序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的機械與電子論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。

第1篇

微電子論文3100字(一)：微電子控制機電設備在工業中的具體應用論文

摘要：在科學技術快速進步的背景下，工業自動化水平取得了比較明顯的提升，在機械制造方面表現的更加明顯，基于各種因素的影響，微電子技術得到了相對廣泛的應用。基于此，本文詳細分析了微電子控制機電設備在工業中的應用，希望能夠為實際提供良好的借鑒意義，以供參考。

關鍵詞：微電子；機電設備；工業；應用探討

信息技術的發展以及先進電子設備的產生催生了機電一體化時代的到來，所謂的機電一體化技術是把電工電子技術、機械技術、信息技術、微電子技術、接口技術、傳感器技術、信號變換技術等一系列技術結合，再綜合應用于實際的綜合技術，現代化自動生產設備可以說為機電一體化的設備。微型計算機在機電一體化系統的作用能夠總結成如下三點：第一，直接控制機械工業生產過程；第二，機械工業生產期間加強各物理參數的自動測試，進行測試結果的顯示記錄，在計算、存儲、分析判定并處理測量參數或指標；第三，進行機械生產過程的管理與監督。機電一體化系統里微電子控制機電設備怎樣進行適宜計算機選擇，怎樣設計硬件系統，怎樣組織軟件開發，怎樣對現有計算機系統等進行維護與使用是相當關鍵的，也是值得探索的

課題。

1微電子控制機電設備系統的組成和原理

在某微電子控制機電系統當中，主要是由PLC、管路壓力變送器、變頻器等多種設備組成的。在控制系統當中，管路壓力變送器主要是檢測控制輔助沖量、管路水壓、蒸發量等三個變量，接著將數據信號向PLC當中傳送，并且通過PLC進行分析和計算，將信號發送信號控制器，通過信號控制器來控制水泵運轉，在設計系統的過程中需要與實際情況合理的進行結合，并且對變頻器的輸出頻率進行確認，輸出頻率在整個系統設計過程中具有非常重要的意義，和系統的控制息息相關，在確定系統輸出頻率是需要綜合性的分析和考慮用水量以及揚程參數等。在整個系統當中控制流程的用水量變化，主要是通過壓力變送器向PLC傳送的通過PLC進行分析和計算，可以有效的調節循環泵的頻率，合理的分配能源，讓工作的效率提高，起到節約資源的

作用。

2微電子控制機電設備在工業中的具體應用

1）可編程序控制器（PLC）的應用。從PLC的角度進行分析，其主要優勢在于具有很強的控制能力，而且穩定性較高，機身體積相對較小，可以有效的和其他的配件進行組合。在工業生產的過程中，因為機電設備往往會占據一定的面積，如果想讓其廠房中的占比較高，就一定要注意讓廠房的空余面積加大，盡量讓控制器的數量減少，讓機電設備的數量增多，與此同時還需要注意PLC的節能性較高相比，其他的控制系統可以節約資源，讓工業生產的成本支出降低，讓企業的經濟效益增加，由于PLC設備可以有效的和其他設備之間進行組合，可以靈活方便的在廠房當中進行布設，讓一機多用。可以實現讓廠房的設備結構進一步得到簡化，對設備維護中耗費的人力物力進行控制，減少人力輸出，可以將人力有效的分配到工業生產當中，讓生產資料的利用效率提高。PLC的另一大優勢在于可以通過現場總線和生產設備之間

進行連接，有效的監控工業生產，可以動態化的監控生產的全過程，確保在生產過程中，第一時間解決生產時產生的故障，避免由于機械故障而導致生產進度停滯，讓設備的維護開支得到控制，PLC的計算速度很快，可以輕松的對生產時的任何變動進行管理和控制，有效的防止由于設備變化控制器無法及時應對而產生的問題，PLC還可以進行相關的升級，伴隨當前經濟快速發展，就算生產線當中的產品產生了變動，只需要正確的調整，控制程序也可以符合新產品生產的具體需求。

相比于其他編程操作，PLC控制器在編程的過程中較為方便，員工通過短時間的訓練就可以熟練的掌握編程的技巧，在實際操作的過程中工作步驟相對較為簡單，可以很容易的掌握設備的維修安裝以及操作，由于PLC自帶程序編輯器只需要工作人員了解梯形語言，就可以對其進行熟練的掌握。對控制器的工作語言進行了解，當出現故障的時候可以及時的調整和處理控制器。

2）變頻器調速器的作用。變頻器工作狀態分作自動與手動兩類，手動工作狀態即在PLC結束工作后展開的人工操作行為，經電位器調節能對變頻器輸出頻率進行給定。自動工作狀態實質是PLC輸出信號為變頻器輸出頻率展開控制。和傳統調節閥控制方式相比，PLC控制可節電，更好進行水泵磨損控制，在延長設備壽命與實現系統自動化水平提升中發揮了重要作用。

第一，和傳統正弦波控制技術相比，因變頻器用到了電壓空間矢量控制技術，先進性和獨特性在性能上得到充分凸顯，同時因其特有的低速轉矩大、運行穩定性強、諧波成分小等特征，這對我國電網而言輸出電壓自動調整功能能充分進行優勢發揮。第二，變頻器具備外部端子、鍵盤電位器與多功能段子等一系列操作方式，功能完善，可輸入多種模擬信號（如電流、電壓、頻率等效范圍檢測，轉速追蹤等）；并且變頻器可實現擺頻運行與程序運行等一系列模式。第三，因變頻器全系列元件應用的是西門子產品，有極強的保護性能，可靠穩定，能很好的避免過流、短路、過壓等問題，確保本機能正常運行。并且變頻器有良好的絕緣耐壓性，產品質量好，設定簡單等使得其有更強的適用性。

3）電路發揮的作用。在安裝PLC和變頻器的時候，保證電路的穩定是保障工作的必要。電路在安裝過程中，應該采取邊安裝邊測電的方式，這樣更能使電流穩定，這同樣屬于工作期間需引起重視的關鍵環節。在電路安裝完畢之后，不要急著通電，應該先再次檢查電路是否安裝正確，查看是否有少安裝或者多安裝的情況。另外，測量一下接觸元器件的連接點，這樣可以發現一些接觸不良的地方，若有漏電情況應該及時對此進行維修。電路在工業中也是起到了很大的作用，在安裝電路的時候，一定要小心謹慎，綜合考慮多方面因素，不要遺漏一些小問題，有時一些小問題也可能出大錯，保證電路的穩定才能更好地協調其他設備的安裝穩定。應認真復查電路，查看電路有無正確安裝，或存在設備多安裝或少安裝的現象，同時應認真檢測每個接觸元器件連接點，明確有無接觸不良或短路現象，若發生漏電務必要及時維修與處理。電路調試的具體流程總結如下：

第一，應認真查看明確電路整體狀況，了解電路面板線有無準確連接，有無看似連接實際并未連接的線，或易短路的線；是否存在兩條或多條線混淆的情況；此后，使用最小量程檔的萬用表對電路面板進行檢查，查看開路處和閉路處有無正確開路與閉路，地線是否漏接，電源連線連接的安全性等，同時需測量電源有無短路現象。測量期間可直接進行元器件連接點測量，如此可明確有無以上情況的同時又弄清楚是否存在接觸點不良現象。第二，電路調試過程的關鍵環節之一即硬件電路調試。調試期間務必要注意細小環節的把控，根據電路功能原理做好各個單元電路的調試，再作整體調試，后進行整個電路的調試。電路在工業生產里發揮的作用是相當大的，電路安裝過程里務必要綜合考量多方因素，認真謹慎，切不可遺漏或放過存在的小問題，確保電路穩定性得到保障。

3結束語

微電子控制機電設備的組成包括變頻調速器、可程序控制器等，由于操作相對簡便、效果好，在工業中發揮了不可忽視的作用。微電子控制機電設備在實踐中不斷完善，將理論與實踐相互結合，明確各個方面的要點，有效提升生產效率，在工業領域發揮出最大化價值，推動社會進步和發展。推動電子設備的可持續發展也是當今社會經濟發展所提出的必然要走的道路，順應經濟發展的趨勢，才能不落后于其他國家的工業化改革。

微電子畢業論文范文模板(二)：關于現階段國家示范性微電子學院建設的幾點思考論文

[摘要]文章淺述了國家示范性微電子學院的建設背景及歷程。借鑒示范性軟件學院建設經驗并結合現階段浙江大學示范性微電子學院建設經驗，從學科劃分、考核體系、校企合作、平臺建設和國家支持等方面進行思考和總結，闡述如何圍繞“以人才培養為中心”和“產學協同育人”這兩個核心問題，進行國家示范性微電子學院建設。

