時間:2024-01-30 15:25:19
序論:好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程,我們為您推薦十篇機電一體化與自動化范例,希望它們能助您一臂之力,提升您的閱讀品質,帶來更深刻的閱讀感受。
1 研究意義
電力體制深化改革,電力企業的市場化進程不斷推進,電網公司從過去的“電老虎”轉型成為一個新型的服務性企業,更加注重向客戶提供優質的電能和服務。因此,電網公司必須采取現代化科技手段,抓好內部管理,塑造良好的企業形象“’。
電能計量是電網公司與用電客戶進行電費結算的依據,用電負荷是電網調度必須掌握的關鍵指標,因此倍受關注。近年來,各地電網公司不斷投入資金建設地網遙測系統、大客戶負荷管理系統、配變監測系統和低壓集抄系統等各類電能計量管理系統。但由于缺乏科學的規劃,采集數據分散在各類系統中,這些系統相互獨立,整合應用程度差,所產生的效益遠遠未能達到電網公司的期望。基于一體化平臺的電能計量自動化系統能徹底打破數據采集分散、孤立的局面,通過統一、直觀、圖形化的界面,實現從變電站關口表到低壓用戶表計數據的自動采集、監測、分析、管理和考核,提高電,網企業用電管理的自動化水平,強化電力需求側管理。
2 系統結構
從目前的技術水平和各類計量自動化系統的結構設計看,要實現各類計量子系統一體化,關鍵在于實現主站設備的共享,主站平臺的統一,應用工作站軟件功能的擴充和編制統一的編碼規則。
對于電網規模較大,計量點眾多,數據量很大的供電局,各子系統的數據庫可采用不同的數據庫服務實例分布式部署。各子系統建立自己的電網結構,子系統的對象統一編碼之后通過統一接口傳送到綜合應用數據庫,綜合應用系統根據統一編碼還原總電網結構。通過消息總線同步各系統檔案變更。各子系統處理自己的業務,綜合應用處理線損、需求側管理等綜合應用。
對于電網規模較小,數據量不大的供電局,綜合應用數據庫和各子系統的數據庫可以合為一個數據庫,在統一數據庫直接建立電網結構對象,根據子系統的特征過濾出各子系統的電網結構,各子系統的業務根據對應的電網結構來展現組織。同時對電網對象進行統一編碼實現對其他系統的接口。上層綜合應用根據編碼訪問對應子系統的接口服務,周期性抽取相關變化數據,實現數據的單向同步。應用工作站方面,以WEB形式展現,通過角色映射的方式實現單點登錄。
基于一體化平臺的電能計量自動化系統拓撲結構見圖1。
2.1 硬件結構
(1)前置機服務器:支持對不同設備和終端,不同通訊方式,不同通訊規約的良好兼容。可以根據系統規模配置前置機服務器組,實現負荷均衡。
(2)數據庫服務器:作為數據存儲和處理的核心載體。采用一體化設計后,由于采集的數據量大,數據庫管理采用大型商用數據庫軟件作為支撐,充分應用數據庫集群、數據倉庫技術來保障數據庫性能。
(3)光纖通道磁盤陣列:提供高速I/O和大容量磁盤管理,為大規模數據存儲提供了基礎。加快了數據傳輸的速度;提供了更大的靈活性;減少了網絡的復雜性,緩解了傳輸瓶頸對系統的影響。
(4)磁帶庫:提供高效的數據備份,支持遠程備份和異地容災。
(5)中間件服務器:采用消息隊列來實現消息服務總線,連接各個構件和模塊進行協同工作,使系統能達到比較好的模塊化結構,提升整個系統的擴展能力。
(6)應用服務器:完成任務調度服務、數據交換服務、后臺計算服務、報警服務、報表服務等,需要24h不間斷運行的后臺服務,是系統穩定運行的核心。采用多臺集群的方式均衡響應前端的應用請求。
(7)Web服務器:提供各種高級應用功能,主要用于采集終端命令和計劃任務的下達,以及系統運行情況的監測和采集數據的加工處理。
(8)隔離器:實現系統和較低安全級別區域的安全保護。
2.2 軟件設計
基于一體化平臺的計量自動化系統主要包括現場數據前置采集處理層、數據交換及處理層、業務處理和綜合應用層。通過消息總線進行數據交換和協同工作。
2.2.1 采集處理層
(1)統一的輸入、輸出模塊。能夠實現對不同通訊方式和廠家終端的開放性。
(2)統一的通訊規約庫和數據字典。實現對不同廠家采集裝置,不同通訊規約的兼容。同時支持與終端數據的壓縮、加密傳輸。可以通過增加規約庫的方式進行無縫擴展。
(3)統一的遠程診斷和升級模塊。提供接口可以實現與不同廠家裝置或終端的遠方故障檢測和在線升級。
(4)統一的采集任務調度和負荷均衡。各數據前置采集服務器統一管理,按照設定的任務自動采集數據,實現負載均衡和互為備用。
(5)底層數據流收發監測和通訊工況統計。為終端和通道的故障檢測提供支持。可以回溯歷史報文。
(6)通訊資源控制,實現了對不同通訊方式的兼容,達到不同通訊方式互為備用的目的。
2.2.2 數據交換處理層
(1)基礎數據存儲。根據規模和硬件配置采用集中式數據庫或分布式數據庫。用于響應數據采集層的大量頻繁的OLTP請求,并對原始計量數據做分類存儲。
(2)業務數據集中存儲,用于將所有子系統的數據形成一個準實時的集中存儲,為前端的業務應用和展現層提供一個統一的全局數據視圖和高效的海量數據查詢分析引擎,從而消除信息孤島,提供快速、全面、準確的決策和管理依據。
(3)任務調度實現對數據交換任務、計算任務、采集任務以及其他接口任務的驅動、調度、監控和管理。
(4)后臺計算服務提供了數據的集中處理,通過消息池和計算途徑的管理,快速有效地實現了原始數據的加工和處理。
(5)報警服務收集系統產生的各類報警事件,根據設定的規則,采用不同的方式通知相關處理人員。
(6)報表服務定時生成各種已制定的報表,按指定途徑,并支持輸出到網絡打印機。
(7)數據交換服務實現各業務數據和綜合應用數據之間的交換,采用WebService服務進行數據和參數的交換,對象采用全局統一編碼作為唯一標識。
(8)計量自動化系統與其它系統接口和互聯。
2.2.3 業務處理層
整個系統的人機交互主要采用B/S架構,提供基于Web方式的業務應用與展現平臺,各種應用和管理通過該平臺實現。
3 系統功能
過去建設的負荷管理系統、變電站遙測系統、配變監測系統和低壓集抄系統由于缺乏科學的規劃,采集數據分散,整合應用程度差,且維護工作量大。基于一體化平臺的電能計量自動化系統在結構上決定了它能夠打 破數據采集分散的局面。它所具有的
“四分”線損管理功能,是過去任何一種覆蓋對象不全面的計量系統無法實現的。
3.1 基本業務功能
(1)數據自動采集與處理:按一定的時間間隔周期性地和遠方終端通信,采集遙測量數據和電能量數據。
(2)旁路代供處理功能:支持因電網運行方式的變化引起的旁路表計計量電量的處理功能。
(3)用電監測及故障報警:對配變數據、有異常的用電情況和系統或表計故障進行實時監測,自動報警,實現防竊電管理,及時掌握運行情況和故障。
(4)負荷控制功能:在電力供需矛盾突出的情況下發揮重要作用,使得“限電到戶”和“限電不拉路”成為可能,為需求側管理提供自動化技術支持。
(5)遠程預付費功能:通過與營銷系統的互聯,改變以往電費營業管理中“先使用后付費”的狀況,避免電費回收困難的局面。
3.2 系統管理功能
(1)參數管理;
(2)系統資源管理;
(3)對象拓撲關系管理;
(4)用戶/用戶組管理;
(5)任務調度管理;
(6)值班日志管理;
(7)報表服務和管理;
(8)報警服務和管理;
(9)通訊監測和流量統計;
(10)基礎數據查詢和分析。
3.3 綜合應用功能
3.3.1 “四分”線損管理
(1)統計范圍
①按地區供電局、下屬供電公司、供電所等區域進行分區統計;
②按220kV、110kV、35kV、10kV等不同電壓等級進行分別統計;
④按各電壓等級母線、聯絡線、10kV配電線路進行分線統計;
④按各10kV配電變壓器、380/220V公用臺區進行分臺區統計。
(2)分析方式
①線損明細:分析線損對象各個組成部分,輸入、輸出的明細查詢,支持層次挖掘。
②趨勢分析:按年、季、月、周、日等不同層次對線損對象進行統計分析,分析線損時間趨勢的特性;支持不同時間段比較分析;支持不同對象比較分析。
③區域分布:按全網、子網、區局、廠站、線路、母線、臺區等不同層次分析線損組成的分布特點。
④理論線損對比:支持線損預警曲線的定義,支持理論線損和實際線損對比分析,超閥值進行自動報警。
⑤各種生產線損報表:支持表格、曲線、棒圖、餅圖等多種輸出方式。
3.3.2 需求側管理
(1)錯峰管理:實時監測錯峰執行情況,對錯峰執行率進行考核提供依據。
(2)用電情況自助查詢:讓大客戶能夠通過外網進入系統了解企業的用電情況,提供節能降耗的建議,指導用電大客戶合理安排用電時間,有效錯峰、避峰,降低電費成本,提高生產利潤。
(3)大客戶互動:向大客戶提供互動平臺,聽取大客戶的合理化建議,客戶經理及時回復大客戶的疑難問題,通過互動更多更快地了解客戶的需求。
4 效益分析
4.1 利用系統監控,有效錯峰調度
