机电自动化控制系统的一体化设计研究--中国期刊网

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机电自动化控制系统的一体化设计研究

发表时间：2021/5/31 来源：《基层建设》2021年第2期作者：胡勇强

[导读] 摘要：现今，现代工业领域基本都引入了机电一体化系统，该系统能够通过电力的开闭对机械设备启停进行控制，使得机械设备能够依照标准流程运动，自主完成生产任务，且该系统还能有效节约电能，因此机电一体化系统具有良好的应用价值。

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        摘要：现今，现代工业领域基本都引入了机电一体化系统，该系统能够通过电力的开闭对机械设备启停进行控制，使得机械设备能够依照标准流程运动，自主完成生产任务，且该系统还能有效节约电能，因此机电一体化系统具有良好的应用价值。机电一体化系统的运作必须建立在自动化控制系统基础上，其电力开闭与机械设备启停都由控制系统决定，因此要实现机电一体化与自动化生产，就有必要对其自动化控制系统进行研究。
        关键词：机电自动化控制系统；一体化设计；研究
        1机电一体化系统概况
        文章选择的机电一体化系统主要被用于工业生产中的上、下料环节，其包含了电力与若干机械设备。每个设备都与电源保持直接联系，在电源输电后设备即可自动运作；反之，电源输电停止，则机械设备复位待工。因此，该设备的基本运作原理就是对电源输电进行控制，开启时输电，设备完成生产任务；关闭时停电，设备复位待工。这样在电源开闭的反复切换下，各机械设备即可在指定时间、指定位置上做出正确举动，实现自动化生产。
        2机电自动化控制系统设计思路、原则与方案及测试结果
        2.1设计思路
        机电自动化控制系统设计目的主要体现在以下两个方面：第一，对机电一体化系统中的电源进行直接控制，间接地对机械设备启停状态进行控制；第二，对机械手臂的移动路径、位置准确性、复位进行直接控制，确保机电一体化系统的稳定运作。基于此，该系统设计思路也可以分为两个部分，首先，在电源处安装控制装置，装置具有接收开启、关闭信号的功能，接收信号后装置会进行连接、复位运动，连接则代表电源可以向某机械手臂输电，复位则代表电源与机械手臂电路断开，停止输电；其次，利用传感器技术对机械手臂、运输小车的移动路径、位置、复位情况等进行感应，获取其具体数据，该数据会被传输到控制终端，由控制终端根据标准参数判断机械手臂、运输小车当前状态是否正常，如果存在异常会保持输电状态，直至机械手臂或运输小车状态正常，如果长时间（3min）存在异常则控制终端会报错，停止输电，并通知人工来进行处理。
        2.2设计原则
        1）效率原则。效率原则指的是系统响应速度，在机电一体化系统运作中自动化控制系统应尽可能快地根据现实情况生成指令，同时保障机械手、运输小车等设备也尽可能快地执行指令，这样自动化的上、下料环节才能有效率地完成，且如果遇到异常也能及时应对，避免异常情况恶化。因此，该系统需遵循效率原则进行设计。效率原则下，该系统的响应速度要保持在1s～3s（遭遇异常情况时，响应速度从3min之后算起，区间同样是1s～3s），越快越好。
        2）精度原则。在自动化的上、下料环节中，如果控制系统不能精确识别机械手臂、运输小车的位置、移动等信息，则很可能出现误判、误动等现象，这必然导致该环节运作出现质量问题。如果机械手臂在自动化控制系统控制下未能复位到标准位置，则其在抓取时就不能抓取标准位置的物料，导致该环节受阻后无法正常运作。因此，该系统设计要遵从精度原则，以免不良事项的发生。
        3）稳定原则。如果该自动化控制系统表现良好，则其将投入实际应用。当其在长期应用中出现了异常，就会导致系统不稳定，反复发生异常情况，这也是该系统质量低下的表现，如在应用中经常受到信号干扰，使得系统响应速度、精度时好时坏。因此，该系统必须遵从稳定性原则进行设计，至少要保障系统能够在常规干扰环境中正常运作。
        2.3设计方案
        文章自动化控制系统采用层次化方案进行设计，该方案中系统可以分为感应层、通信层、决策层、控制层四层，下文将对各层设计内容与相互之间的关系进行论述。

