時間：2022-08-23 14:15:19
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關(guān)鍵詞：高速攝影；單片機(jī)；CPLD；轉(zhuǎn)速測量
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018
引言
超高速攝影與一般攝影最根本的區(qū)別，在于它能以極快的速度進(jìn)行拍攝，有很高的時間分辨率，能夠?qū)⒖焖僮兓倪^程記錄下來，可以廣泛應(yīng)用于高速運(yùn)動過程研究、瞬態(tài)光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數(shù)測量等領(lǐng)域。
超高速攝影有超高速光電相機(jī)、轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影等。轉(zhuǎn)鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉(zhuǎn)鏡式高速攝影掃描系統(tǒng)的掃描速度可達(dá)0.375km/ s～15km/s，系統(tǒng)分辯力可達(dá)80lp/ mm，高速攝影分幅系統(tǒng)的攝影頻率可達(dá)104fps～107fps，系統(tǒng)分辨力可達(dá)35lp/mm，可滿足速度最高可達(dá)幾十千米每秒的高速運(yùn)動物體的測試需求。
轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)是一個涉及光學(xué)、機(jī)械、電子等技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜精密系統(tǒng)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，這里主要對某項目中用到的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)的電路控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行介紹。
超高速攝影電控系統(tǒng)設(shè)計
轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影電路控制系統(tǒng)使高速攝影機(jī)各部分按程序工作，保證高速攝影機(jī)以500萬幀/秒的速度準(zhǔn)確可靠地高速拍攝。超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)是保證攝影機(jī)準(zhǔn)確可靠工作、提供分析所需數(shù)據(jù)的指揮機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)性能的好壞是衡量高速攝影機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志。
超高速攝影電路控制系統(tǒng)主要由控制箱、電源、計算機(jī)等組成。電控系統(tǒng)主要功能為：（1）快門開啟和關(guān)閉的控制；（2）調(diào)整和控制轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)速度；（3）轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)速度測量和指示；（4）引發(fā)脈沖光源；（5）安全保護(hù)功能，包括電機(jī)的過流保護(hù)、傳感器斷電保護(hù)等。超高速攝影電控系統(tǒng)工作流程示意如圖1所示。
單片機(jī)ATMega16L通過RS485通信接受計算機(jī)的指令并完成對其它各個分系統(tǒng)的實(shí)時控制。電機(jī)脈沖信號放大板將轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速測量板的信號放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進(jìn)行測速，并與轉(zhuǎn)鏡速度控制單元的測速值進(jìn)行比較，用于判斷是否達(dá)到設(shè)定的速度；脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發(fā)目標(biāo)信號，機(jī)械快門控制單元實(shí)現(xiàn)對攝影機(jī)的保護(hù)，外部觸發(fā)及同步信號單元用來獲取外部的同步信號，并根據(jù)到達(dá)拍攝區(qū)域的時間確定零時信號。系統(tǒng)各控制模塊（除電機(jī)控制器外）和電源等都裝配在控制機(jī)柜中，并通過電纜與對應(yīng)的快門、電機(jī)、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來。
邏輯電路XC95288的功能設(shè)計
XC95288是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程CPLD器件，主要用來完成邏輯控制和轉(zhuǎn)鏡速度測量等功能，其控制的內(nèi)容包括轉(zhuǎn)鏡速度和外部同步信號的讀取、控制機(jī)械快門、脈沖氙燈以及觸發(fā)目標(biāo)，同時也控制MAX485等芯片實(shí)現(xiàn)與上位控制計算機(jī)的半雙工通信。
XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。
超高速攝影機(jī)需要將轉(zhuǎn)鏡加速到預(yù)定的拍攝速度，并能夠維持?jǐn)?shù)秒（維持時間不宜過長，否則將損壞電機(jī)），以等待拍攝目標(biāo)的到來。因此要設(shè)定拍攝速度的自動選擇環(huán)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡速度達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時，它能自動給出信號以穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)攝影頻率為500萬幀/秒=5×106fps時，拍攝320個畫幅對應(yīng)轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)角度為120°，此時轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速n為：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。
為了測量電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)動速度，這里設(shè)計一個速度測量電路，其參數(shù)如下：（a）頻率測量范圍：10Hz～1MHz；（b）測量分辨率：1Hz；（c）測量通道靈敏度：50mVpp；（d）通道輸入阻抗：≥100kΩ。
（1）電機(jī)信號整形電路
電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入的速度頻率信號是方波，并且信號的測量通道靈敏度為50mVpp，為此需要將速度信號放大整形成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平的方波信號，便于XC95288對信號脈沖的計數(shù)，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號經(jīng)過放大整形后變成Vpp=5V電平，并且前向通道電阻≥100kΩ，則放大電路的電壓放大倍數(shù)為：
第一級射級跟隨器提高了輸入阻抗，使其滿足Ri≥100kΩ的要求，使得信號基本上送入后級，再經(jīng)過兩級的放大使信號放大，最后經(jīng)施密特觸發(fā)器整形成比較好的方波信號，為后面的處理提供信號。
（2）電機(jī)速度頻率測量電路
XC95288主要實(shí)現(xiàn)對被測信號的脈沖個數(shù)進(jìn)行處理，并通過串口發(fā)送到PC上進(jìn)行實(shí)時顯示。這里采用有源晶振40MHz進(jìn)行分頻得到計時標(biāo)準(zhǔn)時鐘，標(biāo)準(zhǔn)時鐘為電機(jī)速度頻率測量提供精度相對較高的時基信號，其時間的穩(wěn)定性和精度將會直接影響到測量的準(zhǔn)確性。
用XC95288實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度測量的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
在XC95288內(nèi)部電路中，F(xiàn)0、F1輸入端口分別輸入標(biāo)準(zhǔn)脈沖和待測的速度脈沖信號（經(jīng)過整形放大以后的信號），計數(shù)器0和1分別對標(biāo)準(zhǔn)脈沖F0和待測信號F1進(jìn)行計數(shù)，鎖存器0和1分別對計數(shù)器0和1的計數(shù)值進(jìn)行保存，16位的輸入端口NP作為預(yù)置閘門時間的設(shè)定端口，設(shè)其輸入值為NP，則預(yù)置閘門時間T0為T0=NP/f0。
在電路剛開始工作時，由清零信號CLR對所有的計數(shù)器、鎖存器和D觸發(fā)器清零。這樣，計數(shù)器0的計數(shù)值NN0的初值為0，故此時NP>NN0，比較器輸出為1，但此時DFF0觸發(fā)器的輸出F2仍保持此初值0，由于F2作用在計數(shù)器0和1的使能端，此時計數(shù)器沒有開始計數(shù)，直到信號F1的上升沿到來后，DFF0觸發(fā)器的輸出F2才翻轉(zhuǎn)為1，允許兩計數(shù)器計數(shù)。隨著計數(shù)值的增加，當(dāng)NN0>NP時，比較器輸出等于0，不過此時兩個計數(shù)器仍在計數(shù)，直到信號F1的又一上升沿到來后，F(xiàn)2=0，兩個計數(shù)器都停止計數(shù)，利用F2的下降沿（F3的上升沿）將此時的計數(shù)值NN0和NN1分別通過鎖存器0和1鎖存起來。然后利用此時F2=0，經(jīng)D1觸發(fā)器延時到信號F0的上升沿到來后，對計數(shù)器0、1清零。延時清零的原因是為了避免鎖存器鎖存數(shù)據(jù)與計數(shù)器清零同時進(jìn)行，從而使存儲數(shù)據(jù)出錯。但由于延時清零，使實(shí)際門控信號的上升沿比速度信號F0的上升沿滯后，滯后時間為信號F0的一個周期。為使檢測結(jié)果準(zhǔn)確，將計數(shù)器0的計數(shù)值加1即可。F2實(shí)質(zhì)上就是實(shí)際門控信號。
在設(shè)計電路時，需要考慮計數(shù)器溢出的情況。例如，在電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的情況下，兩個速度脈沖信號上升沿間的時間間隔較長，這使實(shí)際閘門時間變得很長，在該段時間內(nèi)，計數(shù)器0可能會出現(xiàn)溢出情況。在該情況下，可用3種方法來解決計數(shù)：一是增加計數(shù)器0的位數(shù)；二是通過增加計數(shù)器來對溢出次數(shù)另行讀數(shù)；三是一旦計數(shù)器溢出，便認(rèn)為此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速約等于0。這里采用的方法是：在電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的時候延時2秒種后再進(jìn)行測量，而且計數(shù)器都采用16位寬度。
單片機(jī)ATMega16L的功能設(shè)計
ATMega16L單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，采用精簡指令集，具有預(yù)取指令功能，指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，處理速度快。在高速攝影電控系統(tǒng)中，ATMega16L單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取XC95288的電機(jī)測速值，處理控制內(nèi)外信息的輸入輸出接口，并與上位控制計算機(jī)通過RS-485接口進(jìn)行信息交互。
