机电系统设计

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机电系统设计范文第1篇

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关键词：高速摄影；单片机；CPLD；转速测量

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018

引言

超高速摄影与一般摄影最根本的区别，在于它能以极快的速度进行拍摄，有很高的时间分辨率，能够将快速变化的过程记录下来，可以广泛应用于高速运动过程研究、瞬态光谱物理、高能物理、炸药爆轰参数测量等领域。

超高速摄影有超高速光电相机、转镜式超高速摄影等。转镜式高速摄影有较高的分辩力，转镜式高速摄影扫描系统的扫描速度可达0.375km/ s～15km/s，系统分辩力可达80lp/ mm，高速摄影分幅系统的摄影频率可达104fps～107fps，系统分辨力可达35lp/mm，可满足速度最高可达几十千米每秒的高速运动物体的测试需求。

转镜式超高速摄影系统是一个涉及光学、机械、电子等技术领域的复杂精密系统，主要由光学系统、机械系统和控制系统组成，这里主要对某项目中用到的转镜式超高速摄影系统的电路控制系统设计进行介绍。

超高速摄影电控系统设计

转镜式超高速摄影电路控制系统使高速摄影机各部分按程序工作，保证高速摄影机以500万帧/秒的速度准确可靠地高速拍摄。超高速摄影机电控系统是保证摄影机准确可靠工作、提供分析所需数据的指挥机构。控制系统性能的好坏是衡量高速摄影机质量的重要标志。

超高速摄影电路控制系统主要由控制箱、电源、计算机等组成。电控系统主要功能为：（1）快门开启和关闭的控制；（2）调整和控制转镜的旋转速度；（3）转镜旋转速度测量和指示；（4）引发脉冲光源；（5）安全保护功能，包括电机的过流保护、传感器断电保护等。超高速摄影电控系统工作流程示意如图1所示。

单片机ATMega16L通过RS485通信接受计算机的指令并完成对其它各个分系统的实时控制。电机脉冲信号放大板将转镜转速测量板的信号放大并送给CPLD逻辑电路XC95288进行测速，并与转镜速度控制单元的测速值进行比较，用于判断是否达到设定的速度；脉冲氙灯控制器用于开启脉冲氙灯和引发目标信号，机械快门控制单元实现对摄影机的保护，外部触发及同步信号单元用来获取外部的同步信号，并根据到达拍摄区域的时间确定零时信号。系统各控制模块（除电机控制器外）和电源等都装配在控制机柜中，并通过电缆与对应的快门、电机、氙灯、传感器和液晶显示模块等连接起来。

逻辑电路XC95288的功能设计

XC95288是Xilinx公司的在系统可编程CPLD器件，主要用来完成逻辑控制和转镜速度测量等功能，其控制的内容包括转镜速度和外部同步信号的读取、控制机械快门、脉冲氙灯以及触发目标，同时也控制MAX485等芯片实现与上位控制计算机的半双工通信。

XC95288与MAX485的连接电路如图3所示。

超高速摄影机需要将转镜加速到预定的拍摄速度，并能够维持数秒（维持时间不宜过长，否则将损坏电机），以等待拍摄目标的到来。因此要设定拍摄速度的自动选择环节，当转镜速度达到预定的转速时，它能自动给出信号以稳定电机转速。当摄影频率为500万帧/秒=5×106fps时，拍摄320个画幅对应转镜的旋转角度为120°，此时转镜转速n为：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。

为了测量电机转速是否达到设定的转动速度，这里设计一个速度测量电路，其参数如下：（a）频率测量范围：10Hz～1MHz；（b）测量分辨率：1Hz；（c）测量通道灵敏度：50mVpp；（d）通道输入阻抗：≥100kΩ。

（1）电机信号整形电路

电机转速输入的速度频率信号是方波，并且信号的测量通道灵敏度为50mVpp，为此需要将速度信号放大整形成标准的TTL电平的方波信号，便于XC95288对信号脉冲的计数，放大电路需要将最小为Vpp=50mV的信号经过放大整形后变成Vpp=5V电平，并且前向通道电阻≥100kΩ，则放大电路的电压放大倍数为：

第一级射级跟随器提高了输入阻抗，使其满足Ri≥100kΩ的要求，使得信号基本上送入后级，再经过两级的放大使信号放大，最后经施密特触发器整形成比较好的方波信号，为后面的处理提供信号。

