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控制工程论文-透过智能设备的现在看未来
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  控制工程论文:“透过智能设备的现在看未来” 总结了在智能设备研制过程所涉及的各项关键技术的进展情况,分析了智能电器领域的发展前景和趋势。指出了利用新材料、新器件、新原理,突破信息获取、处理、传递等核心技术环节,实现信息融合和知识的利用,是智能电器发展的关键。控制工程论文-透过智能设备的现在看未来

  透过智能设备的现在看未来

  摘 要:智能设备具有智能感知、判断与执行功能,是未来智能化社会的物质基础。本文介绍了智能设备的概念、内涵和主要技术特征,总结了在智能设备研制过程所涉及的各项关键技术的进展情况,分析了智能电器领域的发展前景和趋势。指出了利用新材料、新器件、新原理,突破信息获取、处理、传递等核心技术环节,实现信息融合和知识的利用,是智能电器发展的关键。

  关键词:智能设备; 发展趋势

  0 引言

  电器在国民生活中占有非常重要的位置,起着不可或缺的作用。电器的主要发展趋势是高性能、高可靠、小型化、电子化、数字化、组合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化/网络化,其核心是智能化和网络化,而现代智能化和网络化的电器即是现代智能电器。

  随着电力电子技术、数据处理技术、互联网“云”技术、自动控制技术、传感器技术及仿生学的迅速发展,传统电气设备正向着“智能设备”转变。

  常用“智能化”是指非生物体具备类生物体的神经系统的功能,具备感知能力,思维判断能力,记忆能力及执行能力等。对于智能设备,则是指具有电气设备安装了传感器系统、中央处理系统,控制系统,以适应人们对信息化、自动化、互动化的需求。

  电气设备智能化的过程是人类科技水平发展的直观表现,设备智能化是一种理念、一种方法、一个发展的过程, 其目的是使设备具有人工智能的部分或全部功能, 尤其是应用现代计算机和网络技术,使产品最大程度满足客户需求[1,2,3] 。随着信息、网络技术的发展, 智能化的概念也将赋予新的内容,包括信号检测的灵敏性和精确性; 信号的处理、逻辑思维及准确的判断性; 有效、灵敏的执行功能及指令、信息的可通信性等[4]。

  小到智能手机大到智能工厂,都可以称之为智能设备。从细观的微纳米电子技术,到覆盖全球的互联网/物联网“云”技术的迅猛发展的背景条件下,智能设备的发展也进入了一个崭新的阶段,如何研制智能设备,其发展方向如何?本文通过介绍智能设备研究领域的关键技术, 对现有智能设备进行了分类, 并提出了智能设备的发展方向。

  1传统电气设备的技术领域

  (1)电磁系统理论

  电磁系统是电气设备的感应和变换系统,其理论基础是:电磁—力—运动综合理论,电磁系统计算原理;电磁系统动态特性的理论等。

  (2)执行系统

  执行系统涉及的部分是电气设备的执行机构,其主要内容为:电能作用下的物理-化学过程;热电、光电、磁电等电磁致的物理效应;电磁振动等。

  (3)电气设备热控理论

  电气设备的发热理论主要包括导电部件、交流铁心、摩擦副、介质等,其主要内容为:电气设备的工作温度范围;电气设备中发热元件;电气设备中的热传递形式;电气设备表面热管技术;短路电流下电气设备的热稳定性。

  (4)电气设备的运动理论

  电气设备的电动力理论主要是三维层面的电动力的分析和计算,包括:电动力现象、计算电动力的基本方法、典型导体系统的电动力计算、单相正弦交流下的电动力、三相正弦交流下的电动力、载流体与磁导体间的电动力;电气设备的电动稳定性。

  2 智能设备的技术领域控制工程论文-智能设备的技术领域

  智能设备是以微控制器/微处理器为核心,除具有传统电气设备的功能特征外,还具有显示、记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。电气设备的是以微电子装置为核心,而传统电气设备的是以电磁技术为主。具有现场总线接口,可在有线和无线双渠道实现通信/网络化互动,这是现代智能设备的重要特征和主要发展趋势。

