计算机在电气工程中的应用及前景

大学计算机-计算思维导论翻转课堂答辩报告计算机在本学科的应用及前景September29,2016September29,2016

目录1 概述 -1-概述问题说明信息技术广泛地定义为包括计算机、世界范围高速宽带计算机网络及通讯系统,以及用来传感、处理、存储和显示各种信息等相关支持技术的综合.信息技术对电气工程的发展具有特别大的支配性影响.信息技术持续以指数速度增长在很大程度上取决于电气工程中众多学科领域的持续技术创新.反过来,信息技术的进步又为电气工程领域的技术创新提供了更新更先进的工具基础.电气工程及其自动化毕业生具有系统地掌握本专业领域必需的较宽的技术基础理论知识,主要包括电工理论、电子技术、信息处理、控制理论、计算机软硬件基本原理与应用等方面的知识和能力。我们将介绍三个方面的内容：1.电气工程的发展趋势与所遇到的问题2.计算机在电气工程中的应用及在这方面的研究3.计算机在电气工程中的应用前景相关概念CADACADCAD即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），诞生于二十世纪六十年代，用于图形的编辑、放大、缩小、平移、复制和旋转等有关的图形数据加工工作。ACAD即AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，世界第四大PC软件公司Autodesk公司的主导产品。AutoCAD有强大的二维绘图功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注等功能，同时具有三维绘图功能。利用AutoCAD提供的AutoLISP、ADS、ARX作为二次开发的工具，还可以在许多实际应用领域开发出许多符合实际应用的软件。目前，Autodesk公司最新发布的版本是AutoCAD2008。也是我们电气工程使用的应用软件。机智云云储存智能电网机智云，亚洲最大的智能硬件自助开发PaaS及物联网SaaS云服务平台，全球领先的物联网云服务商，全栈式物联网平台服务领导者，广州机智云物联网科技有限公司注册商标。产品及服务涵盖终端管理、连接管理、应用支持和业务分析等主要功能，为有志于进军物联网的用户提供智能硬件一站式开发工具及云端运维服务，是目前IoT技术最成熟、云端应用功能最完善、全球量产客户最多、最受IoT开发者喜爱的量产级别智能硬件开发及云服务平台，被业界及媒体公认为物联网第三方云服务第一品牌。云存储(CloudStorage)是以数据存储和管理为核心功能的云计算系统，它是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。智能电网(SmartGrid)是把最新的信息化、通讯、计算机控制技术和原有的输、配电基础设施高度结合，形成一个新型电网，实现电力系统的智能化。智能电网可以提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少输电网的电能损耗。进入新世纪后，美国能源部、电力科学研究院以及欧盟委员会等对未来智能电网的发展纷纷提出各自的设想和框架；国际电工委员会、国际大电网会议组织等国际组织也高度关注智能电网的发展情况。国内国家电网公司提出了建设“坚强智能电网"的电网发展大战略。1.2.3智能家居智能家居（英文：smarthome,homeautomation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行。内容章节安排第一节介绍电气工程的发展过程中遇到的问题第二节介绍计算机在电气工程中的应用及在这方面的研究第三节介绍计算机在电气工程中的应用前景具体介绍电气工程的发展过程中遇到的问题电气工程自动化水平低的现状1、系统设计比较复杂，没有根据具体应用对象，有针对性地进行编程设计，在实际应用中，自动化水平低，没有真正发挥电气工程自动化的重要作用。2、电气工程自动化系统功能的集成作用很低，信息数据在交流上有障碍问题，单一的功能作用导致电气工程自动化水平还存在不足。而且在进行电气自动化技术的研发时很容易受到技术管理人员的主观影响，不利于电气工程自动化的发展。