計量自動化系統大大改進了供電局錯峰用電管理工作,使錯峰管理模式由原來成效低、吃力不討好的人盯戶戰術,改變為利用系統實時監控、電話警告和有的放矢地遠程拉閘的高效工作模式。由于數據的整合,利用計量自動化系統監控進行錯峰用電管理不僅能針對專用大客戶,也能面向工業園區的公用變,甚至是低壓的工商業客戶,使錯峰用電管理工作更加全面、更加到位。
4.2 遠程自動抄表,提高工作質量
利用計量自動化系統進行遠程抄表,大大解放抄表勞動力,改善了抄表員的工作環境,由于外出抄表的工作量減小,因此提高了工作的安全系數。同時杜絕人為抄表錯誤或估抄現象,保證了數據的系統性、嚴肅性,通過數據整合,抄表員只需在一個界面上操作就可以將計量自動化系統覆蓋的用戶抄表行度進行審核并導入營銷系統,提高了抄、核、收工作水平和工作質量。在計量自動化系統的覆蓋面日漸擴大的同時,人工抄表的范圍也在不斷的縮小,所需的抄表員人數也相應減小,同時外出所需的車輛使用、維護費用也減小,因此有效地節省抄表成本,為供電局的運營節約開支。
4.3 負荷實時監測,掌握運行情況
有了計量自動化系統,技術人員可以通過實時監測負荷的變化情況,及時發現偷漏電客戶并能有效現場查處,解決了以往偷電客戶與供電局玩“捉迷藏”的問題,保障了供電局的利益。另外,通過負荷監測情況,能夠為變壓器過負荷改造提供實際運行數據,使改造資金真正用到實處。
4.4 計量故障報警,及時發現處理
通過系統自動報警,能夠及時發現計量故障情況,使運維人員能夠盡快排除計量故障,恢復正常計量。同時,由于系統根據不同類型客戶記錄了間隔最長一天一次的抄表數據,能夠為計量故障發生后進行電費追補工作提供有效的依據,客戶也比較容易接受。減輕了由于計量故障所產生的電費追補工作的難度。
4.5 “四分”線損統計,提高管理水平
基于一體化平臺的計量自動化系統,整合了從變壓站關口表到低壓用戶表計的數據,能夠真正實現“四分”線損管理,這是過去的遙測系統、負控系統、配變系統和集抄系統無法獨立完成的,也是計量自動化系統最有價值的功能之一。通過計量自動化系統進行“四分”線損管理,減輕了管理人員大量的統計工作,避免了計算錯誤所帶來的假象。管理人員能夠清晰地看到線損高的線路、區域、臺區,全面了解電網運行的線損情況。還能夠通過運行數據分析線損高的原因,有的放矢地投放改造資金。并且能夠通過相關數據的分析,制定最切合實際的線損目標,大大提高了供電局的自動化管理水平。
4.6 系統技術支持。實現優質服務
計量自動化系統在實現對大客戶用電情況監測的同時,采集的數據也為大客戶用電情況進行分析和優化提供了數據基礎。大客戶通過外網登陸,可以查詢負荷曲線、電量柱狀圖、電費數據等,并通過模擬改變用電情況,顯示電量電費結果,為大客戶提供詳細的用電情況分析和優化用電建議,引導客戶合理安排生產,達到節電節能、降低成本的目的。并通過互動窗口,使供電局及時了解大客戶需求,更好地實現優質服務。
中圖分類號:U665文獻標識碼: A
一、電力調動自動化系統的發展及現狀
隨著科技的進步,我國的電力調度自動化系統也充分的利用了先進的科學技術,實現了遙測、遙信、遙調、遙控、遙視的五大功能。隨著電力調度自動化系統的不斷完善和發展,在電網中,采取電網存取數據的越來越多,電力調度自動化系統正向智能化發展,面對我國幅員遼闊的現狀,電網的覆蓋面積也相當的大,電網的規模也由此很大,所以,面對如此巨大的電力調度系統,必須采取一個有效的控制方法,才能保證電力調度自動化系統正常的運行。
二 電力調度自動化的內容
電力調度自動化系統是由調度總站、通信設備和廠站端三個部分組成的,廠站端又可以分為電廠綜合自動化系統和變電站綜合自動化系統。從另一方面來說,電力調度自動化系統又是最核心、最主要的調度總站系統。它的任務是保證電網安全可靠地運行,保障電力能量的質量,進而保證電網經濟穩定運行。
三、電力調度自動化系統的框架
現在的電力調度自動化系統大多使用的是客戶服務器分布式的體系架構。它的特點:提供系統開發運行一體化的運行環境;提供分布式系統的運行接口,擴大運行系統的范圍;按照需求自動分配功能任務;多樣化的功能任務;多元性和選擇性的系統配置;統一透明的操作系統平臺;配置的靈活性,保證電力調度自動化系統的可伸縮性;開發接口統一提供,支持二次開發和跨系統平臺,縮短系統的開發進度。
四、電力調度自動化系統存在問題探究
(一)自動化平臺存在著差異
我國當前的電力自動化的系統平臺存在著差異,我們在進行電力調度的時候,所建立起來的調度平臺主要是基于計算機的平臺之上。有很多的用戶為了整個電力系統的可靠性,實現其穩定以及高效,我們采用RISC的結構進行電力的調度,但是有時我們為了整個方便需要運用CISC的架構。我們在進行電力調度的自動化系統設計的時候要考慮到計算機操作系統中的問題,實現對計算機系統的擴容和升級以及更換。
(二)電網模型的多變問題探究
在電網的電力調度系統中,不斷增加變電站或對變電站進行改造,在構建整個自動化的系統中,我們需要對整個電力調度系統進行建模和數據處理,這些將會造成整個調度系統的維護性容易出錯,所以為了整個電力調度系統的安全問題以及經濟性,我們要對電網模型的多變問題進行探究。電力調度是進行電網監視功能,實現其系統的自動化,就需要對電網的模型進行改造以及補充,我們在開始建立整個模型的時候,首先要完成單元的畫圖,并且在數據庫中進行記錄,將單元間進行連接,以及圖形設備和數據庫的關聯。在整個電力調度系統中,對于變電站的擴容,在擴容的過程中要對整個自動化的系統進行一次性的繪圖、建模等,其工作量非常大,需要進行電網的監控,所以我們在整個自動化系統的日常維護的時候,要解決安全的隱患就要實現監控。
(三)電力調度集中控制功能的高要求
對于電力系統的調整過程在要對集中控制功能提供非常高的要求,我們要在電網系統中實現電力調度的調整要滿足整個數據庫和電網模擬的一致性,由于當前的電力調度系統的所有功能的實現,都是在各自獨立的基礎之上的,在電力調度的自動化系統中,實現數據庫和電力調度的一致性是不可能的。由于其電力調度的模型存在著多變性,所以我們在對電力調度的系統的控制功能的要求要不斷的提高。
五、一體化技術在電力調度系統中的應用
(一)平臺的一體化
電力調度的平臺是建立在計算機平臺上的,所以,由于計算機操作系統上存在很多的選擇,所以,電力調度也存在很多的選擇,并且攢在很多的差異,數據平臺存在于電力調度系統的平臺中,在眾多的系統中,不同的系統有不同的特點,根據不同的要求我們選擇不同的系統,這對于我們平臺的一體化是非常不利的,為了實現平臺的一體化,我們通過中間件耦合的方式來實現信息的交換,采用最多的中間件是OMG和CORBA的中間的對象,這些中間件能夠很好的解決跨平臺的問題,能夠起到良好的通信能力,并且對信息具有很大的可擴展性,對于降低硬件和操作系統的差異性,我們要采用一個標準的數據接口來滿足電力調度的系統平臺的要求,從而實現電力調度自動化系統的平臺一體化。
(二)電力調度圖模的一體化
隨著我國電網的不斷改革和進步,電網在我國的規模不斷加大,覆蓋面積逐漸推廣,這就要求我們對電網的電力調度有很好的數據控制系統和網絡模型庫的系統,以便更好地控制和管理電力調度,在電力調度系統中,建立一個比較常用的圖庫模型可以效地提高電力調度系統的工作效率。在整個電力調度系統中,通過圖庫模型系統的一體化功能實現模型的建立,從而為電力調度的一體化提供有效的支持,建立圖庫模型的一體化是電力調動自動化中實現電力調動一體化的前提條件。下圖是圖庫模型一體化的模式圖:
(三)電力調度自動化的功能的一體化
在二十一世紀經濟高速發展的中國,電力調度得到了很大的發展,我們要實現電力調度的一體化和功能的發展,就必須達到對數據庫和圖形以及其他資源的共享,才能真正的實現電力調度自動化的功能的一體化,實現功能一體化需要一些中間件的參與,我們可以通過安裝節點機等,靈活的配置在整個電網中的應用模塊,而中間件是整個電力調度系統中應用模塊的前提基礎,從而實現功能的一體化。
(四)電力調度自動化系統中的接口一體化
對于各平臺的差異,我們要實現一體化可以采用標準的數據接口,以便實現資源的共享和信息的傳送,在電力調度系統中,電力系統都是通過接口進行對數據的訪問和資源服務的查詢的,所以為了更好地為電力系統各平臺提供讀訪服務,通過訪問的過程中,對接口服務進行篩選并記錄,通過技術的層面得出偏離報告,并通過糾正和實驗報告和采購的方法提供可靠的報告,并且利用保證歸檔技術確保在電力調度自動化系統中的信息的安全性,保證系統的穩定性和正確性。
(五)電網能量管理及調度員培訓仿真一體化
隨著電力系統的發展和電網商業化運營的深入開展,對電力系統的運行進行調度和控制變得越來越復雜。為提高電網安全、穩定、優質和經濟運行水平,能量管理系統(EMS)和調度員培訓仿真系統(DTS)作為電網調度中心中兩套重要的計算機自動化系統,已經在實際的電力系統中得到了廣泛的推廣應用。其中,EMS系統主要用于電網監控和調度輔助決策,可以使電網調度由經驗型上升至科學的分析型。而DTS則主要用于調度員培訓、運行方式研究和反事故演習等。