[關鍵詞]示范性微電子學院；集成電路；人才培養；產學協同

[中圖分類號]G64[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2020）07-0001-04

回顧整個中國特色社會主義建設歷程，作為高等教育中至關重要的一部分，工程教育在國家現代化進程中發揮著不可替代的作用。在國家經濟改革和世界范圍產業變革的過程中，我國的工程教育也在不斷改革創新。從工程教育專業認證制度的建立，到PBL和CDIO理念的引入，實施卓越工程師計劃和建立國家示范性軟件學院、微電子學院，再到加入《華盛頓協議》和新工科的提出，中國的工程教育一直在實踐中發展。在中國工程教育改革中，2001年開始的國家示范性軟件學院建設作為教育改革的“示范區”，發揮著重要的作用。本文在借鑒示范性軟件學院十多年建設經驗的基礎上，結合現階段示范性微電子學院的建設情況，對2015年開始實施的國家示范性微電子學院建設進行思考與總結。

一、示范性微電子學院成立背景

21世紀初，信息化在世界范圍內開始普及，軟件產業在世界社會發展中的地位和重要性開始顯現。軟件產業作為當時的新興產業，呈現出向發展中國家大規模轉移的趨勢，國內外巨大的軟件市場導致對軟件從業人員需求量的劇增。國家從當時國內外行業背景及國家發展戰略出發，于2001年由教育部正式設立國家示范性軟件學院，首批試點35所（后增加至37所），均由國家重點高校負責建設；2004年教育部針對高職類學校又設立了36所高職示范性軟件學院。其后，各省、市結合自身地方產業成立了省級示范性軟件學院50多所，對軟件人才進行儲備。從2001年至今，示范性軟件學院經歷了十多年的建設與發展，在人才培養和產業促進上都取得令人矚目的成就。在此期間，我國的軟件產業獲得了長足的發展，其中尤以華為、阿里巴巴、百度、騰訊等互聯網企業為代表。

經過十多年的積累和追趕后，我國不但解決了軟件產業發展初期規模弱小、產業單一、人才技術短缺等諸多問題，而且在部分領域超過了發達國家，并形成了中國特色的“互聯網+”新型經濟模式。接下來，國家開始效仿軟件產業發展模式，對信息領域更基礎、更關鍵但更薄弱的“卡脖子”短板——集成電路產業發起沖鋒。特別是近年來，在國際貿易保護主義抬頭和美國對華貿易戰的背景下，從晉華、中興到華為、大疆，以集成電路為代表的高科技產業形勢尤為嚴峻，發展變得刻不容緩。

2014年國務院印發《國家集成電路產業發展推進綱要》（以下簡稱《綱要》），指出“集成電路產業是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業”。現階段我國集成電路產業主要面臨核心技術缺乏、產業鏈不完善、資金投入不足、創新人才短缺4個核心問題。參考軟件產業發展模式，為解決集成電路產業4個核心問題中的人才短缺問題，示范性微電子學院應運而生。

二、示范性微電子學院的成立

《綱要》從組織領導、資金政策、金融稅收、人才保障等8個方面采取了保障措施，指出“加大人才培養和引進力度，建立健全集成電路人才培養體系，支持微電子學科發展，通過高校與集成電路企業聯合培養人才等方式，加快建設和發展示范性微電子學院和微電子職業培訓機構”。這是繼2011年國務院《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策》后，國家再次對高校示范性微電子學院建設提出的明確要求。

2014年教育部《關于試辦示范性微電子學院的預通知》。2015年六部委《關于支持有關高校支持建設示范性微電子學院的通知》（以下簡稱《通知》），明確支持清華、北大、浙江大學等9所高校建設示范性微電子學院，支持北京航空航天大學、南京大學等17所高校籌備建設示范性微電子學院，示范性微電子學院建設序幕自此開啟。

三、示范性微電子學院定位及現狀

《通知》指出：示范性微電子學院的建設要以人才培養為中心，深入開展產學合作協同育人，加快培養集成電路產業急需的工程型人才。可以看出，“以人才培養為中心”和“產學協同育人”是示范性微電子學院建設的兩個核心要求，“工程型”人才是示范性微電子學院培養人才的根本目標。

自2015年第一批示范性微電子學院成立至今，各個示范性微電子學院的建設歷程和辦學模式各不相同，有的是在原有信息學院或微電子學院的基礎上進行建設，有的是新設立微電子學院掛靠其他成熟學院運行，有的是整體新建并單獨運行。由于處于建設初期，不同學校都因地制宜、因時制宜地進行摸索，或大刀闊斧，或小步慢跑。目前，各個學校的微電子學院都在人才培養、師資規模、校企合作等方面都取得了一定的階段性成果。

與此同時，示范性微電子學院在建設的過程中，也都面臨一些共性的難題，如示范性微電子學院與一般學院的定位區別、如何進行“工程型”人才培養、如何擴大招生規模與影響、如何更好地與企業結合，以及如何對示范性微電子學院建設進行評價等，這些都是示范性微電子學院面臨或將要面臨的問題。

四、對示范性微電子學院建設的幾點思考

當然，示范性微電子學院建設也并非無樣板可以參考，2001年開始建設的示范性軟件學院就是很好的借鑒，特別是在辦學模式、人才培養、師資管理等諸多具體、常規問題上。然而，軟件行業和集成電路行業相差較大，而且當今的時代背景和2000年也完全不同，如何圍繞“人才培養為中心”“產學協同育人”這兩個核心來建設微電子學院，需要全體高等教育工作者進行與時俱進地思考和探索。本文從浙江大學（以下簡稱“浙大”）示范性微電子學院建設的實踐出發，分享一些經驗與思考。

（一）學科劃分與評估體系

學科劃分和評價問題是微電子學院建設能否成功的核心問題，關乎微電子學院的建設方向和結果。單獨的學科設置及評估體系，不僅能加強微電子學院的獨立性辦學，也能更有效地促進微電子學院建設的展開。

1.設置微電子一級學科

人才作為第一資源以及集成電路產業的核心，微電子學院成立的根本目的就是為產業培養急需的“工程型”人才。然而受招生名額等條件的限制，現階段我國高校每年培養的集成電路高級專業型人才不足萬人，而且缺口仍在擴大，可見，擴大集成電路招生名額勢在必行。以浙江大學為例，2014年以前學校集成電路每年碩士、博士的招生人數在30人左右，即使示范性微電子學院成立以后，新增了微電子本科專業，微電子學院每年本碩博招生也不足200人，以如此培養速度，根本不足以填補產業人才需求的缺口。由于我國大學招生名額是與學科劃分掛鉤的，這就涉及一級學科設置的問題。

目前，浙大微電子所在的一級學科是電子科學與技術，其下含有電路與系統、微電子學與固體電子學、電磁場與波、物理電子學四個二級學科，其中與微電子學院直接對應的兩個二級學科是：電路與系統、微電子學與固體電子學。研究領域分別對應集成電路的軟件部分和硬件部分，前者主要包括集成電路設計，后者主要涉及集成電路產業中的制造、封裝測試。

此外，微電子一級學科問題，除了與擴大招生名額相關外，也和微電子學院的建設成敗有關，因為這涉及微電子學院與高校原有信息學院的定位問題，以及在學校的學科地位問題。其實在建設示范性軟件學院時，由于學科劃分的問題，就存在著軟件學院與原有傳統計算機學院的“瑜亮之爭”，學科資源配置之爭。最終，2011年教育部將軟件工程提升為一級學科，這才在一定程度上解決了上述問題。從軟件學院的建設經驗來看，將微電子學與固定電子學、電路與系統等二級學科重整、提升為一級學科十分必要，且宜早不宜遲。

2.修訂學科評估體系

微電子學院建設要求以“人才培養為中心”，而傳統學科評估體系以“學科建設為中心”。因為“中心”的不一樣，在進行微電子學院建設時，學校在資源配置時就必須考慮效益比問題。如果微電子學院建設的投入無法對學校的學科發展形成促進作用，甚至因為分流限制了已有學科的建設，學校不僅不會支持微電子學院的建設，甚至可能還會限制其發展。因此，在現有學科評估體系下，示范性微電子學院很難做到完全以“教學”為中心，只能“教學科研”兼顧，最終微電子學院在很大概率上將會和傳統的信息學院同質化。上述情況在軟件學院建設時出現過，且仍未得到有效解決，這也是很多軟件學院選擇異地發展的原因，其目的是避免與本校原有的計算機學院分流資源。