3、电气工程自动化在发展的过程中还不是很统一，不同的电力企业运用的网络信息技术不同，使得信息程序的传输接口不同，这样就会造成资源信息的交流存在障碍，阻碍了电气工程自动化的发展。实施中的效率低方法复杂由于网络布线以及在电气工程以及自动化方面的软件设计上的不足，直接导致了电气工程及其自动化你能否成功的运行。它的运行依靠的是各种各样的网络结构，当今网络结构错综复杂，这会造成一些额外的影响，在加上电气工程所需的技术和网络构架的截然不同，直接造就了造成了电气工程及其自动化发展与建设中的繁琐与杂乱，致使施工的过程效率及其地下。这是现阶段电气工程及其自动化发展不容忽视的问题，也是急需解决的问题。数据传输的安全性电气工程自动化虽然最早应用于工业领域，但是随着全球一体化的进行，已经悄然的朝着商业化过渡，这就使数据安全性成为了我们最为注意的问题，电气工程自动化的前期发展中不注意对数据安全性的控制，同时很多企业在进行内部信息交流是也会因为不同的产品差异造成数据传输上的困难，使电气工程自动化技术在应用的过程中增加成本。计算机在电气工程中的应用及在这方面的研究2.2.1我们主要介绍三个内容，首先是ACADAutoCAD在电气领域内的设计主要包括：（1）机械及汽车电气设计。如零件图、装配图、电气原理图、KE-Jetronic电路图、发动机点火装置电路图的绘制。（2）变电工程图设计。如变电工程图、电气主接线图、变电所断面图、高压开关柜外观图的绘制。（3）输电工程图设计。如架空线路图、电缆线路工程图的绘制。（4）电子线路图的设计。如数字电路、模拟电路及电力电子电路的绘制。（5）工厂电气控制图的设计。如工厂低压系统图、电动机控制图、车间接地线路图、工厂智能系统配线图的绘制。（6）通信工程图的设计。如移动通信系统图、数字交换机系统结构图、无线寻呼系统图的绘制。（7）建筑电气平面图设计。如办公楼配电平面图、屋顶防雷接地平面图的绘制等。简单给大家看看一下电气制图使用CAD进行机械制图的优势使用简单，易于上手机械制图中经常需要设计新零件，而ACAD对其零件的制造有很好的支持和扩充，在ACAD软件中，可以根据模板零件改装新零件，可以单独设计新零件，对零件模板的修改方便快捷，同时ACAD还能保证零件与零件之间的亲密耦合，避免单独设计零件导致的装配错误。ACAD带可以设计一些复杂的数学模型来辅助零件的制作，大大缩减了绘图者的绘图时间，提高了绘图效率。绘图精度高一般机械制图要求的精度精确到毫米，手工绘图误差较大，ACAD实现了高精度的绘图标准，这事手工绘图所无法比拟的，特别是在精度要求较高的灯光照度分析、日影分析等方面具有较大的有时，利用ACAD制图极大地提高了机械制图的精确性。成果重复利用，传统的手工制图，项目与项目之间的零件无法复用，利用ACAD制图，可以建立不同类型的项目中的素材库，设计一次零件，可以应用到后续所有使用该零件的项目中，不用重复开发。对类似的零件，可以修改复制成为新的零件，大大提高了工作效率，同时项目经验可以复用。2.2.2接着要介绍的是机智云的用途及其与电气工程的关系。首先是用途：1.免费通过机智云后台的自助接入工具配合GoKit开发板，30分钟可以完成一款物联网设备原型的开发。让开发者快速把想法变成产品。2.免费通过机智云后台可视化的设备功能定义工具，硬件厂商可以自助、快速的实现硬件产品的云端接入。3.机智云免费提供物联网设备网络连接、远程操控、互联互通所必需的云端服务支持。4.通过机智云后台完成一款设备的功能定义之后，后台自动生成负责底层通信的SDK（应用开发工具包），开发者只需完成界面用户体验层的开发，集成SDK后即完成一款智能硬件App开发。5.设备接入机智云后，机智云免费提供了设备数据的统计分析和运算处理。6.通过机智云开放平台，让更多的第三方应用开发者为你提供应用开发服务，同时也供了智能硬件与第三方智能硬件的互联互通条件。接着是与电气工程的关系感知层与电气自动化物联网感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。其包含传感器技术，RFID技术，二维码技术，蓝牙技术等技术。而自动化在这一层次上主要承担的角色是指自动化承担为物联网提供各种技术支持。