（2）电机速度频率测量电路

XC95288主要实现对被测信号的脉冲个数进行处理，并通过串口发送到PC上进行实时显示。这里采用有源晶振40MHz进行分频得到计时标准时钟，标准时钟为电机速度频率测量提供精度相对较高的时基信号，其时间的稳定性和精度将会直接影响到测量的准确性。

用XC95288实现电机速度测量的电路结构如图5所示。

在XC95288内部电路中，F0、F1输入端口分别输入标准脉冲和待测的速度脉冲信号（经过整形放大以后的信号），计数器0和1分别对标准脉冲F0和待测信号F1进行计数，锁存器0和1分别对计数器0和1的计数值进行保存，16位的输入端口NP作为预置闸门时间的设定端口，设其输入值为NP，则预置闸门时间T0为T0=NP/f0。

在电路刚开始工作时，由清零信号CLR对所有的计数器、锁存器和D触发器清零。这样，计数器0的计数值NN0的初值为0，故此时NP>NN0，比较器输出为1，但此时DFF0触发器的输出F2仍保持此初值0，由于F2作用在计数器0和1的使能端，此时计数器没有开始计数，直到信号F1的上升沿到来后，DFF0触发器的输出F2才翻转为1，允许两计数器计数。随着计数值的增加，当NN0>NP时，比较器输出等于0，不过此时两个计数器仍在计数，直到信号F1的又一上升沿到来后，F2=0，两个计数器都停止计数，利用F2的下降沿（F3的上升沿）将此时的计数值NN0和NN1分别通过锁存器0和1锁存起来。然后利用此时F2=0，经D1触发器延时到信号F0的上升沿到来后，对计数器0、1清零。延时清零的原因是为了避免锁存器锁存数据与计数器清零同时进行，从而使存储数据出错。但由于延时清零，使实际门控信号的上升沿比速度信号F0的上升沿滞后，滞后时间为信号F0的一个周期。为使检测结果准确，将计数器0的计数值加1即可。F2实质上就是实际门控信号。

在设计电路时，需要考虑计数器溢出的情况。例如，在电机转速很慢的情况下，两个速度脉冲信号上升沿间的时间间隔较长，这使实际闸门时间变得很长，在该段时间内，计数器0可能会出现溢出情况。在该情况下，可用3种方法来解决计数：一是增加计数器0的位数；二是通过增加计数器来对溢出次数另行读数；三是一旦计数器溢出，便认为此时电机的转速约等于0。这里采用的方法是：在电机转速很慢的时候延时2秒种后再进行测量，而且计数器都采用16位宽度。

单片机ATMega16L的功能设计

ATMega16L单片机是ATMEL公司生产的高性能单片机，采用精简指令集，具有预取指令功能，指令可以在一个时钟周期内执行，处理速度快。在高速摄影电控系统中，ATMega16L单片机负责读取XC95288的电机测速值，处理控制内外信息的输入输出接口，并与上位控制计算机通过RS-485接口进行信息交互。

在软件编程时，利用ATMega16L单片机定时/计数器与系统时钟的预定比例分频器，可以获得很高分辨率的时间间隔控制精度，例如，单片机系统采用8MHz的晶振工作，采用8分频，则时间控制的间隔可以达到微秒，完全能够实现超高速摄影中要求的0.1微秒的控制精度。

这里给出一个ATMega16L单片机读取XC95288的电机测速值的C语言子程序。

结束语

根据以上电路设计的转镜式超高速摄影机电控系统，已在某系统超高速摄影机中得到应用，系统工作良好。

参考文献：

机电系统设计范文第2篇

关键词：微机电混合陀螺仪工作原理接口电路设计仿真分析

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

大量的实践研究结果证实：陀螺能够在相当长的一段时间范围内保持既定方位的稳定性，并能够针对载体角位移程度以及角速度变化情况予以及时反映。基于这一特性，陀螺现阶段的大量应用于工业化建设的方方面面当中。同传统意义上的机电陀螺仪装置相比，一种基于微电子及集成智能化技术的微机电混合陀螺仪装置以其所特有的低成本、大批量生产以及尺寸小等诸多优势而备受各方工作人员的特别关注与重视。本文基于对微机电混合陀螺仪装置工作原理的分析，提出了一种接口电路的设计方式，并仿真验证其可行性。现对其做详细分析与说明。

