机电一体化装置电气控制系统优化分析

程敏

合力光桥智慧科技（北京）有限公司 北京 100000

引言

随着机电一体化水平的提升，机电一体化装置中的电气控制系统智能化程度获得了增强。然而，在实际的工业产品生产制造过程中，一体化、集成化装置应用时，不仅会出现安全问题，而且受到电磁干扰与温度过高的条件下，会降低其应用效果[1]。因此，在新时期应用机电一体化装置时，多数企业增强了对其电气控制系统的优化与改进，预期通过此类方式，解决实际存在的问题，从而在根本上推动工业企业的转型升级。下面先对机电一体化装置的结构与原理做出说明。

1 机电一体化装置概述

1.1 系统构成

机电一体化装置应用时，要求结合规定时间、确定装置空间、明确功能操作、实际应用需求等多项因素，设置电气控制系统并开展装置控制与管理。从系统构成方面看，机电一体化装置由多个系统组成，主要包括：①传感器系统；②辅助系统；③机械主体；④伺服系统；⑤视频系统；⑥控制系统；⑦操作系统；⑧编程系统等（各系统关系如图1）。由于此类装置应用时集成化程度较高，具有运行速度快、使用效率高的基本特点，因而在实际应用该系统时，需要尽可能规避故障问题，才能保证生产效率与应用效果。

图1 机电一体化装置系统构成示意

1.2 工作原理

以某品牌的840D机电设备为例，应用了FM-NC数控系统，预设的主要功能是对7个数字轴与2个模拟轴进行控制，从整体装置装配过程看，设置了拾起部件与放下部件，并且通过两个简单的运用进行操作。抓取系统主要以优傲UR10六轴协作机器人为主，配置安装的抓取夹采用气动控制。控制系统与伺服系统、视觉系统分别应用力士乐、基因士CA-035C。反馈方面的设置了伺服电机反馈与接近开关反馈。该装置工作时涉及吸具的退出、吸取工件、工件姿态测量、移动、装配、释放工作多个流程，因而增加了配套的设置定位以满足其实际操作需求。虽然该机电一体化装置的工作原理比较简单，但是工作流程相对复杂，而且在应用时需要做进一步的优化，才能较好的保障其高效、安全应用。该装置工作流程如图2：

图2 某品牌机电一体化装置工作流程示意

2 机电一体化装置电气控制系统优化思路

2.1 优化思路

通过对上述某品牌机电一体装置的应用发现，在系统装置设计方面与应用需求趋于一致，然而正式投入生产后，存在较大缺陷[2]。首先，在气动手爪应用时进行闭合动作牵涉到多个装置工作流程，无论哪个环节发生问题，均会造成一系列风险。其次，该装置配套的弱电装置运用过程中存在自干扰问题，此类干扰包括电磁干扰与噪声干扰，不利于电气控制系统信号的精准传输。第三，数据系统的结构比较复杂、紧凑性较差，需要对其进行优化。除此之外，随着装置的使用温度会增高，当温度超出标准上限时会导致电子元器件的损坏。综合考虑后，设计人员通过会议讨论，确定按照“具体问题→具体分析→针对性解决”的基本思路，对现用机电一体化装置进行优化与改进。

2.2 优化目标

设计人员确定优化设计思路后，根据该装置电气控制系统优化需求，提出提高安全等级、清除无效部分、简化操作流程，使整个装置结构趋于合理化的基本目标。具体设计方案应用时预期通过硬件与软件的双重优化方式进行优化操作，优化内容包括三大部分，具体如图3所示：

图3 某品牌机电一体化装置优化内容示意

3 机电一体化装置电气控制系统优化措施

3.1 冗余设计

首先，伺服系统以同步带利用装货托盘进行上下运输，为了保障有效运行与即时反馈，按照分别控制的思路，原设计方案中设置了两组限位接近开关，一方面可以对一组开关进行定位，另一方面实现对另一组开关进行超程检测。具体应用监测结果表明，一旦发生超程现象，该系统能够自动预警并停止动作。然而，在实际的运维管理中发现，当涨紧轮调整至正常状态后，同步带运行时会产生拉伸问题。在这种情况下，带轮滑移时常发生，由此也导致了在没有发生超程现象时的假预警、误预警的情况。经分析后，设计人员选择了加装机械开关的优化措施，具体优化时将其安装于限位传感器的外侧位置，使其对系统进行冗余保护。

其次，在冗余设计软件优化时，先对PLC工业控制系统进行了调试与分析，优化目标直接定位在部件掉落监测、故障动作监测等方面，旨在保障电气控制系统运行时的安全可靠性[3]。具体优化时设计人员选择了加装冗余传感器的办法，具体位置以关键多风险部位为准。安装后进行调试并对触点信号开展重复检测与运算监测。同时，在机器人编程方面，根据信号逻辑关系保障冗余软件设计在“是”与“非”状态下的有效应用。