由于歷史原因,國內以往的EMS系統和DTS系統是兩個科研課題,分別獨立進行研制開發。用戶使用時,需要掌握和維護兩套系統,人機界面風格不一致,分析計算結果不盡相同,不同數據庫之間通過數據接口相聯,使用維護十分不便,嚴重影響了系統的實用性。近年來,隨著EMS和DTS系統應用的普及,人們逐漸認識到兩者應是一體化的,迫切需要研制出電網能量管理及調度員培訓仿真一體化系統,該系統集EMS和DTS應用于一體,不但數據庫和圖形一體化,而且計算程序一體化,無冗余,實現了真正的一體化設計和一體化編程,用戶只需維護一套系統,所有應用就可以正常進行。
結束語
為了更好地適應我國經濟發展及社會進步對電力供應的需求量,我國中央政府及地方政府越來越關注電力系統的建立與完善問題,并就電力系統基礎設施建設提供了更多的技術支持及資金支持,從而為電力系統輸電、發電、配電等環節的優化及改革提供了可能,也為一體化技術在我國電力調度系統中的廣泛應用提供了前提條件。
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.151
0 前言
機電控制系統是制造業,特別是機械制造業順利完成相關項目的重要基礎和保障,而制造業的不斷發展對機電控制系統的結構、性能和作業精度等提出了更高的要求,傳統的機電控制系統已難以滿足產業進一步發展的需求。在此背景下,如何在了解機電控制與自動控制系統內涵的基礎上,加強對機電一體化產品的設計,已成為當前制造領域及有關專業人員需要著重開展的關鍵工作。
1 機電控制與自動控制系統概述
1.1 機電控制系統
機電控制系統是指,在無人參與的情況下,借助相關控制設備將設備機器按照事先預定的生產流程進行自動化設計,并采用全方位控制系統連接控制器與控制對象,從而完成規定的控制目標的系統。機電控制系統的核心,即控制,從技術角度來看,機電控制系統是通過借助傳感檢測、自動控制、伺服傳動以及集電極、微電子等相關技術來達到對設備遠程操控目的的綜合性技術系統。從控制形式來看,機電控制系統主要以遠程控制為主,即管理人員在異地或遠程也能夠借助計算機網絡實現對相關機械設備的控制[1]。但需要說明的是,在遠程控制過程中,若相關人員需要對系統的每個運行步驟進行控制,并在必要時實現隨時干預,此時,機電控制系統的控制形式即為保持型遠程控制,保持型遠程控制更有利于實現設備的實施、精確控制。
1.2 自動控制系統
自動控制系統,即在控制器的控制下,使被控對象按照事先預定的原理實現自動規律性運行的系統。以控制內容為依據,可將自動控制系統劃分為速度控制系統、高精度控制系統以及自診斷控制系統和自適應控制系統等。自動控制系統的核心技術主要體現在其自身的實用性方面,即通過協調機械和電器的各個部分從而確保其能夠順利、高效地完成預先設定的內容。
2 機電一體化設計的基本思路
現階段,我國已成為世界制造業大國,而市場經濟的不斷發展和產業結構的逐漸調整使得業內對機電一體化產品設計、交易和運用的呼聲越來越高。目前,機電一體化已成為了一門新的學科,其要求相關設計人員在對產品進行設計時,應對產品的功能、結構進行全面、系統的分析,并結合具體的分析結果設計出與理想預期相符合的機電一體化產品。從系統層面來看,應確保所設計的機電一體化系統兼具模塊化、智能化、網絡化以及微型化和人格化的特點,提高所設計系統的各項技術性能[2]。具體來說就是,通過將機械技術、自動控制技術和微電子技術等相關技術進行有機結合,并通過對各模塊單元的合理配置,使系統能夠實現所要求的各項功能。
3 機電一體化產品的設計方法
3.1 以電子線路取代機械控制機構
對傳統的機電控制系統進行分析可知,其相關控制大都是以單一機械控制結構為依托的,對于機電一體化產品的設計,可引入電子線路對此種機械控制機構予以改進,從而改善系統整體的機械運行過程,獲取預期的控制效果。具體方法如下:(1)采用可編程控制器或利用微型計算機,將電子線路與系統固有的機械控制結構有機結合;(2)引入變速機構、凸輪,使其代替系統中原有的插銷板和步進開關等傳統接觸式控制器,從而完成電子線路對機械控制接口的取代,在簡化機械結構的基礎上,提高機電一體化產品的性能與質量。
3.2 電子與機械部分的有機整合
電子與機械部分的有機整合是機電一體化產品設計的另一主要方法。對機電一體化設計進行分析可知,設計過程中最為關鍵的步驟則為打破產品傳統原有的設計模式,從而提高控制系統的控制精度和運行效率。但需要說明的是,一體化設計過程中,同產品本身相關的原理并未發生改動,而相關設計也只是為了提高產品自身的質量和性能,即實現電子技術和機械技術的有機整合,使二者成為不可分割的整體,共同完成相關控制工作。以電液比例控制系統為例,可將液壓閥同比例電磁鐵進行整合,使二者共同構成一體化比例閥,而這一整合設計的設計理念便是機電產品的一體化設計理念[3]。
3.3 相關功能模塊的整合
在對機電一體化產品進行設計時,采取相對簡單的機械構件與電子線路整合方法若不能達到預期設計效果,相關設計人員還應對系統的各個功能模塊予以整合,從而在確保各模塊功能得以順利實現的基礎上,使各模塊共同構成一體化的機電系統。例如,數控車床采用的便是各部分功能模塊相整合的設計方式。首先,應對可供車床使用的專用數控裝置以及伺服驅動裝置和其他相關機械裝置的種類、功能進行明確和劃分,并予以采購;其次,將所采購的各部分模塊裝置進行整合,最終設計出集各個功能模塊于一體的數控車床,確保其相關切削任務的順利完成。由此,各部分功能模塊通過整合既能夠確保機電一體化產品的質量,同時,又能夠節省設備生產費用,有效提高了機電一體化產品的技術經濟性。
4 結論
本文通過對機電控制系統與自動控制系統的相關概念進行闡述和分析,并結合機電一體化系統設計的基本思路,分別從以電子線路取代機械控制機構、電子與機械部分的有機整合和相關功能模塊的整合等方面對機電一體化產品的設計方法做出了系統探究。研究結果表明,通過機電一體化設計,能夠有效提高機電控制系統和自動控制系統的整合效果與控制精度,對于提高系統作業效率和促進制造產業的健康、穩定發展具有重要的作用和意義。
參考文獻:
電氣自動化專業大多課程具有很強的實踐操作性以及應用性,學生應該通過大量的練習操作提高自己的技能。對于技工院校學生而言,電氣自動化專業的技校生就業崗位大多是從基礎裝配工作做起,為此,需要在教學中注意提高學生的實際操作能力與創新精神。
一、新常態下電氣自動化專業人才培養目標
新常態下的制造業需要更多的高技能人才。為此,電氣自動化專業應該根據行業發展的新方向,確立專業職業崗位。電氣自動化專業的職業崗位定位體現在:電氣設備的組裝、運行、維修、調試以及電氣產品的開發等;機械與電氣聯合制造產品的裝配、運行、維修、調試等,比如數控機床電氣設備。
二、一體化教學模式的含義
一體化教學模式指的是理論與實踐相結合,在同一課時內,由一名或者兩名老師共同組織教學,在教學過程中,教師讓學生理論與實踐交替學習,從而使得理論與實踐有機結合起來,提高學生學習的興趣,使教學達到事半功倍的效果。
三、基于一體化教學模式下的電氣自動化專業教學改革
1.優化課程,使課程與企業生產有機結合
電氣自動化專業的特點是非常抽象,理論性強。技工院校學生系統掌握電氣自動化專業知識是非常困難的,因此,很有必要優化課程,使課程更加貼近企業生產實踐。PLC、觸摸屏、電磁閥、汽缸等都具有比較強的實踐應用性,在講授這些知識時,可以以項目為單元安排一體化教學。例如要求學生設計一個供水灌溉控制系統,學生可以將PLC、觸摸屏、傳感器、可編程控制器、馬達等設備設計成一個供水灌溉控制系統。這種一體化教學,能夠激發學生學習興趣,學生的專業能力能夠得到顯著提升,對于學生將來進入社會以及為企業生產提供需要的人才具有重要意義。
2.教師隊伍一體化
教師隊伍的一體化,要求教師更多是雙師型教師,即教師既能有效傳授理論知識,又能進行實踐指導。教師要能夠有效組織教學,比傳統教師的要求更高,要求教師能夠有效保證一體化教學的順利進行。
3.教學過程一體化
在進行一體化教學過程中,教學內容的安排非常重要。項目設計是一體化教學的基礎,項目的選擇要體現應用性,具有典型意義,否則會失去“項目”的意義與價值,項目的確立需要教師深入企業生產,與企業、行業合作辦學,共同開發課程。
教學過程一體化指的是把課堂搬到實習實訓基地中。在一體化教學中,要處理好三個層面的關系,即理論與實踐關系,建立工學結合模式;發揮教師的指導性,處理好教與學的關系;以學生為主體,發揮學生的主動性,讓學生在做中學、學中做,處理好學生學與做的關系。
四、電氣自動化專業一體化人才培養方案設計
1.崗位剖析
技工院校電氣自動化專業培養面向的崗位主要是電氣維修、自動化儀表安裝與調試等。技能證書主要是電工上崗證、維修電工、電氣工程師等。
2.培養目標
知識結構:一定的文化知識,如語文、數學、英語、歷史文化等;電路、電氣控制技術、單片機、自動化控制等專業基礎知識; AutoCAD、PLC、供配電系統維護等。