一、微机电混合陀螺仪装置基本工作原理分析

在当前技术条件支持下，整个微机电混合陀螺仪装置的基本结构如下图所示（见图1）。由图中所示结构不难发现：在整个微机电混合陀螺仪装置处于正常运转状态的情况下，与之相对应的电机装置能够驱动陀螺仪装置与平衡环装置保持高速且稳定的旋转动作，从而产生较为明显的动量矩。在如图1右下角位置所示x/y方向出现角速度输入的情况下，转子自转轴势必会产生一定程度上的偏转。而相对于整个微机电混合陀螺仪装置而言，这种偏转将引起信号检测极板与陀螺转子相对应的电容参数出现明显变动。借助于电容信号检测将这部分电容参数予以完整提取，即可以获取在输入角速度既定状态下的转角大小参数。更为关键的一点在于：为确保陀螺转子在整个微机电混合陀螺仪装置的运行过程中能够始终保持为静态平衡状态，则应当以力矩反馈极板为在载体，将一定数值的静电力矩施加在陀螺转子之上。在陀螺转子接受这部分静电力矩的过程当中所产生的修正效应以及补偿效应能够辅助对输入角速度的测定作业。基于以上分析，在剔除二次谐波力矩作用力以及陀螺阻尼力矩作用力相对于微机电混合陀螺仪装置的运行影响情况下，其运动方程可以作如下表述：[（转子绕x/y轴转动惯量＋平衡环绕x/y轴转动惯量/2）×（自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向运动相对于驱动轴的角加速度）]＋[陀螺仪角动量参数×自转轴绕陀螺仪坐标系oy轴正向运动相对于驱动轴的角速度]＋[剩余刚度项×自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向运动相对于驱动轴的转角角度]=作用于陀螺转子外置外力矩在坐标系ox轴上的分量参数－[（转子绕x/y轴转动惯量＋平衡环绕x/y轴转动惯量/2）×陀螺仪相对于惯性空间角加速度在坐标系ox轴上的分量参数]－（陀螺仪角动量参数×陀螺仪相对于惯性空间角速度在坐标系oy轴上的分量参数）。通过对微机电混合陀螺仪装置运动方程的分析，可以对其进行简单定义，即微机电混合陀螺仪装置是一个能够同时针对x轴及y轴方向输入角速度进行测定的二自由度陀螺仪装置。

图1：微机电混合陀螺仪装置基本结构示意图

二、微机电混合陀螺仪装置接口电路设计分析

在整个微机电混合陀螺仪装置系统设计过程中，机电接口应当重点关注上检测电极、下检测电极以及转子、平衡环间的对应关系。在微机电混合陀螺仪装置进行信号检测的过程当中，能够通过对大小均等、频率均等高频载波信号的内环输入实现检测目的。在此种载波信号的施加作用之下，上下检测电极外环位置还同时受到村子啊平衡力矩作用力的微机电混合陀螺仪装置反馈电压当中。这部分施加电压与所输入高频载波信号均负载在同一电极当中，借助于此种方式能够实现整个机电接口位置直流偏置信号、常值电容信号、反馈电压信号以及检测电容信号的均衡性作业。基于以上分析需要认识到一点问题：在针对微机电混合陀螺仪装置进行系统设计的过程当中，若假定存在寄生电容，则在整个有关接口电路的设计过程当中需要重点关注一点：即在频率一定的载波信号施加并有效覆盖于微机电混合陀螺仪装置外环电极的状态下，中间公共点击所产生电位数值与所施加载波信号见的对应关系。此过程当中需要重视放大器反相输入端虚地数值的特性，获取差动电容传感器在反馈阻抗既定状态下的输出电压参数，基于以上分析所确定的微机电混合陀螺仪装置接口电路设计示意图基本如下图所示（见图2）。从图中相关结构不难发现：在微机电混合陀螺仪装置的正常运行状态下，通过对电容参数的实时控制与调节能够很好的提高信号灵敏性。