在軟件編程時，利用ATMega16L單片機(jī)定時/計數(shù)器與系統(tǒng)時鐘的預(yù)定比例分頻器，可以獲得很高分辨率的時間間隔控制精度，例如，單片機(jī)系統(tǒng)采用8MHz的晶振工作，采用8分頻，則時間控制的間隔可以達(dá)到微秒，完全能夠?qū)崿F(xiàn)超高速攝影中要求的0.1微秒的控制精度。
這里給出一個ATMega16L單片機(jī)讀取XC95288的電機(jī)測速值的C語言子程序。
結(jié)束語
根據(jù)以上電路設(shè)計的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)，已在某系統(tǒng)超高速攝影機(jī)中得到應(yīng)用，系統(tǒng)工作良好。
參考文獻(xiàn)：
【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；控制技術(shù)；設(shè)計；應(yīng)用方法
中圖分類號：C35文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
工業(yè)一直以來都是國民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其不僅關(guān)系著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)程，也影響了整個社會科技的發(fā)展水平。新經(jīng)濟(jì)體制下，我國工業(yè)科技取得了新的研究成果，改變了過去單一的技術(shù)應(yīng)用方案。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是工業(yè)經(jīng)濟(jì)中的先進(jìn)模式，由于多種技術(shù)融入而提高技術(shù)的實(shí)用性，這些都能為企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。
一、機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成
從構(gòu)成要素上來看，機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)(機(jī)構(gòu))、電子信息處理系統(tǒng)(計算機(jī))、動力系統(tǒng)(動力源)、傳感檢測系統(tǒng)(傳感器)、執(zhí)行元件系統(tǒng)(如電機(jī))等五個子系統(tǒng)組成。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特征是給”機(jī)械”增添了頭腦(計算機(jī)信息處理與控制)，因此是要求傳感器技術(shù)、控制用接口元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制軟件水平較高的系統(tǒng)。
從所要實(shí)現(xiàn)功能上來看，因?yàn)闄C(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)是由若干具有特定功能的機(jī)械與微電子要素組成的有機(jī)整體，要有滿足人們使用要求的功能(目的功能)，所以根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：①變換(加工、處理)功能；②傳遞(移動、輸送)功能；③儲存(保持、積蓄、記錄)功能,不管是實(shí)現(xiàn)哪類“目的”功能的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如下圖所示的五種內(nèi)部功能，即主功能、動力能功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。其中“主功能”是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“目的功能”直接必需的功能，主要是對物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進(jìn)行變換、傳遞和存儲。“動力功能”是向系統(tǒng)提供動力、讓系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的功能?！皺z測功能和控制功能”的作用是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施“目的功能”。而“構(gòu)造功能”則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入／輸出來看，除有主功能的輸入／輸出之外，還需要有動力輸入和控制信息的輸入／輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出(如廢棄物等)。
既然機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)可以分解成一系列要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，那么怎樣使各要素或子系統(tǒng)之間順利地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換呢?這就涉及到了接口的概念。所謂接口就是各要素或各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系條件。從系統(tǒng)外部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)的輸入／輸出是與人、自然及其他系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)構(gòu)成要素的輸入／輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素或各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，在某種意義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計歸根結(jié)底就是“接口設(shè)計”。廣義的接口功能有兩種，一種是輸入／輸出的功能；另一種是變換、調(diào)整的功能。
二、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)
隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展?，F(xiàn)在的機(jī)電一體化技術(shù)，是機(jī)械和微電子技術(shù)緊密集合的一門技術(shù)，它的發(fā)展使冷冰冰的機(jī)器有了人性化、智能化。從企業(yè)角度分析，開辟新工業(yè)生產(chǎn)模式是行業(yè)科技的創(chuàng)新要求，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益最大化的必要條件。筆者認(rèn)為，機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注重幾大模塊的控制：
（1）結(jié)構(gòu)模塊。機(jī)械本體是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架、支撐、聯(lián)接等，這是機(jī)電系統(tǒng)控制的主要對象。設(shè)計一體化系統(tǒng)要考慮設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)設(shè)置，使機(jī)電、機(jī)械等設(shè)備發(fā)揮出預(yù)期的功效，這樣才可以加快控制系統(tǒng)的功能發(fā)揮。
（2）動力模塊。動力驅(qū)動部分依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。無論是哪一種類型的機(jī)械設(shè)備，都要借助動力系統(tǒng)才能正常地運(yùn)轉(zhuǎn)，這是機(jī)電一體化設(shè)計的主要內(nèi)容。動力模塊設(shè)計可選用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)主電機(jī)傳輸能量的大小，由變頻器自動控制電傳動速率，進(jìn)而對設(shè)備動力供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣能夠方便機(jī)電系統(tǒng)的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)。
（3）感知模塊。測試傳感部分對系統(tǒng)的運(yùn)行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。傳感器是信息傳遞的主要設(shè)備，用其作為信號感應(yīng)與自處理裝置，對機(jī)電設(shè)備調(diào)度具有指導(dǎo)作用。無線傳感技術(shù)的普及應(yīng)用，能夠幫助控制系統(tǒng)快速地分析數(shù)據(jù)信息，避免其他信號傳遞造成的干擾。
（4）指令模塊?？刂萍靶畔⑻幚聿糠謱碇疁y試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮指令的控制，尤其是自然語言與計算機(jī)語言之間的轉(zhuǎn)換，更應(yīng)該朝著一體化方向轉(zhuǎn)變，這是保證機(jī)電信號穩(wěn)定傳輸?shù)闹攸c(diǎn)條件。
三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)
（1）機(jī)械技術(shù)：機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。在設(shè)計和制造機(jī)械系統(tǒng)時除了考慮靜態(tài)、動態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)及新型的制造工藝和工藝裝置。
（2）傳感檢測技術(shù)：傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容，一是研究如何將各種被測量轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理。機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠地獲取信息。
（3）信息處理技術(shù)：信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。
（4）自動控制技術(shù)：機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。
（5）伺服傳動技術(shù)：伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，常見的伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有電氣伺服和液壓伺服。
（6）系統(tǒng)總體技術(shù)：機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運(yùn)用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。
四、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的主要趨勢，也是基于信息科技的自動化控制平臺，用其作為工業(yè)生產(chǎn)控制模塊，有助于加強(qiáng)生產(chǎn)設(shè)施的工作性能，帶動了生產(chǎn)效率的全面提升。同時，借助控制及信息處理部分發(fā)出的指令，可快速完成規(guī)定的動作和功能。除此之外，新型機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用還表現(xiàn)在其它方面：