3.2 抗干扰设计

在装置中，需要通过电气设备保障电气控制系统的有效运行，实质上这种电气设备以弱电系统进行控制相同。从应用经验看，弱电设备或电流充分装置运行时，此类装置本身会受到强电装置的电磁干扰与声音频率干扰，从而影响到其他信号的正常传输，间接导致电气控制系统控制失灵等情况。设计人员对其干扰因素分析后，选择了增加抗干扰设计的办法。具体包括了接地设计、电磁噪声滤波处理，以及干扰因素屏蔽等优化措施。分述如下：

首先，该装置电气控制系统中的接地设计包括了保护接地线与屏蔽地线，从设计原理看，意图借助对屏蔽电缆屏蔽层记性接地的同排连接，以及保护接地线与电源变压器、隔离变压器屏蔽层的连接，发挥屏蔽作用。但是，在实际的应用电气控制系统时，需要对控制柜与操作进行保护，才能从整体上提升其抗干扰效果。所以，设计人员将保护地线与其进行接地处理，具体操作时以单点并联方式实施，有效增强了接线方面的抗干扰能力。

其次，要降低电磁噪声干扰需要应用电干扰设备，通过对伺服系统的抗干扰设计进行分析，发现仅设置了一台具备电磁干扰敏感性的设备，而且该设备自身携带有电磁噪声源，除了受到强电装置干扰，也存在内部干扰，不仅没有起到应有的作用，反而增加了电磁干扰。因此，设计人员先将伺服控制器进行优化，将其在独立的控制柜体后，利用联机的方式，将是机与驱动机通过金属屏蔽层动力线缆进行了连接，在完成控制柜、电机、驱动机接地后，达到了控制电磁噪声的目的。另外，伺服驱动系统与数控系统在整个电气控制系统中发挥着重要作用，为了将电磁噪声干扰降低到最低程度，于两个子系统前端设置了滤波器，从根本上阻隔干扰。考虑到电磁噪声的传播以空间为主，为了有效抑制其传播配套应用了带有屏蔽层的电缆。

3.3 结构设计

该装置中的数控系统有两套，因而在引荐结构中设置了两套SIMATICS7-300模块，通过MPI总线连接后，两个数控系统可以进行联用，虽然从应用效果上看差强人意，但是实际的结构比较松散，而且使系统硬件趋于复杂化[4]。为了简化硬件结构，使其趋于紧凑，并对数字伺服轴进行更高效的控制，设计人员选择了其中的一套数控系统进行了优化，在模块优化方面将SIMATICS7-300模块改成了ANA模块，这样做实际上相当于更换了其中的一套数控系统。为了保障其数字伺服轴控制效果，配置了SIMDRIVE 611D数字驱动系统，由此也实现了ANA控制模拟伺服轴、SIMDRIVE 611D控制数字伺服轴的优化目标。另外，原系统设计方案下调姿时存在自动应答信号处理需求，需要进行数据传输以保障两个系统的同步使用。优化后简化了该系统，省去了数据传输环节与自动应答信号处理时开发配套软件的环节，而且有效降低了系统开发工作量与难度。

3.4 热设计

通过冗余设计、抗干扰设计、结构设计部分的优化处理，整个装置的电气控制系统优势得到了极大提升，一方面简化了控制过程，另一方面降低了软件开发难度，而且提高了装配装置的运行安全可靠性，尤其是状态监测与信号检测功能的配套设置，使装置的运行有了实际保障。但是，并没有解决整个装置连续运行过程中，发生温度超标后（包括温度过高或温度过低两种超标情况）给电子元器件造成的损害问题。经过分析，设计人员认为大量热量来自各模块，而模块冷却风扇并不能从整体上起到调节密闭电气控制柜温度的作用。因此，设计人员经过分析后，于控制柜中加装了一套温湿度传感器与空气循环系统及外部制冷系统，可以即时的根据内部热空气流动监测数据与温湿度数据，实时通过两大系统的自动控制进行控制柜中的空气交换，以及制冷控制。从而起到了对高温条件、低温条件的双重控制目标。

4 结束语

总之，现代机电设备通过一体化与集成化发展，其装置中增强了对电气控制系统的应用。由于此类装置的应用频率高、系统控制自动化水平较高，受到温度、电磁干扰、运维管理等主客观因素影响后，会降低其使用效果。因此，在新时期工业企业向着高质量目标努力奋斗的过程中，应该增强系统优化意识，在充分解析机电一体化装置结构与原理的基础上，选择科学的优化思路，在确定优化目标后开展有利于解决现实问题的优化措施。建议采用具体问题，具体分析，针对性解决的基本思路，加强冗余、抗干扰、热设计，提升其应用效果。