  2.1 智能设备的组成

  典型智能电器的输入可以是电压信号、电流信号,也可以是数字信号;信号一般须经过处理后再送给微控制器/微处理器;为实现人机交互,须有键盘电路、打印接口电路、显示与报警电路,这些电路受人机接口管理单元的管理/控制;电平信号、触点信号/动作信号均为由微控制器/微处理器控制的输出数字信号;现场总线接口是通过总线控制器和总线收发器提供的,总线控制器和总线收发器之间一般有光电隔离电路。当人机交互功能需求比较强大或者计算需求、数据库需求强大时,单独的微控制器/微处理器的计算与分析能力不够,需要连接互联网借助网络服务器或者“云”网,进行操作运算。

  智能设备的基本原理是利用计算机作为控制核心, 通过各类功能接口卡, 与周边设备相连接, 使周边设备在控制核心( 中央控制计算机)的控制下协同工作。依靠存储在智能设备内部的智能化软件系统的驱动各组成部分, 实现局部场的各种服务功能, 并依靠计算机网络传递消息的机制, 实现全局的、智能化的功能。作为一种设备, 中央控制机和所有周边设备等组成部件, 通常被安置在一个坚固、安全的机壳内( 如ATM 一般要采用12 MM的特种钢板做保险柜) , 成为一个整体。

  其中, 中央控制计算机是整个智能设备的核心,一般采用工控机。其它功能模块可根据用途的不同,分为通用功能模块和专用模块。通用功能模块是指一般智能设备均可配备的模块, 包括流水打印机、票据打印机、磁卡( 或IC 卡等) 读写器、语言装置、视频装置、防潮、防寒、散热系统、输入/ 输出设备、安全装置等。专用模块是指完成专用功能的关键模块, 是智能设备按照功能分类的决定部件, 所占整机的成本比例也比较高。例如ATM 配置的吐钞机和CDM( 存款机) 所配置的存款机芯等都是专用模块。智能设备一般作为网络应用的终端设备出现, 可根据需要配置不同的网络接入方案, 例如RJ45,BNC, PhoneLine 接口等, 目前采用10/ 100 自适应的EtherNet 网卡实现网络接口。另外, 触摸屏技术、防窥视系统等旨在提高易用性、安全性的技术及产品也逐渐出现在新式的智能设备上, 这些技术的应用, 在很大程度上促进了智能设备的发展和应用规模。

  2.2 智能设备的应用模式

  智能设备的应用模主要有两种: 单机工作模式和联网工作模式。

  ( 1) 联网工作模式: 智能设备作为网络应用的终端出现, 在工作时, 接收到最终用户的操作请求后,将其转化为交易消息( 报文, 包) , 通过计算机网络向服务器( 或前置机) 传递用户的交易请求, 并接收来自服务器( 或前置机) 的应答信息, 根据应答信息或是否超时决定后续操作。另外, 智能设备也可接受来自服务器( 或前置机) 的管理信息, 并依据该信息主动上报设备状态等信息。例如AT M 的工作方式即为联网模式。

  ( 2) 单机工作模式: 这种方式中, 智能设备不通过网络与其他计算机系统相连, 而是独立的分布在不同的场地上, 主要提供局部场地的服务功能, 例如, 政府部门的办事指南查询终端。

  2.3 智能设备所涉及的技术

  智能设备起源于传统电气设备,因此智能设备所涉及的技术首先是上述的传统电气设备技术。此外,智能设备还涉及以下技术。

  (1)微纳米电子技术

  21 世纪硅微电子技术的发展趋势主要体现在三方面: 一是继续增大晶圆尺寸和缩小器件的特征尺寸。二是集成电路将发展成为系统集成芯片。集成芯片进一步发展,可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器和执行器与信息处理系统集成在一起,从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能,这是一个更广义上的系统集成芯片。三是微电子技术与其它学科相结合。典型例子是微机电系统技术( MEMS) 和生物芯片。前者是微电子技术与机械、材料、传感器等多学科交叉产生的,后者则是与生物工程技术结合的产物。同时,新的半导体纳米材料(碳纳米管、石墨烯等)因其具有表面效应、量子尺寸效应,对于研发高性能集成电路、量子计算机技术、太赫兹等离子谐振技术有巨大的推动作用

  (2)微处理机/微控制器技术

  微处理机/微控制器技术主要包括微处理机/微控制器的硬件结构、指令系统、中断系统、定时器/计数器、串行口,程序存储器和数据存储器的扩展、微处理机/微控制器程序设计、应用系统可靠性设计。

