基于智能控制的機電一體化系統(tǒng)設計

李琳琳

（河南金馬中東能源有限公司電儀計量部 河南 濟源 459000）

0 引言

機電一體化主要是在參照動力功能、控制功能等相關(guān)功能的基礎(chǔ)上，提出一種新型、先進的微電子技術(shù)，并使用相關(guān)軟件，將機械裝置與電子裝置進行有效的結(jié)合所構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)的總稱。為了充分利用機電一體化智能化控制優(yōu)勢，提高機械設備的精確度和功能性，實現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效簡化，現(xiàn)以“捅風眼機自動控制系統(tǒng)設計”為例，加強對機電一體化系統(tǒng)的科學化設計。

1 機電一體化系統(tǒng)組成

機電一體化系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該系統(tǒng)主要是由以下幾個部分組成：（1）機械本體。機械本體作為機電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，通常會表現(xiàn)出較高的運動機械能力。機械本體在實際設計中，需要利用電子技術(shù)，確保機械運動變得更加智能化、高效化和柔性化，以完成機電一體化追求目標。（2）驅(qū)動部分。驅(qū)動部分在實際設計中，需要利用信息處理部分指令，確保驅(qū)動運動機械動作執(zhí)行到位，驅(qū)動部分主要用到了以下三種驅(qū)動模式，分別是氣動驅(qū)動模式、液壓驅(qū)動模式和電動驅(qū)動模式。（3）檢測部分。檢測部分主要用于對運動機構(gòu)等相關(guān)物理量的精確化檢測[1]，并向信息處理與控制部分安全、可靠地傳輸所需信息，為后期控制信息發(fā)送和處理提供相應的依據(jù)和參考。（4）信息處理與控制部分。信息處理與控制部分作為機電一體化系統(tǒng)核心組成部分，與人體大腦功能類似。將運動機械設置為該系統(tǒng)內(nèi)部計算機處理和控制信息目標，通過利用運動機械[2]，可以對使用傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)信號進行存儲、變換等處理。同時，利用接口，將執(zhí)行命令發(fā)送到執(zhí)行機構(gòu)中，確保規(guī)定動作執(zhí)行到位。（5）能源部分。能源部分主要用于為機電一體化系統(tǒng)提供源源不斷的能量和動力，如電動、氣動等[3]。

圖1 機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)工作模式

捅風眼機自動控制系統(tǒng)在實際設計中，通常需要用到以下幾種工作模式：（1）壓力模式。壓力模式在實際運用中，要在充分結(jié)合所檢測到的送風口壓力大小的基礎(chǔ)上，對其進行捅風眼處理。（2）時間模式。時間模式在實際運用中，需要結(jié)合所設置好的時間，在保證送風口壓力處于安全范圍的基礎(chǔ)上，對其進行定時捅風眼處理。（3）請求模式。請求模式在實際運用中，需要操作者對捅風眼機處理是否到位進行全面的分析和判斷。

2.2 系統(tǒng)功能需求

為了達到控制混合空氣壓力的目的，本文所設計的捅風眼機自動控制系統(tǒng)必須完成以下幾個功能。（1）對模擬量信號、I/O 信號等外圍信號進行全面化檢測。（2）結(jié)合系統(tǒng)設計相關(guān)標準和要求，對系統(tǒng)功能邏輯進行科學設計，確保輸出信號控制的科學性和合理性。（3）具有強大的人機交互功能，為用戶提供簡潔友好的操作界面，便于用戶通過使用該界面，對系統(tǒng)實際工作狀態(tài)進行全面的檢查，為后期系統(tǒng)參數(shù)科學設置打下堅實的基礎(chǔ)。（4）具有強大的信號連鎖功能，在網(wǎng)絡功能的應用背景下，向上位PC 機安全、可靠地傳輸響應的信號，從而實現(xiàn)對各個信號的連鎖化控制，為后期系統(tǒng)工作狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)的全面化記錄創(chuàng)造良好的條件。

2.3 系統(tǒng)控制需求

為了實現(xiàn)對捅風眼機自動控制系統(tǒng)的自動化、智能化控制，需要在保證風眼風壓處于正常值的基礎(chǔ)上，將上限、下限參數(shù)統(tǒng)一設置在0.10～0.20 MPa，當風壓遠遠超過風壓的最大值時，捅風眼機會自動進入到工作狀態(tài)中，當風壓低于風壓最小值時，捅風眼機會自動暫停運行。另外，通過利用操作面板，可以有針對性地調(diào)節(jié)和設置風眼風壓的上限參數(shù)和下限參數(shù)。同時，當任意一個風眼出現(xiàn)異常故障問題時，需要將其統(tǒng)一設置為不捅模式。對于爐體而言，在進行轉(zhuǎn)動報警期間，捅風眼機會自動退出運行模式，并在第一時間內(nèi)自動歸位。在確保整個系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全運行的基礎(chǔ)上，對多種工藝參數(shù)進行科學設置，從而提高系統(tǒng)的運行性能。將所需要的數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸?shù)娇删幊炭刂破髦?，由可編程控制器對所接收到的?shù)據(jù)進行運算處理，然后，將處理好的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控機屏幕上，監(jiān)控機還負責對操作員指令的實時化接收，并將相關(guān)生產(chǎn)任務進行下達處理，便于后期更好地調(diào)整和控制生產(chǎn)工藝參數(shù)。

