机制张坤机电一体化本科答辩

1、高等教育自学考试毕业设计（论文）题 目 机电一体化在工程机械中的应用专业班级10级机电一体化工程姓名张坤指导教师姓名、职称所属助学单位武汉工业职业扌支术学院2012年4月16日目 录1 绪论 31.1机电一体化工程简介 31.2机电一体化在工程机械的潜在优势 42 机电一体化在工程机械中的应用 52.1工作运行状态监控 52.2节能降耗，提高生产率 错误！未定义书签。2.3提高作业精度 错误！未定义书签。2.4工程机械半自动与自动化控制 62.5电子控制自动变速器 73机电一体化未来的发展趋势 93.1智能化 103.2模块化 103.3网络化 103.4微型化 113.5 环保化114 空压

2、机辅助系统设计 134.1工艺概述与设计要求 144.2控制系统选型及特点 154.3控制系统构成 164.4系统功能 16结束语 17致谢 18参考文献 19摘 要现代工程施工中，工程机械的性能、自动化程度及其经济性等可以直接影响到施工工艺的 好坏，而工程机械的电气与电子控制系统部分质量与性能的优劣又直接影响到工程机械的动力 性、经济性、可靠性、施工质量、生产效率及使用寿命等。通过对目前工程机械的电子控制系统主要实现的六大特色（电子监控、节能降耗、提高作业精度为保证成品料的作业精度、工程机械实现自动化或半自动化控制、应用于一些成品机械 产品中），六大发展趋势（智能化、模块化、网络化、微型化、

3、环保化、系统化）阐述机电一体 化系统在工程机械中实现与生活中的广泛应用和产业化优势！空压机辅助系统自动监控是采用以可编程计算机控制器（PCC）技术为基础的控制系统，由中央控制站、数据通讯网络、设备级控制器及就地传感器、执行机构等组成。根据生产工艺设 计要求，上述系统自动化控制系统采用典型的三级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面 （HMI），为生产控制级，完成对下位机的监控、 生产操作管理等, 主要面向操作人员；下位机由可编程计算机控制器（PCC ）构成，为现场测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程；通过数据传输进入企业 MIS系统，为企业管理级

4、,主要面向企业生产管理和信息处理人员。关键词：机电一体化工程机械电子控制 空压机辅助系统可编程计算机控制器（PCC）一、绪1. 机电一体化发展简介机电一体化又称机械电子学，是一门跨学科的综合性高技术 ，是由微电子技术、计算机技术、 信息技术、自动控制技术、机械技术、液压技术以及其他技术相互融合而成的一门独立的交叉 学科。机电一体化技术从上世纪 70年代中期开始在国外工程机械上得到应用。80年代以微电子技术为核心的高新技术的兴起，推动了工程机械制造技术的迅速发展，特别是随着微型计算机 及微处理技术、传感与检测技术、信息处理技术等的发展及其在工程机械上的应用，从根本上改变了工程机械的面貌，极大促进

5、了产品性能的提高，使工程机械进入了一个全新的发展阶段。以微机或微处理器为核心的电子控制系统目前在国外工程机械上的应用已相当普及，并已成高性能工程机械不可缺少的组成部分。工程机械的机电一体化和智能化将是今后的发展方向。2. 机电一体化在工程机械的潜在优势一、现代工程机械正处在一个机电一体化的发展时代引入机电一体化技术，使机械、液压技术和电子控制技术等有机的结合，可以极大地提高了工程机械的各种性能，如动力性、燃油经济性、可靠性、安全性，操作舒适性以及作业精度、作业效率、使用寿命等。目前以微机或微处理 器为核心的电子控制装置在现代工程机械中的应用已相当普及，电子控制技术已深入到工程机械的许多领域，如

6、摊铺机和平地机的自动找平 ，摊铺机的自动供料，挖掘机的电子功率优化，柴油机 的电子调速，装载机、铲运机变速箱的自动控制，工程机械的状态监控与故障自诊等。随着科学技术的不断发展，对工程机械的性能要求不断提高，电子控制装置在工程机械上的应用将更加广泛，结构将更加复杂。特别是随着我国进口及国产工程机械保有量的逐年增加，如何用好、管好这些价格昂贵的工程机械，使其发挥最大的效率，二、现代工程施工中，工程机械的性能、自动化程度及其经济性等可直接影响到施工工艺的 好坏;而工程机械的电气与电子控制系统部分质量与性能的优劣又直接影响到工程机械的动力性、经济性、可靠性、施工质量、生产效率及使用寿命等。电子控制系统

