機電系統設計

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機電系統設計范文第1篇

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關鍵詞：高速攝影；單片機；CPLD；轉速測量

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別，在于它能以極快的速度進行拍攝，有很高的時間分辨率，能夠將快速變化的過程記錄下來，可以廣泛應用于高速運動過程研究、瞬態光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數測量等領域。

超高速攝影有超高速光電相機、轉鏡式超高速攝影等。轉鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉鏡式高速攝影掃描系統的掃描速度可達0.375km/ s～15km/s，系統分辯力可達80lp/ mm，高速攝影分幅系統的攝影頻率可達104fps～107fps，系統分辨力可達35lp/mm，可滿足速度最高可達幾十千米每秒的高速運動物體的測試需求。

轉鏡式超高速攝影系統是一個涉及光學、機械、電子等技術領域的復雜精密系統，主要由光學系統、機械系統和控制系統組成，這里主要對某項目中用到的轉鏡式超高速攝影系統的電路控制系統設計進行介紹。

超高速攝影電控系統設計

轉鏡式超高速攝影電路控制系統使高速攝影機各部分按程序工作，保證高速攝影機以500萬幀/秒的速度準確可靠地高速拍攝。超高速攝影機電控系統是保證攝影機準確可靠工作、提供分析所需數據的指揮機構。控制系統性能的好壞是衡量高速攝影機質量的重要標志。

超高速攝影電路控制系統主要由控制箱、電源、計算機等組成。電控系統主要功能為：（1）快門開啟和關閉的控制；（2）調整和控制轉鏡的旋轉速度；（3）轉鏡旋轉速度測量和指示；（4）引發脈沖光源；（5）安全保護功能，包括電機的過流保護、傳感器斷電保護等。超高速攝影電控系統工作流程示意如圖1所示。

單片機ATMega16L通過RS485通信接受計算機的指令并完成對其它各個分系統的實時控制。電機脈沖信號放大板將轉鏡轉速測量板的信號放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進行測速，并與轉鏡速度控制單元的測速值進行比較，用于判斷是否達到設定的速度；脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發目標信號，機械快門控制單元實現對攝影機的保護，外部觸發及同步信號單元用來獲取外部的同步信號，并根據到達拍攝區域的時間確定零時信號。系統各控制模塊（除電機控制器外）和電源等都裝配在控制機柜中，并通過電纜與對應的快門、電機、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來。

邏輯電路XC95288的功能設計

XC95288是Xilinx公司的在系統可編程CPLD器件，主要用來完成邏輯控制和轉鏡速度測量等功能，其控制的內容包括轉鏡速度和外部同步信號的讀取、控制機械快門、脈沖氙燈以及觸發目標，同時也控制MAX485等芯片實現與上位控制計算機的半雙工通信。

XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。

超高速攝影機需要將轉鏡加速到預定的拍攝速度，并能夠維持數秒（維持時間不宜過長，否則將損壞電機），以等待拍攝目標的到來。因此要設定拍攝速度的自動選擇環節，當轉鏡速度達到預定的轉速時，它能自動給出信號以穩定電機轉速。當攝影頻率為500萬幀/秒=5×106fps時，拍攝320個畫幅對應轉鏡的旋轉角度為120°，此時轉鏡轉速n為：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。

為了測量電機轉速是否達到設定的轉動速度，這里設計一個速度測量電路，其參數如下：（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）電機信號整形電路

電機轉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準的TTL電平的方波信號，便于XC95288對信號脈沖的計數，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號經過放大整形后變成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，再經過兩級的放大使信號放大，最后經施密特觸發器整形成比較好的方波信號，為后面的處理提供信號。

（2）電機速度頻率測量電路

XC95288主要實現對被測信號的脈沖個數進行處理，并通過串口發送到PC上進行實時顯示。這里采用有源晶振40MHz進行分頻得到計時標準時鐘，標準時鐘為電機速度頻率測量提供精度相對較高的時基信號，其時間的穩定性和精度將會直接影響到測量的準確性。