能力結構:提高學生對知識和技能的自學能力,會運用一些電工電子測試工具,會運用AutoCAD等軟件繪制簡單電氣自動化工程圖,會對簡單電氣工程系統進行設計、調試與維護。
3.考核評價一體化
建立多元化評價系統,具體方案:在每個項目完成后,由指導老師與企業人員共同評價學生完成項目的優劣,并且把項目評價結果告訴學生,該項目過程評價的分值所占的比例最大,另外發揮筆試以及平時表現作為考核評價的輔助作用。這種一體化考核評價是一種以過程操作考核為主,平時表現以及筆試為輔的考核評價體系。
4.畢業設計過程的一體化
一體化教學要求學生主動參與教學實踐過程,突出強調了學習技能,以提高綜合素質為目標。為此,在一體化教學過程中,要加強與社會各行業的聯系。技工院校應該以一體化教學思想為指導,不僅在理論教學、實踐教學中貫徹一體化教學模式,在畢業設計過程中也可以實施一體化模式,從而有效促進產學研發展。
五、小結
一體化教學模式的開展,對教師提出了更高的要求。教師在一體化教學實踐過程中,要不斷總結歸納,豐富一體化教學的內涵,探討出適應技工院校自身實際情況的一體化教學模式,從而提高技工院校教學質量,促進技工院校的發展。
電氣工程及其自動化專業是一門實踐性、應用性很強的學科,大多數專業課程都需要通過適量的實踐活動來培養學生的實際動手能力和創新能力。根據我校關于本科培養方案指導思想的要求:以培養應用型高級人才為主,加強學生的創新意識、競爭意識和適應能力的教育,注重學生的知識、能力、綜合素質的協調發展。因此,應用型本科專業在具體的實踐教學中,應把培養學生分析和解決問題能力作為構建良好的實踐教學體系的基礎和核心。
一、實踐性教學體系建設
1.實驗室建設
隨著我校順利升格為本科院校及我系電氣工程及其自動化本科專業的設置,提升電氣自動化、電力系統的實驗水平就迫在眉睫。但是眾所周知,建設電力系統的相關實驗室要求條件十分苛刻,加之所需的實驗設備造價昂貴,而我院做為近幾年剛剛升本的院校,爭取上級有限的科研經費相對較為困難,導致對實驗室建設的資金投入相對不足,實驗條件相對有限,短期內難以滿足電氣工程及其自動化的相關實驗要求。因此,這就要求我們必須廣開門路,通過其他行之有效的措施和方法,不斷滿足該專業相關的實驗要求。
在學習和借鑒外校實驗室建設和管理的基礎上,依據本校學生的基本素質和我校現有的實驗條件,我系對實驗室建設做以下改進。
(1)構建實驗平臺,滿足課程需求。通過學院的持續投資和我系教師的不懈努力,我系建立了具有層次化、綜合性的系統實驗平臺——電力系統綜合實驗室,該平臺是對“電力系統分析”、“發電廠及變電站電氣部分”、“供電技術”、“電力系統繼電保護原理”、“電力系統自動裝置”、“電力系統微機保護”及“電力系統綜合自動化技術”等主要專業課程實踐實驗環節的系統整合。在此平臺上,不僅能滿足本專業核心課程的基礎實驗和綜合實驗的要求,還能使學生自主完成相關課程設計。
(2)依托仿真技術,調動學生興趣。在課程中推廣和運用仿真實驗手段,實現仿真實驗與相關課程的有機結合。教師在講授專業課時,有選擇的向學生介紹ANSYS、PSPICE、MATLAB等仿真軟件以及應用組態王軟件,并且通過較多實例的仿真講解,使學生對該專業課有更深入的理解和應用,同時要求學生對該課程的實驗內容預先進行仿真。這樣既能提高學生的學習興趣,又能使學生對該課程有更加全面的掌握。
(3)完善互動平臺,提升教學效率。我們在現有的教學條件下,廣泛收集網絡上豐富的實驗環節資源,建立完善了相關課程的網絡實驗室。如在《電力系統繼電保護原理》教學網站上,增加了微機繼電保護等教學、實驗內容,搭建了師生互動平臺,以此彌補實驗教學時間的不足。教師的教學效率得以大大提升,也為學生更好的進行學習、實驗創造了便利條件真正實現了教師與學生的教學互動和溝通交流。
(4)建立合作關系,拓寬實驗領域。洛陽作為河南乃至全國有影響的重工業基地,本地眾多的大中型工業企業也希望通過加強與科研院所的溝通聯系來提高自己的技術水平。通過洛陽市政府的牽線搭橋,我們結合自身的學科優勢和人才資源,近年來先后與黃河同力水泥有限公司、洛陽供電公司、龍羽電氣等單位簽訂了校外實習合作單位協議,不斷加強合作交流。我校每年都選送大批學生到相關企業,在其生產實驗室內進行實踐活動:如在龍羽電氣有限公司進行的《高低壓電器》實驗,在黃河同力水泥有限公司進行的《工廠供電》實驗,在龐屯變電站進行的《變電站綜合自動化》實驗等等。這樣既解決了我們的有關實踐難題,又提高了學生的實際動手能力。
(5)引入科研項目,注重實踐培養。實踐教學將由淺入深,由基礎到綜合將教師的科研內容和科研成果、工程實際問題等引入到實驗教學中,把知識學習技能訓練、能力培養等融合在一起,增強學生的實際應用能力,提高教學效果。適時引入設置創新型實驗項目,讓學生及時了解實驗新技術的發展,注重培養學生掌握新實驗技術的能力。此外,我校還組織學生積極參加全國技術大賽,進一步鍛煉學生的綜合能力。我校在全國電子設計大賽和“挑戰杯”大賽中均取得了優異的成績。
2.實習基地建設
本專業現有兩個實習基地,分別是電工實習2和模擬變電所。
“電工實習2”實習基地分為兩個部分,學生要在兩周時間內完成電機的拆裝和控制柜的安裝實訓,該實習基地主要面向經過專業課程學習,具有一定理論基礎的大三或大四學生進行,該實習項目側重工程技術應用、重視實踐環節的鍛煉,具有較強的工程適應能力,對于提高學生的實踐動手能力、解決實際問題的能力,具有很大幫助。該實習項目至今已培訓過數千名學生,學生反映實習效果非常好。
模擬變電所主要由380V模擬10kV電壓進線,由真實的高低壓一次設備完成整個的工廠供配電以及控制過程。該變電所模擬工程氣氛濃厚,學生可以在該變電所中得到較好的工程鍛煉機會。
除了校內實習基地的進一步建設與完善,還需要繼續加強與同力水泥、洛陽供電公司、龍羽電氣等合作單位在科研、人才培養、校外實習基地等方面的合作。
3.課程設計和畢業設計建設
專業課程設計建設的重點是如何提高學生的綜合能力,而實現這一目標的前提是選擇合理的課程設計題目。但是傳統的課程設計題目大多較為單一,與具體的生產實際要求脫節較為嚴重,并且設計的標準也與工程規范相差甚遠。因此,我院在具體的課程設計中,十分注重實踐性和可操作性,要求選題與有關科研項目和相關企業緊密結合,如在工廠供電課程設計中,從企業得到第一手的詳細資料,發給學生真學真練,使學生從中汲取更多的經驗,既鍛煉了獨立思考的能力,也增強了實際操作能力。
畢業設計作為重要的實踐教學環節,關鍵是要實現課題的真實性、知識的綜合性和設計的創新性。近年來,隨著電氣工程及其自動化專業學生人數的不斷增多,教師數量和畢業設計課題數量相對不足的問題日益突出,而用人單位也對新錄用人員實際動手能力的要求越來越高。為此,我們在畢業設計課題的選擇上,要求每位畢業生的畢業設計,或結合教師的科研項目,或結合企業的技術項目,或組織學生到外地公司和工廠開展畢業設計等工作嘗試,使學生的綜合素質、創新能力得到進一步提高。從2009屆開始,我校就選送部分畢業生到龍羽電氣和市內其他變電站進行畢業實習和畢業設計,并取得了較好的效果。
二、專業師資人才隊伍建設
如何培養建設一批高水平人才,是每個高等院校都面臨的共同難題。這不僅要求每一位教師具有扎實的理論知識,更要具備較強的實際動手能力。為此,我校積極做好人才的培養工作,把提升師資隊伍的層次、優化師資隊伍的結構、提高師資隊伍的整體水平作為師資隊伍建設的重點工作。以兩個專業研究方向為目標,加強師資隊伍建設,注意教師進修提高,積極引進博士,鼓勵和支持青年教師攻讀在職博士學位,促進學術帶頭人后備力量的培養工作,從而形成一支整體水平高、結構合理的教學和科研型教師隊伍。主要通過以下幾方面措施來實現。
(1)加大高層次人才引進力度,優化教師隊伍的結構,不斷增加師資隊伍總量。
(2)加強專業帶頭人、課程負責人及骨干教師隊伍建設,進一步明確其權利和義務,以激發教師積極向上的熱情。
(3)充分培養和挖掘現有教師隊伍的潛力,加強“雙師型”教師的培養。一方面從企業引進工程技術人員,另一方面通過各種途徑提高教師的實踐技能。
三、實踐性教學教材建設
通過綜合了解國內、省內其他院校電力系統及其自動化專業教學、實驗方面等情況,發現近年來在實踐教材特別是綜合實驗方面教材編寫的不多。因此,我們必須高度重視此項工作,以切實發揮實踐性教學教材在教學、實驗中的重要作用。
引言:人類生活水平的不斷提高,得益于科學技術的發展與應用。尤其是在機械工程領域,傳統的機械電氣化主要以人力操控為主,不僅消耗了大量的人力與資源、還存在著一定的危險與安全隱患。機電一體化的出現,利用現代化技術實現了機械工程領域的自動化生產,是機械工程領域技術上的革新,生產力方面的突破,為機械企業今后的發展提供了必要的技術支持。
一、何謂機電一體化