  (3)检测与转换技术

  检测与转换技术主要有:误差理论,包括误差的概念、误差产生的原因、判断误差存在的准则、减小或消除误差的方法、测量信号的处理方法、误差的合成与分配、最佳测试方案的选择;测量方法:包括温度、压力、流量、位移等的测量方法;检测信号的处理与转换技术,包括模拟滤波、数字滤波、电压/频率转换、频率/电压转换、电压/电流转换、电流/电压转换。

  (4)数字信号处理技术

  数字信号处理技术主要包括信号的描述及其分类、信号的分解,正交函数,傅立叶变换,连续时间系统的傅立叶分析,连续时间信号的采样,离散傅立叶级数、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换,数字滤波器的原理、构成与设计。

  (5)电磁兼容技术

  电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两部分,其技术主要包括电磁干扰与电磁环境,电磁干扰的耦合与传播,屏蔽理论及其应用,孔缝泄漏的预制措施,接地技术与搭接技术,滤波技术及其应用,电磁兼容标准与规范,电磁兼容性分析与设计,电磁兼容性试验与测量。

  (6)现场总线技术

  现场总线是通信、计算机、控制技术发展的结合点,是电气工程与自动化领域技术发展的热点之一。现场总线具有数字化、开放性、结构和功能的高度分散性及对现场环境的适应性等本质技术特点和一系列优点,适应了供配电系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势,呈现了强大的生命力,其应用正日益增长。现场总线技术主要包括一般现场总线的物理层、数据链路层和应用层以及以太网规范/IEEE802.3中的物理层、数据链路层和TCP/IP协议。其关键技术主要有MAC机制和帧结构(它们是决定传送时间/实时性的重要因素、后者还决定协议效率),各种周期信息、非周期信息/实时信息、非实时信息的数据触发方式/传送方式(它们也是决定实时性的重要因素,同时还与网络利用率有关),信号编码、错误检测、控制与恢复技术(它们与可靠性密切相关),连接/无连接技术与TCP/IP、UDP/IP协议(它们与可靠性、实时性及资源使用有关),对象建模/设备描述/功能模块等应用层/用户层技术(它们与现场总线应用的互操作性、通用性、方便性有关)。

  (7)人工神经网络工程科技论文-现场总线技术

  人工神经网络是人工智能技术的一种,它具有优秀的学习能力,现已被广泛应用于模式识别、分类辨识、信号处理、图像处理、控制与优化、计算机科学、机器人、预报和智能信息管理等领域。人工神经网络理论主要包括神经元、网络结构与模型、网络学习算法、网络训练与测试、网络优化等。电能质量扰动类型主要包括谐波、电压上升、电压下降、电压闪变、电压凹陷、暂态扰动等几类。在电能质量扰动的辨识与分类方面,人工神经网络可与数学变换工具(如傅里叶变换、小波变换)相结合:数学变换工具主要用来提取各类电能质量的特征并构建特征向量;人工神经网络主要用来构造分类器,对用数学变换工具构建的特征向量进行识别,完成电能质量扰动类型的自动分类。目前小波神经网络(WNN,Wavelet Neural Networks)已在电能质量扰动的辨识与分类方面得到了广泛和深入研究,并取得了一些成果。数学变换与人工神经网络相结合,还可用于继电保护中故障信号的自动识别与分类,实现自适应保护算法,提高继电保护系统的智能化程度。

  (8)数学形态学

  数学形态学以集论基础,是几何形态分析和描述的有力工具,目前已广泛应用于信号处理、图像处理等工程领域。数学形态变换用集合来描述目标信号,在分析信号时,需要设计一种收集信息的“探针”,称为结构元素。结构元素在信号中不断移动,便可以提取有用的信息进行特征分析和描述。数学形态变换一般分为二值形态变换和多值形态变换。腐蚀和膨胀是最基本的形态变换,主要为布尔运算及少量的加减运算,具有计算量小、计算速度快、数据存储容量小等优点,在工程上很容易实现。在电能质量扰动检测和继电保护领域,数学形态变换可用于消噪和滤波(信号预处理)、扰动信号和故障信号提取等。与传统的数字滤波器相比,利用数学形态滤波器,即使原始信号伴随较强的噪声、甚至发生了严重的畸变,其基本形状仍可被识别、重构及增强;与传统的注重信号频域特性的积分变换算法不同,数学形态变换更关心信号的时域表现,可将待检信号从背景中提取出来,同时保持其主要的形状特性。

