基于智能控制的機電一體化系統設計

李琳琳

（河南金馬中東能源有限公司電儀計量部 河南 濟源 459000）

0 引言

機電一體化主要是在參照動力功能、控制功能等相關功能的基礎上，提出一種新型、先進的微電子技術，并使用相關軟件，將機械裝置與電子裝置進行有效的結合所構成機電一體化系統的總稱。為了充分利用機電一體化智能化控制優勢，提高機械設備的精確度和功能性，實現對系統結構的有效簡化，現以“捅風眼機自動控制系統設計”為例，加強對機電一體化系統的科學化設計。

1 機電一體化系統組成

機電一體化系統組成示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，該系統主要是由以下幾個部分組成：（1）機械本體。機械本體作為機電一體化系統的重要組成部分，通常會表現出較高的運動機械能力。機械本體在實際設計中，需要利用電子技術，確保機械運動變得更加智能化、高效化和柔性化，以完成機電一體化追求目標。（2）驅動部分。驅動部分在實際設計中，需要利用信息處理部分指令，確保驅動運動機械動作執行到位，驅動部分主要用到了以下三種驅動模式，分別是氣動驅動模式、液壓驅動模式和電動驅動模式。（3）檢測部分。檢測部分主要用于對運動機構等相關物理量的精確化檢測[1]，并向信息處理與控制部分安全、可靠地傳輸所需信息，為后期控制信息發送和處理提供相應的依據和參考。（4）信息處理與控制部分。信息處理與控制部分作為機電一體化系統核心組成部分，與人體大腦功能類似。將運動機械設置為該系統內部計算機處理和控制信息目標，通過利用運動機械[2]，可以對使用傳感器所檢測到的數據信號進行存儲、變換等處理。同時，利用接口，將執行命令發送到執行機構中，確保規定動作執行到位。（5）能源部分。能源部分主要用于為機電一體化系統提供源源不斷的能量和動力，如電動、氣動等[3]。

圖1 機電一體化系統構成圖

2 系統需求分析

2.1 系統工作模式

捅風眼機自動控制系統在實際設計中，通常需要用到以下幾種工作模式：（1）壓力模式。壓力模式在實際運用中，要在充分結合所檢測到的送風口壓力大小的基礎上，對其進行捅風眼處理。（2）時間模式。時間模式在實際運用中，需要結合所設置好的時間，在保證送風口壓力處于安全范圍的基礎上，對其進行定時捅風眼處理。（3）請求模式。請求模式在實際運用中，需要操作者對捅風眼機處理是否到位進行全面的分析和判斷。

2.2 系統功能需求

為了達到控制混合空氣壓力的目的，本文所設計的捅風眼機自動控制系統必須完成以下幾個功能。（1）對模擬量信號、I/O 信號等外圍信號進行全面化檢測。（2）結合系統設計相關標準和要求，對系統功能邏輯進行科學設計，確保輸出信號控制的科學性和合理性。（3）具有強大的人機交互功能，為用戶提供簡潔友好的操作界面，便于用戶通過使用該界面，對系統實際工作狀態進行全面的檢查，為后期系統參數科學設置打下堅實的基礎。（4）具有強大的信號連鎖功能，在網絡功能的應用背景下，向上位PC 機安全、可靠地傳輸響應的信號，從而實現對各個信號的連鎖化控制，為后期系統工作狀態等相關數據的全面化記錄創造良好的條件。

2.3 系統控制需求

為了實現對捅風眼機自動控制系統的自動化、智能化控制，需要在保證風眼風壓處于正常值的基礎上，將上限、下限參數統一設置在0.10～0.20 MPa，當風壓遠遠超過風壓的最大值時，捅風眼機會自動進入到工作狀態中，當風壓低于風壓最小值時，捅風眼機會自動暫停運行。另外，通過利用操作面板，可以有針對性地調節和設置風眼風壓的上限參數和下限參數。同時，當任意一個風眼出現異常故障問題時，需要將其統一設置為不捅模式。對于爐體而言，在進行轉動報警期間，捅風眼機會自動退出運行模式，并在第一時間內自動歸位。在確保整個系統能夠正常、穩定、安全運行的基礎上，對多種工藝參數進行科學設置，從而提高系統的運行性能。將所需要的數據安全可靠地傳輸到可編程控制器中，由可編程控制器對所接收到的數據進行運算處理，然后，將處理好的數據顯示在監控機屏幕上，監控機還負責對操作員指令的實時化接收，并將相關生產任務進行下達處理，便于后期更好地調整和控制生產工藝參數。