科學技術的不斷進步與發展,機電一體化系統也在不斷的探索與發展中,融入了許多先進的技術,吸收了許多寶貴的經驗,逐漸發展成為自身特點鮮明的科學性體系。如今,我國的機電一體化系統在不斷的發展過程中,在信息化與自動化等方面均取得了重大的突破,實現了機械工業的自動化控制,并延續了自身的特點。為了確保機電一體化的快速發展,必須要明確機電一體化急需解決的問題:
1.機械本體技術
機械本體技術的核心在于減輕機械本體的質量,從而達到改善機械本體性能,提高機械本體精度的目的。因此,機械系統性能的優化與整體的提高都要建立在機械本體輕質化的基礎上。為了實現機械本體輕質化的目的,可以使用非金屬復合材料來代替鋼鐵材料作為機械本體的主體,從而減少機械本體的重量與能量的消耗率,提高機械本體的快速響應能力與工作效率。
2.信息處理技術
機電一體化與微電子技術的不斷進步、信息技術的不斷發展與普及有著十分密切的關系。為了促進機電一體化的進一步發展,必須提高信息處理設備的穩定性與可靠性。
3.傳感技術
在解決傳感技術的問題方面,應從傳感器的基本功能入手,提高傳感器的抗干擾能力,加強傳感技術方面的科學研究力度,以提高傳感器的性能,增強傳感器的精準度與靈密度為目標,使我國在傳感技術方面取得質的突破。
4.軟件技術
作為機電一體化中的重要組成部分,軟件在機電一體化發展的過程中,起到了至關重要的作用。因此,在軟件方面,必須要使其與機械設備中的硬件設施保持一致。由于軟件開發所消耗的資金巨大,為了降低軟件研發的成本,應當在軟件研發的過程中,推薦軟件的標準化進程,以最小的代價獲取軟件技術方面的突破。
二、現代化技術在機電一體化系統中的運用
1.自律分配化系統的運用
機電一體化發展過程中,自律分配化系統是其未來發展中的必然趨勢。所謂自律分配化系統,就是機電一體化系統發展到一定階段的必然產物,該系統在處理突發事件的過程中,可以兼具柔性以及自律性。也正式由于該系統強大的自律性,才能保證該系統在運行的過程中,子系統始終保持獨立運行,且相互之間不受任何影響。如此一來,一旦系統中的某一子系統出現了故障而無法急需運行,其他子系統依舊可以照常工作,不會導致整個系統的癱瘓,避免了大型安全事故發生的可能。
2.全息技術的運用
在未來的發展過程中,機電一體化追求對機電系統進行全方位的掌控,從多個角度去呈現處機電一體化后系統的運行情況,這種全方位的展示就叫做全息。全息系統化在機電一體化未來的發展過程中,作用會越來越明顯,而自動化與智能化并存也是其未來發展的一大趨勢。
3.光學技術的運用
所謂的光機電一體化,就是將光學技術與機械電子技術相結合,相較于傳統的機電一體化技術來說,光機電一體化技術充分利用光學技術中的優勢,提高機械設備自身的性能,使機電一體化系統更為完善。從目前的使用情況來看,光學技術可以在傳感技術、信息處理技術等方面給予光電一體化系統提供一定的技術支持。
4.仿生物系統的運用
傳統的機電一體化系統在信息處理方面始終處于“靜態”處理的方式,在結構上往往會存在不穩定的情況。隨著機電一體化系統的不斷發展,系統需要處理的信息也越來越多,信息處理系統所需要承受的壓力便越來越大。仿生物系統化的應用,使系統信息的處理方式從“靜態”變為了“動態”,減小了信息處理時所承受的負荷。
三、機電一體化在機械工程中的應用
經濟的發展不僅提高了現代人的生活水平,還改變了現代人的審美觀念,由此一來,對工程施工的要求也不斷的提高,現代工程施工規模的擴大化與難度的不斷升級,對工程機械設備的性能與質量提出了更高的要求,如果可以實現機械工程設備的自動化運行,不僅減少了機械工程施工中人力資源的消耗,還提高了施工的質量與精準度,使施工企業的施工質量與經濟效益都得到了顯著的提高。由此看來,為了適應時代的發展,現代工程機械必須要在施工質量、精度、效率以及收益等幾個方面取得突破,確保設備性能的穩定與可靠。為了分析機電一體化在機械工程中的應用,我們從以下幾個方面對其展開了分析:
1.監督控制作用
在機電一體化系統中,電子監控系統是其重要的組成部分之一,電子監控系統不僅要對機械設備的運行進行全方位的監督與控制,還要在電子監控系統下加設報警裝置。一旦機械設備在工作的過程中發生故障或事故,電子監控系統可以在第一時間警報提示,并迅速、準確的判斷出故障發生的位置,并將相關信息送達故障維修的相關部門,使其快速制定故障的排除方案,盡可能以最快的速度解決系統中存在的故障及安全隱患。
2.提高機械工程的生產效率
機電一體化系統在機械工程中使用以后,有效的改善了傳統機械設備能源消耗較高的問題,機電一體化系統中的電控系統,可以使機械設備對其所耗能源進行充分利用。在使用機械設備進行生產的過程中,充分利用電子控制技術,對機械設備的能源供給量的大小進行自由調節,在提高能源利用率的同時,減少了機械設備對能源的消耗。
3提高機械工程作業精度
在機電一體化系統的理念下,將電子控制系統引入工程機械設備當中,不僅可以提高工程機械設備的精準度,還可以實現工程機械設備的自動化工作。在傳統的工作中,工程機械設備的稱量工作通常都由人工完成,在精準度方面,自然不如電子自動化稱量準確。因此,機電一體化系統在機械工程中的應用,有效的提高的工程機械稱量的精準度。例如:混凝土的制作過程中,傳統的人工稱量方式無法做到精確配比,使混凝土的質量受到了一定的影響。采用電子稱量系統進行自動化電子稱量以后,混凝土配比的精準度有了明顯的提高,成品混凝土的質量也得到了有效的提升。
四、總結
綜上所述,機電一體化系統的出現,對于我國機械工程來說,是一次質的飛躍,大大提高了我國機械設備的生產質量與效率,減少了機械工程工作中存在的誤差,提高了機械設備的生產水平。隨著機電一體化在工程機械方面的廣泛應用,機電一體化已經成為我國機械領域未來發展的主要趨勢,由此,機電一體化也會獲得更大的發展空間。
參考文獻:
中圖分類號:TH-39 文獻標識碼:A
機電一體化又稱機械電子學,是以機械學、電子學和信息科學為主的多門技術學科在展過程中相互交叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術學科,發展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科,其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發,綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術,根據系統功能目標和優化組織目標,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值。
1機電一體化技術特點
1.1綜合性
機電一體化技術是由機械技術、電子技術、微電子技術和計算機技術等有機結合形成的一門跨學科的邊緣科學。各種相關技術被綜合成一個完整的系統,在這一系統中,它們相互苛刻要求,彼此又取長補短,從而不斷地向著理想化的技術發展。因此機電一體化技術是具有綜合性的高水平技術。
1.2應用性
機電一體化技術是以機械為母體,以實踐機電產品開發和幾點過程控制為基礎的技術,是可以滲透到機械系統和產品的普遍應用性技術,幾乎不受行業限制。機電一體化技術應用計算機技術,以信息化為內涵智能化為核心,開發和生產了性能更好的功能更強的機電一體化系統和產品。
1.3系統性
機電一體化是將工業產品和過程利用各種技術綜合成一個完整的系統,強調各種技術的協同和集成,強調層次化和系統化。無論從單參數、單擊控制到多參數、多級控制,還是從單件單品生產工藝到柔性及自動化生產線,直到整個系統工程設計,機電一體化技術都體現在系統各個層次的開發和應用中。
1.4可靠性
機電一體化系統幾乎沒有機械磨損,因此系統的壽命提高,故障率降低,可靠性和穩定性增強。有些機電一體化系統甚至可以做到不需要維修,具有自動診斷、自動修復的功能。
2機電一體化的發展趨勢
2.1智能化
隨著科學技術發展,機電一體化技術“全息”特征越來越明顯,智能化水平越來越高。這主要得益于模糊技術與信息技術的發展。智能化是機電一體化與傳統機械自動化的主要區別之一,也是未來機電一體化的發展方向。機電產品應具有一定的智能,使它與具有類似人的邏輯思考、判斷處理、自主決策能力。近幾年,處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創造了條件,有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展。
2.2模塊化
模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類繁多,研制和開發具有標準機械接口、電氣接口等接口的機電一體化產品單元變得至關重要,如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元,具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元,以及各種能完成典型操作的機械裝置。這樣,可利用標準單元迅速開發出新產品。為了達到以上目的,還需要制定各項標準,以便各部件、單元的匹配和接口。