因为自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，这些理论所带来的技术方面的支撑能很好的支持物联网感知层的建立，能够提供从事自动控制、自动化、信号与数据处理及计算机应用等方面的技术工作。这些都是物联网所需要的最基本的技术支持，没有这些技术的支持，物联网感知层必定不能够起到一种类似“神经”的效果，也就是说物联网感知层必须与自动化技术联系起来，只有这样才能实现“感知”。网络层与电气自动化物联网网络层是在现有网络的基础上建立起来的，它与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，主要承担着数据传输的功能。网络层主要用于把感知层收集到的信息安全可靠地传输到信息处理层，然后根据不同的应用需求进行信息处理,实现对客观世界的有效感知及有效控制。物联网网络层将承担比现有网络更大的数据量和面临更高的服务质量要求，所以现有网络尚不能满足物联网的需求，这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。物联网中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类承载网络物联网的承载网络包括互联网、移动通信网以及无线低速网和无线宽带网等网络形式。而自动化可以在这一部分承担起信息整合的整合的能力及提供新的网络支撑，即将信息实现一种智能化的分配，让信息能够被筛选出来，不再是杂乱无章的，而这种能力的具备是需要自动化的不断发展，利用其在自动控制系统及信息论及系统工程等理论知识，实现信息的完美分配，自动化方面的信息与网络方面的知识才是支撑物联网网络层搭建的好帮手。自动化将在物联网网络层搭建中承担起一个很重要的地位，因为只有自动化技术的发展与完善才能够为物联网技术的突破与应用带来一个新的局面。应用层与电气自动化应用层位于物联网三层结构中的最顶层，其功能为“处理”，即通过云计算平台进行信息处理。应用层与最低端的感知层一起，是物联网的显著特征和核心所在.物联网应用层的核心功能围绕两个方面：一是“数据”，应用层需要完成数据的管理和数据的处理;二是“应用”，仅仅管理和处理数据还远远不够，必须将这些数据与各行业应用相结合。而这些联络体系的构建更是与自动化技术紧密相关。因为自动化技术始终提供了物联网一个基本的技术支撑，有助于物联网构建一种新的体系——物联网应用体系。确立了物联网的体系结构，有助它进一步的发展，自动化不仅仅提供了一种技术上的支撑，更是为建立一个美好的物联网王国而提供一种体系结构的臂膀。自动化帮助物联网形成物联网的体系，为它提供了极大的便利，这些都是显而易见的。2.2.3最后介绍一下模拟电路的设计制作：电路设计前奏在进行电路设计之前，十分重要的一点就是对电路的功能进行规划。也就是说，先不去理会电路的复杂性和电路形式、电子器件的选择等问题，而对电路系统所要完成的功能进行一个详细而清晰的设计。举一个例子，在采集声音信号的过程中，我们只关心低频的声音信号，而高频噪声的存在会影响分析的效果。这时，可以设计一个低通滤波器。该滤波器所要实现的完整功能如下所示：截止频率为1.5kHz。增益为20dB。虽然只有简单的两点功能，但这却是着手进行该电路设计和电路板制作加工的指导思想。如图1-2所示，用方框代表了未来将要设计的电路，而电路的输入输出信号是已知的。这些方框还需要进一步的设计，所以它现在只是一个“黑匣子”。图1-2低通滤波器的功能框图电路设计电路设计是一项需要综合思维能力的工作。对于初学者来说，想迅速成为电路设计的高手就必须从一个个基本的、简单的电路入手，对这些电路的原理和电路形式有较好的掌握。这样，在复杂电子系统的电路设计过程中才会做到有的放矢、游刃有余。目前，电路的种类主要有以下3种：模拟电路。数字电路。模数混合电路。模拟电路包括放大器、振荡器、滤波器、信号运算与处理电路、信号发生器等；数字电路包括逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、存储器、可编程逻辑器件、A/D和A/D器件等。但是，单纯使用模拟电路或数字电路的场合已经不多了，比如在单片机、DSP等系统中，有机地集合了数字与模拟器件。