李琳琳

（河南金馬中東能源有限公司電儀計(jì)量部 河南 濟(jì)源 459000）

0 引言

機(jī)電一體化主要是在參照動(dòng)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(jìn)的微電子技術(shù)，并使用相關(guān)軟件，將機(jī)械裝置與電子裝置進(jìn)行有效的結(jié)合所構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)的總稱(chēng)。為了充分利用機(jī)電一體化智能化控制優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)械設(shè)備的精確度和功能性，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效簡(jiǎn)化，現(xiàn)以“捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，加強(qiáng)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的科學(xué)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)組成

機(jī)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(gè)部分組成：（1）機(jī)械本體。機(jī)械本體作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，通常會(huì)表現(xiàn)出較高的運(yùn)動(dòng)機(jī)械能力。機(jī)械本體在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要利用電子技術(shù)，確保機(jī)械運(yùn)動(dòng)變得更加智能化、高效化和柔性化，以完成機(jī)電一體化追求目標(biāo)。（2）驅(qū)動(dòng)部分。驅(qū)動(dòng)部分在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要利用信息處理部分指令，確保驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)作執(zhí)行到位，驅(qū)動(dòng)部分主要用到了以下三種驅(qū)動(dòng)模式，分別是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、液壓驅(qū)動(dòng)模式和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式。（3）檢測(cè)部分。檢測(cè)部分主要用于對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等相關(guān)物理量的精確化檢測(cè)[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(yīng)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(jī)電一體化系統(tǒng)核心組成部分，與人體大腦功能類(lèi)似。將運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)置為該系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算機(jī)處理和控制信息目標(biāo)，通過(guò)利用運(yùn)動(dòng)機(jī)械[2]，可以對(duì)使用傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、變換等處理。同時(shí)，利用接口，將執(zhí)行命令發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，確保規(guī)定動(dòng)作執(zhí)行到位。（5）能源部分。能源部分主要用于為機(jī)電一體化系統(tǒng)提供源源不斷的能量和動(dòng)力，如電動(dòng)、氣動(dòng)等[3]。

圖1 機(jī)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(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)際運(yùn)用中，要在充分結(jié)合所檢測(cè)到的送風(fēng)口壓力大小的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行捅風(fēng)眼處理。（2）時(shí)間模式。時(shí)間模式在實(shí)際運(yùn)用中，需要結(jié)合所設(shè)置好的時(shí)間，在保證送風(fēng)口壓力處于安全范圍的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行定時(shí)捅風(fēng)眼處理。（3）請(qǐng)求模式。請(qǐng)求模式在實(shí)際運(yùn)用中，需要操作者對(duì)捅風(fēng)眼機(jī)處理是否到位進(jìn)行全面的分析和判斷。

2.2 系統(tǒng)功能需求

為了達(dá)到控制混合空氣壓力的目的，本文所設(shè)計(jì)的捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)必須完成以下幾個(gè)功能。（1）對(duì)模擬量信號(hào)、I/O 信號(hào)等外圍信號(hào)進(jìn)行全面化檢測(cè)。（2）結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)系統(tǒng)功能邏輯進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，確保輸出信號(hào)控制的科學(xué)性和合理性。（3）具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，為用戶提供簡(jiǎn)潔友好的操作界面，便于用戶通過(guò)使用該界面，對(duì)系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行全面的檢查，為后期系統(tǒng)參數(shù)科學(xué)設(shè)置打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（4）具有強(qiáng)大的信號(hào)連鎖功能，在網(wǎng)絡(luò)功能的應(yīng)用背景下，向上位PC 機(jī)安全、可靠地傳輸響應(yīng)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化控制，需要在保證風(fēng)眼風(fēng)壓處于正常值的基礎(chǔ)上，將上限、下限參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置在0.10～0.20 MPa，當(dāng)風(fēng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)壓的最大值時(shí)，捅風(fēng)眼機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到工作狀態(tài)中，當(dāng)風(fēng)壓低于風(fēng)壓最小值時(shí)，捅風(fēng)眼機(jī)會(huì)自動(dòng)暫停運(yùn)行。另外，通過(guò)利用操作面板，可以有針對(duì)性地調(diào)節(jié)和設(shè)置風(fēng)眼風(fēng)壓的上限參數(shù)和下限參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)任意一個(gè)風(fēng)眼出現(xiàn)異常故障問(wèn)題時(shí)，需要將其統(tǒng)一設(shè)置為不捅模式。對(duì)于爐體而言，在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)報(bào)警期間，捅風(fēng)眼機(jī)會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行模式，并在第一時(shí)間內(nèi)自動(dòng)歸位。在確保整個(gè)系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)多種工藝參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。將所需要的數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸?shù)娇删幊炭刂破髦校煽删幊炭刂破鲗?duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后，將處理好的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控機(jī)屏幕上，監(jiān)控機(jī)還負(fù)責(zé)對(duì)操作員指令的實(shí)時(shí)化接收，并將相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行下達(dá)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(hào)統(tǒng)計(jì)