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        1）感应层。感应层主要由传感器来实现，首先，传感器是一种感应设备，同时具备信号发出功能，因此感应层可以作为通信层的发出端。其次，感应层设计大体分为三个步骤：①传感器选型，不同类型的传感器能够感应到的数据是不同的，因此在感应层设计中必须做好传感器选型，根据现实需求选择电力传感器、信号传感器；②传感器安装，电力传感器安装在电源处，用于感应电力输出情况、生产电力是否正常输出数据。信号传感器安装在机械手臂、运输小车的复位点、移动路径及机械手臂的“掌心”处，通过信号可知机械手臂、运输小车是否精确复位、是否正常移动，且机械手臂下方是否有物料，以免机械手臂误动；③传感器调试，为了保障感应层中各传感器精度，在各传感器安装完成后需要对传感器进行调试，确保其符合标准参数。
        2）通信层。通信层主要采用PLC总线技术（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）与信号传输来实现。首先，在PLC总线技术设计应用中，将所有安装在机械手臂、运输小车、电源等位置的传感器全部集成，形成PLC总线，再将PLC总线与控制终端连接，这样控制终端就能高效率地接收所有信号，由此做出准确判断，也能将信号中包含的数据绘制成数据趋势图供人工查阅。其次，在信号传输技术设计应用中，该项技术是连接PLC总线与控制终端的“纽带”，两者正是借助信号传输通道来实现的，以接收PLC总线传输而来的信号。值得注意的是，为了体现稳定性原则，该系统针对信号传输技术进行了抗干扰设计，主要采用了降噪技术、温度补偿设施，以保持信号传输稳定，能够最大限度避免噪声干扰与温度干扰。此外，因为传感器传输信号的原始格式为电信号，而该格式信号并不能被控制终端读取，所以必须在PLC总线与控制终端的信号通信中段设置换能器，换能器可使电信号格式转化为可以被控制终端读取的数字信号，由此解决这一问题，同时数字格式信号还能被后续人工端计算机读取。
        3）决策层。决策层集中在控制终端上，当控制终端接收到PLC总线传输来的信号时，就会对信号内的数据进行解析，解析完成后根据参照标准参数判断当前信号中各项数据是否准确，如果不准确则计算两者之间的差值，随后做出控制指令决策。决策控制指令的参数就是信号数据与标准参数之间的差值，即假设某机械手臂当前位置未能与复位信号点对应，则控制终端会接收到相关信号，根据信号中的数据可知该机械手臂与复位信号点之间的距离，并设定为1cm，这时控制终端就会做出“让该机械手臂向前或向后移动1cm”的决策，当该指令被执行，就能让机械手臂准确复位。在决策层设计中主要的设计步骤就是标准参数设计，该系统主要采用了标准库设计方法，根据现实需求在标准库中设置了各标准参数项目，且赋予了每个参数项目标准参数，这样就完成了决策层设计。
        4）控制层。控制层是在决策层生成控制信号后，向现场控制装置发出，促使控制装置运动，由此对机械手臂、运输小车进行控制的系统层。例如，当决策层控制终端做出了“让该机械手臂向前或向后移动1cm”的决策，则该决策控制指令就会被发送到现场控制装置，控制装置将推动相关机械手臂或运输小车进行运动，直至其完成指令要求。控制层的设计比较简单，主要就是选择具有接收控制指令信号、执行控制指令能力的控制装置安装在对应位置，等待指令发出即可。
        2.4测试结果
        为了校验该自动化控制系统是否符合以上三大原则，掌握其性能，在设计完成后对其进行了测试。该自动化控制系统性能良好，满足设计要求，符合三大原则，因此可以投入实际应用。
        结束语
        综上，文章进行了机电自动化控制系统的一体化设计，在上、下料机电一体化系统基础上提出了相关设计方案。该设计方案根据设计思路，遵从三大原则提出，共分四层展开设计，设计后可得机电一体化自动化控制系统，笔者对该系统进行了测试，结果显示该系统可投入实际应用。同时，该系统具有良好的人工控制模式切换机制，说明该系统可操作性强，在实际应用中能实现良好的人机交互。
        参考文献：
        [1]潘六寿.浅析机电控制系统自动控制技术与一体化设计[J].科学技术创新，2015，5（1）：59.