典型的例子还有电源电路和电子通信电路，其中由数字IC和电容、电感、电阻等外围器件组成的电路解决了越来越多的工程实际问题。所以，要想成为一名熟练的、有经验的电路设计师，需要经过长时间的电路知识的积累。如果读者感觉个人能力有限，可以选择一块自己感兴趣的领域，比如滤波器或CPLD等的一个方向进行深入而系统的研究，同时兼顾了解其他方面的电路就可以了。一些有经验的老工程师可能对模拟、数字电路很熟悉，原因是模拟电路的发展伴随着他们的成长；此外，年轻一些的设计师们可能对单片机控制电路轻车熟路，因为单片机在20世纪80年代后蓬勃发展；而有一批更年轻的电子设计师，他们很容易就驾驭DSP系统和嵌入式系统，这是因为20世纪90年代后，随着计算机的普及和编程技术的发展，电路的功能被极大地复杂化和可控化，年轻一代对以往电路就是硬件的概念已经不再满足，他们希望能在一块PCB板上随着人的意志做一些更灵活的事情。从图1-3所示的电子技术的发展史中，不但可以了解各种电路的出现和发展时期，还可以根据个人的喜好，选择研究方向。绘制电路原理图图1-12Protel2004中的低通滤波器与Multisim8中相同的是，Protel2004中的电路也可以进行仿真。此外，这张绘制好的原理图可以很方便地生成电路板设计图纸。关于如何在Protel2004中绘制电路原理图将在本书稍后部分谈到。图1-13嵌入式系统板PCB的表面一般有3层，从上到下依次是丝印层、阻焊层和铜箔层。（1）丝印层：即丝网印刷层。电路板要能更好地完成电气连接任务，除了铜箔层外，丝印层也是必不可少的。丝印层位于印刷电路板的最上层，记录着一些标志图案和文字标号（一般为白色），如元件的标号、型号、封装形状、厂家标志和一些设计信息。（2）阻焊层：为了使制作的电路板满足焊接的需要，同时为了保护下一层的铜箔导线，在丝印层下是阻焊层。该层把除了焊盘和过孔（焊盘和过孔的概念稍后会谈到）外，将铜箔导线用阻焊剂保护了起来。（3）铜箔层：即信号层或叫布线层。铜箔层完成电路的电气连接。通常将铜箔的层数定义为电路板的层数，因此单面板只有一个铜箔层，双面板上下表面都有铜箔层，而更复杂的电路板则有多个铜箔层。图1-14是一个双面板的示意图，其中说明了以上3层在PCB中的位置。丝印层丝印层铜箔层铜箔层阻焊层阻焊层图1-14PCB结构示意图总而言之计算机无论是在CAD制图，机智云都有着非常重要的应用，计算机为电气工程的发展起到了非常强的推动作用。计算机在电气工程中的应用前景依托计算机，电气工程将有更为广阔的应用前景，谨以智能家居、云仓库以及本校的门禁系统简单介绍。2.3.1智能家居智能家居是在互联网影响之下物联化的体现。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能，甚至为各种能源费用节约资金。一、家庭自动化（HomeAutomation）家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机（CentralProcessorUnit，CPU）接收来自相关电子电器产品（外界环境因素的变化，如太阳初升或西落等所造成的光线变化等）的讯息后，再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触摸式荧幕、按钮、电脑、电话机、遥控器等；消费者可发送信号至中央微处理机，或接收来自中央微处理机的讯号。二、家庭网络（Homenetworking）首先大家要把这个家庭网络和纯粹的“家庭局域网”分开来，我们在本书中还会提到“家庭局域网/家庭内部网络”这一名称，它是指连接家庭里的PC、各种外设及与因特网互联的网络系统，它只是家庭网络的一个组成部份。家庭网络是在家庭范围内(可扩展至邻居，小区)将PC、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术。当前在家庭网络所采用的连接技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案主要包括：双绞线或同轴电缆连接、电话线连接、电力线连接等；无线方案主要包括：红外线连接、无线电连接、基于RF技术的连接和基于PC的无线连接等。