用XC95288實現電機速度測量的電路結構如圖5所示。

在XC95288內部電路中，F0、F1輸入端口分別輸入標準脈沖和待測的速度脈沖信號（經過整形放大以后的信號），計數器0和1分別對標準脈沖F0和待測信號F1進行計數，鎖存器0和1分別對計數器0和1的計數值進行保存，16位的輸入端口NP作為預置閘門時間的設定端口，設其輸入值為NP，則預置閘門時間T0為T0=NP/f0。

在電路剛開始工作時，由清零信號CLR對所有的計數器、鎖存器和D觸發器清零。這樣，計數器0的計數值NN0的初值為0，故此時NP>NN0，比較器輸出為1，但此時DFF0觸發器的輸出F2仍保持此初值0，由于F2作用在計數器0和1的使能端，此時計數器沒有開始計數，直到信號F1的上升沿到來后，DFF0觸發器的輸出F2才翻轉為1，允許兩計數器計數。隨著計數值的增加，當NN0>NP時，比較器輸出等于0，不過此時兩個計數器仍在計數，直到信號F1的又一上升沿到來后，F2=0，兩個計數器都停止計數，利用F2的下降沿（F3的上升沿）將此時的計數值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D1觸發器延時到信號F0的上升沿到來后，對計數器0、1清零。延時清零的原因是為了避免鎖存器鎖存數據與計數器清零同時進行，從而使存儲數據出錯。但由于延時清零，使實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。為使檢測結果準確，將計數器0的計數值加1即可。F2實質上就是實際門控信號。

在設計電路時，需要考慮計數器溢出的情況。例如，在電機轉速很慢的情況下，兩個速度脈沖信號上升沿間的時間間隔較長，這使實際閘門時間變得很長，在該段時間內，計數器0可能會出現溢出情況。在該情況下，可用3種方法來解決計數：一是增加計數器0的位數；二是通過增加計數器來對溢出次數另行讀數；三是一旦計數器溢出，便認為此時電機的轉速約等于0。這里采用的方法是：在電機轉速很慢的時候延時2秒種后再進行測量，而且計數器都采用16位寬度。

單片機ATMega16L的功能設計

ATMega16L單片機是ATMEL公司生產的高性能單片機，采用精簡指令集，具有預取指令功能，指令可以在一個時鐘周期內執行，處理速度快。在高速攝影電控系統中，ATMega16L單片機負責讀取XC95288的電機測速值，處理控制內外信息的輸入輸出接口，并與上位控制計算機通過RS-485接口進行信息交互。

在軟件編程時，利用ATMega16L單片機定時/計數器與系統時鐘的預定比例分頻器，可以獲得很高分辨率的時間間隔控制精度，例如，單片機系統采用8MHz的晶振工作，采用8分頻，則時間控制的間隔可以達到微秒，完全能夠實現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單片機讀取XC95288的電機測速值的C語言子程序。

結束語

根據以上電路設計的轉鏡式超高速攝影機電控系統，已在某系統超高速攝影機中得到應用，系統工作良好。

參考文獻：

機電系統設計范文第2篇

關鍵詞：微機電混合陀螺儀工作原理接口電路設計仿真分析

中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：

大量的實踐研究結果證實：陀螺能夠在相當長的一段時間范圍內保持既定方位的穩定性，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，陀螺現階段的大量應用于工業化建設的方方面面當中。同傳統意義上的機電陀螺儀裝置相比，一種基于微電子及集成智能化技術的微機電混合陀螺儀裝置以其所特有的低成本、大批量生產以及尺寸小等諸多優勢而備受各方工作人員的特別關注與重視。本文基于對微機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計方式，并仿真驗證其可行性。現對其做詳細分析與說明。