在現有學科評估體系下，即使能做到以“教學”為中心，也很難滿足微電子學院“產學協同”的人才培養要求。因為現有學科評估體系偏向于理科化，重理論而輕實踐，無論是“教學”還是“科研”，學生注重“卷面”，教師注重“文章”。而微電子學院的建立要求緊貼產業，注重實踐，產學協同，因此培養“工程型”人才在現有體系下很難做到。

其實，2016年教育部提出新工科建設，其本質也是針對現有“理科化”學科評估體系與工科建設要求不相匹配的問題。可以大膽設想對現有學科評估體系進行必要的改革，如對基礎性學科依舊使用現有“理科性”評估體系；對應用性學科，如新工科，則在原有的體系上建立新的“工科性”評估體系。這樣或許能從根本上改變我國“寫論文的太多，做應用的太少”、應用研究和理論研究比例失衡的現狀。為體現示范性，上述設想甚至可以率先在示范性微電子學院進行試點，實踐可行后再逐步推廣到新工科乃至其他工程性學科。

（二）師生考核體系

示范性微電子學院要求“堅持人才培養為中心”，在國家層面需要解決的是學科問題，具體到學校和學院操作時，就要考慮內部的考核與評價問題，其中主要涉及兩個方面，一是教師的考核，二是學生的考核。

1.教師考核體系

以人才培養為中心，要求教師的工作重心應該是教學，因此微電子學院教師在考核上應該與傳統學院有明顯區別，比如加大教學在考核中的比重。微電子學院培養的人才要強調工程性，所以在教學考核中，要突出工程實踐的教學內容。另外，在引進師資時，可以效仿軟件學院偏向引進有企業經驗或者工程項目經驗的教師，形成本校專職教師、企業兼職教師、適當比例外教的格局，這一點浙江大學微電子學院在人才引進時就尤為注重教師的行業或工程背景。

為了保證公平性，調動教師的積極性，可以實行聘崗制和聘期制，不同崗位考核不一樣、聘期不一樣，如在浙江大學，對不同類別的教師設置有：教學科研并重崗、工程教育創新崗、社會服務與技術推廣崗等，其中工程教育創新崗就是浙江大學針對工程教育改革新設置的崗位。

2.學生考核體系

微電子學院要培養“工程型”人才，因此針對學生的培養過程、考核過程、評價過程要緊緊圍繞“工程”來設置。微電子學院學生與傳統學生培養最本質的區別是“工程實踐”能力。在此之前，要提前區別一下其與動手能力的差別。“工程實踐”能力與傳統工科學生在實驗室環境下的動手能力不同，是要在工業生產的背景下，通過“做中學”和“基于項目學習”，進而培養學生的“工程師式思維和行為”。這要求學校必須為學生提供企業的工程環境而非簡單的高校實驗室環境，兩者有著本質的區別。

正是因為微電子學院培養的人才需要工業生產背景，這就要求企業參與培養，這從源頭上保證了學生培養會緊貼產業。通過設置新的學生評價體系來保證和監督學生“工程實踐”能力的獲得，這一點至關重要。也只有這樣，學生畢業后進入企業才能立即上手，無須企業的再熏陶和培訓。

浙江大學微電子學院對于學生“工程實踐”能力的培養是根據學生的不同階段分步進行的。首先，針對低年級的本科生，加大培養方案中實驗課程的比例和學分，以此來培養學生的“動手操作”能力。其次，對于高年級的本科生，則是通過到企業實習、參與導師企業課題（學業導師制）、科創實驗（SRTP）、參加創新創業競賽等來初步熏陶學生的“工程實踐”能力。最后，到研究生階段，通過企業、導師聯合制定課題，學生選題并到企業培養或參與企業橫向課題等方法來完成“工程能力”的塑造。

（三）校企合作

校企合作是微電子學院建設的重點也是難點之一。傳統高校教學以學校為主，這在一定程度上導致了高校研究與產業發展脫節、高校培養的學生與企業需求脫節。高等工程教育改革的目的之一就是如何將高校與企業聯系緊密，互相促進，“如何引入企業參與到高校的人才培養”，從而達到“產學協同”。

校企合作的目的是互利共贏。中國高校以育人為宗旨，具有一定的公益性，而企業以利益為根本，公益性只是其附帶屬性，只投入不計回報的企業少之又少。如何讓兩個不同的主體做到有機結合，使得“企業愿意參與，高校愿意放開”是困難所在。從需求來看，高校育人，企業用人，高校和企業合作的紐帶在人——學生，解決好“如何以學生為紐帶將企業和高校緊密聯系在一起”是校企合作的關鍵所在。

從軟件學院的經驗看，多是通過校企理事會、共建實驗室和實踐基地、共建師資隊伍、共設課程等方式來開展校企合作。無論是以何種合作方式，想要長久有效就必須做到互惠互利，純粹的一方投入不可持續。從浙江大學專業學位研究生的培養經驗來看，比較有效的手段之一是：通過導師與企業的橫向合作為依托，以項目的形式將學生的培養參與其中。這是一種“基于項目的培養模式”，企業提出技術需求和課題資金，學校再給予學生名額、教學工作量等支持。通過一個個的具體項目，將學校、學生、企業串聯起來，形成規模效應后再以創建聯合實驗室、研發中心、實踐基地等方式進行深化。浙江大學成立工程師學院就是希望從學校層面來推進和引導校企合作。此外，不同地區的微電子學院在專業設置上也應針對當地企業需求開設專業，面向企業培養人，甚至可以對重點企業進行定向培養，吸引企業深度參與學院建設。

校企合作不僅僅是學校和企業的問題，政府的作用也尤為重要，因為政府掌握著核心的生產資料和分配政策。比如政府在審批、稅收減免、經濟補助、教育資金、就業引導等各方面都能非常有效調動企業和高校的積極性，促進雙方的結合。日本20世紀70年代半導體產業的興起，就是通過高校（實驗室）、企業、政府三方的共同發力，成立“VLSI技術研究組合”，從而打破美國的壟斷。20世紀80年代韓國三星的崛起也與韓國政府的大力扶持密不可分，所以在這一點上值得我們國家借鑒和學習。

（四）硬件建設及平臺共享

集成電路產業人才培養對硬件設施要求極高，這是其與軟件產業最大的不同之一。如小型工藝操作、流片、實訓等都需要高昂硬件和財力的支撐，因此微電子學院建設要格外重視大型共享平臺建設，并以共享平臺建設為契機將校企合作、校地合作、學生實踐培養進行有機連接。然而一般平臺投資都十分巨大，很難靠一己之力來進行建設，如浙江大學微納加工中心一期投入6000萬、工程師學院微電子實訓平臺投入近3500萬，紹興微電子研究中心投資近1億。微電子學院建設更應注重開放式辦學，嘗試通過國家出資、政府出地、企業出技術、學校出人等多重模式，把握本地發展機遇以產業園、孵化器、共享平臺的形式來共贏發展。

（五）國家和學校支持

從軟件學院的建設經驗來看，建設成功與否與國家和學校的支持息息相關。因為軟件學院建設經費自籌，所以從建立之初，就面臨著資金的壓力。從十多年后的評估結果來看，發展得好的軟件學院與學校的長期支持密不可分；純粹依靠企業、學費等來進行市場化運作則很難實現。以浙江大學軟件學院為例，軟件學院之所以能在寧波辦學，首先與寧波市政府給予啟動資金、場地、師資、經費等全面的支持分不開，此外，與浙大持續的師資、運營等投入也密不可分，可以說寧波市政府和浙大的支持二者缺一，浙大軟件學院就不會有今天的規模。從產業性質來看，因為集成電路行業對硬件的要求要比軟件行業高很多，這就決定了微電子學院的硬件投入要比軟件學院投入要大得多，所以微電子學院勢必更需要從國家、從學校爭取更多可持續的資金，如專項經費、低息貸款等，這樣才有可能實現跨越式的發展。

第2篇

關鍵詞 固體物理學 教學改革 教學方法

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2016.01.031

Solid State Physics Teaching Reform and Practice Adapt to Materials

Physics and Electronic Science and Technology Needs

LI Zijiong， SU Yuling， WANG Yongqiang， GONG Gaoshang

（School of Physics & Electronic Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， He'nan 450002）

Abstract Solid State Physics is physics and electronic material science and technology important professional courses， according to the needs of both professional features in the teaching content， teaching methods and capacity-building and improving other aspects of solid state physics curriculum reform and practice.