7、已成为现代工程机械 技术水平的一个重要依据。随着科学技术的不断发展及对产品性能要求不断提高，电子控制系统在工程机械中所占的比重将会越来越大，其功能将会越来越强，应用范围也将越来越广，而且其复 杂程度也随之提高，这样就对使用与维修人员提出了更高的要求。三、 现代工程施工要求工程机械具有以下性能生产效率高且能量损失小，节约能源；自动化程度高，施工质量好，精度高；性能稳定，工作可靠，安全，使用寿命长；具有较好的经济性；高的技术 价格比和低的制造与使用成本 ；操作简单、轻便、劳动强度低 ，驾驶员的工作条件好，具有运行状 态监视、故障自诊及自动报警功能，能及时准确地指出故障部位 ，减少停机维修作业时间二

8、、机电一体化在工程机械的应用目前工程机械的电子控制系统主要实现如下功能：1工作运行状态监控。电子监控、自动报警及故障自诊即对工程机械的发动机、传动系统、工作装置、制动系统和液压系统等的运行状态监控，工作中一旦出现异常现象，能自动报警并准确 地指出故障的部位，从而改善驾驶员的工作条件 ，提高机器的工作效率，简化设备维护检查工作，降 低使用维修费用，缩短停机维修时间，延长设备的使用寿命。2节能降耗，提高生产率。传统工程机械的能量利用率较低，例如液压挖掘机的燃料能量利用 率仅为30 %左右，如此低的能量利用率迫使工程机械的发展必须着眼于节能。日本小松公司挖 掘机采用新型节能控制器，具有良好的节能效果

9、，燃料可节省23 %;日本日立公司挖掘机节能控制 系统采用了卡特电子效率控制系统，通过对发动机和泵的综合控制 ，使功率的利用率可达 98 %，同时生产率也大大提高。3提高作业精度。为保证成品料的作业精度，现代沥青及水泥混凝土拌和设备广泛采用了微 机控制的电子称量系统，并使称量过程实现了自动化。自动找平系统的应用，使沥青混凝土摊铺机 的施工质量有了较大的提高。采有超声波技术的自动供料系统，使沥青混凝土摊铺机的供料实现 了自动调节，进一步提高了摊铺质量。推土机铲刀、平地机刮刀、铲运机铲斗刀刃的电子控制，不仅提高了作业精度和作业效率，而且也减轻了操作人员的劳动强度。4作业过程的自动化或半自动化工程机

10、械实现自动化或半自动化控制。可以减轻操作者的 劳动强度，提高生产率，并减少因操作者的经验不足对作业精度的影响，例如，日本三菱公司的挖掘机设有挖掘轨迹控制系统，操作者在控制板上设定好铲斗运动轨迹的形状后，微机控制系统能够根据各种角度传感器的信号，自动控制动臂、斗杆和铲刀的运动，实现各种特定开口和断面沟槽、斜面的精确挖掘，使挖掘作业实现了自动化。5电子控制自动变速器。 其他应用一些国外生产的推土机、装载机、铲运机等有了电子控制的自动变速器，其能够根据外负荷的变化情况自动改变传动系统的传动比，这不仅充分利用了发动机的功率，提高了燃油经济性，而且也简化了操作，降低了劳动强度。为有效地防止翻车和断臂 事

11、故，提高作业的安全性，现代起重机上广泛地采用了电子控制的力矩限制器。为实现无人驾驶，使工程机械能在危险地带或人无法接近的地点进行作业，某些国外工程机械上设置了无线遥控装置。电子系统的可靠性是现代工程机械非常重要的一项性能指标。由于工程机械一般露天作业 ，其直接受到烈日暴晒、雨雾、强风、尘埃等的侵袭，此外还受到强烈的振动和冲击以及各种电、磁等的干扰，工作环境非常恶劣，因此电子控制系统应满足：能在-4080 C的环境温度下可靠、 稳定地工作；抗老化，具有较长的使用寿命；密封性能好，能防止水分和污物的侵入，较好的耐冲击 和抗振性能；较强的抗干扰能力，系统能在各种干扰下可靠地工作。PS:在前面我给大家

