機電控制系統自動控制技術與一體化設計

宋 甜

（武漢鐵路職業技術學院，武漢 430062）

機電控制系統作為融合計算機信息技術、機械工程、材料工程及電子通信技術的綜合性系統，在科學技術不斷發展的前提下，廣泛應用于各個行業，推動了我國的經濟發展。在機電控制系統中應用自動化技術，能夠減少系統產生錯誤的概率，提升系統可靠性。利用自動化控制設施執行控制工作，在出現問題時，系統經過判斷可自動停止，有利于保障工作人員的安全。因此，應當加強機電控制系統中自動化技術的應用研究，充分發揮一體化設備的作用。

1 機電控制系統自動控制技術一體化設計原理

1.1 設計原理

機電控制系統是指利用信息處理和微電子等技術，構成可支持技術人員對設備遠程操控的一體化綜合控制系統，如圖1所示。自動化控制技術能夠通過控制控制器，使其按照既定程序實現對被控對象的自動管理與監控。工作人員實現機電控制系統和自動化控制技術的一體化，可直接自動檢測和控制設備，提高了機械設備的生產效率[1]。設計系統時，除了控制器核心器件外，還包含檢測器和執行器等。系統工作時，在系統中輸入信號，經控制器轉化為控制信號。執行器接收后執行命令，即可自動控制過程對象，實現信號輸出。檢測器檢測后生成反饋信號，傳送至控制器內進行下一次操作。

圖1 機電自動控制系統

1.2 關鍵技術

設計系統時，為改善傳統控制結構，使其符合一體化設計要求，設計人員需要結合實際情況，根據國家相關要求，使用合適的電子線路優化調整機械運行環節。例如，設計人員可使用單片機整合電子線路與機械設備，以搭配變速機構代替接觸控制器，從而簡化設備結構，保證其運行性能。

2 系統硬件設計

2.1 單片機控制芯片

在設計系統產品的過程中，需選擇具有仿真功能和存儲量大等特點的單片機控制芯片。單片機控制芯片由數據存儲器、中央處理單元、I/O口、串行口以及控制程序等組成。該芯片在連接時統一使用單機片中的總線，不僅不用改動硬件，而且不會占用用戶過多資源，在串行口可直接實現系統仿真。該單片機控制芯片應用優勢較強，提高了系統可靠性。

2.2 傳感器

傳感器測量的數據與制定系統決策和執行機構動作等具有密切聯系，因此在選擇傳感器時應當予以關注。機電控制系統中可使用液位傳感器或壓力傳感器，系統提供24 V電壓時，能夠實現Modbus標準通信。若機電控制系統中使用液位傳感器，在一體化系統中液罐高度均為2 m時，選擇CYW11傳感器，優點為膜片隔離、便于安裝、結構小巧、耐沖擊、穩定性強、精準度高、響應快、防雷擊以及抗干擾強等。若機電控制系統中使用壓力傳感器，該系統中管道壓強為15 kPa時，選擇壓力傳感器的額定電壓為12～36 V，測量介質為氣體或液體，輸出信號為Modbus標準通信協議，工作環境為-40～85 ℃，可適應大部分系統工作環境[2]。

2.3 電路設計

機電控制系統以往需要IC元件統一處理傳感器信號，部分信號輸出以4～20 mA為準。IC普通元件的系統信號僅用于處理和輸出電壓信號，所以需要合理設計電流/電壓轉換電路。此過程中可使用具有較高精密度的電壓調節裝置。4～20 mA電流經過電阻時的電壓，扣除基準電壓后，即可獲得具體電壓輸出值。4 mA電流對應0 V電壓值，20 mA電流對應5 V電壓值，由歐姆定律可得所需電阻值為208.33 Ω。在系統控制中，使用11 Ω串聯微調電阻和200 Ω固定電阻[3]。驅動電路設計中，高度開關閥開關電源的電壓為+12 V，如圖2所示。

圖2 電路設計

3 系統軟件設計

3.1 總體設計

系統軟件設計包含控制程序和人機交互。控制程序應當能夠實現主站與多個從站傳感器連通，能夠采集傳感器動態數據且做好處理工作，方便人機交互的數據查詢與存儲。此外，根據工作數據能夠自動調控系統，實現自動操作，為產品生產提供適宜條件。在人機配合中，用戶能夠手動控制執行單元，根據需求選擇原材料量和溫度等。

3.2 調節軟件

系統設計中，需結合實際情況對程序工作時間組進行預設，使用鍵盤按鍵合理調用時間工作組。本文中應用非編碼鍵盤，包含停止鍵、運行鍵及檔位建。工作人員在使用系統控制產品時，按下停止或運行鍵，即可使設備停止工作或進入運行狀態。在主程序中，完成系統初始化后需清除存儲單元，此時系統會自動顯示監控狀態，需要進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，開回或開進油錐閥后，確定工作時間組時需要開定時器，以實現油錐閥的開回與關閉。

3.3 工作軟件

自動化控制系統在控制開關閥門時，需使用壓力傳感器信號、初始化控制模塊和處理驅動執行模塊[5]。A/D采樣子系統中，需要規范設置采樣通道和A/D轉換通道地址。進入片選環節時，選擇其中的AINO通道，開通A/D轉換器實施延時等操作。轉換結束可直接將轉換結果輸送至采樣地址，相反則繼續延遲直至轉換操作全部完成。

4 結語

目前，機電控制系統應用廣泛，應當結合實際生產需求，通過硬件與軟件的設計，優化系統結構，為用戶提供能夠自動控制設備的系統，以提高生產質量與效率，推動工業實現可持續發展。