機電設備檢測與控制技術淺析

靳 瑋，吳 坤，牛康廷，王芬芬

（鄭州工商學院，河南 鄭州 451400）

1 機電設備控制技術概況與分析

隨著計算機技術的應用，新型控制策略的出現，機電設備測控在控制方法、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發展到以微計算機為中心的網絡化自動控制系統。從系統的觀點出發，機電系統的共性關鍵技術包括：檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服驅動技術、機械傳動技術、系統總體技術等，主要解決控制問題。

1.1 檢測傳感技術

機電系統在控制過程中需要從外界獲取各種信息，如執行器的反饋信號等，為控制系統提供控制的信號和依據，而傳感器則是系統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）轉換成另一種易于測量和輸出的物理量，其中主要以電學量為主。

傳感器一般由敏感元件和轉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，將被測量轉換為易測的信號，其次是轉換元件：進行信號數據的轉換，將敏感元件的信號轉換為可傳輸、記錄、處理的信號。目前，絕大部分傳感器都是把轉換電路及必要的輔助電源單元與敏感元件、轉換元件一起做成集成化的器件。

1.2 驅動執行技術

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

（1）繼電。繼電器工作時，線圈通過電流時產生磁通，經過鐵芯、空氣隙和銜鐵構成閉合回路。銜鐵在電磁場的作用下被磁化，因而產生電磁轉矩，如電磁轉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。從本質上講繼電器就是利用弱電控制強電的開關，在電路中實現電動機或其它動力裝置的啟停調速，完成生產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，是對機電系統的內部氣路、水路、油路進行通斷或控制流量的器件，在液壓和氣壓系統中，基本都有電磁閥的使用。當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。電機在現代機電系統中常常作為電能轉化為機械能的終端輸出設備，配合機械部分可以實現生產機械的各種功能。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，能實現直流電能和機械能的相互轉化；步進電機將電脈沖轉化為角位移，當其收到一個脈沖信號，即將轉過固定角度，通過控制脈沖個數從而控制角位移量；伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，形成閉環控制。工程實踐中常根據機電系統的具體要求選擇合適的電機和對應的控制方法。

1.3 信息處理技術分析

機電系統的信息處理和自動控制由系統的控制單元完成。常見機電系統控制單元包括可編程序邏輯控制器（PC 或PLC）、單片機、工業計算機數字信號處理器（DSP）、ARM 等，其中又以 PLC 和單片機工業上運用最為廣泛。PLC 和單片機，兩者本質相同，都是基于微處理技術的計算機，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生產的民用消費品。特別是儀器儀表以及小型控制系統。

（2）PLC 比單片機更適合于工作母機控制和工業過程控制。

（3）對于單項工程或者重復數極少的項目。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，采用單片機系統具有成本低、效益高的優點，但這要有相當的研發力量和行業經驗才能使系統穩定、可靠地運行。

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

2 機電設備電力拖動方式的發展與對比

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逐漸取代了直流發電機電動機系統，并發展到采用數字電路控制的電力拖動系統。這種電力拖動系統具有精密調速和動態響應快等性能。這種以弱電控制強電的技術是現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——一組生產機械設備。其特點是：機構復雜，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構方式是：一臺電動機——一臺設備。其特點是：當生產機械設備運動部件較多時，機構仍復雜，滿足不了生產工藝要求。

2.3 多臺電動機拖動

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

電氣控制系統一般稱為電氣設備二次控制回路，不同的設備有不同的控制回路，而且高壓電氣設備與低壓電氣設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、連續控制方式和自動控制系統、可編程序控制器(PLC)、計算機數字控制系統等。

3 測控系統的地位與作用

“測量”和“控制”是人類認識世界和改造世界兩項基本任務，而測控儀器或系統則是人類實現這兩項任務工具和手段。科學的發展、突破往往是以檢測儀器和技術方法上的突破為先導的。測控儀器和系統在工作生產中起著把關者和指導者的作用，廣泛應用于煉油、化工、冶金、電力、電子、輕工、紡織等行業。測控技術已是當代促進生產的一個主流環節，對國民經濟有巨大的“倍增器”和拉動作用，是改造傳統工業必備的手段，也是產品具備競爭能力、進入市場經濟必由之路，在產品質量評估及計算等有關國家法制實施中起著技術監督的“物質法官”的作用。當今信息化時代，測控技術是獲取信息，作為智能行動的依據，也是一種信息的工具，起著不可或缺的信息源的作用，更是信息工業的重要組成部分。