機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)

宋 甜

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430062）

機(jī)電控制系統(tǒng)作為融合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、機(jī)械工程、材料工程及電子通信技術(shù)的綜合性系統(tǒng)，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的前提下，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，推動(dòng)了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在機(jī)電控制系統(tǒng)中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，能夠減少系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的概率，提升系統(tǒng)可靠性。利用自動(dòng)化控制設(shè)施執(zhí)行控制工作，在出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過判斷可自動(dòng)停止，有利于保障工作人員的安全。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)機(jī)電控制系統(tǒng)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究，充分發(fā)揮一體化設(shè)備的作用。

1 機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)一體化設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)原理

機(jī)電控制系統(tǒng)是指利用信息處理和微電子等技術(shù)，構(gòu)成可支持技術(shù)人員對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程操控的一體化綜合控制系統(tǒng)，如圖1所示。自動(dòng)化控制技術(shù)能夠通過控制控制器，使其按照既定程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)管理與監(jiān)控。工作人員實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制系統(tǒng)和自動(dòng)化控制技術(shù)的一體化，可直接自動(dòng)檢測(cè)和控制設(shè)備，提高了機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率[1]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，除了控制器核心器件外，還包含檢測(cè)器和執(zhí)行器等。系統(tǒng)工作時(shí)，在系統(tǒng)中輸入信號(hào)，經(jīng)控制器轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)。執(zhí)行器接收后執(zhí)行命令，即可自動(dòng)控制過程對(duì)象，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。檢測(cè)器檢測(cè)后生成反饋信號(hào)，傳送至控制器內(nèi)進(jìn)行下一次操作。

圖1 機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為改善傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，使其符合一體化設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)國家相關(guān)要求，使用合適的電子線路優(yōu)化調(diào)整機(jī)械運(yùn)行環(huán)節(jié)。例如，設(shè)計(jì)人員可使用單片機(jī)整合電子線路與機(jī)械設(shè)備，以搭配變速機(jī)構(gòu)代替接觸控制器，從而簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，保證其運(yùn)行性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制芯片

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)品的過程中，需選擇具有仿真功能和存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)的單片機(jī)控制芯片。單片機(jī)控制芯片由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中央處理單元、I/O口、串行口以及控制程序等組成。該芯片在連接時(shí)統(tǒng)一使用單機(jī)片中的總線，不僅不用改動(dòng)硬件，而且不會(huì)占用用戶過多資源，在串行口可直接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真。該單片機(jī)控制芯片應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)，提高了系統(tǒng)可靠性。

2.2 傳感器

傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)與制定系統(tǒng)決策和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作等具有密切聯(lián)系，因此在選擇傳感器時(shí)應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注。機(jī)電控制系統(tǒng)中可使用液位傳感器或壓力傳感器，系統(tǒng)提供24 V電壓時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信。若機(jī)電控制系統(tǒng)中使用液位傳感器，在一體化系統(tǒng)中液罐高度均為2 m時(shí)，選擇CYW11傳感器，優(yōu)點(diǎn)為膜片隔離、便于安裝、結(jié)構(gòu)小巧、耐沖擊、穩(wěn)定性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高、響應(yīng)快、防雷擊以及抗干擾強(qiáng)等。若機(jī)電控制系統(tǒng)中使用壓力傳感器，該系統(tǒng)中管道壓強(qiáng)為15 kPa時(shí)，選擇壓力傳感器的額定電壓為12～36 V，測(cè)量介質(zhì)為氣體或液體，輸出信號(hào)為Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，工作環(huán)境為-40～85 ℃，可適應(yīng)大部分系統(tǒng)工作環(huán)境[2]。

2.3 電路設(shè)計(jì)

機(jī)電控制系統(tǒng)以往需要IC元件統(tǒng)一處理傳感器信號(hào)，部分信號(hào)輸出以4～20 mA為準(zhǔn)。IC普通元件的系統(tǒng)信號(hào)僅用于處理和輸出電壓信號(hào)，所以需要合理設(shè)計(jì)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。此過程中可使用具有較高精密度的電壓調(diào)節(jié)裝置。4～20 mA電流經(jīng)過電阻時(shí)的電壓，扣除基準(zhǔn)電壓后，即可獲得具體電壓輸出值。4 mA電流對(duì)應(yīng)0 V電壓值，20 mA電流對(duì)應(yīng)5 V電壓值，由歐姆定律可得所需電阻值為208.33 Ω。在系統(tǒng)控制中，使用11 Ω串聯(lián)微調(diào)電阻和200 Ω固定電阻[3]。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，高度開關(guān)閥開關(guān)電源的電壓為+12 V，如圖2所示。

圖2 電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含控制程序和人機(jī)交互。控制程序應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)主站與多個(gè)從站傳感器連通，能夠采集傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)且做好處理工作，方便人機(jī)交互的數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)。此外，根據(jù)工作數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，為產(chǎn)品生產(chǎn)提供適宜條件。在人機(jī)配合中，用戶能夠手動(dòng)控制執(zhí)行單元，根據(jù)需求選擇原材料量和溫度等。

3.2 調(diào)節(jié)軟件

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需結(jié)合實(shí)際情況對(duì)程序工作時(shí)間組進(jìn)行預(yù)設(shè)，使用鍵盤按鍵合理調(diào)用時(shí)間工作組。本文中應(yīng)用非編碼鍵盤，包含停止鍵、運(yùn)行鍵及檔位建。工作人員在使用系統(tǒng)控制產(chǎn)品時(shí)，按下停止或運(yùn)行鍵，即可使設(shè)備停止工作或進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在主程序中，完成系統(tǒng)初始化后需清除存儲(chǔ)單元，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示監(jiān)控狀態(tài)，需要進(jìn)行開放外部沖擊或中斷子控制程序的操作[4]。在沖擊子程序過程中，開回或開進(jìn)油錐閥后，確定工作時(shí)間組時(shí)需要開定時(shí)器，以實(shí)現(xiàn)油錐閥的開回與關(guān)閉。

3.3 工作軟件

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在控制開關(guān)閥門時(shí)，需使用壓力傳感器信號(hào)、初始化控制模塊和處理驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊[5]。A/D采樣子系統(tǒng)中，需要規(guī)范設(shè)置采樣通道和A/D轉(zhuǎn)換通道地址。進(jìn)入片選環(huán)節(jié)時(shí)，選擇其中的AINO通道，開通A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)施延時(shí)等操作。轉(zhuǎn)換結(jié)束可直接將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸送至采樣地址，相反則繼續(xù)延遲直至轉(zhuǎn)換操作全部完成。

4 結(jié)語

目前，機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，通過硬件與軟件的設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為用戶提供能夠自動(dòng)控制設(shè)備的系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，推動(dòng)工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。