（1）人機(jī)智能化。從未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展角度考慮，我國機(jī)電一體化控制系統(tǒng)也將朝著智能方向改進(jìn)，這種智能性特點(diǎn)是在原控制模式上的升級，應(yīng)用了多功能控制技術(shù)作為輔助方案。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷推廣，機(jī)電一體化作業(yè)模式的智能系數(shù)更高，大部分人工操作均可通過計算機(jī)控制平臺處理，這些改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式的不足。
（2）數(shù)字一體化。數(shù)字一體化是對機(jī)電一體化控制的延伸，其選用高科技數(shù)字系統(tǒng)作為支撐，對機(jī)電設(shè)備動作指令進(jìn)行合理地調(diào)度，幫助工業(yè)系統(tǒng)解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題。數(shù)字一體化以微型計算機(jī)為控制平臺，這種小型計算機(jī)具備了常規(guī)計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，因其外形輕巧而適合安裝于機(jī)電設(shè)備。利用數(shù)字傳感器對控制系統(tǒng)實(shí)時感應(yīng)，發(fā)現(xiàn)異常信號后及時調(diào)整指令，加快了數(shù)字系統(tǒng)的自處理效率。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計
中圖分類號：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)( EMCS) 通過中央級、車站級和就地級三級對車站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控, 通過中央級和車站級進(jìn)行系統(tǒng)管理。車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對全線各個車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水設(shè)備、自動扶梯、電梯、車站公共區(qū)照明、廣告照明、車站事故照明電源、屏蔽門及人防密閉隔斷門等車站設(shè)備進(jìn)行全面、有效的自動化監(jiān)控及管理，確保設(shè)備處于高效、節(jié)能、可靠的最佳運(yùn)行狀態(tài)，并創(chuàng)造一個舒適的地下環(huán)境，此外在火災(zāi)等災(zāi)害或阻塞事故狀態(tài)下，能夠更好地協(xié)調(diào)車站設(shè)備的運(yùn)行，充分發(fā)揮各種設(shè)備應(yīng)有的作用來保證乘客的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。
一、系統(tǒng)設(shè)置目的
地下鐵路作為現(xiàn)代化城市建設(shè)的標(biāo)志之一，因其具有無污染、低噪音、高速度等優(yōu)點(diǎn)，目前已被越來越多的城市所采用。機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)( EMCS) 是將計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制對象主要為地鐵通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、正常照明設(shè)備及電扶梯等設(shè)備。其主要作用為：對地鐵內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視和控制，使其在正常情況下滿足乘客舒適度的要求，并在緊急情況下提供正確可靠的信息來保證乘客等人員安全。其中，由于地鐵工程的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與一般的地上建筑完全不同，其溫濕的變化既有它的周期性，也有受外界干擾的隨機(jī)變化無規(guī)律性，因此，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)容量大且復(fù)雜。在這種情況下，如果沒有計算機(jī)控制系統(tǒng)，只靠工作人員人為去控制是根本無法實(shí)現(xiàn)的。所以在全線設(shè)置EMCS 系統(tǒng)非常重要。設(shè)置機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是想借一斑而窺全貌，想以此達(dá)到反映整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路，確保以上這些系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行的目的。特別是在地下車站發(fā)生火災(zāi)事故的情況下，能夠使有關(guān)救災(zāi)設(shè)施按照設(shè)計工況及時有效地運(yùn)行，從而保障人身安全。
二、地鐵監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
1、環(huán)境條件特殊
地鐵建筑所處環(huán)境具有特殊性，由于機(jī)車為電力牽引,且地下相對外界隔絕，環(huán)境潮濕。既不同于地面商用建筑物，一般所處環(huán)境較好，電磁干擾較輕，也不同于工廠金屬粉塵等有害物質(zhì)較多，環(huán)境惡劣。
2、功能要求特殊
地下鐵路屬于公共交通行業(yè), 是城市交通的一面窗口，是面向乘客的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，反映了城市的先進(jìn)程度。這種服務(wù)除了人的因素以外，設(shè)備的安全、可靠、高效、節(jié)能所帶來的舒適感、安全性也非常重要。不同于智能樓宇側(cè)重于辦公自動化、通信自動化、長時間工作下環(huán)境智能調(diào)節(jié)的要求,地鐵建筑監(jiān)控系統(tǒng)則更側(cè)重有利于安全行車管理、變化客流下的環(huán)境調(diào)節(jié)、災(zāi)害情況下的疏散導(dǎo)引、相關(guān)設(shè)備在各種情況下的有效運(yùn)行。
三、監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能
1、車站級監(jiān)控系統(tǒng)組成由設(shè)置于車站環(huán)控電控室和車站控制室( SCR) 的可編程序控制器( PLC) 采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號，通過網(wǎng)絡(luò)通訊線傳遞到車站級服務(wù)器及監(jiān)控工作站，車站監(jiān)控人員再通過工作站下達(dá)控制指令，由PLC 傳遞到現(xiàn)場設(shè)備完成。
2、中央級監(jiān)控系統(tǒng)由中央級局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包括主備監(jiān)控主機(jī)、主備服務(wù)器、檔案管理計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印機(jī)、打印機(jī)服務(wù)器、大屏幕顯示系統(tǒng)和UPS 等設(shè)備。
3、就地級監(jiān)控設(shè)備組成：作為車站級監(jiān)控設(shè)備PLC 控制器的組成部分，遠(yuǎn)程I/ O 設(shè)備直接與現(xiàn)場設(shè)備連接，采集從現(xiàn)場傳感器檢測到的各類信號；同時，遠(yuǎn)程I/ O 也將上級下達(dá)的控制任務(wù)，直接傳遞到現(xiàn)場的閥門、開關(guān)及電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成系統(tǒng)的控制指令。對于關(guān)鍵性的監(jiān)控場合，使用帶CPU 處理器的遠(yuǎn)程I/ O 來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制功能。
4、地鐵監(jiān)控系統(tǒng)從全線功能來講，包括了設(shè)在全線調(diào)度指揮中心的中央級功能，設(shè)在各個車站控制室和環(huán)控電控室的車站級功能，以及設(shè)在被控設(shè)備附近的就地級功能。
車站級設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理本車站的被控設(shè)備。接收中央級下達(dá)的指令，完成其控制要求，以及實(shí)現(xiàn)對車站的環(huán)境監(jiān)控、其他機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控管理和導(dǎo)向設(shè)備監(jiān)控。
四、車站級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
1、點(diǎn)對點(diǎn)形式
車站局域網(wǎng)采用1: N 點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)方式，局域網(wǎng)上設(shè)置服務(wù)器，通過集線器可同時與所有子網(wǎng)控制器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)交換，通信方式采用輪回仲裁方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。該方案屬于集中式通信策略，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)充，但需要的數(shù)據(jù)通路多，而且工作站處容易形成通信故障的瓶頸。
2、環(huán)形以太網(wǎng)形式
局域網(wǎng)通過連接設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)連接成環(huán)型，系統(tǒng)各控制器作為環(huán)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)互通信息。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCPPIP 協(xié)議組標(biāo)準(zhǔn)，通信方式為CSMAPCD。由于以太網(wǎng)是一個非常開放的網(wǎng)絡(luò)，且通訊能力強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備成熟。但其傳輸效率的能力相對薄弱，如果采用高可靠、高品質(zhì)的交換機(jī)作為連接設(shè)備，利用它的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，建立邏輯上的多通道，則可以較好地解決這一問題。另外，為了保證系統(tǒng)的控制和信息的響應(yīng)時間，可選擇通信速率為100Mbps 的高速以太網(wǎng)。
3、工業(yè)總線形式
系統(tǒng)各控制器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接在總線網(wǎng)上，利用總線作為節(jié)點(diǎn)的共同信道互通信息。采用廣播或主從等方式通信。這種總線方式，通訊效率高，節(jié)點(diǎn)增加容易。常用在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，通信效率和可靠性依據(jù)大量的工業(yè)實(shí)踐有所保證。但不同廠家的總線系統(tǒng)有各自的數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)，相應(yīng)的總線產(chǎn)品有其自己的市場定位，在開放性方面都有所努力，以達(dá)到通用性的目的。
五、設(shè)備選型分析