2.3綠色化
科學技術的發展給人們的生活帶來巨大變化,在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的后果。所以開發和研制出綠色環保的產品變得至關重要。綠色產品是指低能耗、低耗材、低污染、可再生利用的產品。在研制、使用過程中復合環保的要求,銷毀處理時對環境污染小,機電一體化產品綠色化主要也是要滿足環境保護要求,在整個使用周期內不污染環境,可持續利用。
2.4微型化
微型化是精細加工技術發展的必然,也是提高效率的需要。微機電系統是指可批量制作的,機械部分和電子完全可以“融合”,機體、執行機構、傳感器等器件可以集成在一起,減小體積,這種微型的機電一體化產品也是重要的發展方向。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫用微探針,1988年美國加州大學研制出第一個微電機以來,國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展,開發出各種MEMS器件和系統,如各種微型傳感器和微構件等。
2.5集成化
集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與復合,又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率,應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次,使系統功能分散,并使各部分協調又安全運轉,然后再通過執行部分將各個層次有機地聯系起來,使其性能最優、功能最強。
2.6數字化
微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎,如不斷發展的數控機床和機器人,同時計算機網絡的發展,為數字化設計與制造奠定了基礎,如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及人機交互界面。數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。
機電一體化技術是一個多種學科技術相互融合影響的技術,是科技發展的見證和結晶,隨著科學技術水平的不斷發展和進步,機電一體化技術的發展前景也變得更加廣闊。
中圖分類號:TH-39文獻標識碼:A文章編號:
引言:機電一體化技術定義機電一體化又稱機械電子學,英語稱為Mcchatronics,它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成。一般來說,現代機電一體化是當今目前自動化技術發展的相對較高級的階段。它同時也以計算機產業為基礎和主要特征的自動化技術,同時也是生產實踐對自動化技術進一步發展的需要。因此,根據整個行業的未來發展來看,整個工程機械的機電智能化和一體化將是今后的主要發展方向。
1.機電一體化概要
機電一體化技術的形成機電一體化技術是指在機構得主功能、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。機電一體化技術發展至今已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不斷發展,還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發,綜合運用計算機技術、機械技術、自動控制技術、傳感測控技術、微電子技術、信息技術、電力電子技術、信息變換技術、接口技術、及軟件編程技術等群體技術,按優化組織目標與系統功能目標,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值,并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統,則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。所以,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只是,機電一體化技術是基于上面訴述群體技術有機融合的一種綜合技術,而不是機械技術、微電子技術和其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術有著純技術發展到機械電氣化,屬傳統機械,它主要功能依舊是代替和放大的體力。但發展到機電一體化之后,其中的微電子裝置除可以代替某些機械部件的原有功能之外,還可以賦予許多新的功能,比如自動處理信息、自動檢測、自動調節、自動顯示記錄和控制自動診斷與保護等等。所以機電一體化產品不僅僅是人的手和肢體的延伸,并且人的感官和頭腦的眼神,而具有智能化的特點是機電一體化和機械電氣化在功能上的本質區別。
2.機電一體化的核心技術
2.1機械本體技術
機電一體化的基礎是機械技術,在實踐中如何才可以能夠將機械技術與機電一體化技術進行有效的相互適應,是機械技術主要的著眼點。利用其他高新技術的更新概念,對結構、材料和性能實現有力的變更,能滿足重量的減小及體積的縮小與精度的全面提高等等。在機電一體化整體系統制造的過程當中,借助計算機輔助技術才能可以有效實現經典的機械理論及工藝,同時還需有效的采用過人工智能及專家系統等,把機械制造技術在當今年社會中進行有力的更新。
機械本體必須要將性能及重量和精度等進行綜合考慮,性能需進行總體的一個改善使之更加的有力,重要需進一步的給予有效減輕,精度更需全方位進行提高。現代社會中存在的機械產品,一般都是把鋼材當作主要材料,那在重量方面就需進行有效的控制,想要有效的減輕鋼材的質量,不僅需要在結構方面進行改進而且還要考慮利用非金屬的復合材料。只有機械本身的重量可以有效的控制從而減輕,對驅動系統的小型化才能夠得到有效的實現,從而在控制方面可有效的改善快速響應特性,有效的將能量消耗進行相應的減少,有效的提升了實際功效。
2.2信息處理技術
機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備的普及應用緊密相連。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。
2.3傳感技術
傳感檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。功能越強,系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器可以快速、精確地獲取信息并且能夠經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水平的一個保證。傳感器的問題集中在提高靈敏度、可靠性與精確度方面,提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為避免電干擾,當前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。而對外部信息傳感器來說,現在主要發展非接觸型檢測技術。
2.4驅動技術
電機作為驅動結構在社會當中已廣泛的被接受并且采用,但在快速響應及效率等諸多方面,仍然存在許多需要繼續有效的解決的問題。當前,我國針對內部裝有編譯器的電機及控制專用組件和傳感器,三位于一體的伺服驅動單元正在積極的發展當中。
3.機電一體化在工程機械中的應用
機電一體化技術從20世紀70年代中期開始在國外工程機械上得到應用。80年代以微電子技術為核心的高新技術的興起.推動了工程機械制造技術的迅速發展,特別是隨著微型計算機及微處理技術、傳感與檢測技術、信息處理技術等的發展及其在工程機械上的應用,不但提高了施工工藝,還節約了大量的人力、物力和資源,使工程機械的性能得到了前所未有的提高,無論是在動力性、安全性、節能性和操控性上都有了極大的改善,充分滿足了現代社會與經濟發展的需求。從根本上改變了工程機械的面貌,極大促進了產品性能的提高,使工程機械進入了一個全新的發展階段。工程機械的機電一體化和智能化將是今后的發展方向現代工程施工中,工程機械的性能、自動化程度及其經濟性等可直接影響到施工工藝的好壞:而工程機械的電氣與電子控制系統部分質量與性能的優劣又直接影響到工程機械的動力性、經濟性、可靠性、施工質量、生產效率及使用壽命等。電子控制系統已成為現代工程機械技術水平的一個重要依據。
4..現代機電一體化在工程機械應用中的發展趨勢
4.1 高性能化的應用發展