一、微機電混合陀螺儀裝置基本工作原理分析

在當前技術條件支持下，整個微機電混合陀螺儀裝置的基本結構如下圖所示（見圖1）。由圖中所示結構不難發現：在整個微機電混合陀螺儀裝置處于正常運轉狀態的情況下，與之相對應的電機裝置能夠驅動陀螺儀裝置與平衡環裝置保持高速且穩定的旋轉動作，從而產生較為明顯的動量矩。在如圖1右下角位置所示x/y方向出現角速度輸入的情況下，轉子自轉軸勢必會產生一定程度上的偏轉。而相對于整個微機電混合陀螺儀裝置而言，這種偏轉將引起信號檢測極板與陀螺轉子相對應的電容參數出現明顯變動。借助于電容信號檢測將這部分電容參數予以完整提取，即可以獲取在輸入角速度既定狀態下的轉角大小參數。更為關鍵的一點在于：為確保陀螺轉子在整個微機電混合陀螺儀裝置的運行過程中能夠始終保持為靜態平衡狀態，則應當以力矩反饋極板為在載體，將一定數值的靜電力矩施加在陀螺轉子之上。在陀螺轉子接受這部分靜電力矩的過程當中所產生的修正效應以及補償效應能夠輔助對輸入角速度的測定作業。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電混合陀螺儀裝置的運行影響情況下，其運動方程可以作如下表述：[（轉子繞x/y軸轉動慣量＋平衡環繞x/y軸轉動慣量/2）×（自轉軸繞陀螺儀坐標系ox軸正向運動相對于驅動軸的角加速度）]＋[陀螺儀角動量參數×自轉軸繞陀螺儀坐標系oy軸正向運動相對于驅動軸的角速度]＋[剩余剛度項×自轉軸繞陀螺儀坐標系ox軸正向運動相對于驅動軸的轉角角度]=作用于陀螺轉子外置外力矩在坐標系ox軸上的分量參數－[（轉子繞x/y軸轉動慣量＋平衡環繞x/y軸轉動慣量/2）×陀螺儀相對于慣性空間角加速度在坐標系ox軸上的分量參數]－（陀螺儀角動量參數×陀螺儀相對于慣性空間角速度在坐標系oy軸上的分量參數）。通過對微機電混合陀螺儀裝置運動方程的分析，可以對其進行簡單定義，即微機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行測定的二自由度陀螺儀裝置。

圖1：微機電混合陀螺儀裝置基本結構示意圖

二、微機電混合陀螺儀裝置接口電路設計分析

在整個微機電混合陀螺儀裝置系統設計過程中，機電接口應當重點關注上檢測電極、下檢測電極以及轉子、平衡環間的對應關系。在微機電混合陀螺儀裝置進行信號檢測的過程當中，能夠通過對大小均等、頻率均等高頻載波信號的內環輸入實現檢測目的。在此種載波信號的施加作用之下，上下檢測電極外環位置還同時受到村子啊平衡力矩作用力的微機電混合陀螺儀裝置反饋電壓當中。這部分施加電壓與所輸入高頻載波信號均負載在同一電極當中，借助于此種方式能夠實現整個機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。基于以上分析需要認識到一點問題：在針對微機電混合陀螺儀裝置進行系統設計的過程當中，若假定存在寄生電容，則在整個有關接口電路的設計過程當中需要重點關注一點：即在頻率一定的載波信號施加并有效覆蓋于微機電混合陀螺儀裝置外環電極的狀態下，中間公共點擊所產生電位數值與所施加載波信號見的對應關系。此過程當中需要重視放大器反相輸入端虛地數值的特性，獲取差動電容傳感器在反饋阻抗既定狀態下的輸出電壓參數，基于以上分析所確定的微機電混合陀螺儀裝置接口電路設計示意圖基本如下圖所示（見圖2）。從圖中相關結構不難發現：在微機電混合陀螺儀裝置的正常運行狀態下，通過對電容參數的實時控制與調節能夠很好的提高信號靈敏性。