車站級局域網(wǎng)的高效運(yùn)行，往往取決于網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和信息傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，而控制器的選擇又直接關(guān)系到系統(tǒng)控制性能的高低。在高速以太網(wǎng)尚未普及之前，大多數(shù)以太網(wǎng)10Mbps，沒有交換機(jī)的需求。對于百兆以太網(wǎng)，選用高品質(zhì)10P100Mbps 自適應(yīng)端口的交換機(jī)，可以使其連接的每個端口設(shè)備擁有足夠的帶寬。其自動偵測交換和全雙工功能，使網(wǎng)絡(luò)有著良好的擴(kuò)充延伸性能。而支持冗余雙環(huán)硬件自動切換的功能，使以太網(wǎng)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)成為可能， 這樣就在網(wǎng)絡(luò)故障自愈能力上提高了系統(tǒng)的可靠性。
采用多模光纜作為傳輸介質(zhì)，避免了強(qiáng)電磁感應(yīng)、高電壓引起的干擾。選用帶有鋼護(hù)帶，具有良好抗拉伸和抗側(cè)壓，以及防濕防潮性能的光纜，更有利于在地下的安裝敷設(shè)和系統(tǒng)傳輸可靠性的提高。
作為車站級監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，控制器的處理能力、處理速度、擴(kuò)展能力、可靠性、易維護(hù)性等諸多方面都要有所考慮。而PLC 在這些方面則有很好的性能和實(shí)踐。在對實(shí)際數(shù)量的IPO 數(shù)據(jù)收發(fā)的同時，有大量的中間處理數(shù)據(jù)，選擇CPU 的處理能力就要遠(yuǎn)大于實(shí)際的IPO 數(shù)量。對于不同的指令，處理速度有幾倍，甚至幾十倍的差別，選擇基本賦值指令作為參考，具有可比性。為提高可靠性，如一臺PLC 被診斷故障，另一臺必須保證所有下層設(shè)備及數(shù)據(jù)通訊不間斷、無擾動的繼續(xù)正常運(yùn)行，PLC 常需要冗余配置。配置方式有單電源- 雙CPU、雙電源- 單CPU、雙電源- 雙CPU的多種組合, 采用后一種及雙背板結(jié)構(gòu)，更能保證PLC 的完全冗余。采用標(biāo)準(zhǔn)化選件、模塊化結(jié)構(gòu)、可帶電插拔方式等，為運(yùn)營維修部門的現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)和日后系統(tǒng)的擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。
總結(jié)
地鐵機(jī)電設(shè)備的自動監(jiān)控是一項十分重要的控制技術(shù)，也是一項繁雜的系統(tǒng)工程，涉及許多專業(yè)的設(shè)備監(jiān)控及運(yùn)行要求，有著地鐵行業(yè)的特殊性。這就要以接口協(xié)調(diào)配合為基礎(chǔ)，設(shè)備選型為根本，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造為條件，以管理措施為保證，以實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)作為優(yōu)化的前提，才能使得地鐵監(jiān)控系統(tǒng)有更好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：微機(jī)電混合陀螺儀工作原理接口電路設(shè)計仿真分析
中圖分類號：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
大量的實(shí)踐研究結(jié)果證實(shí)：陀螺能夠在相當(dāng)長的一段時間范圍內(nèi)保持既定方位的穩(wěn)定性，并能夠針對載體角位移程度以及角速度變化情況予以及時反映。基于這一特性，陀螺現(xiàn)階段的大量應(yīng)用于工業(yè)化建設(shè)的方方面面當(dāng)中。同傳統(tǒng)意義上的機(jī)電陀螺儀裝置相比，一種基于微電子及集成智能化技術(shù)的微機(jī)電混合陀螺儀裝置以其所特有的低成本、大批量生產(chǎn)以及尺寸小等諸多優(yōu)勢而備受各方工作人員的特別關(guān)注與重視。本文基于對微機(jī)電混合陀螺儀裝置工作原理的分析，提出了一種接口電路的設(shè)計方式，并仿真驗(yàn)證其可行性。現(xiàn)對其做詳細(xì)分析與說明。
一、微機(jī)電混合陀螺儀裝置基本工作原理分析
在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖1）。由圖中所示結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)：在整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的情況下，與之相對應(yīng)的電機(jī)裝置能夠驅(qū)動陀螺儀裝置與平衡環(huán)裝置保持高速且穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)動作，從而產(chǎn)生較為明顯的動量矩。在如圖1右下角位置所示x/y方向出現(xiàn)角速度輸入的情況下，轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸勢必會產(chǎn)生一定程度上的偏轉(zhuǎn)。而相對于整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置而言，這種偏轉(zhuǎn)將引起信號檢測極板與陀螺轉(zhuǎn)子相對應(yīng)的電容參數(shù)出現(xiàn)明顯變動。借助于電容信號檢測將這部分電容參數(shù)予以完整提取，即可以獲取在輸入角速度既定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角大小參數(shù)。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)在于：為確保陀螺轉(zhuǎn)子在整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置的運(yùn)行過程中能夠始終保持為靜態(tài)平衡狀態(tài)，則應(yīng)當(dāng)以力矩反饋極板為在載體，將一定數(shù)值的靜電力矩施加在陀螺轉(zhuǎn)子之上。在陀螺轉(zhuǎn)子接受這部分靜電力矩的過程當(dāng)中所產(chǎn)生的修正效應(yīng)以及補(bǔ)償效應(yīng)能夠輔助對輸入角速度的測定作業(yè)。基于以上分析，在剔除二次諧波力矩作用力以及陀螺阻尼力矩作用力相對于微機(jī)電混合陀螺儀裝置的運(yùn)行影響情況下，其運(yùn)動方程可以作如下表述：[（轉(zhuǎn)子繞x/y軸轉(zhuǎn)動慣量＋平衡環(huán)繞x/y軸轉(zhuǎn)動慣量/2）×（自轉(zhuǎn)軸繞陀螺儀坐標(biāo)系ox軸正向運(yùn)動相對于驅(qū)動軸的角加速度）]＋[陀螺儀角動量參數(shù)×自轉(zhuǎn)軸繞陀螺儀坐標(biāo)系oy軸正向運(yùn)動相對于驅(qū)動軸的角速度]＋[剩余剛度項×自轉(zhuǎn)軸繞陀螺儀坐標(biāo)系ox軸正向運(yùn)動相對于驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角角度]=作用于陀螺轉(zhuǎn)子外置外力矩在坐標(biāo)系ox軸上的分量參數(shù)－[（轉(zhuǎn)子繞x/y軸轉(zhuǎn)動慣量＋平衡環(huán)繞x/y軸轉(zhuǎn)動慣量/2）×陀螺儀相對于慣性空間角加速度在坐標(biāo)系ox軸上的分量參數(shù)]－（陀螺儀角動量參數(shù)×陀螺儀相對于慣性空間角速度在坐標(biāo)系oy軸上的分量參數(shù)）。通過對微機(jī)電混合陀螺儀裝置運(yùn)動方程的分析，可以對其進(jìn)行簡單定義，即微機(jī)電混合陀螺儀裝置是一個能夠同時針對x軸及y軸方向輸入角速度進(jìn)行測定的二自由度陀螺儀裝置。
圖1：微機(jī)電混合陀螺儀裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖
二、微機(jī)電混合陀螺儀裝置接口電路設(shè)計分析
在整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置系統(tǒng)設(shè)計過程中，機(jī)電接口應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注上檢測電極、下檢測電極以及轉(zhuǎn)子、平衡環(huán)間的對應(yīng)關(guān)系。在微機(jī)電混合陀螺儀裝置進(jìn)行信號檢測的過程當(dāng)中，能夠通過對大小均等、頻率均等高頻載波信號的內(nèi)環(huán)輸入實(shí)現(xiàn)檢測目的。在此種載波信號的施加作用之下，上下檢測電極外環(huán)位置還同時受到村子啊平衡力矩作用力的微機(jī)電混合陀螺儀裝置反饋電壓當(dāng)中。這部分施加電壓與所輸入高頻載波信號均負(fù)載在同一電極當(dāng)中，借助于此種方式能夠?qū)崿F(xiàn)整個機(jī)電接口位置直流偏置信號、常值電容信號、反饋電壓信號以及檢測電容信號的均衡性作業(yè)?；谝陨戏治鲂枰J(rèn)識到一點(diǎn)問題：在針對微機(jī)電混合陀螺儀裝置進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的過程當(dāng)中，若假定存在寄生電容，則在整個有關(guān)接口電路的設(shè)計過程當(dāng)中需要重點(diǎn)關(guān)注一點(diǎn)：即在頻率一定的載波信號施加并有效覆蓋于微機(jī)電混合陀螺儀裝置外環(huán)電極的狀態(tài)下，中間公共點(diǎn)擊所產(chǎn)生電位數(shù)值與所施加載波信號見的對應(yīng)關(guān)系。此過程當(dāng)中需要重視放大器反相輸入端虛地數(shù)值的特性，獲取差動電容傳感器在反饋?zhàn)杩辜榷顟B(tài)下的輸出電壓參數(shù)，基于以上分析所確定的微機(jī)電混合陀螺儀裝置接口電路設(shè)計示意圖基本如下圖所示（見圖2）。從圖中相關(guān)結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)：在微機(jī)電混合陀螺儀裝置的正常運(yùn)行狀態(tài)下，通過對電容參數(shù)的實(shí)時控制與調(diào)節(jié)能夠很好的提高信號靈敏性。
圖2：微機(jī)電混合陀螺儀裝置接口電路設(shè)計示意圖
三、微機(jī)電混合陀螺儀裝置仿真分析
本文所例舉仿真試驗(yàn)在微機(jī)電混合陀螺儀裝置保持開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行，其目的在于通過仿真實(shí)驗(yàn)分析并驗(yàn)證殘余剛度相對于整個微機(jī)電混合陀螺儀運(yùn)行系統(tǒng)的影響程度。具體的仿真方式如下：在保持微機(jī)電混合陀螺儀裝置處于開環(huán)作業(yè)狀態(tài)的情況下，假定充分加工后整個結(jié)構(gòu)的殘余剛度保持在0.22468mN·m/rad單位，并且剔除外力矩作用力以及角速度輸入對殘余剛度的影響問題。在此種假定情況作用之下，本文所構(gòu)建的微機(jī)電混合陀螺儀裝置運(yùn)動方程中包括①.陀螺儀相對于慣性空間角速度在坐標(biāo)系oy軸上的分量參數(shù)；②.陀螺儀相對于慣性空間角加速度在坐標(biāo)系ox軸上的分量參數(shù)；③.作用于陀螺轉(zhuǎn)子外置外力矩在坐標(biāo)系ox軸上的分量參數(shù)在內(nèi)的相關(guān)指標(biāo)均表現(xiàn)為零值狀態(tài)。在以上仿真前提下，陀螺轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸繞陀螺儀坐標(biāo)系ox軸正向相對于驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角（以下定義為a）以及陀螺轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸繞陀螺儀坐標(biāo)系oy軸正向相對于驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角（以下定義為b）的運(yùn)動關(guān)系表現(xiàn)為下圖（見圖3）。從圖中不難發(fā)現(xiàn)：在剩余剛度項保持在非零狀態(tài)的情況下，a、b轉(zhuǎn)角作相對調(diào)諧振動，這也就意味著轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸在整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置中做進(jìn)動運(yùn)動。而在a、b轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)出完全調(diào)諧關(guān)系的情況下，以上兩轉(zhuǎn)角指標(biāo)均表現(xiàn)為初值狀態(tài)，也就意味著轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸在整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置中能夠保持原方位上的穩(wěn)定狀態(tài)。在此基礎(chǔ)之上，借助于Matlab實(shí)現(xiàn)對微機(jī)電混合陀螺儀運(yùn)行系統(tǒng)的仿真處理，通過對輸入角速度參數(shù)的控制，所得到的仿真結(jié)果證實(shí)：在過渡平衡狀態(tài)下，a、b轉(zhuǎn)角基本表現(xiàn)為零值狀態(tài)，確保了整個微機(jī)電混合陀螺儀裝置閉環(huán)控制的有效性，仿真效果顯著。