图2：微机电混合陀螺仪装置接口电路设计示意图

三、微机电混合陀螺仪装置仿真分析

本文所例举仿真试验在微机电混合陀螺仪装置保持开环状态下运行，其目的在于通过仿真实验分析并验证残余刚度相对于整个微机电混合陀螺仪运行系统的影响程度。具体的仿真方式如下：在保持微机电混合陀螺仪装置处于开环作业状态的情况下，假定充分加工后整个结构的残余刚度保持在0.22468mN·m/rad单位，并且剔除外力矩作用力以及角速度输入对残余刚度的影响问题。在此种假定情况作用之下，本文所构建的微机电混合陀螺仪装置运动方程中包括①.陀螺仪相对于惯性空间角速度在坐标系oy轴上的分量参数；②.陀螺仪相对于惯性空间角加速度在坐标系ox轴上的分量参数；③.作用于陀螺转子外置外力矩在坐标系ox轴上的分量参数在内的相关指标均表现为零值状态。在以上仿真前提下，陀螺转子自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向相对于驱动轴的转角（以下定义为a）以及陀螺转子自转轴绕陀螺仪坐标系oy轴正向相对于驱动轴的转角（以下定义为b）的运动关系表现为下图（见图3）。从图中不难发现：在剩余刚度项保持在非零状态的情况下，a、b转角作相对调谐振动，这也就意味着转子自转轴在整个微机电混合陀螺仪装置中做进动运动。而在a、b转角呈现出完全调谐关系的情况下，以上两转角指标均表现为初值状态，也就意味着转子自转轴在整个微机电混合陀螺仪装置中能够保持原方位上的稳定状态。在此基础之上，借助于Matlab实现对微机电混合陀螺仪运行系统的仿真处理，通过对输入角速度参数的控制，所得到的仿真结果证实：在过渡平衡状态下，a、b转角基本表现为零值状态，确保了整个微机电混合陀螺仪装置闭环控制的有效性，仿真效果显著。

图3：微机电混合陀螺仪装置开环状态下转角运动规律示意图

（a）转角a运动规律示意图

（b）转角b运动规律示意图

参考文献：

[1] 夏敦柱,周百令,王寿荣等.双闭环真空硅微陀螺仪设计及性能测试分析[J].传感技术学报,2008,21(2):241-243.

[2] 马宗敏,石云波,刘俊等.单芯片加速度计陀螺仪设计与动力学分析[J].传感技术学报,2007,20(11):2395-2399.

[3] 王凌云,刘益芳,孙道恒等.扇形梳齿驱动式微机械隧道陀螺仪的初步研究[J].厦门大学学报（自然科学版）,2006,45(3):355-359.

机电系统设计范文第3篇

【关键词】 计量泵；机电一体化；控制系统

计量泵是一种既具有介质输送又具流量调整功能的机械设备，很适于作执行元件在每种需进行液体介质输送的流程管理系统中运用。但传统的计量泵调整流量的精确度，难以满足现代化大规模生产工艺流程管理的自动化要求，尤其在对有害液体的计量、在危险条件下的调整等方面，传统设备更是爱莫能助。因此，对计量泵实现自动管理，实时监测，精确调整势在必行。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展，及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称，其涵盖“技术”和“产品”两个方面。

流量控制是计量泵工作的核心内容，对流量实现机电一体化的控制能够促进企业技术进步、提高企业的现代化管理水平，达到对企业生产经营过程进行整体优化，增强市场地应变能力和竞争能力，从而获得更好的经济效益。当前计量泵流量的调整是经过人工对泵体上的手轮进行操作实现的.其调整流量的精确度难以满足现代化大规模生产工艺流程管理的自动化要求.对于这一问题，进行了计量泵机电一体化管理系统的研发，采用了一种对计量泵用步进电机驱动，用单片机进行管理，并对其流量进行闭环管理的办法。

1.机电一体化的核心技术

机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：

1.1 机械本体技术。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。

1.2 传感技术。传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。

1.3 信息处理技术。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。

1.4 驱动技术。电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件- 传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。

1.5 接口技术。为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。自吸离心泵接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。

1.6 软件技术。软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。

2.计量泵机电一体化控制系统设计

流量控制系统是集机电液为一体的自动控制系统，在工业领域中非常实用，它的准确控制在工业中得到了广泛应用，如加油系统的油量控制、水位的精确控制、化工企业中的有机物的投料控制，以及稀土萃取过程中的给料控制等。计量泵机电一体化控制系统设计主要包括以下几方面内容：