圖2：微機電混合陀螺儀裝置接口電路設計示意圖

三、微機電混合陀螺儀裝置仿真分析

本文所例舉仿真試驗在微機電混合陀螺儀裝置保持開環狀態下運行，其目的在于通過仿真實驗分析并驗證殘余剛度相對于整個微機電混合陀螺儀運行系統的影響程度。具體的仿真方式如下：在保持微機電混合陀螺儀裝置處于開環作業狀態的情況下，假定充分加工后整個結構的殘余剛度保持在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，本文所構建的微機電混合陀螺儀裝置運動方程中包括①.陀螺儀相對于慣性空間角速度在坐標系oy軸上的分量參數；②.陀螺儀相對于慣性空間角加速度在坐標系ox軸上的分量參數；③.作用于陀螺轉子外置外力矩在坐標系ox軸上的分量參數在內的相關指標均表現為零值狀態。在以上仿真前提下，陀螺轉子自轉軸繞陀螺儀坐標系ox軸正向相對于驅動軸的轉角（以下定義為a）以及陀螺轉子自轉軸繞陀螺儀坐標系oy軸正向相對于驅動軸的轉角（以下定義為b）的運動關系表現為下圖（見圖3）。從圖中不難發現：在剩余剛度項保持在非零狀態的情況下，a、b轉角作相對調諧振動，這也就意味著轉子自轉軸在整個微機電混合陀螺儀裝置中做進動運動。而在a、b轉角呈現出完全調諧關系的情況下，以上兩轉角指標均表現為初值狀態，也就意味著轉子自轉軸在整個微機電混合陀螺儀裝置中能夠保持原方位上的穩定狀態。在此基礎之上，借助于Matlab實現對微機電混合陀螺儀運行系統的仿真處理，通過對輸入角速度參數的控制，所得到的仿真結果證實：在過渡平衡狀態下，a、b轉角基本表現為零值狀態，確保了整個微機電混合陀螺儀裝置閉環控制的有效性，仿真效果顯著。

圖3：微機電混合陀螺儀裝置開環狀態下轉角運動規律示意圖

（a）轉角a運動規律示意圖

（b）轉角b運動規律示意圖

參考文獻：

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機電系統設計范文第3篇

【關鍵詞】 計量泵；機電一體化；控制系統

計量泵是一種既具有介質輸送又具流量調整功能的機械設備，很適于作執行元件在每種需進行液體介質輸送的流程管理系統中運用。但傳統的計量泵調整流量的精確度，難以滿足現代化大規模生產工藝流程管理的自動化要求，尤其在對有害液體的計量、在危險條件下的調整等方面，傳統設備更是愛莫能助。因此，對計量泵實現自動管理，實時監測，精確調整勢在必行。

在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展，及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱，其涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。

流量控制是計量泵工作的核心內容，對流量實現機電一體化的控制能夠促進企業技術進步、提高企業的現代化管理水平，達到對企業生產經營過程進行整體優化，增強市場地應變能力和競爭能力，從而獲得更好的經濟效益。當前計量泵流量的調整是經過人工對泵體上的手輪進行操作實現的.其調整流量的精確度難以滿足現代化大規模生產工藝流程管理的自動化要求.對于這一問題，進行了計量泵機電一體化管理系統的研發，采用了一種對計量泵用步進電機驅動，用單片機進行管理，并對其流量進行閉環管理的辦法。

1.機電一體化的核心技術

機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發展，必須從以下幾方面著手：

1.1 機械本體技術。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。

1.2 傳感技術。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系。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。

1.3 信息處理技術。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。

1.4 驅動技術。電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件- 傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。

1.5 接口技術。為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。自吸離心泵接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。

1.6 軟件技術。軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。

2.計量泵機電一體化控制系統設計

流量控制系統是集機電液為一體的自動控制系統，在工業領域中非常實用，它的準確控制在工業中得到了廣泛應用，如加油系統的油量控制、水位的精確控制、化工企業中的有機物的投料控制，以及稀土萃取過程中的給料控制等。計量泵機電一體化控制系統設計主要包括以下幾方面內容：

2.1 控制系統的總體描述。本控制系統是通過向步進電機發脈沖，以控制步進電機的轉數。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。在本控制系統中，可以人工的輸入所需要的流量值，也可以實現自動控制，也就是通過外部的模擬信號標準—經過轉換后，來控制步進電機的脈沖數。當輸入期望數據后，處理器將輸入的數據與當前數據相比較，得到相應的動作值，計算出相應的脈沖數，通過正轉或反轉來達到期望值。在步進起動時，采用加速過程，在即將到達期望值時，采用減速過程，使得步進電機能不失步的穩定運行。在軟件設計中，對控制裝置采用了軟件保護措施，如當步進電機處于運動狀態和輸入值超過系統的最大值時，所輸入的數據命令是無效的。

2.2 系統硬件電路的基本組成。控制系統采用作為主控單元，通過與的串口通訊，實現對步進電機的遠程控制。控制系統的硬件電路總體結構，包括轉換電路、單片機系統、單片機系統、操作顯示面板等。