2.4 系統信號統計

為了保證捅風眼機自動控制系統設計的科學性和合理性，技術人員要將該系統信號輸入組數、開關量輸入個數、開關量輸出個數分別設置為5 組、36 個、32 個，其中，信號輸入模塊主要用于對空氣流量、鼓風壓力、風眼機位置等信息的精確化輸入，便于其他人員查看和調用。

3 系統硬件設計

控制系統硬件結構設計示意圖如圖2所示，從圖中可以看出，系統硬件主要是由以下兩個部分組成，一個是基礎自動化級，另一個是過程控制級。控制系統在實際設計中，主要用到了總線方式，以實現對相關重要數據的全面化檢測和控制，同時，還要利用設備總線，確保自動控制系統與設備之間保持良好的通信關系，這為后期數據傳輸和共享打下堅實的基礎。

圖2 控制系統硬件結構設計示意圖

3.1 監控站設計

監控站作為捅風眼機自動控制系統硬件重要組成部分，在實際設計中，要將所選用的西門子工控機直接設置為所需要的監控站，同時，還要將總線網絡與PLC 進行有效的連接，然后，利用控制模型，對各個控制系統進行統一化指導和管理。對于西門子工控機而言，在實際設計中，主要選用了工業機架式，不斷地擴大電源范圍[4]，同時，還要利用圖形顯示卡，實現對各個以太網接口、聲卡等各個零件的集中化管理，在此基礎上，還要利用Windows 操作系統，對各個系統硬件進行統一化監控。工業控制計算機通常表現出以下幾個特點：（1）實時化、智能化檢測和控制工業生產過程，一旦發現工業生產出現異常問題，監控站會在第一時間內快速做出響應，提醒相關人員及時處理該異常問題[5]，確保被控系統能夠正常、穩定、安全地運行。工控機表現出適應含有粉塵、高溫潮濕等惡劣環境的能力強、故障診斷性能高、簡單易維護等特點，通過將其與相關控制裝置進行充分結合，可以利用高級編程語言，為操作系統運行提供強大的支持。同時，監控站還表現出較為豐富的軟件功能，通過將其科學地應用到工業智能化控制領域中，可以為用戶提供極大的便利[6]。

3.2 操作站設計

操作站在實際設計中，主要用到了PLC 控制器，具有強大的通信功能，通過采用模塊化設計思想，可以確保捅風眼機控制任務得以有效執行。另外，在充分結合I/O點數的基礎上，嚴格遵循功能模塊配置相關標準和要求，將多個機架進行充分結合，完成對以下幾個模塊的科學化設計。（1）數字輸入模塊。數字輸入模塊主要用于對開關的全面化、實時化檢測。（2）數字輸出模塊。數字輸出模塊具有強大的實時控制功能和信號顯示功能[7]。（3）模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊主要用于對多路輸入信號的全面化檢測，同時，利用該系統，可以實現對空氣流量、鼓風壓力、測距位置等信息值的精確化輸入，從而保證數據采集任務能夠落實到位。（4）接口模塊。通過利用接口模塊，可以將主機架與擴展機架進行充分結合，確保兩者結合為統一整體。（5）通信模塊。通信模塊的設計和應用可以很好地滿足多個傳輸接口使用相關標準和要求，并利用測距裝置，完成對相關信號的安全化、可靠化傳輸[8]，同時，還能與PC 機之間建立良好的連接關系，確保信號得以有效交換。

4 系統軟件設計

為了充分發揮和利用智能控制相關技術的應用優勢，提高機電一體化系統的穩定性和實用性，技術人員必須要嚴格按照系統功能模塊設計相關標準和要求，完成對以下模塊的科學化設計。這些模塊在實際設計中，所選用的開發工具和開發語言分別為eclipse、JAVA，整個web 展示主要運用了以下三種技術，分別是 JSP 技術、Spring 技術和Hibernate 技術。