2.1 控制系统的总体描述。本控制系统是通过向步进电机发脉冲，以控制步进电机的转数。由于计量泵本身的精度是很高的，因此，它的控制也必须满足一定的精度要求。在本控制系统中，可以人工的输入所需要的流量值，也可以实现自动控制，也就是通过外部的模拟信号标准—经过转换后，来控制步进电机的脉冲数。当输入期望数据后，处理器将输入的数据与当前数据相比较，得到相应的动作值，计算出相应的脉冲数，通过正转或反转来达到期望值。在步进起动时，采用加速过程，在即将到达期望值时，采用减速过程，使得步进电机能不失步的稳定运行。在软件设计中，对控制装置采用了软件保护措施，如当步进电机处于运动状态和输入值超过系统的最大值时，所输入的数据命令是无效的。

2.2 系统硬件电路的基本组成。控制系统采用作为主控单元，通过与的串口通讯，实现对步进电机的远程控制。控制系统的硬件电路总体结构，包括转换电路、单片机系统、单片机系统、操作显示面板等。

2.3 系统硬件电路的设计原则。在进行硬件的总体方案设计时，所涉及的具体电路可借鉴他人在这方面工作，有些电路还需自己设计。在参考别人的电路时，需对其工作原理有较彻底的分析和理解，了解其适用范围，确定其移植的可能性和需要修改的地方。为使硬件设计尽可能合理系统的设计，应注意以下几点：尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵巧性。在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。注意选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需要大批量生产的场合，更应注意这方面的问题。在对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意通用性的问题。系统的扩展及各功能模块的设计，在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余地以备将来修改、扩展之余，设计时尽可能地作些调研采用最新的技术。在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力，要注意增加系统的驱动能力，或减少系统的功耗。在工艺设计时，包括机箱、面板、配线、接插件等，要充分考虑到安装、调试、维修的方便。

2.4 控制系统软件的总体结构。软件程序一般都是由一个主程序，包括若干个功能模块和多个子程序构成，每一程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的功能。软件设计的目的，就是为了实现控制系统的各种功能。在满足基本功能要求的前提下，采用各种有效方式，使操作灵活、简便增强系统的稳定性、可靠性提高系统的抗干扰能力。就以上原则思想，本控制系统软件的总体构思如下：当由键盘或外部的—的信号输入单片机时，由其计算出步进电机所要走的步数，程序转入串行通讯子程序单片机，将电机所要走的步数传送给单片机，从而完成数据的输入和对电机控制功能的实现。

本系统将泵流量控制，转换为对步进电机的控制，通过对流量进行一定的运算，可得出相应的步进电机脉冲数。当流量变化时，步进电机的脉冲数，为此时步进电机的步距角被细分为度。这种控制方式是相对的控制系统从上一次的基础上运行，将当前的数据与上一次的数据相减，经过计算转换得出向步进电机所发的脉冲数和方向。方向是由所减结果的“正”、“负”来判断，结果为“正”则反转，结果为“负”则正转。接近开关信号是形轴的零位标志。单片机上电初始化电机正转到达零位时，接近开关发出信号触发的外部中断，进入外部中断程序，使电机停转。为增强本控制系统的可靠性和抗干扰能力，在软件设计时采取了一些措施。系统软件中设定了许多标志位，例如，有电机是否处于工作状态的标志单元、电机正反转的标志单元，以及程序内部需要的各种标志单元等。程序运行时，通过对标志位的查询和修改，从而进行对控制系统运行状态的监控管理。

总之，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。通过对计量泵的机电一体化实行研制开发，可改善计量泵的工作环境，实现自动控制，提高计量泵的工作效率。

参考文献

[1] 陈焕林；计量泵机电一体化控制系统设计[J].中国科技博览.2009年第6期

[2] 龚姚腾，肖顺根，宋萌萌；机电液一体化的流量控制系统建模与仿真[J].机床与液压. 2008年11期

[3] 芮延年；机电一体化系统设计[M].北京机械工业出版社.2004年

[4] 梁俊彦，李玉翔；机电一体化技术的发展及应用[J].科技资讯，2007年第9期

机电系统设计范文第4篇

关键词：机电设备 内容 设计 管理应用

高速公路机电设备信息管理系统是发挥道路设施控制与管理功能的主要辅助系统，是对高速公路机电设备实施现代化管埋(实时和数据管理)的主要工具。机电设备信息管理系统是包含多个子系统，以电子、电气、控制、通信、机械和交通工程等技术为基础的综合性大系统，它由控制、收费、通信、照明、供配电和安全运行保障等子系统组成。子系统内部和各子系统间由通信网联系，其中，机电设备信息管理系统为计算机控制系统，通过光缆数字通信连结成远程计算机网络，各网络间信息共享。