圖3：微機(jī)電混合陀螺儀裝置開環(huán)狀態(tài)下轉(zhuǎn)角運(yùn)動規(guī)律示意圖
（a）轉(zhuǎn)角a運(yùn)動規(guī)律示意圖
（b）轉(zhuǎn)角b運(yùn)動規(guī)律示意圖
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】PLC；光機(jī)電；一體化；實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)；設(shè)計
1概述
1.1PLC
PLC全稱為可編程邏輯控制器，它是一款可用于編程的存儲器，它主要是用于完成邏輯運(yùn)算的執(zhí)行、順序的控制、定時、計數(shù)等用戶的指令，除此之外，它還可以運(yùn)用數(shù)字化或者模擬式輸出及輸入對機(jī)械生產(chǎn)進(jìn)行控制?？删幊踢壿嬁刂破骶哂性S多特點(diǎn)，首先，可編程邏輯控制器使用起來十分方便，而且編程簡單，其主要采用的是簡單的梯形圖、邏輯圖或者簡單的程序語句來表達(dá)，所以對于用戶來說，他們不用掌握十分完備的計算機(jī)知識，就可以很好地進(jìn)行操作。其次，可編程邏輯控制器的功能強(qiáng)大，價格還十分經(jīng)濟(jì)，故而其性能價格比是相對較高的。還有一點(diǎn)，就是可編程邏輯控制器的硬件配套往往十分齊全，用戶在使用時很方便，適應(yīng)能力強(qiáng)，很可靠，在抗干擾方面，其采用大量集中的繼電器，在減少接觸不良方面，可編程邏輯控制器在很大程度上具有優(yōu)勢，從而減少接觸不良帶來的許多故障。關(guān)于可編程邏輯控制器的維護(hù)和修理方面，其在設(shè)計、安裝和調(diào)試上的工作量少，從其維護(hù)工作來看，工作量也是相對較少的，而且操作起來方便，故障問題能夠很快地解決。
1.2光機(jī)電一體化
光機(jī)電一體化又叫做機(jī)械電子工程，這是機(jī)械工程與自動化領(lǐng)域中的一個研究方向。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷取得重大突破，光機(jī)電一體化的技術(shù)也在迅猛發(fā)展，光機(jī)電一體化在許多領(lǐng)域都有了應(yīng)用。從綜合層面來講，光機(jī)電一體化實(shí)際上是將許多技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合后的產(chǎn)物，其中就包括機(jī)械技術(shù)、電子工程技術(shù)、信息技術(shù)等等，在結(jié)合后將光機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中去，從而可以使得機(jī)械發(fā)展更加智能化和人性化。
2基于PLC的光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計
2.1組成要素
基于PLC的光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計，其設(shè)計過程中首先需要注意的是光機(jī)電一體化系統(tǒng)中的組成要素，主要有五大要素，分別是結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、感知組成要素、運(yùn)動組成要素和職能組成要素。結(jié)構(gòu)組成要素是整個光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組建的基礎(chǔ)，它為整個系統(tǒng)提供了結(jié)構(gòu)的支持，也就是說，只有按照系統(tǒng)的要求，組建好結(jié)構(gòu)組成要素，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的正常供應(yīng)和動力系統(tǒng)的運(yùn)行。動力組成要素在整個系統(tǒng)的建設(shè)中起到了提供動力的作用，只有保證了動力的充足，才能實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定的工作。而感知組成要素在光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中主要是對系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀態(tài)和工作環(huán)境的一個感知，從各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行收集、分析和處理，并且以可被識別的信號輸出，從而產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)控信息，使得整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)得以監(jiān)測。在運(yùn)動組成要素常常與動力組成要素相互搭配起作用，都是為系統(tǒng)運(yùn)行所需要的動力提供基礎(chǔ)保障。職能組成要素在控制和處理信息部分發(fā)揮著巨大的作用，由于感知組成要素是作用于收集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，在收集到大量數(shù)據(jù)之后，就需要對呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和加工，從而能夠使得整個系統(tǒng)按照獲得的指令進(jìn)行運(yùn)作?？偨Y(jié)來講，光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計不可忽略這五大組成要素的基本功能和作用。
2.2設(shè)計原則
光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在設(shè)計的過程中，不僅需要考慮各個組成要素的作用，還需要遵循設(shè)計的原則，這些原則主要分為四部分，分別是接口耦合、運(yùn)動傳遞、信息控制和能量轉(zhuǎn)換四項基本原則。首先是接口耦合原則，也就是說兩個需要進(jìn)行信息傳遞的接口或者需要進(jìn)行傳遞的環(huán)節(jié)之間，如果其信息模式不一致就會造成信息無法傳遞的嚴(yán)重后果，因此，在這里就需要遵循接口耦合的原則，利用接口耦合使得信息得以傳遞。在信號相對較弱的兩個環(huán)節(jié)之間，也需要通過接口耦合來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大信號的效果，從而能夠匹配，使得信號的變換更加清晰、可靠，而且更加快速、精準(zhǔn)。第二項原則，能量轉(zhuǎn)換原則，兩個需要進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)之間，常常會出現(xiàn)由于信息模式的不同而無法進(jìn)行直接的信息傳遞，所以在這里不僅需要接口耦合，還需要能量的轉(zhuǎn)換，只有能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能使得執(zhí)行器、驅(qū)動器等不同能量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工作效率。第三，信息控制，在光電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計中，在數(shù)據(jù)的收集、傳輸、存儲、分析等都是進(jìn)行信息處理的過程，而達(dá)到最優(yōu)的信息控制，是提高光電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和效率最關(guān)鍵的一步。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的日益更新，機(jī)械智能化已經(jīng)成為現(xiàn)代科技的標(biāo)志，所以，在光電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，遵循信息控制原則，實(shí)際上可以推進(jìn)整個系統(tǒng)的智能化水平。第四，運(yùn)動傳遞原則，在光機(jī)電一體化系統(tǒng)的各個組成要素之間，運(yùn)動傳遞能夠?qū)崿F(xiàn)各個要素的信息傳輸和運(yùn)動控制的目的。
2.3具體設(shè)計
光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計最關(guān)鍵的就是要保證系統(tǒng)設(shè)計的完整性，下面就以水池補(bǔ)水系統(tǒng)為例，對基于PLC的光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析。首先是動力部分，水池補(bǔ)水系統(tǒng)選擇電力作為動力部分，動力部分的設(shè)計需要滿足系統(tǒng)的動力需求，以保證整個系統(tǒng)的動力源泉不會枯竭；就目前來講，常見的動力源有電能、風(fēng)能、水能、人力、畜力等，而水池補(bǔ)水系統(tǒng)的動力系統(tǒng)選擇電能即可。其次，是水池補(bǔ)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部分，在進(jìn)行光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計的時候，需要考慮實(shí)現(xiàn)的效果，從而有針對性地選取相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，在搭配其他部件，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動化控制，這里以水池補(bǔ)水系統(tǒng)作為例子，這里的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是需要動力部分來帶動的，因此，它也是整個系統(tǒng)最后發(fā)揮作用的部分，也可以算是系統(tǒng)的核心；執(zhí)行器部分是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，在實(shí)際操作中，常常是需要通過信號路線與PLC連接，從而實(shí)現(xiàn)信號的聯(lián)通和傳遞，在該水池補(bǔ)水系統(tǒng)的執(zhí)行器的選擇上，選取電動截止閥和開關(guān)共同作為執(zhí)行器的部分，當(dāng)PLC產(chǎn)生信號并傳輸?shù)綀?zhí)行器部分，執(zhí)行器就可以根據(jù)指令完成其任務(wù)；在水池補(bǔ)水系統(tǒng)的計算機(jī)部分在很大程度上需要PLC的支持，從而對信息進(jìn)行收集、加工和存儲操作，計算機(jī)部分對于整個水池補(bǔ)水系統(tǒng)來說起到了一個總控的作用，就如同大腦之于身體，顯而易見其重要性；水池補(bǔ)水系統(tǒng)的傳感器部分，需要利用PLC來對系統(tǒng)自身和工作環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并且將傳感器收集到的信息傳輸給計算機(jī)部分，根據(jù)計算機(jī)程序的執(zhí)行，最終輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水池補(bǔ)水系統(tǒng)的隨環(huán)境調(diào)試，從而更好地完成其任務(wù)。