12、详细的讲述了机电一体化在工程机械中应用的举足轻重的 地位，可以这样说，如果没有机电一体化系统设计的加入，我们的工程机械还停留 在人工的原始阶段，还不能达到现在一人通过系统监控调控就能控制整个操作整个 生产线或机械设备，也不能做到动动手指头就让那些大个子的机械自动运行的目 的。可以说，以后的工程机械，离不开机电一体化，机电一体化将是工程机械的大 脑跟血管，把持着整个机械行业的正常运行！所以，我就我所学的知识，将在下面 给大家具体展示机电一体化在工程机械中的作用，也让大家直观的了解什么事所谓 的机电一体化在工程机械中的应用！下面展示的是空压机的辅助系统，主要的是维持空压机的正常运行，下面它会 一一

13、展示在大家面前。空压机辅助控制系统设计1. 工艺概述与设计要求空压机房无人值守系统主要由检修空压机、仪用空压机、干冷器、空气冷却器、除油器等设备构成；工业水泵及消防水泵房无人值守系统主要由工业水泵、消防水泵、补水泵、缓冲箱等构成。辅助系统自动监控是采用以可编程计算机控制器（PCC）技术为基础的控制系统，由中央控制站、数据通讯网络、设备级控制器及就地传感器、执行机构等组成。根据生产工艺设计要求,IPC)上述系统自动化控制系统采用典型的三级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（作为主要的人机界面（HMI ），为生产控制级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要 面向操作人员；下位机由可编程计算

14、机控制器（PCC ）构成，为现场测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程；通过数据传输进入企业MIS系统，为企业管理级，主要面向企业生产管理和信息处理人员。该辅助监控系统的设计要求如下：（1） 在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、液位等模拟量参数。需要通过PCC对这些参数进行实时采集和处理。（2）辅助系统无人值守的自动化控制，即实现整个空气压缩、储存、输送和工业、消防水处理过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。（3 ）对调节系统可采用操作器控制，确保系统压力准确稳定，使各参数达到设计要求，其故 障实现实时报警和联锁启停切换控制

15、。（4）对电动机等重要现场设备进行温度、电流及振动的状态监测。（5）控制系统具备双路电源切换功能，当一路电源故障时能可靠的自动切换到另一路，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。（6）自控系统通过控制器的冗余设计保证系统运行的高可靠性。（7 ）将控制与视频信号通过通讯网络传输，进行中央控制室集中监控，实现站房现场的无人 值守。2. 控制系统选型及特点为了实现上面提到的空压机房、工业水泵及消防泵房无人值守的设计要求，我们选用贝加莱工业自动化公司 B&R 2005可编程计算机控制器（PCC ）和研华公司 ADVANTECH IPC-610 工控机（IPC ）构成的自控系统，再配以先

16、进的B&R自动化软件，来实现上述各辅助控制系统的各项功能。当前可编程计算机控制器（PCC ）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已成为电气控制系统中应用最为广泛的核心，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接B&R新一代可编程计算机控制器（PCC ）综合了 PLC和工业计算机的优点和功能。它采用B&R的Automation Studio 集成软件开发平台，支持多任务分时操作系统，能够使用高级语言、指 令表、梯形图以及

17、其它功能块编程，并且具备面向控制的标准功能和独特方便的模块结构，适 合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。独特的掉 电保持功能以及可热插拔的模块特性，为系统维护带来了极大的方便。3控制系统构成；3.1控制系统的结构该系统的网络拓扑结构如图3所示。:料井曲nnnniD!UilUlLUlFig R祎嶽 JI MlBLS空册亂臥工业本亂屋用赫n傅图3系统网络结构3.2控制系统硬件配置根据系统设计要求，本系统所选用的主要硬件设备包括以下:（1）工业计算机（IPC）ADVANTECH IPC-610 , Pentium IV 3.0GHz 处理器，1Gb 内存，160

