器;水表、電表、電視機和影碟機中的紅外遙控器;照相機中的光傳感器;汽車中燃料計和速度計等等，不勝枚舉。傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？第11頁，共39頁。1、什么是傳感器？第12頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是：傳感器技術(shù)（信息采集）；通信技術(shù)（信息傳輸）；計算機技術(shù)（信息處理）；它們在信息系統(tǒng)中分別起到“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。在利用信息的過程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。第13頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位機器人視覺:平面、立體非視覺:觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…第14頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位醫(yī)療診斷

第15頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位家用電器

第16頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位第17頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位智能建筑

第18頁，共39頁。2、傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器具有以下作用和功能

（1）

測量與數(shù)據(jù)采集（2）

檢測與控制（3）

診斷與監(jiān)測（4）

輔助觀測儀器（5）

資源探測（6）

環(huán)境保護(hù)（7）

醫(yī)療衛(wèi)生（8）

家用電器……第19頁，共39頁。3、傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

傳感器發(fā)展趨勢：20世紀(jì)70年代以來以電量為輸出的傳感器得到飛速發(fā)展，現(xiàn)代傳感器已是測量儀器、智能化儀表、自動控制系統(tǒng)等裝置必不可少的感知元件。幾十年來傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個方面：1.提高與改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)；2.尋找新原理、新材料、新工藝。為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑：差動技術(shù)；平均技術(shù)；補償修正技術(shù)；隔離抗干擾抑制、穩(wěn)定性處理等等。第20頁，共39頁。3、傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢

目前傳感器總的發(fā)展趨勢是：（1）

發(fā)展、利用新效應(yīng)；（2）

開發(fā)新材料；（3）

提高傳感器性能和檢測范圍；（4）

微型化與微功耗；（5）

集成化與多功能化；（6）

傳感器的智能化；（7）

傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。第21頁，共39頁。傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化

模擬傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換線性化處理微處理器標(biāo)準(zhǔn)接口脈沖輸出控制門顯示3、傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。第22頁，共39頁。4、檢測系統(tǒng)的組成原理各種傳感器其輸出信號的形式因傳感器而異。檢測儀器的輸出或送控制器用以調(diào)節(jié)控制，或送至計算機作進(jìn)一步處理。現(xiàn)代傳感技術(shù)是自動檢測和自動控制系統(tǒng)以及機電一體化的第一基礎(chǔ)。自動控制系統(tǒng)框圖傳感器被測對象控制器被測量可用信號信號處理顯示記錄第23頁，共39頁。5、傳感器的定義、組成和分類方法

（1）定義：Sensor/transducer（2）組成:敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路（3）分類:1）

按檢測范疇分類:物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器2）按輸出信號分類:模擬傳感器數(shù)字傳感器3）按結(jié)構(gòu)分類:結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復(fù)合型傳感器4）按功能分類:單功能傳感器多功能傳感器智能傳感器5）按轉(zhuǎn)換原理分類:機—電傳感器光—電傳感器熱—電電傳感器磁—電傳感器電化學(xué)傳感器6）按傳感器的能源分類:有源傳感器無源傳感器第24頁，共39頁。6、傳感器的基本特性（1）靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號時（如溫度、壓力），討論傳感器的靜態(tài)特性，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。主要指標(biāo)：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、穩(wěn)定性（2）動態(tài)特性:動態(tài)特性是指傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。主要有加速度、振動等，被測量是時間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)，用時域法和頻域法來研究。自動控制里的傳遞函數(shù)。第25頁，共39頁。7、智能傳感器（1）智能傳感器（IntelligentSensor/SmartSensor)（2）DALLAS公司的DS1820智能溫度傳感器（3）AD公司的ADXL210智能加速度傳感器（4）HOLLEYWELL公司的ST-3000智能壓力傳感器第26頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所三、工業(yè)控制計算機及單片機（1）工控機/工業(yè)控制計算機/IPC/IndustrialPersonalComputer中央管理用計算機臺灣研華公司“Advantech”；研祥“Evoc”。結(jié)構(gòu)：主機及各種板卡,通信卡、I/O卡總線：ISA總線，PCI總線選型時可了解IPC的配置，再選各種卡。。第27頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所（2）可編程序控制器（PLC）（ProgrammableLogicController）,PC主要用于開關(guān)控制。數(shù)十至上百I/O接口，繼電器，接觸器，構(gòu)成順序控制二進(jìn)制O/1－關(guān)/開擴(kuò)充模擬量模塊（成本昂貴），模擬量多時采用IPC。（3）單片機MCU，DSP，F(xiàn)PGA。自行開發(fā)現(xiàn)場控制計算機，可大可小。（4）

工業(yè)控制相關(guān)技術(shù)1）強弱電一體化過去人們習(xí)慣于用AC做電源，各種傳感器，執(zhí)行機構(gòu)采用此方式。DDZ-Ⅱ（0-10mA)，DDZ-Ⅲ型儀表（4-20mA)第28頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所80年代用于電氣，信息計算機技術(shù)采用弱電DC24V計算機DC:+12V、-12V，＋5V、-5V一般單片機：＋5V繼電器、執(zhí)行器：DC24V（2）機電一體化機電儀一體化融合計算機技術(shù)，信息技術(shù)，自動控制技術(shù)于一體，一般高校的機電學(xué)院甚至職業(yè)技術(shù)學(xué)院都設(shè)有機電一體化專業(yè)。第29頁，共39頁。四、智能建筑