2.4 系統(tǒng)信號統(tǒng)計

為了保證捅風眼機自動控制系統(tǒng)設計的科學性和合理性，技術(shù)人員要將該系統(tǒng)信號輸入組數(shù)、開關(guān)量輸入個數(shù)、開關(guān)量輸出個數(shù)分別設置為5 組、36 個、32 個，其中，信號輸入模塊主要用于對空氣流量、鼓風壓力、風眼機位置等信息的精確化輸入，便于其他人員查看和調(diào)用。

3 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計示意圖如圖2所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)硬件主要是由以下兩個部分組成，一個是基礎(chǔ)自動化級，另一個是過程控制級?？刂葡到y(tǒng)在實際設計中，主要用到了總線方式，以實現(xiàn)對相關(guān)重要數(shù)據(jù)的全面化檢測和控制，同時，還要利用設備總線，確保自動控制系統(tǒng)與設備之間保持良好的通信關(guān)系，這為后期數(shù)據(jù)傳輸和共享打下堅實的基礎(chǔ)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計示意圖

3.1 監(jiān)控站設計

監(jiān)控站作為捅風眼機自動控制系統(tǒng)硬件重要組成部分，在實際設計中，要將所選用的西門子工控機直接設置為所需要的監(jiān)控站，同時，還要將總線網(wǎng)絡與PLC 進行有效的連接，然后，利用控制模型，對各個控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一化指導和管理。對于西門子工控機而言，在實際設計中，主要選用了工業(yè)機架式，不斷地擴大電源范圍[4]，同時，還要利用圖形顯示卡，實現(xiàn)對各個以太網(wǎng)接口、聲卡等各個零件的集中化管理，在此基礎(chǔ)上，還要利用Windows 操作系統(tǒng)，對各個系統(tǒng)硬件進行統(tǒng)一化監(jiān)控。工業(yè)控制計算機通常表現(xiàn)出以下幾個特點：（1）實時化、智能化檢測和控制工業(yè)生產(chǎn)過程，一旦發(fā)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)異常問題，監(jiān)控站會在第一時間內(nèi)快速做出響應，提醒相關(guān)人員及時處理該異常問題[5]，確保被控系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全地運行。工控機表現(xiàn)出適應含有粉塵、高溫潮濕等惡劣環(huán)境的能力強、故障診斷性能高、簡單易維護等特點，通過將其與相關(guān)控制裝置進行充分結(jié)合，可以利用高級編程語言，為操作系統(tǒng)運行提供強大的支持。同時，監(jiān)控站還表現(xiàn)出較為豐富的軟件功能，通過將其科學地應用到工業(yè)智能化控制領(lǐng)域中，可以為用戶提供極大的便利[6]。

3.2 操作站設計

操作站在實際設計中，主要用到了PLC 控制器，具有強大的通信功能，通過采用模塊化設計思想，可以確保捅風眼機控制任務得以有效執(zhí)行。另外，在充分結(jié)合I/O點數(shù)的基礎(chǔ)上，嚴格遵循功能模塊配置相關(guān)標準和要求，將多個機架進行充分結(jié)合，完成對以下幾個模塊的科學化設計。（1）數(shù)字輸入模塊。數(shù)字輸入模塊主要用于對開關(guān)的全面化、實時化檢測。（2）數(shù)字輸出模塊。數(shù)字輸出模塊具有強大的實時控制功能和信號顯示功能[7]。（3）模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊主要用于對多路輸入信號的全面化檢測，同時，利用該系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對空氣流量、鼓風壓力、測距位置等信息值的精確化輸入，從而保證數(shù)據(jù)采集任務能夠落實到位。（4）接口模塊。通過利用接口模塊，可以將主機架與擴展機架進行充分結(jié)合，確保兩者結(jié)合為統(tǒng)一整體。（5）通信模塊。通信模塊的設計和應用可以很好地滿足多個傳輸接口使用相關(guān)標準和要求，并利用測距裝置，完成對相關(guān)信號的安全化、可靠化傳輸[8]，同時，還能與PC 機之間建立良好的連接關(guān)系，確保信號得以有效交換。

4 系統(tǒng)軟件設計

為了充分發(fā)揮和利用智能控制相關(guān)技術(shù)的應用優(yōu)勢，提高機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，技術(shù)人員必須要嚴格按照系統(tǒng)功能模塊設計相關(guān)標準和要求，完成對以下模塊的科學化設計。這些模塊在實際設計中，所選用的開發(fā)工具和開發(fā)語言分別為eclipse、JAVA，整個web 展示主要運用了以下三種技術(shù)，分別是 JSP 技術(shù)、Spring 技術(shù)和Hibernate 技術(shù)。