Key words solid state physics; teaching reform; teaching methods

0 引言

隨著人才需求的不斷變化和學科的發展，不同專業的課程體系和人才培養模式應與時俱進地作相應的調整和優化，不斷完善和發展以適應專業特點和新形勢下需求的培養目標。①②固體物理學課程主要研究固體（晶體）的微觀結構特征、相互作用及其運動規律，并闡述其用途的學科。固體物理學課程是物理、材料、化學和電子等專業的基礎課程。③但受傳統教學內容、教學手段和有限課時等的影響，不少學生缺少對該課程在專業培養中的重要作用的認識，學習重視程度不夠，缺乏學習積極性。因此，有必要根據不同專業方向特點，在教學內容、教學方法和考核體系等方面對固體物理學課程進行教學改革。

材料物理和電子科學技術是鄭州輕工業學院物理與電子工程學院的兩個專業，我們在這兩個專業開設了固體物理學課程，分別制定了課程標準和課程教學目標。針對固體物理教學課程自身的特點，結合材料物理和電子科學與技術專業學生的培養模式和需要，根據多年對固體物理學在兩個專業的教學實踐，提出了關于固體物理課程教學根據專業不同需求的優化與調整方案，并在教學中進行了實踐，取得了一定的效果。

1 根據專業特點，進行教學內容的調整和優化

固體物理學是一門綜合性很強的課程，除了需要量子力學和統計物理、大學物理等方面的基礎知識外，在傳統的內容上也是增加了很多現代科技前沿的內容。由于不同專業學生的背景和培養目標的差異，在授課內容方面首先要進行一定的調整和優化。

材料物理專業是我校較早開設的傳統專業，其目的是培養較系統地掌握材料科學的基本理論與方法，具備材料物理相關的基本技能和基本知識，能在材料科學與工程及與其相關的領域從事教學、研究、教學科技開發教學及相關管理工作的材料物理高級專門人才。由于學生的材料和物理背景較好，考慮到該專業與固體物理學聯系較緊密的特點，需要對傳統固體物理學課程教學內容進行強化和延伸。

如在講解晶體結構一章時，在讓學生深刻理解晶體結構平移性和對稱性特點的基礎上，我們適當增加了材料結構分析方面的內容，除了晶體結構詳細講解外，對非晶體、準晶等也要做一定的介紹，并結合科研工作中常見的晶體缺陷問題，對相關材料進行分析，增加了如何利用X射線衍射分析晶體結構，并安排學生動手制備一些新材料，學習應用掃描電子顯微鏡、投射電子顯微鏡、XRD等工具對所制備材料的微觀結構進行表征分析，從而加深學生對所學知識的理解，提高解決實際問題的能力，獲得了對固體物理課程學習的主動性和針對性。

在講述晶體結合一章，增加了氫鍵結合形成不同晶體的特點及規律，將共價性結合和金屬結合的特點和規律采用第一性原理進行計算，并將結果進行課堂視頻展示;在講述金屬、半導體電子結構章節中，有意識地增加了態密度、摻雜、能帶調控等概念，在此基礎上，適當分析一下半導體材料的電子結構對其電學和光學性質的影響，有意識地加強材料物理專業學生的分析和解決問題的能力。結合當前材料科學研究的新材料如石墨烯、二硫化鉬等納米材料、金屬氧化物量子點等，進行了結構和潛在應用的分析，對拓寬學生的知識結構、開闊視野和提高學習興趣起到了積極作用。

在講解能帶理論一章時，注重問題提出和解決的思路方法，將復雜的材料問題運用合理的物理近似處理方法，使材料物理專業能夠把所學的物理知識和材料有機結合起來，并能夠運用所學知識解決實際問題，通過實踐，收到較好效果。

針對電子科學與技術專業主要培養學生從事與光電子器件應用與光電工程技術等工作，需要實際與理論相結合，并且能夠把理論知識能夠運用在生產與工作當中的要求，在講述固體物理傳統內容時，抓住物理過程的主要方面，構造簡化的模型，進行有效的數學處理。教學過程緊扣物理模型和思想，適當降低知識難度，而且還要適當減少傳統固體物理內容與電子科學和技術專業關聯不大的問題。將與電子科學技術專業密切相關的能帶理論、晶體缺陷、半導體電子倫和金屬電子論等章節作為重點講授的內容，同時也盡量保持知識的連慣性和系統性。

科技發展日新月異，不斷出現的新技術和新發現為固體物理學課程內容的延伸不斷開拓出新的研究領域。在教學實踐中，我們將傳統的固體物理學教學內容與日新月異的物理前沿內容間的關聯有機結合起來，例如，與能帶理論有關的LED、與晶體結構有關的C60、太陽能光伏電池的研究進展和應用、以及固體激光器等與光電技術相關的前言知識穿插在教學當中，強化學生的基礎知識學習，提高學生的學習興趣、明確學生的專業方向，拓寬學生的視野。

2 根據專業特色調整和優化教學方法

針對材料物理和電子科學與技術專業的不同特點，除了進行固體物理教學內容的優化調整外，在教學方法也要進行改革，以適應這兩個專業的培養目標需要。

首先改變傳統教師課堂一言堂的教學方法，將課堂主體交給學生，增加師生互動環節。課堂上老師把要講授的內容以提出問題的形式展出，鼓勵學生解答這些問題，充分發揮了學生的積極主動性。對于學生普遍不好理解和難懂的問題，教師再進行細致講解，這樣做到重點突出，有的放矢，充分實現教師和學生的課題互動，極大地提高了學生的積極性。同時加強習題課環節，任課教師事先將要講的習題給學生，并安排學生分組討論。課堂上，學生積極主動上臺講解習題的不同解答方法，并可對不同解答提出質議，這樣既增強了學生理解和解決問題的能力，又極大提高了課堂效率。對不同專業學生，除了教學內容的側重點不同以外，在教學方式方法上也體現出差別。如對材料物理專業學生，教學時要注重課堂教學內容的邏輯關系，強化對概念和規律的理解、記憶，對于與專業相關的理論，要求學生能夠理論推導。而對電子科學與技術專業學生，提出“聯想式教學法”，例如，從大學物理中的光和機械波傳播的干涉和衍射現象引入倒格矢的概念，把抽象難懂的倒格子與光的波動性聯系起來，從而聯想到對微觀粒子波動性的空間描述;從大學物理中聲波和電磁場的耦合激化現象引領學生學習聲學波和光學波的異同點;從光伏太陽能電池的原理入手聯想到能帶理論等等，從而加深對固體物理圖像及物理本質認識，而不是僅僅停留在對概念和規律的推導和理解上。

其次是將生動直觀的物理演示模型引入課堂教學實踐中，提高課堂效率。我們將固體物理學課程中的相關難懂知識點，做成一系列教學模型，通過課堂演示，加深對學生對固體物理知識的理解和掌握。如講解不同晶體結構時，我們分別演示了Si、Cu和NaCl等的不同晶體結構的原子排列模型;講解晶體的對稱性時，我們分別演示立方體、圓柱體、錐體等的模型，引導學生分析不同模型的對稱特點，同時采用3D MAX 動畫制作軟件，將不同晶體結構制作成三維圖像及視頻，既形象又生動，充分調動學生的學習積極性。對于固體物理的能帶理論一章，推導復雜，學生理解有一定的困難，針對理論推導不作重點要求的電子科學與技術專業學生，我們重點通過講解模型建立和合理簡化處理問題的物理思想，通過引入不同能帶結構的半導體材料在LED、太陽能電池的應用，講解晶體能帶的特點和調控方法，加深了學生對這部分的重視和理解。

最后是重視課后反饋，增強學生的知識運用能力的提高。對學有余力的學生，我們結合院系的科研條件，安排一部分學生到實驗室，協助老師做些科研工作，結合課堂所學知識進行應用指導。我們將MS、CASTEP等計算軟件對電子科學與技術專業學生進行了培訓使用指導，使學生能夠利用計算軟件建立基本模型，并進行能帶、光電性質的計算， 進一步加深了學生對該相關知識的理解和應用能力的提高。利用課下時間，我們還引導學生運用不同數據庫查閱相關外文文獻，教會學生如何快速閱讀文獻，找到自己想要知道的信息，促進學生了解前沿課題研究的概況，對培養學生的創新和解決問題的能力起到了積極作用。