1、智能建筑定義什么是智能建筑？

伴隨著計算機的普及和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在建筑業(yè)出現(xiàn)了智能建筑，而隨著人們生活水平的不斷提高，智能建筑得到了迅猛發(fā)展，并已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。所謂智能建筑，就是給傳統(tǒng)建筑加上“靈敏”的神經(jīng)系統(tǒng)和“聰明”的頭腦，以提高人們的居住質(zhì)量，給住戶帶來多元化信息和安全、舒適、便利的生活環(huán)境。在建筑業(yè)界流傳著“3A”的說法，即指BA（樓宇自動化）、OA（辦公室自動化）和CA（通訊自動化）。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所第30頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所“A”代表自動化，“A”（自動化）智能建筑、智能住宅和智能社區(qū)，代表著人們對工業(yè)自動化、家庭信息化和社區(qū)網(wǎng)絡(luò)化三個需求的階段。智能建筑在20世紀(jì)80年代中期起源于美國，并在美國得到了迅猛發(fā)展，不久，智能建筑的發(fā)展在世界范圍內(nèi)一浪高過一浪，在歐洲、日本和東南亞等地區(qū)迅速刮起了建智能建筑之風(fēng)。上個世紀(jì)80年代初，大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，當(dāng)時人們稱之為住宅電子化；80年代中期，將家用電器、通信設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備各自獨立的功能綜合為一體后，形成了住宅自動化概念；80年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為智慧屋、在歐洲稱為時髦屋，日本建設(shè)省在推進(jìn)智能建筑概念時，提出了家庭總線系統(tǒng)概念。第31頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所總之，智能建筑必須具備以下四個條件：一是一套先進(jìn)的樓宇設(shè)備控制系統(tǒng);二是一套結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng);三是一個現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng);四是一個對大樓的強電設(shè)備和弱電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視和管理的系統(tǒng)集成平臺。我國智能建筑的起步較晚，但近十余年來，在北京、上海、廣州等大城市，相繼建起了具有相當(dāng)水平的智能建筑。智能建筑是一個國家的綜合國力和科技水平的具體體現(xiàn)之一，目前世界各國都在加大力度發(fā)展智能建筑，中國也把智能建筑的建設(shè)納入了重要的議程。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)、通信技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，使未來智能建筑正朝著集約化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，綠色、環(huán)保、節(jié)能是智能建筑發(fā)展的主流方向。第32頁，共39頁。2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所2、智能建筑優(yōu)點 同計算機技術(shù)得以高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用一樣，智能建筑不是憑空杜撰出來，它是發(fā)展經(jīng)濟(jì)和改善生活條件的必然產(chǎn)物。因此，智能建筑具有以下幾個突出的優(yōu)點：（1）創(chuàng)造了安全健康舒適宜人只能搜索工作環(huán)境和生活環(huán)境，智能小區(qū)不斷開發(fā)，使人們生活居住環(huán)境不斷向安全、舒適、方便方向提升。（2）節(jié)能，利用自動控制技術(shù)使空調(diào)，照明等能耗很大的智能建筑在滿足使用者對環(huán)境要求的前提下最大限度的減少能耗消耗。最優(yōu)控制和參數(shù)滿意控制來保證使用者總體滿意度。（3）能滿足各種用戶對不同環(huán)境功能要求。支持3A功能，開放式，大跨度框架結(jié)構(gòu)，允許用戶迅速方便地改變建筑物使用功能。（4）現(xiàn)代化的通訊手段與辦公條件第33頁，共39頁。3、智能建筑的主要內(nèi)容樓宇自動化系統(tǒng)（BAS)辦公自動化系統(tǒng)（DAS)通信自動化系統(tǒng)（CAS)計算機網(wǎng)絡(luò)綜合布線系統(tǒng)集成其他與智能卡相關(guān)技術(shù)：指紋識別系統(tǒng)，人臉識別系統(tǒng)，筆跡識別系統(tǒng)，虹膜識別系統(tǒng)，身份證卡（IdentificationCard)非接觸卡識別（列車車輛識別系統(tǒng)）三表（水，電，氣）收費系統(tǒng)2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所第34頁，共39頁。

4、智能建筑名詞術(shù)語

智能建筑：IntelligentBuilding(IB)智能建筑的3A說：BAS(BuildingAutomationSystem)樓宇自動化系統(tǒng)OAS(OfficeAutomationSystem)辦公自動化系統(tǒng)CAS(CommunicationAutomationSystem)通信自動化系統(tǒng)5A說：FAS(FireAutomationSystem)防火監(jiān)控系統(tǒng)SAS(SafetyAutomationSystem)保安自動化系統(tǒng)2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所第35頁，共39頁。

A/D--AnalogtoDigital--摸數(shù)轉(zhuǎn)換D/A--DigitaltoAnalog--數(shù)摸轉(zhuǎn)換DCS--DistributedControlSystem--分散控制系統(tǒng)FCS--FieldControlSystem--現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)BACnet--ADataCommunicationProtocolForBuildingAutomationandcontrolNetworks--數(shù)據(jù)通信協(xié)議EBI--EnterpriseBuildingIntegrator--企業(yè)建筑物集成DDC--DirectDigitalcontrol--直接數(shù)字控制器2007.01CSU防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所第36頁，共39頁。

ODBC--OpenDatabaseConnectivity--開放數(shù)據(jù)庫互連OPC--OLEforProcessControl--用于過程控制的OLEOLE--ObjectLinking&Embedding--對象鏈接與嵌入ISO--InternationalOrganizationforStandardization—國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OSI--OpenSystemInterconnection--開放系統(tǒng)互連PDS--PremisesDistributionSystem--綜合布線系統(tǒng)TCP/IP--TransferControlPro