三、网络家电网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。可见，网络家电技术包括两个层面：首先就是家电之间的互连问题，也就是使不同家电之间能够互相识别，协同工作。第二个层面是解决家电网络与外部网络的通信，使家庭中的家电网络真正成为外部网络的延伸。四、信息家电（3C或者说IA）信息家电应该是一种价格低廉、操作简便、实用性强、带有PC主要功能的家电产品。利用电脑、电信和电子技术与传统家电（包括白色家电：电冰箱、洗衣机、微波炉等和黑色家电：电视机、录像机、音响、VCD、DVD等）相结合的创新产品，是为数字化与网络技术更广泛地深入家庭生活而设计的新型家用电器，信息家电包括PC、机顶盒、HPC、DVD、超级VCD、无线数据通信设备、视频游戏设备、WEBTV、INTERNET电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，都可以称之为信息家电。音频、视频和通信设备是信息家电的主要组成部分。另一方面,在传统家电的基础上，将信息技术融入传统的家电当中，使其功能更加强大，使用更加简单、方便和实用，为家庭生活创造更高品质的生活环境。比如模拟电视发展成数字电视，VCD变成DVD，电冰箱、洗衣机、微波炉等也将会变成数字化、网络化、智能化的信息家电。2.3.2云仓库智能电网云存储系统电网的智能化体现为能够全面、及时地掌握电网运行的信息，综合各自动化功能系统对信息分析的结果，做出最优的反应。然而随着电网建设规模的不断扩大，以及数字化电网、数字化变电站等研究应用的不断深入，系统面对的采集点越来越多。一个中等规模地区的采集量可以达到2万至10万条记录，而一个大型地区未来可能面临50万至100万条记录的数据采集规模，一年的数据存储规模将从目前的GB级扩大到TB级。从当前情况来看，传统的数据存储方式无法满足智能电网的海量数据储存需求。云存储技术的发展为智能电网海量数据的储存提供了思路。云存储通过把分布在众多计算机中的存储资源整合在一起，协同工作，共同对外提供存储服务，极大提高了系统存储能力。其具备可靠性高、数据处理量巨大、灵活性好、扩展性强、能够按需分配以及设备利用率高等特点，能够解决智能电网对海量数据的存储的难题，最大限度地整合系统的存储能力，减少电网的重复投资，大幅提高当前系统的数据处理和存储能力，为电网数据中心提供更力、稳定的技术支持与服务保障。将智能电网和云存储技术结合，可以有力地促进“电力云"的发展，促进智能电网的发展。在建设智能电网调度技术支持系统过程中，需要建设多个应用系统，如实时采集与监控系统(SCADA)、高级应用系统(PAS)、电量采集与分析系统(TMR)、、地理信息系统(GIS)等，各系统都需要对采集的数据进行存储，相互之间需要有数据的共享、交换、应用，因此大量数据成为实现智能电网的核心。为了解决海量数据的存储和处理、系统的统一管理和弹性扩容、备份和容灾等问题，构想利用云存储技术实现在建设中的解决方案。在支持系统中利用云存储技术可以实现虚拟化整合、镜像阵列与数据迁移、远程容灾及更进一步的服务器虚拟化支持，最终实现备份容灾系统一体化解决方案。云储存的广泛应用使智能电网技术支持系统能够更好地发挥作用。2.3.3门禁系统电气专业与门禁系统的关系门禁系统采用89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及8位数码管显示电路等‘门禁系统主要组成:有CPU、复位电路、电源指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、出门按钮、读卡模块、显示模块等组成。采用射频卡完成刷卡进门，按钮出门功能。其门禁系统的工作原理：当刷卡是，蜂鸣器响一下，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开，指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭，指示灯熄灭。当按下出门按钮时，继电器动作将门锁打开，指示灯点亮延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭，指示