  (9)自诊断技术

  功能完备的智能设备必须具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能。感知功能是传感器的任务, 思维和判断则是控制器的功能, 其主要技术就是自诊断技术。目前自诊断技术的研究主要集中在专家系统、模糊逻辑控制、人工神经网络以及其它人工智能方法。

  众多自诊断技术其一致性在于模仿人在操作控制过程中的思维和逻辑推理, 这也是设备实现智能化最为关键的步骤, 直接决定了设备智能化程度的高低。目前, 最具影响的就是专家系统, 其在医疗方面已经取得了显著的成果。

  专家系统的主体是一个基于知识的计算机程序系统, 其内部具有某个领域中大量专家水平的知识和经验, 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。其最具有吸引力、也是难度颇大的领域之一就是专家控制。专家控制可以看成是对一个“控制专家”在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法、经验、策略的模拟。

  (10)电磁兼容技术

  智能设备是传统电气设备与计算机技术、数据处理技术、控制理论、传感器技术、网络通信技术、电力电子技术等相结合的产物。因此, 从本质上说是一种机电一体化设备, 是一个弱电和强电相混合的系统, 这也致使其电磁兼容性越来越成为系统设计、制造、调试中需要考虑的重要问题。设备系统本身就是一个强大的电磁干扰源, 在正常和异常状态下都会产生多种形式的电磁干扰。电磁干扰的抑制主要可采用抑制干扰源和切断传播途径等方法[5] 。

  (11)可靠性技术

  智能设备是一种高度自动化的机电一体化设备,由于其结构复杂, 在系统中的作用十分重要, 因此对智能设备的可靠性有很高的要求。元器件的可靠性、技术设计、工艺水平和技术管理等共同决定了电子产品的可靠性指标。提高产品的可靠性, 必须掌握产品的失效规律, 只有对产品的失效规律进行全面的了解, 才能采取有效的措施来提高产品的可靠性。

  (12)新型传感原理与信号传输技术

  智能电器的智能判断与执行功能的实现是建立在智能感知的基础之上。因此,现场信号获取的准确度、成本、方便性及信号分析的准确性是实现智能电器亟需解决的关键技术。传统的电量、非电量测量方法存在种种局限或不足。研究新型敏感材料、探索新颖感知方法及敏感元件的阵列化与复合化将成为智能电器领域的重要研究内容之一。

  (13)基于大数据的模式识别与故障诊断技术

  智能电器对状态识别的准确性与采用信息量相关,信息量大、信息丰富,则识别相对准确。然而,各类传感器产生的数据集正在以难以想象的速度增长,给数据处理带来了极大的挑战。此外,所获取的多领域数据具有异构性、实时性和复杂性等特点,需要在不同层次进行建模与分析,设计优化的模式识别算法,才能实现高效利用。

  智能电器依赖对系统和自身状态特别是不同类型故障的识别、分析、判断,再通过执行模块实施自适应的操作。尽管国内外对电力设备和电网故障识别技术已做了不少研究,但如何快速、准确、可靠地识别故障问题仍没有彻底解决。随着系统规模的扩大,这些问题将更加突出,故障识别技术还将继续成为需要深入研究的热点问题。

  (14)复杂电磁环境下的智能电器可靠性

  智能高压开关设备中电子装置与一次设备高度融合,使得其中的电磁兼容问题显得尤为突出。高压开关设备开关操作产生的电磁骚扰作用于其外壳上的传感器、连接电缆和外壳附近的智能组件,会在传感器和智能组件端口上产生电磁骚扰。此外,对于电流互感器、电压互感器等,由于和一次系统有直接的电气连接或电磁耦合,瞬态电磁过程也会经传导耦合对电子装置产生电磁骚扰。

  目前,国内外已对传统变电站内电磁兼容问题开展了大量研究,制订相关的国际导则和标准。但对智能变电站特别是高压开关设备传感器及智能组件的电磁兼容问题研究却较少。另外,这些智能电子装置对雷电、地磁暴、核爆等环境和人为因素引起的瞬态电磁场特别敏感。因此,复杂电磁环境下的智能电器可靠性将长期受到关注。