2.3 系統硬件電路的設計原則。在進行硬件的總體方案設計時，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。為使硬件設計盡可能合理系統的設計，應注意以下幾點：盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結構的靈巧性。在條件允許的情況下，盡可能選用功能強、集成度高的電路或芯片。注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件，尤其對需要大批量生產的場合，更應注意這方面的問題。在對硬件系統總體結構考慮時，同樣要注意通用性的問題。系統的擴展及各功能模塊的設計，在滿足應用系統功能要求的基礎上，應適當留有余地以備將來修改、擴展之余，設計時盡可能地作些調研采用最新的技術。在電路設計時，要充分考慮應用系統各部分的驅動能力，要注意增加系統的驅動能力，或減少系統的功耗。在工藝設計時，包括機箱、面板、配線、接插件等，要充分考慮到安裝、調試、維修的方便。

2.4 控制系統軟件的總體結構。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成，每一程序模塊都能完成某一明確的任務，實現具體的功能。軟件設計的目的，就是為了實現控制系統的各種功能。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、簡便增強系統的穩定性、可靠性提高系統的抗干擾能力。就以上原則思想，本控制系統軟件的總體構思如下：當由鍵盤或外部的—的信號輸入單片機時，由其計算出步進電機所要走的步數，程序轉入串行通訊子程序單片機，將電機所要走的步數傳送給單片機，從而完成數據的輸入和對電機控制功能的實現。

本系統將泵流量控制，轉換為對步進電機的控制，通過對流量進行一定的運算，可得出相應的步進電機脈沖數。當流量變化時，步進電機的脈沖數，為此時步進電機的步距角被細分為度。這種控制方式是相對的控制系統從上一次的基礎上運行，將當前的數據與上一次的數據相減，經過計算轉換得出向步進電機所發的脈沖數和方向。方向是由所減結果的“正”、“負”來判斷，結果為“正”則反轉，結果為“負”則正轉。接近開關信號是形軸的零位標志。單片機上電初始化電機正轉到達零位時，接近開關發出信號觸發的外部中斷，進入外部中斷程序，使電機停轉。為增強本控制系統的可靠性和抗干擾能力，在軟件設計時采取了一些措施。系統軟件中設定了許多標志位，例如，有電機是否處于工作狀態的標志單元、電機正反轉的標志單元，以及程序內部需要的各種標志單元等。程序運行時，通過對標志位的查詢和修改，從而進行對控制系統運行狀態的監控管理。

總之，機電一體化技術是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。通過對計量泵的機電一體化實行研制開發，可改善計量泵的工作環境，實現自動控制，提高計量泵的工作效率。

參考文獻

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[4] 梁俊彥，李玉翔；機電一體化技術的發展及應用[J].科技資訊，2007年第9期

機電系統設計范文第4篇

關鍵詞：機電設備 內容 設計 管理應用

高速公路機電設備信息管理系統是發揮道路設施控制與管理功能的主要輔助系統，是對高速公路機電設備實施現代化管埋(實時和數據管理)的主要工具。機電設備信息管理系統是包含多個子系統，以電子、電氣、控制、通信、機械和交通工程等技術為基礎的綜合性大系統，它由控制、收費、通信、照明、供配電和安全運行保障等子系統組成。子系統內部和各子系統間由通信網聯系，其中，機電設備信息管理系統為計算機控制系統，通過光纜數字通信連結成遠程計算機網絡，各網絡間信息共享。

一、機電設備處理內容

1. 處理

設備的滑動、轉動部分要根據設備的工作需求上油，如：打印機打印頭的滑動軸，要上輕質油，用干凈的紗布涂擦，且油不可過多，以免造成污染。設備機械轉動軸有打油孔的要上油，室外手動欄桿和自動欄桿的轉軸要上脂。