3 根據專業特色調整和優化考核體系

針對固體物理學課程在材料物理和電子科學與技術專業教學內容和教學方式的不同，對這兩個專業的學生制定出相應的考核體系。平時成績的計算上，除了傳統的考勤、作業分以外還設置課堂獎勵分，主要是對于課堂上任課教師提出的問題和安排的課題能夠認真、積極準備，完成或回答較好的，可給予一定的分數獎勵，以鼓勵學生積極參與課程學習，充分發揮學生的創造性和主動性。

對于電子科學與技術專業的學生，主要采用平時成績與期末考查相結合的評價形式，平時成績和期末考查各占50%。平時成績主要包含學生的考勤、作業、課堂回答問題、課下參加課題研究的情況，各部分所占比例也進行了細分，這有助于客觀公正地評價學生對固體物理學課程學習的積極性和主動性。期末考查一般采用小論文的形式，小論文的題目涉及到本課程相關的前沿內容和本課程基礎知識的應用，引導學生主動探索分析學科前沿動態和應用領域，提高學生的綜合分析問題和解決問題的能力，有利于學生充分發表自己的見解，展現自己的能力，發揮自己的水平。

總之，隨著科技發展的日新月異，傳統固體物理學課程的教學已經不能很好地適應材料物理和電子科學與技術專業等不同專業學生的需要，在教學內容、教學方法和考核體系針對不同專業進行優化和調整，對培養不同專業的創新型人才具有非常重要的作用。

注釋

① 付殿玲，郭文躍，趙聯明.“固體物理”課程教學內容和方法的改革與實踐[J].中國電力教育，2014.21：72-73.

第3篇

關鍵詞 　鍋爐房/計算機控制/供暖

Abstract　 Discusses the requirements for monitoring and management of the scopes from boiler houses for heating， steam-water and water-water heat exchangers， small scale heating networks to large scale district heating， the related hardware configuration and the approaches to realise the required functions.

Keywords　 computer control， heating， boiler

5.1 供暖熱水鍋爐房內監測與控制的主要目的應為：

·提高系統的安全性，保證系統能夠正常運行；

·全面監測并記錄各運行參數，降低運行人員工作量，提高管理水平；

·對燃燒過程和熱水循環過程進行有效的控制調節，提高鍋爐效率，節省運行能耗，并減少大氣污染。

對于熱水鍋爐，可將被監測控制對象分為燃燒系統和水系統兩部分分別進行討論。整個計算機監測控制管理系統可按圖5-1形式由若干臺現場控制機（DCU）和一臺中央管理機構成。各DCU分別對燃燒系統、水系統進行監測控制，中央管理機則顯示并記錄這兩個系統的在線狀態參數，根據供熱狀態況確定鍋爐、循環泵的開啟臺數，設定供水溫度及循環流量，協調各臺DCU完成各監測控制管理功能。

5．1．1 燃燒系統監測與控制

圖5-1 鍋爐房計算機的監控系統

對于鏈條式熱水鍋爐，燃燒過程的控制主要是根據對產熱量的要求控制鏈條速度及進煤擋板高度，根據爐膛內燃燒狀況及排煙的含氧量及爐膛內的負壓度控制鼓風機、引風機的風量，從而既根據供暖的要求產生熱量，又獲得較高的燃燒效率。為此需要監測的參數有：

·排煙溫度：一般使用銅電阻或熱電偶來測量；再配之以相應的溫度變送器，即可產生4～20mA或0～10 mA的電流信號，通過DCU的模擬量輸入通道AI即接入計算機。

·排煙含氧量：目前較多采用氧化鋯傳感器，可以對0.1%～21%范圍內的高溫氣體的含氧量實現較精確的測量，其輸出通過變送器后亦可轉換為4～20mA或0～10 mA電流信號。

·空氣預熱器出口熱風溫度：同上述測溫方法。

·爐膛、對流受熱面進出口、省煤器出口、空氣預熱器出口、除塵器出口煙氣壓力：測點可根據具體要求增減，一般采用膜盒式或波紋管式微壓差傳感器，再通過相應的變送器變為4～20mA或0～10 mA電流信號，接入DCU的AI通道。

·一次風、二次風風壓，空氣預熱器前后壓差：測量方法同上。

·擋煤板高度測量：通過專門的機械裝置將其轉換為電阻信號，再變成標準電流信號，送入DCU的AI通道。

·供水溫度及產熱量：由水系統的DCU測出后通過通訊系統送來。

燃燒系統需要控制調節的裝置為：

·爐排速度：由可控硅調壓，改變直流電機轉速

·擋煤板高度：控制電機正反轉，通過機械裝置帶動擋板運動

·鼓風機風量：調鼓風機各風室風閥或通過變頻器調風機轉速

·引風機風量：調引風機風閥或通過變頻器高風機轉速

為了監測上述調節裝置是否正常動作，還應配置適當的手段測試上述調節裝置的實際狀態。爐排速度和擋煤板高度可通過適當的機械機構結合霍爾元件等位置探測傳感器來實現，風機風量的調節則可以通過風閥的閥位反饋信號或變頻器的頻率輸出信號得到。

燃燒過程的控制調節主要包括事故下的保護，啟停過程控制，正常的燃燒過程調節三部分。

·事故保護：這主要是由于某種原因造成循環水停止或循環量過小，以及鍋爐內水溫太高，出現汽化。此時最重要的是恢復水的循環，同時制止爐膛內的燃燒。這就需要停止給煤，停止爐排運行。停止鼓風機，引風機。DCU接收水溫超高的信號后，就應立即進入事故處理程序，按照上述順序停止鍋爐運行，并響鈴報警，通知運行管理人員，必要時還可通過手動補入冷水排除熱水，進行鍋爐降溫。

啟停控制：啟動點火一般都是人工手動進行，但對于間歇運行的鍋爐，封火暫停機和再次啟動的過程則可以由DCU控制自動進行。封火過程為逐漸停止爐排運動，停掉鼓風機，然后停止引風機。重新啟動的過程則是開啟引風機，慢慢開大鼓風機，隨爐溫升高慢慢加大爐排進行速度。

正常運行調節：正常運行時的調節主要是使鍋爐出口水溫度維持在要求的設定值，同時達到高燃燒效率，低排煙溫度，并使爐膛內保持負壓。這時作為參照的測量參數有爐膛內的溫度分布、壓力分布、排煙含水量氧量等。鍋爐的給煤量可以通過爐排速度和擋煤板高度（即煤層厚度）確定，鼓風機則可以根據空氣預熱器進出口空氣的壓差判斷其相對的變化，此時可以調整控制量有爐排速度、煤層厚度（調整擋煤礦板高度）、鼓風機轉速、各風室風閥、引風機轉速或風閥。上述各調節手段與各可參照的測量參數都不是單一的對應關系，因此很難用如PID算法之類的簡單控制調節算法。目前，控制調節效果較好的大都采用"模糊控制"方法或"規則控制"法，都是根據大量的人工調節運行經驗而總結出的調節運行方法。

當燃燒充分時，鍋爐的出力主要取決于燃煤量，因此鍋爐出口水溫的控制主要靠爐排速度及煤層厚度來調節，煤層厚度與煤種有很大關系，爐膛內燃燒狀況可以通過爐膛內溫度分布及煤層風阻來確定。燃燒充分時爐膛內中部溫度最高，爐排尾部距擋渣器前煤已燃盡，溫度降低。鼓風機則應根據進煤量的增減而增減送風量，同時通過觀測排煙的含氧量最終確定風量是否適宜。引風機則可根據爐膛內負壓狀態決定運行狀態，維持爐內微負壓，從而既保證煤的充分燃燒，又不會使煙氣和火焰外溢。根據如上分析，可采用如下調節規則：

每h一次，根據爐膛內溫度分布調整煤層厚度及爐排速度，最高溫度點后移，則將爐排速度降低5%，同時將擋煤板提高5%，當最高溫度點前移時，則將爐排速度提高5%，同時將擋煤板降低5%。

每2h一次：若出水溫度高于設定值2℃以上，則將爐排速度降低5%，若出水溫度低于設定值2℃以上，則將爐排速度加大5%，加大和減小爐排速度的同時，還要相應地將鼓風機轉速開大或減小。當采用風閥調整鼓風量時，則調閥，觀察空氣預熱器前后壓差使此壓差增大或減少10%。