這里面主要包含:高速的應用化模式、高精度的應用模式以及高效率的應用模式、高可靠性的應用。新一代CNC系統采用多CPU結構以多總線連接,就是以此“四高”為滿足生產而誕生的。這種系統采用精簡指令集機,可同時實時多任務操作系統并行處理,從而來保證該機電一體化的產品具有相對高性能。
4.2 微型化的應用發展
微型機電一體化系統是機電一體化的一個新發展方向,同時也是電子技術與機械技術在納米尺度上相融合的產物,國外稱微電子機械系統。微型機電一體化產品,泛指幾何尺寸向微米、納米級發展,其體積一般不超過1cm3的機電一體化產品,在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優越性,并且其耗能小、體積小、運動靈活,是近年和將來十大關鍵技術之一。
4.3 機電一體化智能化的應用發展
一般來說,現代機電一體化的發展和進步都主要體現在控制理論的基礎上,也就是當前機電一體化技術與傳統機械自動化技術的主要區別之一就是智能化技術,而且這種在實際中的區別表現就是表現在其產品的智能上。它是吸收計算機科學、人工智能、生理學等一系列智能的新方法、新思想,模擬人類智能,這樣的技術目前任然在探索和應用中,相信將來是有非常廣闊的應用前景。
5.結語
隨著新產品的研發及高精密等設備的發展,要求新一代機電一體化技術、產品及系統朝著高性能、智能化、系統化以及輕量化、微型化方向發展,從而為國家帶來更大的經濟效益與社會效益。
參考文獻:
[1]孫永利.機電一體化在工程機械中的應用[J].農機使用與維修,2009,(1).
[2]冷俊.機電一體化在工程機械中的應用[J].科技資訊,2011,(7).
Pick to: mechanical and electrical integration is mechanical, microelectronics, control, computer, information processing, and other multi-disciplinary overlapping fusion, its development and progress depends on the progress of related technologies and development. Shallow to analyzing the content and the application of mechatronics technology research, in exchange for the colleague.
Keywords: mechanical and electrical integration; Technology; application
中圖分類號:TH-39文獻標識碼:A文章編號:2095-2104(2013)
引言
現代科學技術的不斷發展,極大地推動了不同學科的交叉與滲透,導致了工程領域的技術革命與改造。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,使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。
一、機電一體化概述
機電一體化是指在機構得主功能、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。機電一體化發展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不但發展,還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發,綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術,根據系統功能目標和優化組織目標,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值,并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統,則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。
因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只是,機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術,而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術有純技術發展到機械電氣化,仍屬傳統機械,其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外,還能賦予許多新的功能,如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸,還是人的感官與頭腦的眼神,具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別
二、機電一體化技術的內容
1.機械技術
機械技術是機電一體化的基礎,機械技術的著眼點在于如何與機電一體化技術相適應,利用其它高、新技術來更新概念,實現結構上、材料上、性能上的變更,滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統制造過程中,經典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術,同時采用人工智能與專家系統等,形成新一代的機械制造技術。
2.計算機技術
計算機與信息技術,其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術均屬于計算機信息處理技術。
3.系統技術
系統技術即以整體的概念組織應用各種相關技術,從全局角度和系統目標出發,將總體分解成相互關聯的若干功能單元,接口技術是系統技術中一個重要方面,它是實現系統各部分有機連接的保證。
4.自動控制技術
其范圍很廣,在控制理論指導下,進行系統設計,設計后的系統仿真,現場調試,控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。
5.傳感檢測技術
傳感檢測技術是系統的感受器官,是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強,系統的自動化程序就越高。現代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經受嚴酷環境的考驗,它是機電一體化系統達到高水平的保護。
6.伺服傳動技術
包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置,伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。
三、機電一體化技術的應用研究
1.自動機與自動生產線
在國民經濟生產和生活中廣泛使用的各種自動機械、自動生產線及各種自動化設備,是當前機電一體化技術應用的一具體體現。如:2000~80000瓶/h的啤酒自動生產線;18000~120000瓶/h的易拉罐灌裝生產線;各種高速香煙生產線;各種印刷包裝生產線;郵政信函自動分撿處理生產線;易拉罐自動生產線;FEBOPP型三層共擠雙向拉伸聚丙烯薄膜生產線等等,這些自動機或生產線中廣泛應用了現代電子技術與傳感技術。如可編程序控制器,變頻調速器,人機界面控制裝置與光電控制系統等。我國的自動機與生產線產品的水平,比10多年前躍升了一大步,其技術水平已達到或超過發達國家上一世紀80年代后期的水平。使用這些自動機和生產線的企業越來越多,對維護和管理這些設備的相關人員的需求也越來越多。
2.智能化控制技術(IC)
由于我國工業具有大型化、高速化和連續化的特點,傳統的控制技術遇到了難以克服的困難,因此非常有必要采用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統、模糊控制和神經網絡等,智能控制技術廣泛應用于我國企業的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面,如高爐控制系統、電爐和連鑄車間、軋鋼系統、煉鋼—連鑄—軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。
3.分布式控制系統(DCS)