2. 防水處理

設備的電路部分，要經常檢查有無進水的可能性。收費亭是否進水，外場設備的防水橡皮墊是否完整，空調溫度是否設置適宜。如果濕度大，開啟頻繁的房間（如收費亭），溫度太低導致設備內部產生凝結水，水是導體，會導致設備工作不正常，甚至燒毀設備。如發現進水或線路板潮濕，立即停機斷電，并及時用熱吹風筒除去潮氣后，方可再次投入運行；溫度太高對設備也不利。防水重點是收費亭，收費亭內安裝的設備較多，一定要保證運行正常，運行的數據都保存在工控機內。造成收費亭漏水的原因主要有：收費亭設計不合理，亭上有積水，排水不暢通；安裝在亭頂的空調的冷凝水排路不暢通，造成亭頂積水；安裝在亭頂的空調固定設計不合理，直接打孔用膨脹螺栓固定，打孔造成防水層的破壞，造成漏水；在亭頂安裝報警器，鉆孔走線，防水處理不好，造成漏水，以上所涉及的幾個工藝環節，要經常檢查，以免因漏水造成設備的損壞。

3. 經常檢查降溫風扇運轉是否正常

降溫風扇主要位置有：工控機、計算機、UPS、穩壓器、硬盤、錄像機等，如工控機經常死機，需檢查CPU的降溫風扇轉動是否正常，如果發現不正常，應立即停機修理。要經常檢查并保證設備的散熱風扇工作正常，如散熱風扇停轉，必須立即處理。

4. 防銹處理

外場設備由于雨淋日曬易被氧化生銹，要定期進行防銹處理。如：手動欄桿的轉軸、設備的地腳固定螺栓、設備與固定裝置的連接螺栓等要涂抹防銹油。銹蝕不但會對設備造成損壞，而且會帶來安全隱患，特別是沿海地區的高速公路，鐵質金屬被腐蝕嚴重，采取必要措施防銹，常見的問題是：金屬件防銹鍍鋅層薄，造成銹蝕，更換符合防銹要求的金屬件；檢查收費雨棚車道照明燈及雨棚信號燈緊固件及安裝螺栓是否銹蝕嚴重，如已失去功能，需更換以免掉下來造成人身損傷。

5. 電源系統供電

首先檢查電源供給是否正常，對于用集成電路組成的板路，檢查電壓是否正常，要從集成塊上測量，逐步向電源模塊，檢查電源模塊輸入/輸輸出狀態。對于由于電阻燒毀、電容擊穿再次更換時，電阻要提出電壓，而后檢查信號的輸入/輸出狀態，對于由于電阻燒毀、電容擊穿再次更換時，電阻要提高功率，電容要提高耐壓程度。

二、系統設計

???? 1、系統體系結構設計

???? 因為高速公路的業務數據的安全性很重要，不能與外網相聯，所以網絡結構采用局域網，而高速公路公路收費站又相距很遠，遠到幾十公里，所以體系機構采用C／S與B／S混合軟件體系結構。c／s體系結構的系統擴展能力很強，安全性好，在系統效率和響應速度上，優勢顯著，在本系統中，在c／s模式下，高速公路機電設備管理中心的管理員在局域網內通過系統維護工作站進行主要的業務操作，包括設備出、入庫的登記，設備查詢，系統管理等功能。

???? B／S結構特別適合客戶端分布范圍廣，?對維護要求低的場合。在B／S模式下，高速公路下屬的各收費站將本站的設備故障情況上報設備管理中心，各收費站可以在線查看本站設備的故障維修歷史，故障率等信息。另外，各站機電系統管理員還可以在線交流設備故障的維修技巧等。相當于高速公路系統內部的BBS.整個系統運行在局域網內，設備管理中心用戶主要指管理人員，在C／S模式下通過局域網直接訪問數據庫服務器，

???? 進行日常業務的操作，系統維護。其他各收費站用戶在B／S模式下訪問數據庫服務器，無需安裝客戶端，即可隨時上報設備故障信息，查看本站設備故障歷史，還可通過服務器內的維修歷史數據庫中查找與之相關的維修技巧，并可通過BBS與其他各站系統管理員在線交流設備維修技術。該解決方案-}BB／S和C／S這兩種軟件體系結構進行了有機地結合，揚長避短，有效地發揮了各自的優勢。