一、机电设备处理内容

1. 处理

设备的滑动、转动部分要根据设备的工作需求上油，如：打印机打印头的滑动轴，要上轻质油，用干净的纱布涂擦，且油不可过多，以免造成污染。设备机械转动轴有打油孔的要上油，室外手动栏杆和自动栏杆的转轴要上脂。

2. 防水处理

设备的电路部分，要经常检查有无进水的可能性。收费亭是否进水，外场设备的防水橡皮垫是否完整，空调温度是否设置适宜。如果湿度大，开启频繁的房间（如收费亭），温度太低导致设备内部产生凝结水，水是导体，会导致设备工作不正常，甚至烧毁设备。如发现进水或线路板潮湿，立即停机断电，并及时用热吹风筒除去潮气后，方可再次投入运行；温度太高对设备也不利。防水重点是收费亭，收费亭内安装的设备较多，一定要保证运行正常，运行的数据都保存在工控机内。造成收费亭漏水的原因主要有：收费亭设计不合理，亭上有积水，排水不畅通；安装在亭顶的空调的冷凝水排路不畅通，造成亭顶积水；安装在亭顶的空调固定设计不合理，直接打孔用膨胀螺栓固定，打孔造成防水层的破坏，造成漏水；在亭顶安装报警器，钻孔走线，防水处理不好，造成漏水，以上所涉及的几个工艺环节，要经常检查，以免因漏水造成设备的损坏。

3. 经常检查降温风扇运转是否正常

降温风扇主要位置有：工控机、计算机、UPS、稳压器、硬盘、录像机等，如工控机经常死机，需检查CPU的降温风扇转动是否正常，如果发现不正常，应立即停机修理。要经常检查并保证设备的散热风扇工作正常，如散热风扇停转，必须立即处理。

4. 防锈处理

外场设备由于雨淋日晒易被氧化生锈，要定期进行防锈处理。如：手动栏杆的转轴、设备的地脚固定螺栓、设备与固定装置的连接螺栓等要涂抹防锈油。锈蚀不但会对设备造成损坏，而且会带来安全隐患，特别是沿海地区的高速公路，铁质金属被腐蚀严重，采取必要措施防锈，常见的问题是：金属件防锈镀锌层薄，造成锈蚀，更换符合防锈要求的金属件；检查收费雨棚车道照明灯及雨棚信号灯紧固件及安装螺栓是否锈蚀严重，如已失去功能，需更换以免掉下来造成人身损伤。

5. 电源系统供电

首先检查电源供给是否正常，对于用集成电路组成的板路，检查电压是否正常，要从集成块上测量，逐步向电源模块，检查电源模块输入/输输出状态。对于由于电阻烧毁、电容击穿再次更换时，电阻要提出电压，而后检查信号的输入/输出状态，对于由于电阻烧毁、电容击穿再次更换时，电阻要提高功率，电容要提高耐压程度。

二、系统设计

???? 1、系统体系结构设计

???? 因为高速公路的业务数据的安全性很重要，不能与外网相联，所以网络结构采用局域网，而高速公路公路收费站又相距很远，远到几十公里，所以体系机构采用C／S与B／S混合软件体系结构。c／s体系结构的系统扩展能力很强，安全性好，在系统效率和响应速度上，优势显著，在本系统中，在c／s模式下，高速公路机电设备管理中心的管理员在局域网内通过系统维护工作站进行主要的业务操作，包括设备出、入库的登记，设备查询，系统管理等功能。

???? B／S结构特别适合客户端分布范围广，?对维护要求低的场合。在B／S模式下，高速公路下属的各收费站将本站的设备故障情况上报设备管理中心，各收费站可以在线查看本站设备的故障维修历史，故障率等信息。另外，各站机电系统管理员还可以在线交流设备故障的维修技巧等。相当于高速公路系统内部的BBS.整个系统运行在局域网内，设备管理中心用户主要指管理人员，在C／S模式下通过局域网直接访问数据库服务器，