4.1 組態(tài)軟件功能模塊設計

系統(tǒng)在實際運行期間，通常需要借助組態(tài)軟件，確保人機界面與用戶之間形成良好的交互關(guān)系，同時，還要利用系統(tǒng)硬件輸入設備，智能化監(jiān)控工業(yè)對象。組態(tài)應用軟件功能圖如圖3所示。圖3中的控制對象是捅風眼機，以功能為劃分原則，對組態(tài)應用軟件進行劃分，使其被劃分為以下幾個模塊；（1）控制策略組態(tài)。結(jié)合系統(tǒng)設計需求，完成對捅風眼機控制策略的構(gòu)建，同時，通過利用JAVA編程語言，完成對智能控制策略相關(guān)功能的編寫和開發(fā)。（2）監(jiān)控畫面組態(tài)。在系統(tǒng)顯示模塊的應用背景下，通過利用相應的顯示組件，可以實現(xiàn)對相關(guān)畫面的自動化監(jiān)控，同時，借助監(jiān)控畫面[9]，可以實時化、智能化監(jiān)控控制系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)出現(xiàn)運行異常問題，系統(tǒng)監(jiān)控畫面會在第一時間內(nèi)發(fā)出相應的報警聲。（3）監(jiān)控系統(tǒng)運行。運行模塊在實際設計中，利用組態(tài)，就可以完成對組態(tài)數(shù)據(jù)庫的自動化生成，便于后期更好地對控制回路進行全面化分析，從而實現(xiàn)對功能模塊運行流程的實時化控制，在此基礎(chǔ)上，通過利用運行模塊所對應的控制子程序，可以確保監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全地運行。（4）數(shù)據(jù)庫管理。數(shù)據(jù)庫管理任務主要用于對相關(guān)實時數(shù)據(jù)的智能化管理，并為指定用戶提供相應的訪問接口，便于用戶結(jié)合自身的實際應用需求，從實時數(shù)據(jù)庫中，有針對性地調(diào)用和讀取所需數(shù)據(jù)，另外，通過利用歷史記錄模塊，可以從實時數(shù)據(jù)庫中調(diào)取和應用所需要的實時數(shù)據(jù)，并嚴格按照相關(guān)標準和要求[10]，將其科學地整理為相應的磁盤文件，并為用戶提供強大的數(shù)據(jù)查詢功能、接口傳送功能和數(shù)據(jù)顯示功能。最后，通過利用報表任務，可以從整理好的歷史記錄數(shù)據(jù)中調(diào)取有價值的數(shù)據(jù)，然后，按照相關(guān)標準和要求，將其整理成相應的文件，并做好對這些文件的安全化存儲，便于后期用戶有針對性地查詢、打印和傳送。

圖3 組態(tài)應用軟件功能圖

4.2 組態(tài)軟件菜單設計

組態(tài)應用軟件在實際設計中，通常會涉及到以下三個組成部分；（1）首頁。首頁主要用于對壓力模式、復合模式等工作模式的選取以及自動方式、手動方式等工作方式的選取。同時，首頁還能用于對氣體流量、爐內(nèi)溫度等控制工藝參數(shù)的實時化、全面化顯示。（2）過程參數(shù)。過程參數(shù)主要用于對爐內(nèi)損壞、未通過等風眼狀態(tài)的顯示以及自動方式、手動方式的選取結(jié)果的顯示。（3）系統(tǒng)總貌。系統(tǒng)總貌除了可以用于對系統(tǒng)所有開關(guān)量信號的精確化顯示，還能用于故障信號的檢測，從而降低系統(tǒng)故障出現(xiàn)概率。

4.3 PLC 實現(xiàn)功能設計

捅風眼機自動控制系統(tǒng)在實際設計中，要利用PLC 主控制器，保證數(shù)據(jù)采集功能、信號交換功能的設計和實現(xiàn)效果。PLC 這一主控制器所實現(xiàn)的具體功能如下：（1）全面化檢測和管控外圍按鈕和開關(guān)信號。（2）真實有效地顯示信號交換結(jié)果以及控制輸出數(shù)據(jù)。（3）可以準確無誤地輸入和管理空氣流量、鼓風壓力、測距位置等相關(guān)數(shù)據(jù)，并將各個A/D 轉(zhuǎn)換分辨率統(tǒng)一設置為15 位，以達到滿足相關(guān)控制標準和要求的目的。（4）嚴格按照傳輸接口相關(guān)標準和要求，安全、可靠地傳輸測距裝置相關(guān)信號。

5 結(jié)語

綜上所述，本文所設計的捅風眼機自動控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對所需數(shù)據(jù)的準確化采集，還能智能化控制相關(guān)操作，有效地縮短了系統(tǒng)響應時間，數(shù)據(jù)傳輸性能完全符合相關(guān)標準和要求。另外，通過將PLC 主控制器和相關(guān)儀表作為現(xiàn)場設備進行使用，可以將現(xiàn)場總線與微機通信充分結(jié)合，從而完成對分布式監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。由此可見，本文所設計的捅風眼機自動控制系統(tǒng)具有較高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用。