3結(jié)語
隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日漸取得重大突破，光機(jī)電一體化作為光學(xué)和機(jī)械電機(jī)工程相互綜合的產(chǎn)物，這項技術(shù)也在迅猛發(fā)展，并且在許多領(lǐng)域，光機(jī)電一體化都有了應(yīng)用。而為了推進(jìn)光機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將PLC技術(shù)應(yīng)用在光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，起到了關(guān)鍵作用。本文基于PLC的光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了探討，雖然文章在內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排上還存在不足，但是希望通過文章能夠引起大眾對于PLC和光機(jī)電一體化的重視，并且在未來的研究中作出更多的創(chuàng)新。
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【關(guān)鍵詞】機(jī)電；數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)；分層；系統(tǒng)設(shè)計
中圖分類號：F407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
一、前言
采用計算機(jī)操作可以將機(jī)電結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的導(dǎo)入，這就是機(jī)電結(jié)構(gòu)分層系統(tǒng)設(shè)計的目的，本文重點(diǎn)對機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義以及形式進(jìn)行了詳細(xì)的分析，目的是提高機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量，供相關(guān)的設(shè)計人員參考。
二、機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層系統(tǒng)設(shè)計意義
機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層制作系統(tǒng)設(shè)計的目的就是將產(chǎn)品技術(shù)資料光盤進(jìn)行電子化轉(zhuǎn)換后，把提取的有用信息放入機(jī)電數(shù)據(jù)樣表，然后通過其自動轉(zhuǎn)換成可導(dǎo)入信息管理系統(tǒng)的機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層文件。機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層文件是信息管理系統(tǒng)中重要的輸入數(shù)據(jù)，是編制采購計劃及實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)的依據(jù)，其制作質(zhì)量是否準(zhǔn)確、規(guī)范直接關(guān)系到企業(yè)的配件庫存及產(chǎn)品維護(hù)的成本。未開發(fā)軟件之前，機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層是通過人工來完成的，費(fèi)時費(fèi)力，特別是對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜且配件數(shù)量比較多的機(jī)電產(chǎn)品人工分層顯得尤為煩瑣，極易出現(xiàn)漏分及父子關(guān)系關(guān)聯(lián)的錯誤，這嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的正確性，且無法保證時限性。機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層制作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層工作的自動化，從根本上解決數(shù)據(jù)分層工作中的大量人力耗費(fèi)問題，可為企業(yè)信息化管理系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確、規(guī)范的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分層信息的共享及更新的便捷化，真正達(dá)到了配件的計劃與控制。
三、機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層制作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)
1、采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)。機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層的整個過程所使用的數(shù)據(jù)庫管理軟件只是用來存儲提取到的基本數(shù)據(jù)、根據(jù)關(guān)聯(lián)處理規(guī)則分層后的數(shù)據(jù)表是EXCEL格式的文件載體，處理結(jié)果依用戶設(shè)置自動保存，該軟件使用SQLServer2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，即可滿足用戶將來要求保存一定量數(shù)據(jù)的要求，也能滿足對這些基本數(shù)據(jù)的處理功能。
2、采用了多線程編程技術(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層功能模塊通過采用多線程編程技術(shù)，提高應(yīng)用程序響應(yīng)度，使處理器效率更高，且占用較少的系統(tǒng)資源。
3、桌面編程技術(shù)。當(dāng)前桌面應(yīng)用開發(fā)技術(shù)還是首推Delphi。Delphi是一個以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計為中心的應(yīng)用程序開發(fā)工具，具有基于窗體和面向?qū)ο蟮姆椒ā⒏咚俚木幾g器及強(qiáng)大而成熟的組件技術(shù)等特性，因此該軟件是基于Delphi7.0環(huán)境開發(fā)而成。
四、數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)及實(shí)現(xiàn)
ADO是Microsoft為數(shù)據(jù)訪問范例OLEDB而設(shè)計，是一個便于使用的應(yīng)用程序接口。ADO通過OLEDB提供訪問和操作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端的數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是速度快、內(nèi)存支出少和磁盤遺跡小…。ADO在關(guān)鍵的應(yīng)用方案中使用最少的網(wǎng)絡(luò)流量，并且在前端和數(shù)據(jù)源之間使用最少的層數(shù)，所有這些為程序運(yùn)行提供了輕質(zhì)量、高性能的接口。Delphi提供了ADO數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)，由于ADO內(nèi)置在微軟的操作系統(tǒng)中，因此開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序避免了BDE的配置和安裝，減少了的難度。
開發(fā)和一個基于Client/Server方式的應(yīng)用程序，需要在服務(wù)器端安裝后臺數(shù)據(jù)庫軟件，并且建立或?qū)胱蚤_發(fā)程序所需要的數(shù)據(jù)庫、賬號和角色等。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，一種是在程序開發(fā)完成時，備份最終使用的數(shù)據(jù)庫，連的程序一同提交給使用者，在用戶的服務(wù)器端安裝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)后，根據(jù)實(shí)際情況手工導(dǎo)入所需的數(shù)據(jù)庫。另一種方法是在開發(fā)的程序中編寫代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫安裝和初始化，提交給用戶的只是的程序，用戶在服務(wù)器端安裝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)后，在客戶端運(yùn)行應(yīng)用程序，完成程序所需數(shù)據(jù)庫的建立和初始化。顯然，后一種方法更加靈活可靠，自動化程度高。本文講述如何在Delphi7.0開發(fā)環(huán)境下使用ADO技術(shù)，編程實(shí)現(xiàn)SQLServer2000數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接和程序所需數(shù)據(jù)庫的初始化。這是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)技術(shù)最為核心的內(nèi)容。
1、機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層制作系統(tǒng)設(shè)計思路
Delphi是一個高效的可視化數(shù)據(jù)庫管理信息系開發(fā)工具。利用Delphi 控制EXCEL數(shù)據(jù)層、格式復(fù)雜的報表等與EXCEL 相關(guān)的工作，通情況下，對一些不常用到的 操作，只需利其自身函數(shù)強(qiáng)大的處理功能進(jìn)行操作即可，而對一些經(jīng)常用到且有規(guī)律可循的操作，則可以利用Delphi快速應(yīng)用程序開發(fā)工具編寫程序控制EXCEL格式的文件，更好地提高工作效率。由于分層系統(tǒng)使用的后臺數(shù)據(jù)庫是SQLServer ，SQLServer而 對源表格式的要求比較高，因此在往系統(tǒng)中導(dǎo)入準(zhǔn)備分層的機(jī)電數(shù)據(jù)表時，應(yīng)先將整個表的格式設(shè)置為文本格式，并且在制作完成時，進(jìn)一步核查是否與模板要求相符，將格式不符的進(jìn)行更正。
2、機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層文件中分層編號的數(shù)字表達(dá)形式能夠非常直觀地了解該產(chǎn)品與組件、組件與零部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，產(chǎn)品部分配件關(guān)聯(lián)見表1。
分層文件中組件的多少及分層的級數(shù)反映了產(chǎn)品機(jī)構(gòu)及裝配的復(fù)雜程度。對于屬于價值高、重要、可重復(fù)使用、可用于同類其他產(chǎn)品的重要零部件，定為跟蹤件，其分層號與產(chǎn)品前均標(biāo)識字母Z，同產(chǎn)品一樣作為資產(chǎn)進(jìn)行全壽命跟蹤管理，其他零部件分層號前標(biāo)識字母B，這是為下一步關(guān)接生成而特殊設(shè)定的，每個配件所要求反映的技術(shù)參數(shù)列事先根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定。
