基于機(jī)電控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制一體化設(shè)計(jì)

王艷蓉，周小琴，楊 藝

(陜西廣播電視大學(xué)中德機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

機(jī)電控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得整個(gè)行業(yè)呈現(xiàn)高效化、整體化的發(fā)展趨勢(shì)，技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)不僅提升了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也減少了工作人員的工作量以及人為操作造成的失誤。依托計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)電設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程操控，可以代替工作人員完成部分具有危險(xiǎn)性的工作，確保工作人員的人身安全，同時(shí)還能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)突發(fā)狀況可以及時(shí)作出應(yīng)對(duì)，避免造成事故?？傮w而言，機(jī)電控制系統(tǒng)的自動(dòng)化以及一體化的發(fā)展，對(duì)于工業(yè)發(fā)展具有極大的積極作用。

1 機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制一體化設(shè)計(jì)的基本方法

1.1 組合法

組合法主要指的是先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊或者單元，然后將各個(gè)模塊或者單元進(jìn)行組合，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)。為了有效確保系統(tǒng)各個(gè)模塊的質(zhì)量，同時(shí)降低成本，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)以及市場(chǎng)情況，運(yùn)用多種組合方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1.2 整體法

整體法是以系統(tǒng)整體為出發(fā)點(diǎn)，關(guān)注系統(tǒng)整體的性能，從而確保系統(tǒng)各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)配合，使系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)施有機(jī)融合，構(gòu)成1個(gè)可控的整體系統(tǒng)[3]。采用整體法，可以突破固有的設(shè)計(jì)理念，最大限度地契合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

1.3 取代法

取代法指的是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中將原有的某些構(gòu)件進(jìn)行替換，以提升系統(tǒng)的整體性能，比如以電子線路替代機(jī)械控制線路，采用靈敏性較高的電子元件和線路，可以有效提升系統(tǒng)的控制精度，相較于機(jī)械控制線路，不僅系統(tǒng)性能明顯提升，同時(shí)也能降低系統(tǒng)整體造價(jià)。

2 自動(dòng)控制一體化的機(jī)電控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

機(jī)電控制一體化、自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成，即系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)軟件，二者是系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分。

2.1 系統(tǒng)硬件

2.1.1 單片機(jī)

單片機(jī)是機(jī)電控制系統(tǒng)不可或缺的元件之一，其可靠性高、適用性高，在機(jī)電控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。將單片機(jī)中的各個(gè)構(gòu)件與總線進(jìn)行連接，可以避免過(guò)多地占用用戶(hù)資源，即使用戶(hù)對(duì)硬件設(shè)施進(jìn)行調(diào)整，也可以利用串行口執(zhí)行系統(tǒng)仿真，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，單片機(jī)的儲(chǔ)存量也比較大，可以支持系統(tǒng)正常運(yùn)行，可靠性較高。

2.1.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器

利用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)串行控制，主處理器與外圍的串行口可以通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器串行的輸出端進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且可以在外界對(duì)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器施加差分高阻抗基準(zhǔn)電壓，可以有效簡(jiǎn)化比率的轉(zhuǎn)化過(guò)程，大幅提升轉(zhuǎn)換效率。此外，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的接口也比較簡(jiǎn)單，可以直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。通過(guò)單片機(jī)與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)連接，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.1.3 電路設(shè)計(jì)

在機(jī)電控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)機(jī)電控制系統(tǒng)主要是利用IC元件處理傳感信號(hào)，但是IC元件只能完成對(duì)電壓信號(hào)的處理，無(wú)法對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，因此，在機(jī)電一體化、自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要加入轉(zhuǎn)換電路。一般采用的主要是電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，其可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，便于IC元件對(duì)其進(jìn)行識(shí)別以及處理[1]。如當(dāng)4 mA電流經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器時(shí)可以將其轉(zhuǎn)化為0V的電壓值，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)化，IC元件可以準(zhǔn)確進(jìn)行識(shí)別，并驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)軟件