每15min一次：若排煙含氧量高于高定值，則適當減少鼓風同風量（降低轉速或關小風閥），若低于高定值，則增加鼓風機風量。

每15min一次：若爐膛負壓值偏小（或變為正壓），加大引風機轉速或開大風閥，若負壓值偏大，則降低引風機風量。

以上調節規則中，所謂"合理的爐膛溫度分布"取決于鍋爐形式及測溫傳感器安裝位置，需通過具體運行實測分析后，給出"合理"，"最高溫度前移"，"最高溫度后移"的判據，然后將其再寫入DCU控制邏輯中。同樣，排煙含氧量的設定值，含氧量出現偏差時對鼓風機風量的修正等參數也需要在鍋爐試運行后，根據實際情況摸索，逐步確定。當然這幾個修正量參數也可以在運行過程中通過所謂"自學習"的方法得到，在這里不做過多的討論。

5．1．2 鍋爐房水系統的監測控制

鍋爐房水系統的計算機監測控制系統的主要任務是保證系統的安全性；對運行參數進行計量和統計；根據要求調整運行工況。

·安全性保證：保證主循環泵的正常運行和補水泵的及時補水，使鍋爐中循環水不會中斷，也不會由于欠壓缺水而放空。這是鍋爐房安全運行的最主要的保證。

·計量和統計：測定供回水溫度和循環水量，以得到實際的供熱量；測定補水流量，以得到累計補水量。供熱量及補水量是考查鍋爐房運行效果的主要參數。

·運行工況調整：根據要求改變循環水泵運行臺數或改變循環水泵轉速，調整循環流量，以適應供暖負荷的變化，節省運行電費。

圖5-2為由2臺熱水鍋爐、4臺循環水泵構成的鍋爐房水系統示意圖。圖中還給出建議的測量元件和控制元件。

2臺鍋爐的熱水出口均安裝測溫點，從而可了解鍋爐出力狀況。為了了解每臺鍋爐的流量，最好在每臺鍋爐入口或出口安裝流量計，一般可采用渦街式流量計。渦街式流量計投資較高，可以按照圖5-2那樣在鍋爐入口調節閥后面安裝壓力傳感器，根據測出的壓力p3，p4與鍋爐出口壓力p1之壓差，也可以間接得到2臺鍋爐間的流量比例。2臺鍋爐入口分別安裝電動調節閥來調整流量，可以使在2臺鍋爐都運行時，流量分配基本一致，而當低負荷工況下1臺鍋爐停止或封火，循環水泵運行臺數也減少時，自動調節流量分配，使運行的鍋爐通過總流量的90%以上，封火的鍋爐僅通過總流量的5%～10%，僅維持其不至于過熱。

圖5-2 鍋爐房水系統原理及其測控點

溫度傳感器t3，t4，t5和流量傳感器F1一起構成對熱量的計量。用戶側供暖熱量為，GF1cp(t3-t4)，其中GF1為用流量F1測出的流量。鍋爐提供的熱量則為GF1cp(t3-t5)，二者之差是用于加熱補水所需要的熱量。長期記錄此熱量并經常對其作統計分析，與煤耗量比較，既可檢查鍋爐效率的變化，及時發現鍋爐可能出現的問題，與外溫變化情況相比較，則又可以了解管網系統的變化及供熱系統的變化，從而為科學地管理供暖系統的運行提供依據。

泵1～4為主循環泵。壓力傳感器p1，p2則觀測網路的供回水壓力。安裝4臺泵時的一般視負荷變化情況同時運行2臺或3臺水泵，留1臺或2臺備用。用DCU控制和管理這些循環水泵時，如前幾講所述，不僅要能夠控制各臺泵的啟停，同時還應通過測量主接觸器的輔助觸點狀態測出每臺泵的開停狀態。這樣，當發現某臺泵由于故障而突然停止運行時，DCU即可立即啟動備用泵，避免出現因循環泵故障而使鍋爐中循環水停止流動的事故。流量傳感器F1也是觀察循環水是否正常的重要手段。當外網由于某種原因關閉，盡管循環水泵運行，但流量可以為零或非常小，此時也應立即報警，通過計算機使鍋爐自動停止，同時由運行值班人員立即手動開啟鍋爐的旁通閥V4，恢復鍋爐內的水循環。

泵5，6與壓力測量裝置p2，流量測量裝置F2及旁通閥V3構成補水定壓系統，當p2壓力降低時，開啟一臺補水泵向系統中補水，待p2升至設定的壓力值時，停止補水。為防止管網系統中壓力波動太大，當未設膨脹水箱時，還可設置旁通閥V3來維持壓力的穩定。長期使一臺補水泵運行，通過調整閥門V3來維持壓力p2不變。補水泵5，6也是互為備用，因此DCU要測出每臺泵的實際啟停狀態，當發現運行的泵突然停止或需要啟動的泵不能啟動時，立即啟動另一臺泵，防止系統因缺水而放空。流量計F2用來計算累計的補水量，它可以是渦街流量計，也可以采用通常的冷水水表，或有電信號輸出的水表。

5．1．3 鍋爐房的中央管理機

如圖5-1所示，可采用一臺中央管理計算機與各臺DCU連接，協調整個鍋爐房及熱網的運行調節與管理。中央機主要工作任務為：

·通過圖形方式顯示燃燒系統、水系統及外網系統的運行參數，記錄和顯示這些參數的長期變化過程，統計分析耗熱量、補水量、外溫及供回水溫度的變化。

·根據外溫變化情況，預測負荷的變化，從而確定供熱參數，即循環水量及泵的開啟臺數、供水溫度、鍋爐運行臺數。將這些決定通知相應的DCU產生相應原操作或修改相應的設定值。負荷的預測可以根據測出的以往24h的平均外溫

w來確定：

(5-1)

式中為Q0設計負荷，t0為設計狀態下的室外溫度，Q為預測出的負荷。考慮到建筑物和管網系統的熱慣性，采用時間序列的方法來預測實際需要的負荷，可能要更準確些。

式（5-1）中的負荷盡管每h計算一次，但由于是取前24h的平均外溫，因此它隨時間變化很緩慢。每hQ的變化ΔQ僅為：

（5-2）

其中t w，τ - tw，τ-24為兩天間同一時刻溫度之差，一般不會超過5℃，因此ΔQ的變化總是小于Q的1%，所以不會引起系統的頻繁調節。

根據預測的負荷可以確定鍋爐的開啟臺數Nb：Nb≥Q/ q0，其中q0為每臺鍋爐的最大出力。由此還可確定循環水泵的開啟臺數。

要求的總循環量G=max（Q/(Δt·cp）Cmin)，其中Gmin為不產生垂直失調時要求的最小系統流量，Δt為設定的供回水溫差。由于多臺泵并聯時，總流量并非與開啟臺數成正比，因此可預先在計算機中預置一個開啟臺數成正比，因此可預先在計算機中預置一個開啟臺數與流量的關系對應表，由此可求出要求的運行臺數。

·分析判斷系統出現的故障并報警。鍋爐及鍋爐房可能出現的故障及由計算機進行判斷的方法為：

--水冷壁管或對流管爆管事故 此時補水量迅速增加，爐膛內溫度迅速下降，排煙溫度下降，爐膛內溫度迅速下降，排煙溫度下降，爐膛內壓力迅速由負壓變為正壓。

--水側升溫汽化事故 此時鍋爐熱水出口溫度迅速提高，接近達到或超過出口壓力對應的飽和溫度。

--鍋爐內壓力超壓事故測出水側壓力突然升高，超過允許的工作壓力；

--管網漏水嚴重 測了水側壓力降低，補水量增大；

--鍋爐內水系統循環不良 測出總循環水量GF1減少很多，壓差p3-p1或p4-p1加大；

--除污器堵塞 測出總循環水量GF1減少，當閥門V1、V2全開時壓差p3-p2、p4-p2仍偏小，說明壓力傳感器p2的測點至循環水泵入口間的除污器的堵塞。

--爐排故障 測出的爐排運動速度與設定值有較大差別；

--引風機、鼓風機、水泵故障 相應的主接觸器跳閘，或所測出的空氣壓差或水循環流量與風機、水泵的設計狀況有較大出入。

利用計算機根據上述規則及實測運行參數不斷進行分析判斷，即可及時發現上述事故或故障，并立即采取報警和停爐等相應的措施，從而防止事故的進一步擴大或故障轉化為事故，提高運行管理的安全性。