五、系統(tǒng)界面配置及軟件流程
1、系統(tǒng)界面配置
系統(tǒng)界面配置該軟件界面配置 比較人性化，實(shí)現(xiàn)了分層的個性化設(shè)置、頁面高清顯示顏色的設(shè)置、分層完成后關(guān)機(jī)設(shè)置等。 “系統(tǒng)―設(shè)置―初始化數(shù)據(jù)庫”，可以通過此路徑刪除導(dǎo)入的所有機(jī)電數(shù)據(jù)表，也可以在此界面進(jìn)行刪除。每次使用之前，要進(jìn)行初始化數(shù)據(jù)庫操作。
機(jī)電數(shù)據(jù)表有 5形式的模板，分別為無ZO主 組 件―― ―無直屬件和有直屬件，有ZO 組件―― ―無直屬件和有直屬件，對于多臺設(shè)備分層情況，像刮板輸送機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)和液壓支架就屬于多臺設(shè)備的情況，根據(jù)軟件要求規(guī)范成一種特殊形式的模板。規(guī)范后的機(jī)電數(shù)據(jù)表導(dǎo)入后臺數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行自動分層。整個分層過程清晰明了，對數(shù)據(jù)的每次處，都會顯示到“處理日志”中。分層結(jié)束后，顯示分層完成，并將結(jié)果顯示到頁面中。將系統(tǒng)完成的結(jié)構(gòu)分層文件與人工分層完成的結(jié)構(gòu)分層文件通過VLOOKUP進(jìn)行核對后，其結(jié)果準(zhǔn)確無誤。對于處理同等數(shù)據(jù)量的機(jī)電數(shù)據(jù)表，效率由原來的1周，提高到 完成。
2、系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)軟件的編程是基于下面的流程框圖來編制
的，設(shè)備結(jié)構(gòu)分層的實(shí)現(xiàn)主要有以下幾個步驟：一是讀取規(guī)范好的 表中的數(shù)據(jù)。將表中 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、一級 主組件數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)父子數(shù)據(jù)表存入數(shù)據(jù)庫臨時表中，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深一步操作 。二是進(jìn)行兩次判斷，首先判斷 主組件節(jié)點(diǎn)是否為空，如果是顯示分層結(jié)果，如果不是查詢是否有子節(jié)點(diǎn)；再次進(jìn)行判斷，如果否再讀取主組件節(jié)點(diǎn)，如果是生成父子數(shù)據(jù)，該步是本程序中的一個重點(diǎn)。經(jīng)過不斷循環(huán)，完整實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)橫向及縱向多層分層結(jié)構(gòu)。三是從數(shù)據(jù)庫中讀出數(shù)據(jù)，把分層結(jié)果寫入EXCEL表中。由于程序執(zhí)行是按主組件與子組件的圖號件號來進(jìn)行關(guān)聯(lián)，一旦數(shù)據(jù)表中前后相同組件的圖號件號不一致，該程序?qū)P(guān)聯(lián)錯誤，導(dǎo)致錯誤的分層結(jié)果，因此要充分發(fā)揮該系統(tǒng)的作用，必須在數(shù)據(jù)源頭把關(guān)，并正確選擇模板。
設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層系統(tǒng)自動化制作軟件已應(yīng)用于多個大型企業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層處理工作，郊果顯著。通過采用該系統(tǒng)，大幅度提高數(shù)據(jù)分層工作的效率和準(zhǔn)確率，并用較少的人力物力為企業(yè)提供了及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為企業(yè)適應(yīng)市場競爭奠定了良好的基礎(chǔ)，國內(nèi)很多大型企業(yè)都引入了企業(yè)信息管理系統(tǒng)，這為系統(tǒng)的推廣帶來廣闊的前景。
六、結(jié)束語
綜上所述，本文重點(diǎn)對機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層的系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的分析，目的是提高相關(guān)企業(yè)的工作效率。更早的實(shí)現(xiàn)自動化的操作。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】 計量泵；機(jī)電一體化；控制系統(tǒng)
計量泵是一種既具有介質(zhì)輸送又具流量調(diào)整功能的機(jī)械設(shè)備，很適于作執(zhí)行元件在每種需進(jìn)行液體介質(zhì)輸送的流程管理系統(tǒng)中運(yùn)用。但傳統(tǒng)的計量泵調(diào)整流量的精確度，難以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)工藝流程管理的自動化要求，尤其在對有害液體的計量、在危險條件下的調(diào)整等方面，傳統(tǒng)設(shè)備更是愛莫能助。因此，對計量泵實(shí)現(xiàn)自動管理，實(shí)時監(jiān)測，精確調(diào)整勢在必行。
在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱，其涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面。
流量控制是計量泵工作的核心內(nèi)容，對流量實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的控制能夠促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，達(dá)到對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程進(jìn)行整體優(yōu)化，增強(qiáng)市場地應(yīng)變能力和競爭能力，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前計量泵流量的調(diào)整是經(jīng)過人工對泵體上的手輪進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)的.其調(diào)整流量的精確度難以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)工藝流程管理的自動化要求.對于這一問題，進(jìn)行了計量泵機(jī)電一體化管理系統(tǒng)的研發(fā)，采用了一種對計量泵用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，用單片機(jī)進(jìn)行管理，并對其流量進(jìn)行閉環(huán)管理的辦法。
1.機(jī)電一體化的核心技術(shù)
機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：
1.1 機(jī)械本體技術(shù)?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。
1.2 傳感技術(shù)。傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。對外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。
1.3 信息處理技術(shù)。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問題。
1.4 驅(qū)動技術(shù)。電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專用組件- 傳感器-電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動單元。
1.5 接口技術(shù)。為了與計算機(jī)進(jìn)行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。自吸離心泵接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計。
1.6 軟件技術(shù)。軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。
2.計量泵機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計
流量控制系統(tǒng)是集機(jī)電液為一體的自動控制系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域中非常實(shí)用，它的準(zhǔn)確控制在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，如加油系統(tǒng)的油量控制、水位的精確控制、化工企業(yè)中的有機(jī)物的投料控制，以及稀土萃取過程中的給料控制等。計量泵機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾方面內(nèi)容：
2.1 控制系統(tǒng)的總體描述。本控制系統(tǒng)是通過向步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。由于計量泵本身的精度是很高的，因此，它的控制也必須滿足一定的精度要求。在本控制系統(tǒng)中，可以人工的輸入所需要的流量值，也可以實(shí)現(xiàn)自動控制，也就是通過外部的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)—經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)。當(dāng)輸入期望數(shù)據(jù)后，處理器將輸入的數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)相比較，得到相應(yīng)的動作值，計算出相應(yīng)的脈沖數(shù)，通過正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來達(dá)到期望值。在步進(jìn)起動時，采用加速過程，在即將到達(dá)期望值時，采用減速過程，使得步進(jìn)電機(jī)能不失步的穩(wěn)定運(yùn)行。在軟件設(shè)計中，對控制裝置采用了軟件保護(hù)措施，如當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)和輸入值超過系統(tǒng)的最大值時，所輸入的數(shù)據(jù)命令是無效的。
2.2 系統(tǒng)硬件電路的基本組成。控制系統(tǒng)采用作為主控單元，通過與的串口通訊，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路總體結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、操作顯示面板等。