18、Gb 硬盘;(2) 中央处理单元 (CPU)CP 260 , CPU 模块 2 块;IF 260 , CPU 模块 2 块；(3) I/O 模块(SM)DI 475，数字量输入模块2块；DI 476，数字量输入模块8块；DO 479，数字量输出模块10块;AI 775，模拟量输入模块2块；AT 350 ,模拟量输入模块4块；AO 775，模拟量输出模块2块；(4 )电源模块(PS)PS 465，电源模块 4块。该系统中B&R 2005系列PCC的硬件配置如图 4所示。PS咖CPIH47OIHIK JiP5i 4A5(V珈m4“rs 465IF2Ml471114761)1476niDO47*1l

19、*)47V1)0479Al77JAT 3J54IAO775PS 445IFhl476111DI47*DI47ft)0 47DO 4TV册DO479Al 7WATHQAT图4 PCC的硬件配置3.3应用软件开发B&R的Automation Studio 是一款集成软件开发平台，用来对B&R全系列控制器及远程 I/O、通信网络、IPC、HMI触摸屏和伺服控制器进行应用开发，能很好地实现人机界面（HMI ）和监控管理系统，真实地将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设 备的在线调试及维护，发挥越

20、来越重要的作用。压缩空气、工业及消防水HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史 记录的形式在 HMI画面上显示。最终实现在 HMI操作站上以最少的设备数量提供最大可能的 信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。在上位机上用 B&R Automation Studio 软件设计了多幅人机界面画面，如图5所示。主要包括以下几个方面：（1）工艺流程图：在画面中通过编程实现模拟显示整个压缩空气、工业及消防水现场生产的

21、 全过程，并且在设备本体上实时显示各路气、水的压力与温度，以便于操作者能及时准确的掌 握设备本体内情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。（2 ）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调 试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据 的精确控制，自动调节程序由 PID闭环控制回路完成。（3）报警记录：对于如罐内压力、入口温度、水箱液位等一些重要的模拟量输入参数进行实 时报警。当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时 通过报警一览表对话框可以检查报警超出范围以及错误出处，并对此采取相应措施

22、。（4）实时和历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的 过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。 另外，还具有生成报警或变量记录数据运行报表的功能。（5 ）摄像监控：通过摄像及图像采集设备对图像的处理，使操作人员通过视频窗口实时监控 现场设备运行状况。3.4网络数据通信工业以太网现已成为工控界最为流行的局域网技术，被广泛的应用于工厂控制级通信，它可以 实现控制器与控制器之间、控制器与上位机之间的通信。在本系统中由于各站房与中央集中控 制室距离较远，我们采用了以光纤为主要通讯介质、以TCP/IP为数据通信协议的工业以太网络，

23、为大量的控制与视频信号传输提供稳定可靠的保障。同时，我们预留了与企业MIS系统通信的接口，为相关数据的进一步处理与利用奠定了基础。4系统功能4.1控制中心数据采集功能上位机将可编程控制器中传出的数据信息直接采集，通过软件功能将信号以文字、图像、报表 等方式形成人机界面，操作人员通过此界面进行监控操作。4.2控制中心控制信号发送功能控制信号由上位机经通讯接口送入控制器，由控制器来实现各控制指令，完成对现场设备的各 种操作。4.3监控中心控制及集中管理功能 在上位机的监控画面上点击相关控制设备均可对其进行控制，对相关参数及设备运行状态实现 实时显示、报警和历史记录并形成报表。通过摄像监控功能实时监

24、控生产现场设备运行状况， 可及时发现设备及管路的跑冒滴漏现象，最终实现站房内无人值守、站房外集中管理的目标与 要求。4.4系统调节控制功能主要包括储气罐压力控制、工业水泵控制、消防水泵控制、补水控制、水箱液位及疏水变频控 制功能。通过以上控制功能的实现，最终完成对各系统的顺序、调节控制。4.5系统联锁控制功能连锁控制是辅控系统的核心。特以空压机连锁做详细说明：空气压缩系统共有5台空压设备,分为A段与B段，正常运行时各段均有一台空压机运行，在允许压力范围内，设备将采用大循环启停方式，即根据先启先停的方式由程序控制循环运行，循环时先启动停机时间长的空压机，加载后，再将需要停机的空压机按步骤停机；当母管压力低于0.65MPa时，系统自动启动另一台空压机，加载 30秒后若压力仍低于允许范围，则再启动一台仪用空压机，直至满足压力条 件