5．2 蒸汽-水和水-水換熱站的監測與控制

對于利用大型集中鍋爐房或熱電廠作為熱源，通過換熱站向小區供熱的系統來說，換熱站的作用就同上一節的供暖鍋爐房一樣，只是用熱交換器代替了熱水鍋爐。

圖5-3為蒸汽-水換熱站的流程及相應的測控制元件。水側與圖5-2一樣，控制泵5、6及閥V2根據p2的壓力值補水和定壓；啟停泵1～4來調整循環水量；由t2，t3及流量測量裝置F1來確定實際的供熱量。與鍋爐房不同的是增加了換熱器、凝水泵的控制以及蒸汽的計量。

圖5-3 蒸汽-水換熱站的測量與控制

蒸汽計量可以通過測量蒸汽溫度t1、壓力p3和流量F3實現，F3可以選取用渦街流量計測量，它測出的為體積流量，通過t1和p3由水蒸氣性質表可查出相應狀態下水蒸氣的比體積ρ，從而由體積流量換算出質量流量。為了能由t和p查出比體積，要求水蒸氣為過熱蒸汽。為此將減壓調節閥移至測量元件的前面，如圖5-3中所示，這樣即使輸送來的蒸汽為飽和蒸汽，經調節閥等焓減壓后，也可成為過熱蒸汽。

實際上還可以通過測量凝水量來確定蒸汽流量。如果凝水箱中兩個液位傳感器L1、L2靈敏度較高，則可在L2輸出無水信號后，停止凝水排水泵，當L2再次輸出有水信號時，計算機開始計時，直到L1發出有水信號時，計時停止，同時啟動凝水泵開始排水。從L2輸出有水信號至L1開始輸出有水信號間的流量可以用重量法準確標定出，從而即可通過DCU對這兩個水位計的輸出信號得到一段時間內的蒸汽平均質量流量，代替流量計F3，并獲得更精確的測量。當然此處要求液位傳感器L1、L2具有較高靈敏度。一般如浮球式等機械式液位傳感器誤差較大，而應采取如電容式等非直接接觸的電子類液位傳感器。

加熱量由蒸汽側調節閥V1控制。此時V1實際上是控制進入換熱器的蒸汽壓力，從而決定了冷凝溫度，也就確定了傳熱量。為改善換熱器的調節特性，可以根據要求的加熱量或出口水溫確定進入加熱器的蒸汽壓力的設定值。調整閥門V1使出口蒸汽壓力p3達到這一設定值。與直接根據出口水溫調整閥門的方式相比，這種串級調節的方式可獲得更好的調節效果。

供水溫度t3的設定值，循環泵的開啟臺數或要求的循環水量的確定，可以同上一節一樣，根據前24h的外溫平均值查算供熱曲線得到要求的供熱量，并算出要求的循環水量。供水溫度的設定值t3，set可由調整后測出的循環水量G、要求的熱量Q及實測回水溫度t2確定：

t3，set = t2+Q/（cp·G）

隨著供水溫度t3的改變，t2也會緩慢變化，從而使要求的供水溫度同時相應地改變，以保證供出的熱量與要求的熱量設定值一致。

對于一次網為熱水的水-水換熱站，原則上可以按照完全相同的方式進行，如圖5-4。取消二次供水側的流量計F1，僅測量高溫熱水側的流量F3，再通過即可和到二次側的循環水量，一般高溫水溫差大，流量小，因此將流量計裝在高溫側可降低成本。測量高溫水側供回水壓力p3、p4可了解高溫側水網的壓力分布狀況，以指導高溫側水網的調節。

圖5-4 水-水換熱站的測量與控制

調整電動閥門V1改變高溫水進入換熱器的流量，即可改變換熱量。可以按照前述方法確定二次側供水溫設定值，由V1按此設定值進行調節。在實際工程中，高溫水網側的主要問題是水力失調，由于各支路通過干管彼此相連，一個熱力站的調整往往會導致鄰近熱力站流量的變化。另外，高溫水側管網總的循環水量也很難與各換熱站所要求的流量變化相匹配，于是往往造成外溫降低時各換熱站都將高溫側水閥V1開大，試圖增大流量，結果距熱源近的換熱站流量得到滿足，而距熱源遠的換熱站流量反而減少，造成系統嚴重的區域失調。解決這種問題的方法就是采用全網的集中控制，由管理整個高溫水網的中央控制管理計算機統一指定各熱力站調節閥V1的閥位或流量，各換熱站的DCU則僅是接收通過通訊網送來的關于調整閥門V1的命令，并按此命令進行相應的調整。高溫水側面管網的集中控制調節。將在一下節中詳細介紹。

5．3 小區熱網的監測與調節

小區熱網指供暖鍋爐房或換熱站至各供暖建筑間的管網的監測調節。小區熱網的主要問題也是冷熱不均，有些建筑或建筑某部分流量偏大，室內過熱，而另一些建筑或建筑的另一部分卻由于流量不足而偏冷。這樣，計算機系統的中心任務就是掌握小區各建筑物的實際供暖狀況，并幫助維護人員解決冷熱不均問題。

測量各戶室溫是對供暖效果最直接的觀測，但實際系統中尤其是對住宅來說，很難在各房間安裝溫度傳感器。比較現實的方法就是測量回水溫度，根據各支路回水溫度的差別，就可以估計出各支路所負責建筑平均室溫的差別。如果各支路回水溫度調整到相同值，就意味著各支路所帶散熱器的平均溫度彼此相同，因此可以認為室溫也基本相同。一般住宅的回水溫度測點可選在建筑熱入口中的回水管上。對于大型建筑，可選在設備夾層中幾個主要支路的回水干管上。

要解決冷熱不均問題就需要對系統的流量分配進行調整，在各支路上都安裝由計算機進行自動調節的電動調節閥成本會很高，同時一旦各支路流量調節均勻，在無局部的特殊變化時，系統應保持冷熱均勻的狀態，不需要經常調整。因此可以在各支路上安裝手動調節閥，通過計算機監測和指導與人工手動調節相配合的方法實現小區供暖系統的調節和管理。為便于人工手動調節，希望各支路的調節閥有較準確的開度指示。目前國內推廣建研院空調所等幾個單位研究開發流量調配閥，有準確的閥位指示，閥位可鎖定，并提供較準確的閥位-阻力特性曲線，采用這種閥門將更易于計算機指導下的人工調節。

根據上述討論，計算機系統要測出各支路的回水溫度，并將其統一送到供暖小區的中央管理計算機中進行顯示、記錄和分析。測出這些回水溫度的方法有如下兩種方式：

集中十余個回水溫度測點設置1臺DCU。此DCU僅需要溫度測量輸入通道。再通過專門鋪設的局部網或通過調制解調器經過電話線與小區的中央管理聯接。當這十幾個溫度相互距離較遠時，溫度傳感器至DCU之間的電纜的鋪設有時就有較大困難，溫度信號的長線傳輸亦會有一些干擾等影響。這種方式僅在建筑物較集中、每一組聯至一臺DCU的測溫點相距不太遠時適用。

采用內部裝有單片機的智能式溫度傳感器，可以連接通訊網通訊或通過調制解調器搭用電話線連至中央管理計算機。這樣，可以在距測點最近的樓道墻壁上掛上一臺帶有調制解調器的溫度變送器，通過一根電纜接至回水管上的溫度傳感器，再通過一根電纜搭接鄰近電話線。目前這類設備每套價格可在1000～1500元人民幣之間。如果每1000～3000m2建筑安裝一個回水溫度測點，則平均每m2供暖建筑投資在0.50～1元間。

小區的中央管理計算機采集到各點的回水溫度后，可在屏幕上通過圖形方式顯示，使運行管理人員對當時的供熱狀況一目了然。還可根據各支路間回水溫度的差別計算各支路閥門需要的調整量。對于一般的帶有閥位指示的調節閥，這種分析只能采用某種基于經驗的規則判斷法，下面為其一例：

找出溫度最高的10%支路的平均溫度max，溫度最低的10%支路和的平均溫度min，全網平均回水溫度。

若max - min

若max - >2℃，將溫度最高的10%支路閥門都關小，與相比溫度每高1℃關小3%5～%；

若max -

根據上面的分析結果，計算機顯示并打印出需要調節的支路及其調節量。運行管理人員根據計算機的輸出結果到現場進行手動調節。在供暖初期每3天左右進行一次這種調節。一般經過6～8次即可使一個小區基本實現均勻供熱。