???? 进行日常业务的操作，系统维护。其他各收费站用户在B／S模式下访问数据库服务器，无需安装客户端，即可随时上报设备故障信息，查看本站设备故障历史，还可通过服务器内的维修历史数据库中查找与之相关的维修技巧，并可通过BBS与其他各站系统管理员在线交流设备维修技术。该解决方案-}BB／S和C／S这两种软件体系结构进行了有机地结合，扬长避短，有效地发挥了各自的优势。

2、系统的功能设计

???? 机电设备管理系统是一套完全为设备管理人员设计的把设备管理由被动管理转为主动管理的系统，此系统的使用将极大地提高设备管理部门的工作效率，使设备管理人员从繁重的手工劳动当中解脱出来，实现设备管理整个生命周期的信息化。并且在与各使用单位内部网络配合的基础上实现无纸化办公。

设备生命流程包括制定计划、签署合同、购买设备、库房管理、申请／审批、领借用设备、维修设备、设备报废、捐赠和调拨等。

三、系统结构和模块功能

1. 控制中心计算机系统

包括主计算机、交通信息计算机、彩色图形显示计算机等。整个系统通过快速以太网将各个计算机联成网络，各计算机与外场设备的连接方式为分布式控制系统，并利用光环路载波系统进行数据信息的通信传输。这种局域网及其通信方式的优点是：通信灵活方便，网络结构简单、传输速率高、可靠性强、实时性好，可消除通信中的"瓶颈"现象。计算机系统的使用主要是使用其安装的应用软件控制、浏览数据以及图像等信息。

2. 控制中心软件系统

控制中心软件系统为高速公路控制核心处理系统，其功能包括：系统配置模块、信息查询与报表打印模块、信息等模块。具体构成各模块的功能为：

（1）系统配置模块程序包括：用户管理、系统管理、设备信息、数据管理。

（2）信息查询与报表打印包括：系统结构与配置信息查询处理；设备基本信息查询处理；

（3）设备运行状态查询处理；设备报警信息查询处理；各外场设备检测信息查询；用户信息查询；人工输入事件查询处理；操作员操作日志报表查询。

（4）信息模块包括：可变情报板信息的采集和信息编辑。

3. 系统运行应用

（1）信息采集

需要采集的信息按性质可分为：数据、图像、语音三种类型。从信息反应的功能归属为环境干扰、设备状态金额故障部位三大类。信息采集方法由信息的特点决定。数据信息需要通过各种传感器将电量转换成电量再输出。

（2）信息处理

要取得良好的信息系统管理效果，必须对机电设备状态有一个比较全面的了解，但是机电设备的某些状态无法直接测出，只能凭借已测出的参数去估计、判断，状况的出现与否、事件性质和严重程度都无法直接测出，只能根据已测出的各种变量，采取一定的数学分析方法去识别、判断。

（3）控制策略

机电系统设计范文第5篇

关键词：模块化；传感器；实时监控；双级保护

EBZ260掘进机适用于煤矿井下半煤岩或全岩巷道的掘进工作，也可在铁路、公路、水利工程隧道施工中使用，属于机电液一体化设备，其中电控系统的技术水平决定掘进机的智能化程度。

EBZ260掘进机的电控系统主要是由电控箱和操作箱两部分组成，它们和截割电机、油泵电机、二运电滚筒、电铃外部元器件共同构成了掘进机的电气系统。

1 总体要求

电控系统要求能够控制执行元件的启动停止和电磁阀的开关，通过各种传感器检测部分执行元件的运行状态，并提供相应的保护功能。该系统应具有程序化、模块化、可靠性高、抗震动、抗干扰等特点，能够显示系统工作电压、各电机运行状态和工作时间等内容，使掘进机操作者对机器工作情况一目了然。

2 控制对象分析及主回路设计

电控系统的控制对象主要包括与电气相关的执行元件和液压系统中的电磁阀，主要有截割电机、油泵电机、二运电滚筒等，技术参数如表1所示。

由上表可得出系统的供电电压为1140V。总电流最大约为282A，选用额定电流为400A隔离开关即可满足要求。

截割电机内部有两套独立的线圈，对应两种不同的转速和功率，需要两个真空交流接触器来控制它的动作，可选用SIEMENS的3RT10.6系列接触器，同样控制油泵电机和二运电滚筒的接触器也选用该系列。

