機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)

張弛

（大連海輝通信發(fā)展有限公司 遼寧大連 116023）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的制造強(qiáng)國(guó)，每天都會(huì)有大量的產(chǎn)品從生產(chǎn)車間被制造出來(lái)，而這些工作也是由大量機(jī)械設(shè)備來(lái)完成的。隨著機(jī)電自動(dòng)化控制與一體化設(shè)計(jì)的發(fā)展，我國(guó)制造業(yè)逐漸擺脫了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，同時(shí)，也將可持續(xù)發(fā)展理念融入工業(yè)生產(chǎn)中，徹底改變了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在的浪費(fèi)、隨意排放污染物的陋習(xí)，實(shí)現(xiàn)了綠色、健康生產(chǎn)［1］。本文通過(guò)對(duì)機(jī)電自動(dòng)化控制和一體化設(shè)計(jì)的分析，并結(jié)合目前機(jī)械電子行業(yè)的發(fā)展情況，對(duì)這一新的生產(chǎn)體系給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)的變化進(jìn)行了討論。

1 機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)概念

機(jī)電一體化是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展而產(chǎn)生，并被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，機(jī)電控制是指由一個(gè)控制系統(tǒng)把一個(gè)控制器和一個(gè)被控物體相連，利用不同的控制裝置，不需要人為地操作，就可以自動(dòng)地使設(shè)備和機(jī)械按照預(yù)定的程序運(yùn)行，從而完成預(yù)定的工作。機(jī)電自動(dòng)化系統(tǒng)是一種高效、智能化、自動(dòng)化的系統(tǒng)，因?yàn)樗墓ぷ鲙缀醪恍枰斯じ深A(yù)。只需利用計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工，從而使不同的生產(chǎn)設(shè)備同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)［2］。在工作生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)電設(shè)備要依據(jù)大量的資料來(lái)運(yùn)行，其中涉及的技術(shù)也是多種多樣，而自動(dòng)控制技術(shù)則是將各種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)整體的控制體系。利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，工作人員能在任何時(shí)候都能依靠計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握各工序的生產(chǎn)狀況，并盡可能地確保機(jī)電工作生產(chǎn)的精確度。該系統(tǒng)能有效地降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人為錯(cuò)誤，同時(shí)，也能降低員工在生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)［3］。從機(jī)電行業(yè)的觀點(diǎn)出發(fā)，采用機(jī)電一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一體化的生產(chǎn)流程，能夠便于企業(yè)的管理和控制，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

2 機(jī)電控制技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)

車間工人們要設(shè)置好操作流程，并在任何時(shí)候都要保證設(shè)備的狀態(tài)正常，其余的工作都由機(jī)械來(lái)完成。自動(dòng)化與一體化是企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的靈魂，而機(jī)電一體化技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)更需要精確度，因此，在集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到市場(chǎng)、產(chǎn)品性能等因素［4］。集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)其應(yīng)用的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)其本身的缺陷進(jìn)行完善和完善，使之成為一個(gè)具有可行性的體系。在此過(guò)程中，自動(dòng)化與一體化的有機(jī)結(jié)合，能使整個(gè)生產(chǎn)流程更加順暢、準(zhǔn)確。機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)是將機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備有機(jī)結(jié)合在一起，從而極大地推動(dòng)了整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的集成，這對(duì)機(jī)電師而言是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)，其必須在兩者之間尋找一個(gè)平衡，通過(guò)集成的方式將整個(gè)機(jī)電設(shè)備的性能進(jìn)行優(yōu)化。

3 我國(guó)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要有DCS、FCS和PLC，其中，PLC是最常見(jiàn)的。PLC是20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的一種具有完成邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)功能的自動(dòng)控制設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在單臺(tái)設(shè)備、多臺(tái)設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化都發(fā)揮了巨大的作用。

3.1 人機(jī)交互界面更加友好

PLC的研發(fā)人員一直在致力于提升軟件的開(kāi)發(fā)水平，很多公司都采用了與之相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)軟件組合，以改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，并減少成本，從而使其成為一個(gè)具有人機(jī)友好度的控制系統(tǒng)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信能力加強(qiáng)

隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，其安全性也在不斷地提升。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶對(duì)開(kāi)放程度的要求越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)也將隨之發(fā)展。

3.3 互操作性不斷發(fā)展

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的開(kāi)放式設(shè)計(jì)，可與第三方軟件、硬件技術(shù)相結(jié)合，使PLC的性能得到進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。在今后的發(fā)展中，PLC將永遠(yuǎn)占據(jù)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，而新一代的PLC系統(tǒng)將會(huì)在保證其穩(wěn)定性、通信性能、安全性等方面得到進(jìn)一步的提高［5］。PLC的發(fā)展將更好地適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要，從而為自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供較為完備的解決方案。

4 機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)原則

4.1 穩(wěn)定性原則

在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循穩(wěn)定原則。系統(tǒng)的穩(wěn)定性是最重要的，不能因?yàn)橥獠恳蛩囟鹣到y(tǒng)的變化，從而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.2 精確性原則