采用流量調配閥時可以使調節效率更高，效果更好。此時需要將現場各流量調配閥的實際開度、流量調配閥的開度-阻力特性性能曲線及小區管網的連接關系圖輸入中央管理計算機，有專門的算法可以根據調整閥門后回水溫度的變化情況識別出管網的阻力特性及熱用戶的熱力特性，從而可較準確地給出各流量調本閥需要調整的開度[4] ，每次調整后，調整人員需將實際上各調節閥的調整程度輸入計算機。計算機進而計算了下一次需要的調整量，像這樣一次高速可間隔2～5d。模擬分析與實驗結果表明，一般只要進行3～4次調節，即可使各支路的回水溫度調整到相互間差值都在3℃以內，實現較好的均勻供熱[8] 。

目前，許多供熱公司和有關管理部門開始提出裝設熱量計，以按照實際供熱量收供暖費，各種采用單片計算機的熱量計相應出臺。這種熱量計多是由一臺轉子式流量計和兩臺溫度傳感器配一臺單片計算機構成。轉子式流量計每流過一個單元流量即發出一個脈沖，由單片機測出此脈沖，得到流量，再乘以當時測出的供回水溫差，即可行到相應的熱量，由單片要對此熱量值進行累計和其它統計分析就成為熱量計。目前的單片機稍加擴充就可以具有通訊功能，通過調制解調器將它與電話線連接，就能實現熱量計與小區供暖的中央管理機通訊。這樣，不但各用戶的用熱量能夠及時在中央管理機中反映，各用戶的回水溫度狀況還能隨時送到中央管理計算機中，從而可以對網的不平衡發問進行分析，給出熱網的調節方案。這樣，將熱量計、通訊網與小區中央管理計算機三者結合，就可以全面實施小區熱網的熱量計量、統計與管理、運行調節分析三部分功能，較好地解決小區熱網的運行、管理與調節。

5．4 熱電聯產的集中供熱網的計算機監控管理

熱電聯產的集中供熱網可以分成兩部分：熱源至各熱力站間的一次網，熱力站至各用戶建筑的二次網。后者的控制調節已在前幾節討論，本節討論熱源至各熱力站間的一次網的監控管理。

一次網有蒸汽網和熱水網兩種形式，對于蒸汽網，各熱力站為前面討論過的蒸汽-熱水換熱站，一次網的管理主要是各熱力站蒸汽用量的準確計量，這在前面也已討論。下面主要研究熱水網的監測控制調節。

若忽略熱網本身的慣性，則系統各時刻和熱力站換熱量之和總是等于熱源供出的總熱量，此外各熱力站一次網循環水量之和又總是等于熱源循環泵的流量，不論是冷凝式、抽汽式還是背壓式熱電廠，其輸出到熱網的熱量都不是完全由各熱力站的調節決定，而是由熱電廠本身的調節來決定，取決于進入蒸汽-水換熱器的蒸汽量。由于熱電廠控制調節輸出熱量時很難準確了解各熱力站對熱量的需求，同時還要兼顧發電的要求，不能完全根據各熱力站需要的熱量調整，于是熱源供出的熱量就很難與各熱力站實際需求的熱量之和一致，這樣，就導致控制調節上的一些矛盾。

為簡單起見，假設熱電廠向蒸汽-水加熱器送入固定的蒸汽量Q0，如圖5-5，若此熱量大于各熱力站需要的熱量，則各熱力站二次側調節紛紛關小。以減小流量。由此使總流量相應減少，導致供回水溫差加大。如果電廠維持蒸汽量Q0不變則各熱力站調節閥的關小并不能使總熱量減少，而只是根據網的特性及各熱力站調節特性的不同，有的熱力產流量減少的多，使得供熱量有所減少；有的熱力站流量減少的幅度小，則供熱量反而電動閥加。同樣，如果Q0小于各熱力站需要的總熱量時，各熱力站的調節閥紛紛開大，使流量增加，由此導致供回水溫差減小。熱力站1，2可能由于熱量增大的幅度大于水溫降低的幅度，供熱量的需求得以滿足，但由于流量增大，泵的壓力降低，干管壓降又減小，導致3，4的資用壓頭大幅度下降，閥門開大后，流量也增加不多，甚至還要下降，這樣，供熱量反而減少。由此可見在這種情況下各熱力站對一次側閥門的調節實際是對各熱力站之間的熱量分配比例的調節，而不是對熱量的調節，如果各熱力站都是這樣獨立地根據自己小區的供熱需求進行調節，而熱電廠又不做相應的配合，則整個熱網不可能調整控制好。實際上熱電廠也會進行一些相應的調節，例如發現t供升高時會減少蒸汽量，t供降低時會增加蒸汽量，但Q0總是不可能時刻與各熱力站總的需求量一致，上述矛盾是永遠存在的。

圖5-5 熱電廠與各熱力站之間的平衡

因此，就不宜對各個熱力站按照第5.1、5.2節中的討論的，根據外溫獨立調節。既然各熱力站一次側閥門的調節只解決熱量的分配比例，那么對它們的調節亦應該根據對熱量的分配比例來調節。一種方式是如果認為供熱量應與供熱面積成正比，則測出每個熱力站的瞬時供熱量，根據各熱力站的供熱面積，計算每個熱力站的單位面積q。對q偏大的熱力站關小調節閥，對q偏小的則開大調節閥，這樣不斷修正，直至各熱力站的 q相同為止。再一種方式則是認為各散熱器內的平均溫度相同，房間的供熱效果就相同。由于散熱器的平均溫度等于二次側的供回水平均溫度，因此可以各熱力站二次側供回水平均溫度調整成一致目標，統一確定熱力站二次側供回水平均溫度的設定值，根據此設定值與實測供回水平均溫度確定開大或關小一次側調節閥。按照這一思路，對各熱力站的調節以達到熱量的平均分配為目的，以實現均勻供熱。熱電廠再根據外溫變化，統一對總的供熱量進行調整，以保證供熱效果并且不浪費熱量。由于整個熱網所供應的建筑物效果并不浪費熱量。由于整個熱網所供應的建筑物均處在同一外溫下，因此，一旦系統調整均勻，對各熱和站調節閥的調整很少，熱源的總的供熱以數隨外溫改變，各熱力站的調節閥則不需要隨外溫而變化，只當小區二次系統發生一些變化時才需要進行相應的調節。

要實現這種調節方式，就必須對全網各熱力站的調節閥實行集中統一的控制調節。可以在每個熱力站設一臺DCU現場控制機，測量一、二次側的水溫、壓力、流量及二次側循環泵狀態，并可控制一次側電動調節閥。通過通訊網將各熱力站連至中央管理計算機。由于熱力站分布范圍很大，通訊距離較過遠，這時的通訊可通過調制解調器搭用電話線，也可以隨著供熱干管同時埋設通訊電纜，使用雙絞線按照電流環方式通訊。中央管理機不斷采集各熱力站發送來的實測溫度、壓力、流量，定期計算熱力站發送來的實測溫度、壓力、流量，定期計算熱力站發送來的實測溫度的設定值與和各熱力站實測值的比較，直接命令各熱力站DCU開大/關小電動調節閥。各熱力站二次側回水溫度的變化是一慣性很大且緩慢的過程，因此應采有0.5～1h以上的時間步長進行調節，以防止振蕩。

除對熱網工況進行高速外，計算機控制系統還應為保證系統的安全運行做出貢獻。當熱力站采用直連的方式，不使用熱交換器時，最常見的事故就是管道內超壓導致散熱器脹裂，DCU可直接監視用戶的供回水管壓力，發現超壓立即關閉供水閥，起到保護作用。無論直連還是間連網，另一類嚴重的事故就是一次網漏水。嚴重的管道漏水如不能及時發現并切斷和修復，將嚴重影響供熱系統和熱電廠的運行。根據各熱力站DCU監測的一次網供回水壓力分布，還可以從其中的突然變化判斷漏水事故及其位置，這對提高熱網的安全運行有十分重要的意義，這類系統壓力分析與事故判斷的工作應屬于中央管理機的工作內容。

5．5 參考文獻

1 溫麗，鍋爐供暖運行技術與管理，北京：清華大學出版社，1995。

2 陸耀慶主編，實用供熱空調設計手冊，北京：中國建筑工業出版社，1993。

3 李祚啟，集中供熱管理微機自控優化系統，建設電子論文選編，北京：中國建筑工業出版社，1994。

4 江億，集中供熱網控制調節策略探討，區域供熱，1997，（2）。

5 江億，城市集中供熱網的計算機控制和管理，區域供熱，1995（5）。

6 Yi Jiang， Fault detection and diagnosis in district heating system. Pan-pacific symposium on building and urban environmental conditioning in Asia. Nagoya， Japan， 1995，..