機電一體化設備的遠程無人值守控制研究

摘 要：針對機電設備遠程控制和無人值守控制的要求與功能，本論文詳細探討了機電一體化設備的遠程無人值守自動化控制系統的實現，首先對系統進行了詳細的功能需求分析，在此基礎上給出了系統框架的層次設計方案，并對上位機程序系統進行了流程分析。

關鍵詞：機電一體化；無人值守；遠程控制

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A

1概述

目前我國工礦領域已經基本上實現了自動化控制和信息化管理，這主要得益于集散式控制系統、現場總線控制系統等現代通信技術的應用，尤其是現場總線通信，能夠根據不同的機電設備的自動化控制需求設計不同的現場控制模式，因此目前在工業自動化控制領域，現場總線應用的十分廣泛。但是現場總線由于采用了專門的通訊協議，針對不同的機電設備開發不同的通訊接口，由此造成了事實上的“信息孤島”，并不利于后期設備的維護管理。工業以太網的出現和應用，在很大程度上改變了這一局面，這是由于工業以太網幾乎能夠兼容目前所有廠商設備的TCP通訊協議，而且以太網組網方式靈活，成本低廉，后期維護方便，因此，目前基于工業以太網實現的自動化控制系統已經得到了廣泛的應用。

2系統功能分析與設計

（1） 在線監測

通過布置合適的傳感器，能夠對機電一體化的設備關鍵參數實現自動采集和實時監測。通過所選用的變速器，將設備的運行參數采集到數據采集模塊中，通過以太網通信協議將數據發送至上位機客戶端，通過客戶端專門開發的上位機軟件實現對設備運行參數的實時監測，從而為生產過程的連續可靠實施提供基礎性數據支撐。

（2） 數據查詢

依靠上位機軟件的功能開發，主要是對數據庫系統的開發設計，能夠對采集到的數據進行實時存儲，并按照一定要去進行顯示，如按照時間統計節點生成報表，按照時間走勢生成歷史曲線，通過對數據的直觀顯示能夠提高對設備工作狀態的評估，從而為機電一體化設備的合理維修提供可靠建議。

（3） 超限報警與聯動控制

基于工業以太網的遠程無人值守自動化控制系統，除了要能夠實時顯示各個數據采集器的數據之外，還要能夠自動對數據進行監測，當數據超限時實施有效的報警，或者直接參與車間生產聯動控制，實現相應的聯動控制動作，例如對機電設備及閥門進行開閉控制，對機電設備的執行元件進行狀態更改等等，從而確保整個車間生產過程的安全性與可靠性。

（4） 權限管理與系統管理

權限管理主要是為了防止非操作人員或者非系統管理人員登錄上位機軟件之后，對軟件系統誤操作而造成損失，因此，上位機軟件系統的登錄界面分配了用戶名和密碼，只有經系統確認無誤的人員才能夠登錄軟件系統并使用該系統；系統管理主要包含了系統導航管理、系統幫助管理、系統插件管理等部分內容，其主要作用是為了提高上位機自動監測軟件的穩定性和可靠性。

3系統的設計與實現

3.1 系統框架層次設計

針對機電一體化設備開發的遠程無人值守自動化控制系統的控制需求，整個系統層次劃分如下：

（1） 數據采集層

數據采集層主要是利用現代傳感技術和采集技術，對機電一體化設備的運行狀態進行實時的監測，主要包括監測設備的狀態參數，工作參數，環境參數等，將參數采集到網絡通訊接口中，以實現數據的傳輸。

（2） 數據傳輸層

數據傳輸層主要是由工業以太網構建的環網，可采用環形網絡拓撲結構是因為環形網絡拓撲結構組網成本低廉，組網方式靈活，便于系統的后期擴展和升級。以太網采用目前通用的TCP協議或者Modbus-TCP協議，這能夠兼容目前99%的機電設備的聯網通訊接口協議。

數據傳輸層主要由網絡交換機，路由器，服務器等網絡設備構成，在實現由傳感器采集到的數據的網絡傳輸的同時實現對數據的廣播和轉發，從而滿足工業以太網內的任一用戶對數據的需求，這也為數據在網絡上的傳輸及遠程監控的實現提供了技術基礎。

（3） 數據監控層

數據監控層主要是由數據顯示客戶端構成，負責對底層采集到的機電設備的相關參數、數據進行監控，并通過設計組態程序可以實現對數據監控的相應動作，如超限報警、故障報警等等；而在安全警報之內的數據則進行數據存盤，以防其他部門的調用。

（4） 動作執行層

當由控制中心發出某控制指令時，經過工業以太網環網的傳輸，傳輸至驅動機構，驅動機構將控制中心發出的控制指令轉換為開關量，并進一步轉換為相應的控制模擬量，驅動執行機構完成相應的控制動作，從而確保整個機電設備的正常穩定可靠工作。

3.2 上位機程序設計與實現

利用工業以太網構建4層遠程無人值守自動化控制網絡，并且能夠與現有的Internet網絡實現無縫集成，這就為上位機軟件系統的開發帶來了極大的便利，同時也有利于對上位機軟件系統后期的維護和管理。

上位機軟件系統采用組態軟件，按照機電一體化設備的實際控制需求和控制功能進行組態，設計好以太網通訊接口，將數據采集器的位地址和上位機組態軟件的寄存器地址一一對應，即可實現數據的聯網通訊和傳輸。具體的上位機程序執行步驟如下：

系統初始化，與負責采集數據的數據采集器進行通訊測試，確保網絡通訊連接成功；

上位機發送傳送指令，讀取相應寄存器地址的數據，并進行數據顯示；

讀取到數據的同時對數據進行實時存儲，并按設計好的時間節點生成報表；

實時將檢測到的數據和系統預置的臨界警戒值進行對比，一旦數據異常或者超出警戒值，上位機組態軟件即發出報警信息，并發出相應的控制指令，驅動相應執行機構完成聯動動作的控制；

當報警解除后，系統正常運作，實時記錄機電設備的工作狀態和運行狀態。

結語

隨著現代化制造業和加工業的逐步發展，對機電一體化設備的控制要求越來越高，其控制功能也逐漸復雜，遠程控制和無人值守是現代自動化控制系統發展的必然趨勢，因此，本論文在這樣的背景下探討了基于工業以太網實現的機電設備遠程無人值守控制系統的設計與實現，給出了具體的設計方案和技術實現方案，對于進一步提高機電一體化設備的自動化控制水平和實現遠程無人值守具有較好的指導借鑒意義。對于機電設備的遠程無人值守控制系統的實現，具體的技術問題還有很多，本論文只是一次粗淺的嘗試，更多具體的技術問題的實現有待于廣大電氣工程技術人員的共同努力，才能夠最終實現現代化自動控制技術的快速發展和應用。

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