以上各电动机在启动和停止瞬间会产生较大的自感电动势，为防止损坏其他电气元件，每个电动机的主回路中还需要增加阻容吸收装置。

隔爆电铃、照明灯和电磁阀等元件的工作电压等级不同，可通过变压器和本安电源获得，输入电压为1140V AC，输出电压等级至少需要包含24V、127V、220V。综上所述，可设计出主回路图纸，如图1所示。

3 控制回路设计

控制回路以松下FPG-C32T型PLC为核心控制单元，具有体积小、速度快、可靠性高、扩展能力强等特点，输入端最多可以扩展至24路模拟量。PLC接受外部传感器和按钮开关的输入信号，通过内部程序处理，使中间继电器动作，控制交流接触器的吸合或断开。

3.1 操作按钮

根据控制要求每个电动机需要启动和停止两个按钮，急停、电铃和PLC复位各自需要一个按钮，屏幕参数设置需要四个按钮，本系统中选用瑞士eao按钮，防护等级高达IP68，安装方便，可靠性极高。设计完成后操作面板如图2所示。

（下转第162页）

（上接第158页）

3.2 传感器

在掘进机控制系统中，需要对某些元件的参数进行检测，并将信号传送给PLC，由PLC根据这些信号判断系统运行是否正常，并作出相应动作。

3.2.1 温度变送器

电机在运行过程中会产生热量，导致温度升高，温度过高时将会导致密封损坏，轴承的滚动体和内外圈的硬度下降，整个电机寿命缩短。油箱中的液压油是整个液压系统的工作介质，油温过高将造成液压元件的密封性能下降，因此需要监测电机绕组和液压油的温度。

截割电机和油泵电机内部都预埋了PTC和PT100。 PTC为继电器形式，开关量输出，但PT100为电阻信号，PLC无法直接处理，需要用隔离栅将其转化为4-20mA的电流信号，然后传入到PLC中。此处选用STWB-TR4型温度变送器，不仅提高抗干扰能力，而且能够同时转换4路电阻信号。

油箱中选用GWP200Z型温度变送器，该变送器为不锈钢材质，前部带有探头，可插入到液压油中测定温度值，测量范围为0-200℃，输出形式为4-20mA的电流信号。在主程序中对油温的监测也采用了双级保护，即当液压油温度升至70℃和90℃时，系统会报警或停机，温度恢复正常值前报警会持续。

3.2.2 液位控制器

液压系统工作过程中会有油液损失，油箱液位过低可能导致液压系统中的组合变量泵吸空，空气进入到液压管路中在巨大的压力作用下造成气蚀，对液压元件损害极大。选用YKJD系列液位继电器对页面高度进行监测，当液面高度低于设定值时，系统发出报警，提醒工作人员油箱液位低，加油至规定值后可重新开机。

3.2.3 压力传感器

液压系统额定工作压力为25MPa，当压力过低时马达或油缸动作无力，压力过高时会对液压胶管和其他元件造成破坏。在泵的出油口处安装了GPD60（B）隔爆型压力变送器，测量范围为0-60MPa，输出信号为4-20mA，PLC检测到压力异常时会发出声光报警。

3.2.4 压力控制器

外喷雾工作压力不小于1.5MPa，当水压过低时将影响喷雾降尘效果。在外喷雾管路中增加GPD10K隔爆型压力控制器，可在1-10MPa范围内任意设定一个压力值，当压力过低时继电器触电动作，将信号传入PLC中，系统发出水压过低的报警信号，可以实现水电闭锁、压力切断等保护功能[1]。

4 主控器

主控器是整个电控系统中最重要的部分，本设计中将PLC、本安电源、继电器板和光耦板集成到一个不锈钢箱体内，作为主控箱。所有控制线从主控箱前侧的接线端子中引出，实现了主控器的模块化设计，如果使用过程中某个元件出现问题，直接更换主控箱即可。

5 结语

本套电控系统具有操作简单，维护方便可靠性高的特点，经实践证明能够满足EBZ260掘进机的所有动作要求，并具备全面的保护功能，提高了掘进机的智能化水平。

参考文献：