2.2.1 調(diào)節(jié)軟件

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，需要綜合考慮系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況，可以在程序當(dāng)中提前設(shè)置好時(shí)間組，這樣利用鍵盤(pán)即可進(jìn)行調(diào)用，更加方便快捷[2]。如可以將非編碼鍵盤(pán)分為3類(lèi)：停止鍵、檔位鍵以及啟動(dòng)鍵。操作人員通過(guò)鍵盤(pán)按鍵即可操控機(jī)電設(shè)備。啟動(dòng)鍵可以讓系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，檔位鍵可以調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，而停止鍵可以使系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，但是保持開(kāi)機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)可以重新啟動(dòng)。

2.2.2 工作軟件

工作軟件主要是針對(duì)工作人員。根據(jù)機(jī)電控制系統(tǒng)的實(shí)際需要，添加相應(yīng)的工作軟件，便于工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，重點(diǎn)在于提升控制精度以及系統(tǒng)控制的自動(dòng)化程度。如信息采集軟件、信息處理軟件以及驅(qū)動(dòng)軟件等，以計(jì)算機(jī)為核心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化、一體化控制。

3 基于機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 任務(wù)錄入功能

任務(wù)錄入功能是系統(tǒng)流暢運(yùn)行的關(guān)鍵，在長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中，技術(shù)人員總結(jié)出了自然語(yǔ)言表達(dá)這種錄入方法，其適用性比較強(qiáng)，符合人類(lèi)的操作習(xí)慣以及思維模式。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程逐漸發(fā)現(xiàn)，不同的設(shè)計(jì)人員在語(yǔ)言表達(dá)方面存在一定的差異，缺乏規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，因此，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，易出現(xiàn)失誤。鑒于此，為了確保系統(tǒng)指令的準(zhǔn)確性，需要以自由格式文本作為主要的任務(wù)錄入手段，并提供一些固定的格式作為自由文本的補(bǔ)充，確保系統(tǒng)指令的準(zhǔn)確性，保障系統(tǒng)流暢運(yùn)行。所以在任務(wù)錄入功能的確定上，一定要保證合理性與可靠性。

3.2 傳感設(shè)備的選擇

在機(jī)電控制系統(tǒng)中，傳感器是核心元件之一，通過(guò)傳感器可以獲取目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，并且可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析獲取設(shè)備運(yùn)行的規(guī)律，便于工作人員及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀況。目前，傳感器逐漸向信息化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，在機(jī)電控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，在選擇傳感器設(shè)備時(shí)，需要根據(jù)機(jī)電控制系統(tǒng)的實(shí)際需求合理選擇[4]。傳感器的選擇一定要對(duì)軟件及硬件進(jìn)行綜合的分析。目前，傳感器主要分為絕對(duì)型以及增量型2種，以增量型為例，增量型傳感器主要是獲取設(shè)備的位移信息，測(cè)算設(shè)備的位移速度，其基本原理是通過(guò)光電轉(zhuǎn)化，將主軸內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖信號(hào)獲取設(shè)備總位移量，進(jìn)而測(cè)算位移速度。

3.3 PLC的應(yīng)用

PLC可以通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的控制，在獲取到系統(tǒng)的指令后，通過(guò)編程操作執(zhí)行系統(tǒng)指令，控制設(shè)備完成相應(yīng)的動(dòng)作[5]。PLC可以執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)定時(shí)以及順序調(diào)整等多種系統(tǒng)指令。并且PLC的抗干擾性能優(yōu)良，在惡劣環(huán)境下可靠性較高，因此，極為適合工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，并且操作比較便捷，操作人員通過(guò)PLC的編程程序即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制一體化設(shè)計(jì)需要考量多方面的因素，根據(jù)實(shí)際情況，可以采用組合法、整體法及取代法進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保各個(gè)子系統(tǒng)以及模塊相互協(xié)調(diào)配合，在控制系統(tǒng)整體造價(jià)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員要勇于突破傳統(tǒng)，積極創(chuàng)新，有效提升系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度。