機電設(shè)備檢測與控制技術(shù)淺析

靳 瑋，吳 坤，牛康廷，王芬芬

（鄭州工商學(xué)院，河南 鄭州 451400）

1 機電設(shè)備控制技術(shù)概況與分析

隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用，新型控制策略的出現(xiàn)，機電設(shè)備測控在控制方法、控制功能以及操作上，從單一的有觸頭硬接線繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展到以微計算機為中心的網(wǎng)絡(luò)化自動控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，機電系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)包括：檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、機械傳動技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)等，主要解決控制問題。

1.1 檢測傳感技術(shù)

機電系統(tǒng)在控制過程中需要從外界獲取各種信息，如執(zhí)行器的反饋信號等，為控制系統(tǒng)提供控制的信號和依據(jù)，而傳感器則是系統(tǒng)從外界獲取信息的工具。傳感器的作用是將被測信號（如溫度、壓力等）轉(zhuǎn)換成另一種易于測量和輸出的物理量，其中主要以電學(xué)量為主。

傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩大部分組成。首先是敏感元件：進行控制信息的收集，將被測量轉(zhuǎn)換為易測的信號，其次是轉(zhuǎn)換元件：進行信號數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將敏感元件的信號轉(zhuǎn)換為可傳輸、記錄、處理的信號。目前，絕大部分傳感器都是把轉(zhuǎn)換電路及必要的輔助電源單元與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件一起做成集成化的器件。

1.2 驅(qū)動執(zhí)行技術(shù)

機電系統(tǒng)通過傳感器收集外界信號，輸入信號在經(jīng)過控制系統(tǒng)分析、計算、處理之后需要通過驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行輸出，從而實現(xiàn)機電系統(tǒng)控制的全過程。繼電器和電磁閥是工程上廣泛應(yīng)用的典型執(zhí)行器，電機給予執(zhí)行動力，分析以下三個部分。

（1）繼電。繼電器工作時，線圈通過電流時產(chǎn)生磁通，經(jīng)過鐵芯、空氣隙和銜鐵構(gòu)成閉合回路。銜鐵在電磁場的作用下被磁化，因而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，如電磁轉(zhuǎn)矩大于反作用彈簧力矩及機械摩擦力時，則銜鐵被吸向電磁鐵磁極，使繼電器觸點閉合。從本質(zhì)上講繼電器就是利用弱電控制強電的開關(guān)，在電路中實現(xiàn)電動機或其它動力裝置的啟停調(diào)速，完成生產(chǎn)工藝對機械動作的要求和保護。常用的電磁繼電器有電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器等。

（2）電磁閥。電磁閥由電磁線圈和磁芯組成，通過控制線圈的通斷電帶動磁芯的運轉(zhuǎn)，是對機電系統(tǒng)的內(nèi)部氣路、水路、油路進行通斷或控制流量的器件，在液壓和氣壓系統(tǒng)中，基本都有電磁閥的使用。當(dāng)有電流通過電磁閥線圈時，固定鐵芯吸合動鐵芯，改變滑閥芯的位置，發(fā)生勵磁作用，動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧，從而改變流體的方向。當(dāng)線圈失電時，依靠彈簧的彈力推動滑閥芯，頂回動鐵芯，使流體按原來的方向流動。

（3）電機。電機在現(xiàn)代機電系統(tǒng)中常常作為電能轉(zhuǎn)化為機械能的終端輸出設(shè)備，配合機械部分可以實現(xiàn)生產(chǎn)機械的各種功能。常見的電機主要有直流電機、步進電機和伺服電機等。直流電機輸出或輸入為直流電能，能實現(xiàn)直流電能和機械能的相互轉(zhuǎn)化；步進電機將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，當(dāng)其收到一個脈沖信號，即將轉(zhuǎn)過固定角度，通過控制脈沖個數(shù)從而控制角位移量；伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，形成閉環(huán)控制。工程實踐中常根據(jù)機電系統(tǒng)的具體要求選擇合適的電機和對應(yīng)的控制方法。

1.3 信息處理技術(shù)分析

機電系統(tǒng)的信息處理和自動控制由系統(tǒng)的控制單元完成。常見機電系統(tǒng)控制單元包括可編程序邏輯控制器（PC 或PLC）、單片機、工業(yè)計算機數(shù)字信號處理器（DSP）、ARM 等，其中又以 PLC 和單片機工業(yè)上運用最為廣泛。PLC 和單片機，兩者本質(zhì)相同，都是基于微處理技術(shù)的計算機，但對比兩者各自的特性在選用時以下原則可供參考。