在機(jī)械和自動(dòng)控制的一體化設(shè)計(jì)中，應(yīng)堅(jiān)持精準(zhǔn)的原則。在保證系統(tǒng)的功能可用性的前提下，最大限度地降低錯(cuò)誤率，設(shè)計(jì)得越精確，產(chǎn)品的精度也就越高。

4.3 快速響應(yīng)原則

在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循“快速反應(yīng)”的原則。由于機(jī)電自動(dòng)化運(yùn)行體系的自身特點(diǎn)，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，就會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能造成很大的影響，所以容災(zāi)策略的反應(yīng)速度將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響，所以，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須要保證系統(tǒng)能夠迅速進(jìn)行響應(yīng)，只有保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。

5 機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)方向

5.1 接口標(biāo)準(zhǔn)化

目前，使用的機(jī)械設(shè)備都是由不同的廠家提供，這些設(shè)備的轉(zhuǎn)換和接口并不統(tǒng)一，這對(duì)設(shè)備與設(shè)備之間的對(duì)接是很不利的。所以，對(duì)各種接口的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模塊化管理是十分必要的，這樣各個(gè)廠家制造的各種機(jī)械設(shè)備都能在任意一種控制系統(tǒng)中使用，從而方便了供貨商之間的溝通。

5.2 應(yīng)用智能化

隨著智能技術(shù)、心理學(xué)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得機(jī)電控制和自動(dòng)控制的結(jié)合變得更加精確，同時(shí)，也使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的工作效率得到了極大的提升。機(jī)電一體化和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化是大勢(shì)所趨。

5.3 市場(chǎng)拓展網(wǎng)絡(luò)化

在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，各種信息都是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳遞的，它的傳播范圍和傳播速度都比以前快了許多。所以，不管是機(jī)電控制系統(tǒng)還是自動(dòng)化控制系統(tǒng)，只要你的能力夠強(qiáng)，系統(tǒng)足夠的完善，就能夠得到迅速推廣，這樣市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)是有著極大的推動(dòng)作用［6］。

6 自動(dòng)控制技術(shù)一體化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，能有效地解決各種設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題，防止因不合理的設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)效率。所以，對(duì)機(jī)電控制一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入探討是十分有必要的。

6.1 遵循核心理念

近年來(lái)，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視，而要把它搞好，就必須要有一個(gè)設(shè)計(jì)的核心思想。因此，要對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的內(nèi)在特性進(jìn)行分析，探索其功能要求，加強(qiáng)對(duì)各種分析和設(shè)計(jì)成果的分析和研究，在堅(jiān)持核心設(shè)計(jì)思想的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合實(shí)際的要求［7］。

6.2 機(jī)電運(yùn)行設(shè)計(jì)

在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的電氣線路設(shè)計(jì)，主要是利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與機(jī)電設(shè)備相連，利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)控制機(jī)電系統(tǒng)，從而優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)備的操作流程，達(dá)到最佳的生產(chǎn)效果。因此，在機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)中，必須重視對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的控制，使其達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目的，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量不會(huì)受到影響，使其達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益，從而推動(dòng)整個(gè)工業(yè)的發(fā)展。

6.3 功能模塊設(shè)計(jì)

機(jī)電功能模塊的設(shè)計(jì)主要是為了完善機(jī)電控制系統(tǒng)，并將其與機(jī)電一體化相結(jié)合，從而保證各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間能夠協(xié)調(diào)工作，從而達(dá)到綜合生產(chǎn)的目標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到各個(gè)功能模塊的整合路徑，并通過(guò)一體化組織的方式來(lái)優(yōu)化機(jī)械制造的流程，從而使機(jī)電自動(dòng)控制一體化的多個(gè)功能優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。

7 自動(dòng)控制技術(shù)一體化設(shè)計(jì)方案

7.1 機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，可以對(duì)機(jī)械的工作運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，保證機(jī)器的工作狀態(tài)處于最佳，從而提高設(shè)備的工作質(zhì)量，保證工作人員的人身安全，從而消除傳統(tǒng)的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中的缺陷。機(jī)電一體化技術(shù)可以將生產(chǎn)過(guò)程中的各種信息通過(guò)顯示屏和工作指示燈傳送給控制中心，尤其是在設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，可以根據(jù)設(shè)備的自主判斷結(jié)果進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)，工作人員在收到故障信息后，能夠及時(shí)組織維修人員進(jìn)行維修，從而減少生產(chǎn)中的損失［8］。