  (15) 智能设备的安全问题

  工程科技论文多次提到随着技术的进步, 安全也成为智能设备的一个重要问题。智能设备的安全问题主要包括设备自身的坚固性、安放场地的安全性、管理措施、网络安全、持卡用户的安全措施( 如对密码以及磁卡的保护措施) 以及由计算机网络引发的安全因素等多个方面。解决安全性问题, 主要有常规的网络安全保障手段、用特种钢板制作坚固的机身、采用摄像机记录交易过程、网络报文加密传送、屏蔽凭条上的帐户信息等诸多手段。

  3 智能的设备发展

  3.1 新材料、微纳制造技术的发展

  随着新材料、功率半导体技术的飞速发展,新型电力电子器件的研究和应用成为活跃主题。与传统的Si 半导体器件相比,SiC 半导体器件具有工作温度高(最高可达600℃)、工作电压高、通态压降低、开关速度高、工作寿命长、抗辐照能力强等突出的优点。预计SiC 电力电子器件将主要用于1 200 V以上的高压电力系统应用领域。

  近年来,微纳制造技术从基础理论、设计建模、材料、加工工艺、封装集成等多个方面都取得了不同程度的突破。国内在MEMS 研发方面也已形成较为完整的体系,进入产业化应用阶段。微纳器件具有体积小、重量轻、集成度高、可靠性高等优点,为智能电器领域探索新型感测原理、开发新功能和制造新型传感器件提供了有力支撑。

  3.2 智能电器的主要发展趋势

  智能电器的发展应适应当前电网技术的发展,支持新兴清洁能源利用,强调设备与智能电网的信息交互、友好互动和电网优化运行的技术理念,并符合绿色低碳、节能环保的发展趋势。

  其主要发展趋势为:

  (1) 智能电器继续向高性能、小型化、智能化、高可靠、绿色环保、系列简洁方向发展,以更好适应智能电网的发展需要。

  (2) 应用新型电力电子器件和超导新材料,开发电网友好、环境友好的智能电器,节约原材料和降低运行功耗,减少对环境的污染。

  (3) 融合多种传感器技术,适应大数据时代的发展需求,实现运行状态的数据汇聚、发掘利用及信息资源共享,为用户提供双向互动服务。

  (4) 产品设计模式从单个智能电器元件设计转变为从系统发展和功能融合角度考虑构建智能电器系统,提供整体解决方案,实现全局优化。

  (5) 面向可再生能源领域的需求,研发适用于分布式发电系统的潮流随机变动、特殊保护方式的专用新型智能电器。

  为实现上述目标,利用新材料、新器件、新原理,在信息获取、处理、传递等关键环节进行技术突破,从系统角度进行分析和设计,实现信息融合和知识利用,是智能电器发展的关键。

  4 结语

  介绍了智能设备的概念,总结了研究的关键理论和技术问题,归纳了智能电器的主要特征和发展方向,并根据其发展需要和电力开关设备自身发展的趋势。指出新材料制造技术等因素是当前智能设备发展的推动力。我国目前智能设备的发展水平还是比较初级的, 给智能设备一体化设计制造带来很大的困难,造成了智能化产品性能及技术水平较低, 难以满足智能化需求。

  参考文献

  [1] 陈德为, 张培铭. 智能电器概念的发展[ J] . 低压电器, 2006, 1( 2) : 15- 18.

  [2] 邹积岩. 智能电器[M ] . 北京: 机械工业出版社, 2005.

  [3] 佟为明. 智能电器综述[ J] . 电气时代, 2006, 1( 5 ); 18- 22.

  [4]夏天伟; 黄李宁; 王世荣; 鲁永久。智能电器及装置[ J]。沈阳工业大学学报,2003,25(1):36~39

  [5] ? 鲍光海, 林维明. 智能电器电磁兼容技术探讨[ J ] . 电气应用,2008, 27 ( 11) : 82 - 84.

  [6] 周志敏. 国内智能电器的现状与发展趋势[ J] . 电气开关, 2002, 1( 6) : 1- 5..

  [7]朱大新, 孔启翔, 等. 刻不容缓加速智能电器发展[ J ]. 电气时代,2004, 1 ( 8) : 49 - 56.

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