4.1 組態軟件功能模塊設計

系統在實際運行期間，通常需要借助組態軟件，確保人機界面與用戶之間形成良好的交互關系，同時，還要利用系統硬件輸入設備，智能化監控工業對象。組態應用軟件功能圖如圖3所示。圖3中的控制對象是捅風眼機，以功能為劃分原則，對組態應用軟件進行劃分，使其被劃分為以下幾個模塊；（1）控制策略組態。結合系統設計需求，完成對捅風眼機控制策略的構建，同時，通過利用JAVA編程語言，完成對智能控制策略相關功能的編寫和開發。（2）監控畫面組態。在系統顯示模塊的應用背景下，通過利用相應的顯示組件，可以實現對相關畫面的自動化監控，同時，借助監控畫面[9]，可以實時化、智能化監控控制系統，一旦發現控制系統出現運行異常問題，系統監控畫面會在第一時間內發出相應的報警聲。（3）監控系統運行。運行模塊在實際設計中，利用組態，就可以完成對組態數據庫的自動化生成，便于后期更好地對控制回路進行全面化分析，從而實現對功能模塊運行流程的實時化控制，在此基礎上，通過利用運行模塊所對應的控制子程序，可以確保監控系統能夠正常、穩定、安全地運行。（4）數據庫管理。數據庫管理任務主要用于對相關實時數據的智能化管理，并為指定用戶提供相應的訪問接口，便于用戶結合自身的實際應用需求，從實時數據庫中，有針對性地調用和讀取所需數據，另外，通過利用歷史記錄模塊，可以從實時數據庫中調取和應用所需要的實時數據，并嚴格按照相關標準和要求[10]，將其科學地整理為相應的磁盤文件，并為用戶提供強大的數據查詢功能、接口傳送功能和數據顯示功能。最后，通過利用報表任務，可以從整理好的歷史記錄數據中調取有價值的數據，然后，按照相關標準和要求，將其整理成相應的文件，并做好對這些文件的安全化存儲，便于后期用戶有針對性地查詢、打印和傳送。

圖3 組態應用軟件功能圖

4.2 組態軟件菜單設計

組態應用軟件在實際設計中，通常會涉及到以下三個組成部分；（1）首頁。首頁主要用于對壓力模式、復合模式等工作模式的選取以及自動方式、手動方式等工作方式的選取。同時，首頁還能用于對氣體流量、爐內溫度等控制工藝參數的實時化、全面化顯示。（2）過程參數。過程參數主要用于對爐內損壞、未通過等風眼狀態的顯示以及自動方式、手動方式的選取結果的顯示。（3）系統總貌。系統總貌除了可以用于對系統所有開關量信號的精確化顯示，還能用于故障信號的檢測，從而降低系統故障出現概率。

4.3 PLC 實現功能設計

捅風眼機自動控制系統在實際設計中，要利用PLC 主控制器，保證數據采集功能、信號交換功能的設計和實現效果。PLC 這一主控制器所實現的具體功能如下：（1）全面化檢測和管控外圍按鈕和開關信號。（2）真實有效地顯示信號交換結果以及控制輸出數據。（3）可以準確無誤地輸入和管理空氣流量、鼓風壓力、測距位置等相關數據，并將各個A/D 轉換分辨率統一設置為15 位，以達到滿足相關控制標準和要求的目的。（4）嚴格按照傳輸接口相關標準和要求，安全、可靠地傳輸測距裝置相關信號。

5 結語

綜上所述，本文所設計的捅風眼機自動控制系統不僅可以實現對所需數據的準確化采集，還能智能化控制相關操作，有效地縮短了系統響應時間，數據傳輸性能完全符合相關標準和要求。另外，通過將PLC 主控制器和相關儀表作為現場設備進行使用，可以將現場總線與微機通信充分結合，從而完成對分布式監控系統的構建。由此可見，本文所設計的捅風眼機自動控制系統具有較高的應用價值和應用前景，值得被進一步推廣和應用。