7.2 創(chuàng)新材料與功能

要推動(dòng)機(jī)電一體化的發(fā)展，就需要在設(shè)備的材質(zhì)和功能上進(jìn)行革新。首先，要盡量選擇最適宜的材料，對(duì)機(jī)械的操作要求進(jìn)行全面的分析，并最終做出綜合結(jié)論，選擇具有較高強(qiáng)度和較高韌性的材料。為了保證機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，必須要考慮到材料的壽命，采用輕型、耐磨、耐用的材料。其次，在進(jìn)行系統(tǒng)功能創(chuàng)新時(shí)，必須要實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的功能，才能滿足廣大用戶的需要，還可以提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并不斷優(yōu)化機(jī)電一體化的功能，創(chuàng)造出更多的綜合性系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)和顧客的調(diào)研，設(shè)計(jì)師可以了解市場(chǎng)和顧客對(duì)產(chǎn)品的需求，對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行分析和總結(jié)，從而達(dá)到對(duì)產(chǎn)品功能的革新，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，根據(jù)用戶的反饋來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的性能，從而不斷開(kāi)發(fā)出符合消費(fèi)者需要的新產(chǎn)品。

7.3 提高機(jī)械精度

首先，采用智能操作裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的遙控，可以解決傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備制造精度低下的問(wèn)題，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高機(jī)器的工作效率。其次，該方法還能提高生產(chǎn)工人的生產(chǎn)安全，防止生產(chǎn)安全事故危及人身安全。例如，在自動(dòng)化的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程就會(huì)變得井然有序，能夠最大限度地減少工作中發(fā)生錯(cuò)誤，縮短工作時(shí)間，提高工作效率，并且可以精確地控制原材料的用量，保證物料的配比。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要更加注重系統(tǒng)的精確度，盡可能對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行優(yōu)化，保證生產(chǎn)中各種產(chǎn)品的質(zhì)量。

7.4 一體化設(shè)計(jì)

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展和完善，其生產(chǎn)的產(chǎn)品領(lǐng)域也隨之?dāng)U展。但是，由于產(chǎn)品的種類和應(yīng)用領(lǐng)域都有了很大的變化，因此，在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要不斷地進(jìn)行功能模塊的創(chuàng)新和完善，從而達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果，保證產(chǎn)品的性能符合用戶的要求，從而達(dá)到最好的設(shè)計(jì)效果［9］。機(jī)電一體化模塊的設(shè)計(jì)，是解決產(chǎn)品性能不完善的重要途徑，它可以提高制造商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，滿足不同客戶的需要，從而提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

7.5 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

在目前的情況下，機(jī)電一體化技術(shù)要朝著系統(tǒng)化的方向發(fā)展，開(kāi)放式的設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)得到最優(yōu)化，保證機(jī)電設(shè)備的功能更加完善，從而保證各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作，達(dá)到高質(zhì)量的生產(chǎn)目標(biāo)。系統(tǒng)化設(shè)計(jì)要遵循一定的原則，因?yàn)樗械漠a(chǎn)品和程序都是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)決定的，所以系統(tǒng)必須要按照既定的生產(chǎn)計(jì)劃來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)，還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的管理，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

7.6 計(jì)算機(jī)集成與制造

機(jī)電一體化技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的融合，使計(jì)算機(jī)集成和制造系統(tǒng)不再是一盤散沙，而是可以全面掌握全局的動(dòng)態(tài)，這種整合可以使各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的資源配置得到最優(yōu)化，從而打破以往的單一部門間的制約，將產(chǎn)品的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)的管理戰(zhàn)略相結(jié)合，最大化發(fā)揮各生產(chǎn)環(huán)節(jié)潛能。

7.7 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人也是一種集成了機(jī)電控制系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的技術(shù)，最初的機(jī)器人只能根據(jù)工作人員的命令進(jìn)行一系列的操作，缺乏靈活性和多樣性。而隨著科技的發(fā)展，由于傳感器的敏感度提高，機(jī)器人可以通過(guò)簡(jiǎn)單收集周圍的環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)電腦進(jìn)行分析和處理，從而進(jìn)行下一步的操作。現(xiàn)在的機(jī)器人已經(jīng)具備了一定的智能水平，能夠進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，反饋大量的信息，并且能夠根據(jù)不同的情況，進(jìn)行靈活操作，這就是集成了機(jī)電控制和自動(dòng)化控制的技術(shù)。

7.8 數(shù)控機(jī)床

將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于CNC 機(jī)床的效果是十分顯著的，極大地提高了CNC的精度，為制造高品質(zhì)、高品質(zhì)的產(chǎn)品提供了極大的幫助。

8 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)的日常生活中越來(lái)越多地采用了機(jī)電自動(dòng)化和一體化設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化的自動(dòng)控制技術(shù)和一體化設(shè)計(jì)可以有效地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)省大量的人力、物力，同時(shí)，也可以使產(chǎn)品的質(zhì)量得到改善，推動(dòng)了工業(yè)各方面的技術(shù)水平的持續(xù)提高，推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的蓬勃發(fā)展。本文總結(jié)與分析了機(jī)電控制技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)，從最關(guān)鍵的因素和核心思想出發(fā)，探討了整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，并制訂出了各種優(yōu)化方案，希望能夠極大地提高機(jī)電產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化水平，減少人工操作所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，達(dá)到生產(chǎn)自動(dòng)化的目標(biāo)，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，這對(duì)促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)模式的發(fā)展具有重要意義，是制造業(yè)發(fā)展進(jìn)步不可缺少的技術(shù)。