為了保證捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，技術(shù)人員要將該系統(tǒng)信號(hào)輸入組數(shù)、開(kāi)關(guān)量輸入個(gè)數(shù)、開(kāi)關(guān)量輸出個(gè)數(shù)分別設(shè)置為5 組、36 個(gè)、32 個(gè)，其中，信號(hào)輸入模塊主要用于對(duì)空氣流量、鼓風(fēng)壓力、風(fēng)眼機(jī)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(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)部分組成，一個(gè)是基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，另一個(gè)是過(guò)程控制級(jí)。控制系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主要用到了總線方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)重要數(shù)據(jù)的全面化檢測(cè)和控制，同時(shí)，還要利用設(shè)備總線，確保自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.1 監(jiān)控站設(shè)計(jì)

監(jiān)控站作為捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件重要組成部分，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要將所選用的西門(mén)子工控機(jī)直接設(shè)置為所需要的監(jiān)控站，同時(shí)，還要將總線網(wǎng)絡(luò)與PLC 進(jìn)行有效的連接，然后，利用控制模型，對(duì)各個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一化指導(dǎo)和管理。對(duì)于西門(mén)子工控機(jī)而言，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主要選用了工業(yè)機(jī)架式，不斷地?cái)U(kuò)大電源范圍[4]，同時(shí)，還要利用圖形顯示卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)以太網(wǎng)接口、聲卡等各個(gè)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(duì)各個(gè)系統(tǒng)硬件進(jìn)行統(tǒng)一化監(jiān)控。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通常表現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）實(shí)時(shí)化、智能化檢測(cè)和控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，一旦發(fā)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)異常問(wèn)題，監(jiān)控站會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)快速做出響應(yīng)，提醒相關(guān)人員及時(shí)處理該異常問(wèn)題[5]，確保被控系統(tǒng)能夠正常、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。工控機(jī)表現(xiàn)出適應(yīng)含有粉塵、高溫潮濕等惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)、故障診斷性能高、簡(jiǎn)單易維護(hù)等特點(diǎn)，通過(guò)將其與相關(guān)控制裝置進(jìn)行充分結(jié)合，可以利用高級(jí)編程語(yǔ)言，為操作系統(tǒng)運(yùn)行提供強(qiáng)大的支持。同時(shí)，監(jiān)控站還表現(xiàn)出較為豐富的軟件功能，通過(guò)將其科學(xué)地應(yīng)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(shè)計(jì)