2、系統的功能設計

???? 機電設備管理系統是一套完全為設備管理人員設計的把設備管理由被動管理轉為主動管理的系統，此系統的使用將極大地提高設備管理部門的工作效率，使設備管理人員從繁重的手工勞動當中解脫出來，實現設備管理整個生命周期的信息化。并且在與各使用單位內部網絡配合的基礎上實現無紙化辦公。

設備生命流程包括制定計劃、簽署合同、購買設備、庫房管理、申請／審批、領借用設備、維修設備、設備報廢、捐贈和調撥等。

三、系統結構和模塊功能

1. 控制中心計算機系統

包括主計算機、交通信息計算機、彩色圖形顯示計算機等。整個系統通過快速以太網將各個計算機聯成網絡，各計算機與外場設備的連接方式為分布式控制系統，并利用光環路載波系統進行數據信息的通信傳輸。這種局域網及其通信方式的優點是：通信靈活方便，網絡結構簡單、傳輸速率高、可靠性強、實時性好，可消除通信中的"瓶頸"現象。計算機系統的使用主要是使用其安裝的應用軟件控制、瀏覽數據以及圖像等信息。

2. 控制中心軟件系統

控制中心軟件系統為高速公路控制核心處理系統，其功能包括：系統配置模塊、信息查詢與報表打印模塊、信息等模塊。具體構成各模塊的功能為：

（1）系統配置模塊程序包括：用戶管理、系統管理、設備信息、數據管理。

（2）信息查詢與報表打印包括：系統結構與配置信息查詢處理；設備基本信息查詢處理；

（3）設備運行狀態查詢處理；設備報警信息查詢處理；各外場設備檢測信息查詢；用戶信息查詢；人工輸入事件查詢處理；操作員操作日志報表查詢。

（4）信息模塊包括：可變情報板信息的采集和信息編輯。

3. 系統運行應用

（1）信息采集

需要采集的信息按性質可分為：數據、圖像、語音三種類型。從信息反應的功能歸屬為環境干擾、設備狀態金額故障部位三大類。信息采集方法由信息的特點決定。數據信息需要通過各種傳感器將電量轉換成電量再輸出。

（2）信息處理

要取得良好的信息系統管理效果，必須對機電設備狀態有一個比較全面的了解，但是機電設備的某些狀態無法直接測出，只能憑借已測出的參數去估計、判斷，狀況的出現與否、事件性質和嚴重程度都無法直接測出，只能根據已測出的各種變量，采取一定的數學分析方法去識別、判斷。

（3）控制策略

機電系統設計范文第5篇

關鍵詞：模塊化；傳感器；實時監控；雙級保護

EBZ260掘進機適用于煤礦井下半煤巖或全巖巷道的掘進工作，也可在鐵路、公路、水利工程隧道施工中使用，屬于機電液一體化設備，其中電控系統的技術水平決定掘進機的智能化程度。

EBZ260掘進機的電控系統主要是由電控箱和操作箱兩部分組成，它們和截割電機、油泵電機、二運電滾筒、電鈴外部元器件共同構成了掘進機的電氣系統。

1 總體要求

電控系統要求能夠控制執行元件的啟動停止和電磁閥的開關，通過各種傳感器檢測部分執行元件的運行狀態，并提供相應的保護功能。該系統應具有程序化、模塊化、可靠性高、抗震動、抗干擾等特點，能夠顯示系統工作電壓、各電機運行狀態和工作時間等內容，使掘進機操作者對機器工作情況一目了然。

2 控制對象分析及主回路設計

電控系統的控制對象主要包括與電氣相關的執行元件和液壓系統中的電磁閥，主要有截割電機、油泵電機、二運電滾筒等，技術參數如表1所示。

由上表可得出系統的供電電壓為1140V。總電流最大約為282A，選用額定電流為400A隔離開關即可滿足要求。

截割電機內部有兩套獨立的線圈，對應兩種不同的轉速和功率，需要兩個真空交流接觸器來控制它的動作，可選用SIEMENS的3RT10.6系列接觸器，同樣控制油泵電機和二運電滾筒的接觸器也選用該系列。

