基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

章東斌

（海寧技師學(xué)院，海寧 314400）

在現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)跨越式發(fā)展的背景下，物聯(lián)網(wǎng)為我國(guó)社會(huì)發(fā)展提供了有力支撐。作為新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)基于射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器及激光掃描等設(shè)備的支持，根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)構(gòu)建物體與物體互聯(lián)的交互形式。與傳統(tǒng)以信息、服務(wù)器進(jìn)行交互的方式相比，以物聯(lián)網(wǎng)為核心的交互形式有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)交互目標(biāo)的定位、跟蹤及管理，并將運(yùn)行軌跡、參數(shù)及規(guī)律上傳至移動(dòng)終端?；谖锫?lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)有利于提升機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)可通過(guò)輸入指令、參數(shù)自動(dòng)化控制機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量及效率具有深遠(yuǎn)意義。文章討論與分析基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性

目前，我國(guó)工業(yè)逐步向自動(dòng)化和現(xiàn)代化方向發(fā)展。機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究在全球范圍內(nèi)屬于熱點(diǎn)話題，為進(jìn)一步提升機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制精準(zhǔn)度及保障機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行邏輯符合生產(chǎn)需求，各大企業(yè)紛紛依托物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)優(yōu)化機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代以“萬(wàn)物互聯(lián)”為特征的時(shí)代產(chǎn)物，將其應(yīng)用到機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取與收集機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行中的數(shù)據(jù)、參數(shù)，幫助企業(yè)管理人員分析機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提升機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制質(zhì)量。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)檢索機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可幫助企業(yè)判斷機(jī)械機(jī)電運(yùn)行邏輯是否符合企業(yè)生產(chǎn)需求，有利于企業(yè)生產(chǎn)效益最大化，同時(shí)提高機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化水平。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、控制模塊及通信模塊組成。通過(guò)傳感器模塊，機(jī)械機(jī)電設(shè)備可在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控模式下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行、生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集與處理模塊是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要負(fù)責(zé)收集與處理機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，具體涵蓋數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及分析等處理過(guò)程，并將數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果上傳至終端。控制模塊是自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，主要圍繞企業(yè)生產(chǎn)流程需求確定生產(chǎn)步驟，并對(duì)相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)控制算法對(duì)反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、流量、溫度等參數(shù)進(jìn)行控制，以獲取最好的效果。通信模塊作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的重要模塊，是保障數(shù)據(jù)處理與控制算法相互聯(lián)系的關(guān)鍵。

基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)，要求傳感器、執(zhí)行器、通信模塊等設(shè)備互聯(lián)，并從整體系統(tǒng)出發(fā)監(jiān)控機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行及控制，具體需進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備生產(chǎn)流程控制及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析。

2.1.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械機(jī)電設(shè)備存在的問(wèn)題。常見(jiàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容為設(shè)備溫度、壓力、振動(dòng)等參數(shù)，有利于及時(shí)識(shí)別設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)，減少因設(shè)備故障造成的損失[1]。

2.1.2 生產(chǎn)流程控制

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)過(guò)程的全流程控制，通過(guò)植入控制算法自動(dòng)化調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程，并運(yùn)用傳感器實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，有利于提高整體生產(chǎn)質(zhì)量及效率。例如，根據(jù)既定生產(chǎn)流程及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控自動(dòng)化調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行流量、溫度參數(shù)[2]。

2.1.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)分析、采集、存儲(chǔ)、整理生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，可為企業(yè)數(shù)據(jù)分析提供決策幫助。通過(guò)設(shè)備運(yùn)行故障分析和生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析可進(jìn)一步了解生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量方面存在的問(wèn)題，繼而為企業(yè)提供科學(xué)合理的生產(chǎn)計(jì)劃[3]。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了滿足終端對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控、交互及控制需求，機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要圍繞設(shè)計(jì)需求及系統(tǒng)框架進(jìn)行，具體硬件設(shè)計(jì)如下。

2.2.1 監(jiān)控中心硬件選取

監(jiān)控中心作為本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，是保障設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取與分析的關(guān)鍵。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控理論數(shù)據(jù)化顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)，有利于及時(shí)識(shí)別設(shè)備運(yùn)行中存在的問(wèn)題，具體參數(shù)如表1所示[4]。

表1 TPS51206DSQR 技術(shù)參數(shù)

2.2.2 通信中心硬件選取

此次系統(tǒng)硬件選擇主要以選取低功耗165 MHz 的高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）接收器ADv7611BSWZ-RL 為信息終端，搭載RT9173CPSP。分辨率為8.0 px，工作溫度為-40 ～85 ℃。

RT9173CPSP 作為保障數(shù)據(jù)交換中心運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性元件，有利于提高數(shù)據(jù)傳輸效率及質(zhì)量，并與終端數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，完成整體數(shù)據(jù)交互，為機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制、監(jiān)控提供有力支撐。