2.3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計原則。在進(jìn)行硬件的總體方案設(shè)計時，所涉及的具體電路可借鑒他人在這方面工作，有些電路還需自己設(shè)計。在參考別人的電路時，需對其工作原理有較徹底的分析和理解，了解其適用范圍，確定其移植的可能性和需要修改的地方。為使硬件設(shè)計盡可能合理系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈巧性。在條件允許的情況下，盡可能選用功能強(qiáng)、集成度高的電路或芯片。注意選擇通用性強(qiáng)、市場貨源充足的元器件，尤其對需要大批量生產(chǎn)的場合，更應(yīng)注意這方面的問題。在對硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮時，同樣要注意通用性的問題。系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計，在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地以備將來修改、擴(kuò)展之余，設(shè)計時盡可能地作些調(diào)研采用最新的技術(shù)。在電路設(shè)計時，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力，要注意增加系統(tǒng)的驅(qū)動能力，或減少系統(tǒng)的功耗。在工藝設(shè)計時，包括機(jī)箱、面板、配線、接插件等，要充分考慮到安裝、調(diào)試、維修的方便。
2.4 控制系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)。軟件程序一般都是由一個主程序，包括若干個功能模塊和多個子程序構(gòu)成，每一程序模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)具體的功能。軟件設(shè)計的目的，就是為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能。在滿足基本功能要求的前提下，采用各種有效方式，使操作靈活、簡便增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性提高系統(tǒng)的抗干擾能力。就以上原則思想，本控制系統(tǒng)軟件的總體構(gòu)思如下：當(dāng)由鍵盤或外部的—的信號輸入單片機(jī)時，由其計算出步進(jìn)電機(jī)所要走的步數(shù)，程序轉(zhuǎn)入串行通訊子程序單片機(jī)，將電機(jī)所要走的步數(shù)傳送給單片機(jī)，從而完成數(shù)據(jù)的輸入和對電機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)將泵流量控制，轉(zhuǎn)換為對步進(jìn)電機(jī)的控制，通過對流量進(jìn)行一定的運(yùn)算，可得出相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)。當(dāng)流量變化時，步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，為此時步進(jìn)電機(jī)的步距角被細(xì)分為度。這種控制方式是相對的控制系統(tǒng)從上一次的基礎(chǔ)上運(yùn)行，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)與上一次的數(shù)據(jù)相減，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換得出向步進(jìn)電機(jī)所發(fā)的脈沖數(shù)和方向。方向是由所減結(jié)果的“正”、“負(fù)”來判斷，結(jié)果為“正”則反轉(zhuǎn)，結(jié)果為“負(fù)”則正轉(zhuǎn)。接近開關(guān)信號是形軸的零位標(biāo)志。單片機(jī)上電初始化電機(jī)正轉(zhuǎn)到達(dá)零位時，接近開關(guān)發(fā)出信號觸發(fā)的外部中斷，進(jìn)入外部中斷程序，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。為增強(qiáng)本控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在軟件設(shè)計時采取了一些措施。系統(tǒng)軟件中設(shè)定了許多標(biāo)志位，例如，有電機(jī)是否處于工作狀態(tài)的標(biāo)志單元、電機(jī)正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志單元，以及程序內(nèi)部需要的各種標(biāo)志單元等。程序運(yùn)行時，通過對標(biāo)志位的查詢和修改，從而進(jìn)行對控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控管理。
總之，機(jī)電一體化技術(shù)是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機(jī)械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法和設(shè)計概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的要求，而且是推動機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。通過對計量泵的機(jī)電一體化實(shí)行研制開發(fā)，可改善計量泵的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動控制，提高計量泵的工作效率。
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隨著機(jī)械工業(yè)的蓬勃發(fā)展，世界各國對機(jī)械類專業(yè)的高等教育越來越注重實(shí)踐性、應(yīng)用性及前沿性。德國機(jī)電一體化專業(yè)課程體系建設(shè)是通過校企合作和工學(xué)結(jié)合的形式，以學(xué)習(xí)者專業(yè)能力、方法應(yīng)用能力和適應(yīng)社會能力等綜合職業(yè)能力培養(yǎng)為本位，以市場需求為目標(biāo)，以就業(yè)為導(dǎo)向，將學(xué)習(xí)和工作要素相結(jié)合，并通過分析與綜合，把工作過程的各個部分按一定的順序，導(dǎo)入課程體系中以構(gòu)成一個有機(jī)的整體。美國賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系提出“機(jī)電一體化”課程改革思路，在學(xué)期項目中預(yù)定實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案決定課程內(nèi)容。南京航空航天大學(xué)在機(jī)電一體化課程教學(xué)改革中，將科研成果引入課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，自主研發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，簡化項目研究內(nèi)容，研究一體化的系統(tǒng)教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。國內(nèi)高校關(guān)于機(jī)電一體化專業(yè)人才的教育改革各有特色，但與國外教學(xué)水平相比，仍處于初級階段，還沒有形成系統(tǒng)的改革方案。建立適應(yīng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程本身特點(diǎn)的教學(xué)模式任重而道遠(yuǎn)。
二、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)改革研究
從機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程實(shí)踐性、綜合性特點(diǎn)出發(fā)，對其進(jìn)行教學(xué)改革，是高校培養(yǎng)應(yīng)用型機(jī)械類人才的關(guān)鍵。機(jī)電一體化技術(shù)課程教學(xué)改革主要包括教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法改革、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革及考核方式改革四個方面。
1.教學(xué)內(nèi)容改革
以系統(tǒng)設(shè)計思想為主線，機(jī)電一體化的研究方法不能只是簡單拼湊，應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計方案開始到各元部件選擇到系統(tǒng)最終成形的全過程都要貫徹系統(tǒng)設(shè)計的思想。首先是從整體角度及可行性方面對系統(tǒng)進(jìn)行多種整體方案設(shè)計；然后對其機(jī)械機(jī)構(gòu)、執(zhí)行元件、微機(jī)控制系統(tǒng)、檢測傳感裝置等組成部分及相關(guān)接口進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計；最后對系統(tǒng)性價比進(jìn)行衡量，得出優(yōu)化設(shè)計方案。選擇原則是在保證目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不斷降低成本。在講授每一部分內(nèi)容時都結(jié)合該案例，并將系統(tǒng)設(shè)計方法融于其中，既利于學(xué)生對知識的掌握，又能起到舉一反三的作用，便于學(xué)生分析和設(shè)計其他的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
2.教學(xué)方法改革
充分運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，不斷提高教學(xué)效果，由于機(jī)電一體化技術(shù)普遍應(yīng)用于自動化設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等）和自動化生產(chǎn)線（如柔性制造系統(tǒng)等），而學(xué)生基本未見過上述自動化設(shè)備和生產(chǎn)線，無法了解自動化設(shè)備和生產(chǎn)線是如何利用機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行工作的。另外，機(jī)電一體化技術(shù)是集控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、計算機(jī)信息技術(shù)等于一體的新興綜合性學(xué)科，具有涉及面廣、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。
3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)開設(shè)的多為演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生動手操作調(diào)試的機(jī)會少，學(xué)習(xí)積極性不高。機(jī)電一體化教學(xué)團(tuán)隊探索構(gòu)建以學(xué)生為主體，以項目驅(qū)動為主線，通過項目任務(wù)引導(dǎo)理論教學(xué)和理論教學(xué)指導(dǎo)項目實(shí)踐的互推互動的教學(xué)新模式。在剖析某幾個典型機(jī)電一體化系統(tǒng)（項目）的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、設(shè)計過程中，串聯(lián)講解知識點(diǎn)并在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行知識點(diǎn)在項目中的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而將項目實(shí)施和理論講授有機(jī)融合，使學(xué)生所學(xué)知識得到利用，也提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，將加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程意識培養(yǎng)與訓(xùn)練切實(shí)落實(shí)到每個教學(xué)環(huán)節(jié)中去。
4.考核方式改革