（1）因為體積小而且廉價。所以單片機方案適合大批量重復(fù)生產(chǎn)的民用消費品。特別是儀器儀表以及小型控制系統(tǒng)。

（2）PLC 比單片機更適合于工作母機控制和工業(yè)過程控制。

（3）對于單項工程或者重復(fù)數(shù)極少的項目。采用PLC 方案是明智、快捷的途徑，成功率高、可靠性好，但成本較高。

（4）對于量大的配套項目，采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但這要有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。

（5）在單片機方案和PLC 方案都適用的前提下，若控制系統(tǒng)對于穩(wěn)定性和抗干擾性要求很高，即使設(shè)計成本較高也應(yīng)采用PLC 方案。

2 機電設(shè)備電力拖動方式的發(fā)展與對比

電動機供電電流制式的不同，有直流電力拖動和交流電力拖動兩種。電力電子器件發(fā)明后，以電子元件控制、由可控整流器供電的直流電力拖動系統(tǒng)逐漸取代了直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)，并發(fā)展到采用數(shù)字電路控制的電力拖動系統(tǒng)。這種電力拖動系統(tǒng)具有精密調(diào)速和動態(tài)響應(yīng)快等性能。這種以弱電控制強電的技術(shù)是現(xiàn)代電力拖動的重要特征和趨勢。

2.1 成組拖動

成組拖動的方式為：一臺電動機——一根天軸——一組生產(chǎn)機械設(shè)備。其特點是：機構(gòu)復(fù)雜，損耗大，效率低，工作可靠性差。

2.2 單臺電動機拖動

單臺電動機拖動的結(jié)構(gòu)方式是：一臺電動機——一臺設(shè)備。其特點是：當(dāng)生產(chǎn)機械設(shè)備運動部件較多時，機構(gòu)仍復(fù)雜，滿足不了生產(chǎn)工藝要求。

2.3 多臺電動機拖動

多臺電動機拖動的結(jié)構(gòu)式：一臺專門的電動機——同一臺設(shè)備的每一個運動部件。其特點為：機構(gòu)簡單，控制靈活，便于生產(chǎn)機械的自動化.例如龍門刨床的刨臺，左垂直刀架，右垂直刀架，側(cè)刀架，橫梁，夾緊機構(gòu)，都是分別由一臺電動機拖動的。

電氣控制系統(tǒng)一般稱為電氣設(shè)備二次控制回路，不同的設(shè)備有不同的控制回路，而且高壓電氣設(shè)備與低壓電氣設(shè)備的控制方式也不相同，主要形式有：繼電器-接觸器控制系統(tǒng)、連續(xù)控制方式和自動控制系統(tǒng)、可編程序控制器(PLC)、計算機數(shù)字控制系統(tǒng)等。

3 測控系統(tǒng)的地位與作用

“測量”和“控制”是人類認(rèn)識世界和改造世界兩項基本任務(wù)，而測控儀器或系統(tǒng)則是人類實現(xiàn)這兩項任務(wù)工具和手段。科學(xué)的發(fā)展、突破往往是以檢測儀器和技術(shù)方法上的突破為先導(dǎo)的。測控儀器和系統(tǒng)在工作生產(chǎn)中起著把關(guān)者和指導(dǎo)者的作用，廣泛應(yīng)用于煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工、紡織等行業(yè)。測控技術(shù)已是當(dāng)代促進生產(chǎn)的一個主流環(huán)節(jié)，對國民經(jīng)濟有巨大的“倍增器”和拉動作用，是改造傳統(tǒng)工業(yè)必備的手段，也是產(chǎn)品具備競爭能力、進入市場經(jīng)濟必由之路，在產(chǎn)品質(zhì)量評估及計算等有關(guān)國家法制實施中起著技術(shù)監(jiān)督的“物質(zhì)法官”的作用。當(dāng)今信息化時代，測控技術(shù)是獲取信息，作為智能行動的依據(jù)，也是一種信息的工具，起著不可或缺的信息源的作用，更是信息工業(yè)的重要組成部分。