2.2.3 遠(yuǎn)程控制硬件選取

本次遠(yuǎn)程控制硬件中央處理器（Central Processing Unit，CPU）選擇主要以16 位、支持258 GB 數(shù)據(jù)空間的運(yùn)行為標(biāo)準(zhǔn)，要求CPU 發(fā)出控制信息，并根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議、硬件設(shè)備進(jìn)行連接。為保障數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，此次選取具有第二代雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Double Data Rate，DDR）關(guān)斷引腳的1.5A DDR 終端穩(wěn)壓器8-SOIC 0 to 125（LP2996MX/NOPB）作為感知元件。具體參數(shù)如表2 所示。

表2 LP2996MX/NOPB 參數(shù)

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 采集程序設(shè)計(jì)

采集程序是實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制的重要組成部分，通過(guò)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)及參數(shù)[5]。通過(guò)與數(shù)據(jù)交互中心、監(jiān)控中心對(duì)接，監(jiān)控中心根據(jù)生產(chǎn)需求傳遞機(jī)械機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)流程、程度數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制。需注意，機(jī)械機(jī)電設(shè)備采集程序設(shè)計(jì)要保障數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)一，并在數(shù)據(jù)傳輸與交互的過(guò)程中保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕ネㄐ裕?guī)避傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)以“單元”為分界導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸存在孤島化的問(wèn)題。具體采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序如圖1 所示。

圖1 采集程序設(shè)計(jì)

2.3.2 控制程序設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制程序設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞物聯(lián)網(wǎng)特征，通過(guò)分析機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)流程后，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，編輯機(jī)械機(jī)電設(shè)備控制程序。機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制程序設(shè)計(jì)主要通過(guò)通信模塊、數(shù)據(jù)采集等基礎(chǔ)模板，根據(jù)傳感器、無(wú)線通信模塊與CPU 融合，依托控制程度處理與支配CPU 運(yùn)行邏輯，實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制。

在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)圍繞設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、監(jiān)控顯示及數(shù)據(jù)庫(kù)展開(kāi)設(shè)計(jì)。第一，運(yùn)行監(jiān)控。通過(guò)安裝物聯(lián)網(wǎng)傳感器、分析器，管理機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及流程，監(jiān)控與獲取設(shè)備溫度、濕度等指標(biāo)，將數(shù)據(jù)上傳至分析器后，分析器將判斷設(shè)備運(yùn)行是否存在問(wèn)題，如設(shè)備存在問(wèn)題則將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)系統(tǒng)。第二，監(jiān)控顯示。對(duì)機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)計(jì)界面警報(bào)指示燈，生產(chǎn)人員可根據(jù)設(shè)備指示燈運(yùn)行狀態(tài)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)械機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)為“綠燈”常亮，若出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障、參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，設(shè)備指示燈會(huì)亮“紅燈”。第三，數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)主要包含設(shè)備運(yùn)行日志、設(shè)備維修記錄等重要數(shù)據(jù)信息，該數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較為關(guān)鍵。在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)從機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的兼容性角度出發(fā)，搭建符合企業(yè)要求的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 討論

目前，我國(guó)關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控應(yīng)用于機(jī)械機(jī)電設(shè)備的研究仍停留在表面，其中如何保障機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)安全性，是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控下機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另外，因企業(yè)工作人員操作因素，在機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化運(yùn)行中不可避免會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)。為保障數(shù)據(jù)安全性及機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，應(yīng)做好機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生數(shù)據(jù)的監(jiān)控，提升數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)，規(guī)避數(shù)據(jù)波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)械機(jī)電設(shè)備運(yùn)行異常的狀態(tài)發(fā)展。企業(yè)管理人員應(yīng)關(guān)注機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)實(shí)時(shí)獲取與跟蹤處理機(jī)械機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，有利于結(jié)合終端數(shù)據(jù)庫(kù)中的異常運(yùn)行數(shù)量分析機(jī)械機(jī)電設(shè)備，延長(zhǎng)設(shè)備使用年限。此外，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控技術(shù)中的核心為傳感器、通信技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)界定以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)格式等標(biāo)準(zhǔn)，并做好硬件、軟件等工作的設(shè)計(jì)，有效提升機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制運(yùn)行的穩(wěn)定性。基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，有關(guān)人員應(yīng)積極利用LabVIEW 軟件，機(jī)械機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并處理系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，保障整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

分析基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論后，從設(shè)計(jì)需求、系統(tǒng)框架及系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 個(gè)維度論述基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)深度討論與分析基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)機(jī)電機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行中的參數(shù)、邏輯控制、數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控設(shè)計(jì)，以此提升基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控的機(jī)械機(jī)電自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量。