以上各電動機在啟動和停止瞬間會產生較大的自感電動勢，為防止損壞其他電氣元件，每個電動機的主回路中還需要增加阻容吸收裝置。

隔爆電鈴、照明燈和電磁閥等元件的工作電壓等級不同，可通過變壓器和本安電源獲得，輸入電壓為1140V AC，輸出電壓等級至少需要包含24V、127V、220V。綜上所述，可設計出主回路圖紙，如圖1所示。

3 控制回路設計

控制回路以松下FPG-C32T型PLC為核心控制單元，具有體積小、速度快、可靠性高、擴展能力強等特點，輸入端最多可以擴展至24路模擬量。PLC接受外部傳感器和按鈕開關的輸入信號，通過內部程序處理，使中間繼電器動作，控制交流接觸器的吸合或斷開。

3.1 操作按鈕

根據控制要求每個電動機需要啟動和停止兩個按鈕，急停、電鈴和PLC復位各自需要一個按鈕，屏幕參數設置需要四個按鈕，本系統中選用瑞士eao按鈕，防護等級高達IP68，安裝方便，可靠性極高。設計完成后操作面板如圖2所示。

（下轉第162頁）

（上接第158頁）

3.2 傳感器

在掘進機控制系統中，需要對某些元件的參數進行檢測，并將信號傳送給PLC，由PLC根據這些信號判斷系統運行是否正常，并作出相應動作。

3.2.1 溫度變送器

電機在運行過程中會產生熱量，導致溫度升高，溫度過高時將會導致密封損壞，軸承的滾動體和內外圈的硬度下降，整個電機壽命縮短。油箱中的液壓油是整個液壓系統的工作介質，油溫過高將造成液壓元件的密封性能下降，因此需要監測電機繞組和液壓油的溫度。

截割電機和油泵電機內部都預埋了PTC和PT100。 PTC為繼電器形式，開關量輸出，但PT100為電阻信號，PLC無法直接處理，需要用隔離柵將其轉化為4-20mA的電流信號，然后傳入到PLC中。此處選用STWB-TR4型溫度變送器，不僅提高抗干擾能力，而且能夠同時轉換4路電阻信號。

油箱中選用GWP200Z型溫度變送器，該變送器為不銹鋼材質，前部帶有探頭，可插入到液壓油中測定溫度值，測量范圍為0-200℃，輸出形式為4-20mA的電流信號。在主程序中對油溫的監測也采用了雙級保護，即當液壓油溫度升至70℃和90℃時，系統會報警或停機，溫度恢復正常值前報警會持續。

3.2.2 液位控制器

液壓系統工作過程中會有油液損失，油箱液位過低可能導致液壓系統中的組合變量泵吸空，空氣進入到液壓管路中在巨大的壓力作用下造成氣蝕，對液壓元件損害極大。選用YKJD系列液位繼電器對頁面高度進行監測，當液面高度低于設定值時，系統發出報警，提醒工作人員油箱液位低，加油至規定值后可重新開機。

3.2.3 壓力傳感器

液壓系統額定工作壓力為25MPa，當壓力過低時馬達或油缸動作無力，壓力過高時會對液壓膠管和其他元件造成破壞。在泵的出油口處安裝了GPD60（B）隔爆型壓力變送器，測量范圍為0-60MPa，輸出信號為4-20mA，PLC檢測到壓力異常時會發出聲光報警。

3.2.4 壓力控制器

外噴霧工作壓力不小于1.5MPa，當水壓過低時將影響噴霧降塵效果。在外噴霧管路中增加GPD10K隔爆型壓力控制器，可在1-10MPa范圍內任意設定一個壓力值，當壓力過低時繼電器觸電動作，將信號傳入PLC中，系統發出水壓過低的報警信號，可以實現水電閉鎖、壓力切斷等保護功能[1]。

4 主控器

主控器是整個電控系統中最重要的部分，本設計中將PLC、本安電源、繼電器板和光耦板集成到一個不銹鋼箱體內，作為主控箱。所有控制線從主控箱前側的接線端子中引出，實現了主控器的模塊化設計，如果使用過程中某個元件出現問題，直接更換主控箱即可。

5 結語

本套電控系統具有操作簡單，維護方便可靠性高的特點，經實踐證明能夠滿足EBZ260掘進機的所有動作要求，并具備全面的保護功能，提高了掘進機的智能化水平。

參考文獻：