操作站在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主要用到了PLC 控制器，具有強(qiáng)大的通信功能，通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可以確保捅風(fēng)眼機(jī)控制任務(wù)得以有效執(zhí)行。另外，在充分結(jié)合I/O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵循功能模塊配置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將多個(gè)機(jī)架進(jìn)行充分結(jié)合，完成對(duì)以下幾個(gè)模塊的科學(xué)化設(shè)計(jì)。（1）數(shù)字輸入模塊。數(shù)字輸入模塊主要用于對(duì)開(kāi)關(guān)的全面化、實(shí)時(shí)化檢測(cè)。（2）數(shù)字輸出模塊。數(shù)字輸出模塊具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制功能和信號(hào)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(duì)多路輸入信號(hào)的全面化檢測(cè)，同時(shí)，利用該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量、鼓風(fēng)壓力、測(cè)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(wù)能夠落實(shí)到位。（4）接口模塊。通過(guò)利用接口模塊，可以將主機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架進(jìn)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(shè)計(jì)和應(yīng)用可以很好地滿足多個(gè)傳輸接口使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，并利用測(cè)距裝置，完成對(duì)相關(guān)信號(hào)的安全化、可靠化傳輸[8]，同時(shí)，還能與PC 機(jī)之間建立良好的連接關(guān)系，確保信號(hào)得以有效交換。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了充分發(fā)揮和利用智能控制相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，技術(shù)人員必須要嚴(yán)格按照系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，完成對(duì)以下模塊的科學(xué)化設(shè)計(jì)。這些模塊在實(shí)際設(shè)計(jì)中，所選用的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言分別為eclipse、JAVA，整個(gè)web 展示主要運(yùn)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間，通常需要借助組態(tài)軟件，確保人機(jī)界面與用戶之間形成良好的交互關(guān)系，同時(shí)，還要利用系統(tǒng)硬件輸入設(shè)備，智能化監(jiān)控工業(yè)對(duì)象。組態(tài)應(yīng)用軟件功能圖如圖3所示。圖3中的控制對(duì)象是捅風(fēng)眼機(jī)，以功能為劃分原則，對(duì)組態(tài)應(yīng)用軟件進(jìn)行劃分，使其被劃分為以下幾個(gè)模塊；（1）控制策略組態(tài)。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，完成對(duì)捅風(fēng)眼機(jī)控制策略的構(gòu)建，同時(shí)，通過(guò)利用JAVA編程語(yǔ)言，完成對(duì)智能控制策略相關(guān)功能的編寫(xiě)和開(kāi)發(fā)。（2）監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)。在系統(tǒng)顯示模塊的應(yīng)用背景下，通過(guò)利用相應(yīng)的顯示組件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)畫(huà)面的自動(dòng)化監(jiān)控，同時(shí)，借助監(jiān)控畫(huà)面[9]，可以實(shí)時(shí)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(yùn)行異常問(wèn)題，系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警聲。（3）監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。運(yùn)行模塊在實(shí)際設(shè)計(jì)中，利用組態(tài)，就可以完成對(duì)組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)化生成，便于后期更好地對(duì)控制回路進(jìn)行全面化分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功能模塊運(yùn)行流程的實(shí)時(shí)化控制，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)利用運(yùn)行模塊所對(duì)應(yīng)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(yùn)行。（4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理。數(shù)據(jù)庫(kù)管理任務(wù)主要用于對(duì)相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能化管理，并為指定用戶提供相應(yīng)的訪問(wèn)接口，便于用戶結(jié)合自身的實(shí)際應(yīng)用需求，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，有針對(duì)性地調(diào)用和讀取所需數(shù)據(jù)，另外，通過(guò)利用歷史記錄模塊，可以從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取和應(yīng)用所需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[10]，將其科學(xué)地整理為相應(yīng)的磁盤(pán)文件，并為用戶提供強(qiáng)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(guò)利用報(bào)表任務(wù)，可以從整理好的歷史記錄數(shù)據(jù)中調(diào)取有價(jià)值的數(shù)據(jù)，然后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將其整理成相應(yīng)的文件，并做好對(duì)這些文件的安全化存儲(chǔ)，便于后期用戶有針對(duì)性地查詢、打印和傳送。

圖3 組態(tài)應(yīng)用軟件功能圖

4.2 組態(tài)軟件菜單設(shè)計(jì)

組態(tài)應(yīng)用軟件在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常會(huì)涉及到以下三個(gè)組成部分；（1）首頁(yè)。首頁(yè)主要用于對(duì)壓力模式、復(fù)合模式等工作模式的選取以及自動(dòng)方式、手動(dòng)方式等工作方式的選取。同時(shí)，首頁(yè)還能用于對(duì)氣體流量、爐內(nèi)溫度等控制工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)化、全面化顯示。（2）過(guò)程參數(shù)。過(guò)程參數(shù)主要用于對(duì)爐內(nèi)損壞、未通過(guò)等風(fēng)眼狀態(tài)的顯示以及自動(dòng)方式、手動(dòng)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(duì)系統(tǒng)所有開(kāi)關(guān)量信號(hào)的精確化顯示，還能用于故障信號(hào)的檢測(cè)，從而降低系統(tǒng)故障出現(xiàn)概率。

4.3 PLC 實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)

捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要利用PLC 主控制器，保證數(shù)據(jù)采集功能、信號(hào)交換功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)效果。PLC 這一主控制器所實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：（1）全面化檢測(cè)和管控外圍按鈕和開(kāi)關(guān)信號(hào)。（2）真實(shí)有效地顯示信號(hào)交換結(jié)果以及控制輸出數(shù)據(jù)。（3）可以準(zhǔn)確無(wú)誤地輸入和管理空氣流量、鼓風(fēng)壓力、測(cè)距位置等相關(guān)數(shù)據(jù)，并將各個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換分辨率統(tǒng)一設(shè)置為15 位，以達(dá)到滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)和要求的目的。（4）嚴(yán)格按照傳輸接口相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，安全、可靠地傳輸測(cè)距裝置相關(guān)信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所需數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸性能完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。另外，通過(guò)將PLC 主控制器和相關(guān)儀表作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行使用，可以將現(xiàn)場(chǎng)總線與微機(jī)通信充分結(jié)合，從而完成對(duì)分布式監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。由此可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的捅風(fēng)眼機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。