分布式控制系統采用一臺中央計算機指揮若干臺面向控制的現場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發展,分布式控制系統的功能越來越多。不僅可以實現生產過程控制,而且還可以實現在線最優化、生產過程實時調度、生產計劃統計管理功能,成為一種測、控、管一體化的綜合系統。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監視集中控制分散,故障影響面小,而且系統具有連鎖保護功能,采用了系統故障人工手動控制操作措施,使系統可靠性高。分布式控制系統與集中型控制系統相比,其功能更強,具有更高的安全性,是當前大型機電一體化系統的主要潮流。
4.開放式控制系統(OCS)
開放控制系統(Open Control System)是目前計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。“開放”意味著對一種標準的信息交換規程的共識和支持,按此標準設計的系統,可以實現不同廠家產品的兼容和互換,且資源共享。開放控制系統通過工業通信網絡使各種控制設備、管理計算機互聯,實現控制與經營、管理、決策的集成,通過現場總線使現場儀表與控制室的控制設備互聯,實現測量與控制一體化。
5.計算機集成制造系統(CIMS)
企業的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程控制連成一體,用以實現從原料進廠,生產加工到產品發貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。目前我國企業已基本實現了過程自動化,但這種“自動化孤島”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統一管理,難以適應現代企業生產的要求。未來企業競爭的焦點是多品種、小批量生產,質優價廉,及時交貨。為了提高生產率、節能降耗、減少人員及現有庫存,加速資金周轉,實現生產、經營、管理整體優化,關鍵就是加強管理,獲取必須的經濟效益,提高了企業的競爭力。美國、日本等一些大型鋼鐵企業在20世紀80年代已廣泛實現CIMS化。
6.現場總線技術(FBT)
現場總線技術是對自動化領域的一場變革。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用,已成為當今自動化領域發展的熱點之—。現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線的含義主要體現在以下幾個方面:
(1)現場通信網絡。傳統的分散型控制系統(DCS)通信網絡截止于控制站或輸入輸出單元,現場儀表仍然是一對一模擬信號傳輸。現場總線是用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互聯的現場通信網絡,把通信線一直延伸到生產現場或生產設備。
(2)互操作性。互操作性的含義是來自不同制造廠的現場設備,不僅可以相互通信,而且可以統一組態,構成所需的控制回路,共同實現控制策略。
(3)分散功能塊。現場總線控制系統(FCS)廢棄了分散型控制系統(DCS)的輸入/輸出單元和控制站,把DCS控制站的功能塊分散給現場儀表,從而構成虛擬控制站。例如流量變送器不僅具有流量信號變換、補償和累加輸入功能塊,而且有PID控制和運算功能塊。
(4)通信線供電。現場總線的常用傳輸線是雙絞線,通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量。這種低功耗現場儀表可以用于安全環境,與之配套的還有安全柵。有的企業生產現場有可燃性物質,所有現場設備必須嚴格遵守安全防爆標準,現場總線也不例外。
結語
總之,機電一體化技術既是振興傳統機電工業的新鮮血液和源動力,又是開啟我國機電行業產品結構、產業結構調整大門的鑰匙。今后應廣泛深入地用機電一體化技術改造傳統產業,大張旗鼓地開發機電一體化產品,促進機電產品的更新換代,促進機電一體產業的形成,為我國產業結構和產品結構調整作貢獻。
隨著社會經濟和科學技術的發展,促進了工程機械行業的進一步優化和完善,同時也對其領域相關技術水平提出了新的要求。在實際發展中,機電一體化技術的應用給工程機械的發展注入了新的力量,對機械、液壓以及電子控制技術進行了有效的融合,進而大大提高工程機械的性能,延長工程機械的使用壽命。因此,機電一體化技術的應用不僅是工程機械現代化發展需求,同時也是工程機械未來主要的發展方向,使得工程機械和現代科技有效的結合在一起,全面提高機械工程的科技水平和運行效率,改善工程機械的相關使用性能,進而推動工程機械的進一步創新與改革。
一、機電一體化技術綜合分析
機電一體化技術即結合應用機械技術和電子技術于一體。隨著計算機技術迅猛發展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,目前正向光機電一體化技術方向發展,應用范圍愈來愈廣泛。其發展方向主要表現為以下幾方面,第一,模塊化。模塊化是機電一體化重要的發展方向,在實際應用中,機電一體化具有多個動力單元,這些動力單元可以實現工程機械圖像處理、識別以及測距等操作功能,并自動化生成一套完整的標準單元,迅速開發出新的機械產品,進而滿足項目工程的實際需要。同時,規模化有助于生產規模的擴大,進而促進即機電一體化企業的快速發展。第二,網絡化。網格技術的發展給機電一體化的應用帶來新的方向,并將全球經濟與生產緊密的連接在一起,促進企業發展的全球化,進而擴大了機電一體化產品的銷售渠道。除了銷售渠道之外,同時也促進了機電一體化產品的技術革新和完善,其中最具代表性的就是現場總線與局域網技術的廣泛應用。第三,微型化。微型化主要是指機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢,又稱微電子機械系統,泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機電一體化產品,并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢【1】。
二、機電一體化在工程機械中的應用
(一)工程機械作業精度控制
在實際的工程機械生產中,成本的精度是工程機械的主要標準與要求,若成品精度發生較大的偏差,會大大降低機械產品的使用性能,進而影響工程機械的運行效率和運行質量。機電一體化的實際應用很好的解決了成品精度問題,通過自動化數字監控系統,可以在實際生產中進行操作數據的收集和整理,實現對機械生產的實際監控,保證成品精度和整體質量。例如,在使用攪拌機進行混凝土攪拌施工中,要對混凝土各個原料重量進行人工計量,這樣很容易會造成數據誤差,進而影響混凝土配比的合理性,降低混凝土整體質量。在機電一體化應用后,可以通過微機控制電子稱量系統對各種施工原料進行稱量,降低傳統計量方式的誤差,實現混凝土原料配比的高精度,保證項目工程施工質量【2】。
(二)實現工程機械自動化
在工程機械中引進機電一體化技術,可以有效實現項目工程的自動化與半自動化作業施工,有效降低施工人員的勞動強度與勞動量,降低施工人員的使用,有效節省項目工程的人力資源,在保證施工質量的基礎上減少了施工成本,有助于項目工程經濟利益最大化實現。除此之外,在施工質量方面,自動化技術可以有效防止施工過程中的人為失誤,提高工程作業精度,保證工程機械的運行效率和運行質量。
(三)提高工程監控水平
機電一體化技術通過先進的電子監控系統,可以在工程機械生產中實現監控系統與操作系統的高度結合,利用模擬攝像頭和模擬硬盤攝像機實現工程機械的實際監控,采用300萬像素逐行掃描CMOS,捕捉運動圖像無鋸齒,提高監控畫面的清晰度,支持同軸高清輸出,實現工程機械的無死角循環監控。同時,其電子監控系統還包含傳動系統、執行裝置、制動系統以及液壓系統等,在工程機械生產中可以準確找出故障的位置,并對對故障位置進行數據收集和處理,找出發生故障的原因,發出警報提示管理人員,進而保證工程機械的正常運行。
(四)節約工程能耗
在傳統工程機械生產中,為了保證機械的正常運行往往要消耗大量的資源,其主要原因是在機械生產會帶動額定負荷進行非正常運作,使得機械運行效率沒有達到規定功率,或者是存在過載運行的情況,大量增加了工程機械的運行能耗,不利于工程機械的可持續發展。而機電一體化技術的應用,可以根據實際的工程需要,自動對機械功率進行調節,進而節省了不必要的能耗,達到工程機械運行節約能耗的目的。另外,在燃料能量方面,機電一體化技術可以在保證工程機械運行質量的基礎上,提高機械利用率,達到節省燃料的目的。
結束語:
本文通過對機電一體化在機械工程中的應用分析,讓我們知道了機電一體化技術的應用不僅是工程機械現代化發展需求,同時也是工程機械未來主要的發展方向,提高工程機械的運行效率和運行質量。因此,本文主要提出工程機械作業精度控制、實現工程機械自動化、提高工程監控水平等措施,不斷優化機電一體化技術,實現工程機械的快速發展。
參考文獻: