金屬機械電子控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

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摘要：為提高金屬機械的工作效率和操作易用性，開展金屬機械中的電子控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究。通過對系統(tǒng)硬件中的傳感器和控制器，設(shè)計出一種簡便易用的電子控制系統(tǒng)。實驗證明，新的電子控制系統(tǒng)控制過程所需時間更短，因此可以有效提高金屬機械的工作效率。

關(guān)鍵詞：金屬機械；電子；控制；系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)對于生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量要求逐漸提高，金屬機械作為生產(chǎn)設(shè)備中的重要工具，對其要求不再只局限于性能上，金屬機械的安全性、操作簡便性、工作效率也成為了重要的評價標(biāo)準(zhǔn)。電子控制系統(tǒng)是以智能化為核心，采集金屬機械的相關(guān)信號，經(jīng)過不同的控制單元對金屬機械進行控制，實現(xiàn)全自動操作的設(shè)備，是智能化工廠的關(guān)鍵組成。本文設(shè)計一種全新的金屬機械電子控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展需求。

1金屬機械中的電子控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

金屬機械中的電子控制系統(tǒng)硬件主要包括三部分，分別為傳感器、控制器和執(zhí)行器[1]。其相互之間的關(guān)系為：傳感器精準(zhǔn)獲取狀態(tài)信息，并向控制器發(fā)送輸入信號；控制器處理輸入信號，根據(jù)給定方式處理數(shù)據(jù)，向執(zhí)行器發(fā)送控制信號；執(zhí)行器根據(jù)控制器的控制信號，執(zhí)行相應(yīng)動作。再對三者進行細(xì)分，傳感器包括按鈕開關(guān)、拉力傳感器、電機轉(zhuǎn)速傳感器以及傾角傳感器等?？刂破饔挚煞譃檩斎?、輸出接口、核心控制器以及網(wǎng)絡(luò)端口等。執(zhí)行器可分為狀態(tài)輸出指示燈、報警器以及伺服電機等。1.1傳感器設(shè)計。傳感器是用于獲取金屬機械運行狀態(tài)的主要途徑，傳感器類型的選擇由金屬機械的狀態(tài)決定，首先明確所需的運行狀態(tài)，針對狀態(tài)類型對傳感器進行選取。傾角傳感器是用于計算金屬機械拉力的重要參量，若沒有傾角傳感器，系統(tǒng)將無法準(zhǔn)確判定當(dāng)下機械運行的環(huán)境，為了保證在規(guī)定的范圍內(nèi)，產(chǎn)生最大的金屬機械拉力，不僅會增加電能的消耗，同時還會加速控制系統(tǒng)的磨損速度，降低控制系統(tǒng)的使用壽命。但通過傾角傳感器獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，只需要控制系統(tǒng)給金屬機械一個大于制動的拉力值即可。不僅不需要達到金屬機械的極限拉力，同時還可以有效提高控制系統(tǒng)的效率。1.2控制器設(shè)計。金屬機械的電子控制系統(tǒng)其核心為嵌入式系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)是指向被控對象，嵌入到實際應(yīng)用的系統(tǒng)當(dāng)中，從而實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機系統(tǒng)。電子控制系統(tǒng)的核心為，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)同下，控制金屬機械運行的電子控制系統(tǒng)。處理器的CPU內(nèi)核選用CIP-51核，其控制指令的周期按照時鐘周期為準(zhǔn)，指令集中度約為60%的指令在一到兩個時鐘周期內(nèi)完成。工作環(huán)境周圍的溫度在零下30℃到零上120℃之間，工作電壓為1.6V~5.5V，內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲器為4352字節(jié)，可以支持輸入為8V的模擬信號，以及6個32位通用定時器。

2金屬機械中的電子控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1軟件開發(fā)環(huán)境的選擇。對于電子控制系統(tǒng)，其軟件的運行環(huán)境選擇在電子控制單元以及微控制單元中。電子控制單元選用MCS-51指令集的單片機系統(tǒng)，為了提升本文設(shè)計的控制系統(tǒng)的工作效率，因此選用集成開發(fā)環(huán)境，匯編器以及連接器內(nèi)部的核心工具選用KeilC51工具，從而降低系統(tǒng)程序編寫的復(fù)雜程度。2.2通訊設(shè)計。控制器域網(wǎng)通信總線選用廣播的方式進行傳輸，利用標(biāo)識符進行區(qū)分，設(shè)定標(biāo)識符越小，優(yōu)先級越高的原則，能夠有效對報文進行濾波，利用循環(huán)冗余校驗的方法進行系統(tǒng)的錯誤檢驗[2]?？刂破饔蚓W(wǎng)報文可分為遠程幀、數(shù)據(jù)幀以及出錯幀，根據(jù)實際情況中不同的需要，選擇不同類型的報文?？刂破饔蚓W(wǎng)通信包括標(biāo)識符定義、波特率設(shè)定、數(shù)據(jù)的打包和解包。這一部分必須與金屬機械整體中的其它通訊模塊相互對應(yīng)，才能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的通訊功能。在對控制系統(tǒng)進行調(diào)試的過程中，為了更加直觀的獲取到金屬機械的內(nèi)部狀態(tài)信息，在控制系統(tǒng)中增設(shè)了兩組數(shù)據(jù)幀，用于發(fā)送控制系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)內(nèi)部狀態(tài)信息最終會發(fā)送到連接在金屬機械設(shè)備上行的監(jiān)視調(diào)節(jié)設(shè)備上，從而判斷控制系統(tǒng)是否能夠正確捕獲金屬機械信息，是否按照控制系統(tǒng)的相關(guān)控制指令做出準(zhǔn)確的指令動作。2.3數(shù)字濾波設(shè)計。由于金屬機械的工作環(huán)境十分惡劣，因此對于信號進行濾波處理是十分有必要的，通過濾波處理可以有效減少外界環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響。因此，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性運行，在軟件設(shè)計當(dāng)中增加對數(shù)字濾波的設(shè)計。濾波處理主要可分為兩部分，一是對按鈕檢測進行濾波處理：為了防止由于操作失誤造成的抖動而被控制系統(tǒng)認(rèn)為是多次操作的問題發(fā)生，在系統(tǒng)中設(shè)置去抖動濾波程序。以3ms為一個時間間隔，若進行連續(xù)采樣的過程中有30個使能電平，則認(rèn)為該操作為正常按鍵操作；若在30次內(nèi)，有任意一次采樣為非使能電平，則認(rèn)為該操作為非正常按鍵操作，放棄本次查詢結(jié)果，重新進入初始化查詢程序，進行再次查詢。二是模擬信號的采樣濾波處理：控制系統(tǒng)中的模擬信號包括拉力傳感器信號以及傾角信號。由于兩種信號類型的應(yīng)用環(huán)境不同，因此受到的影響也是不同的。拉力傳感器信號位于控制系統(tǒng)的內(nèi)部，因此受到的影響相對較小，可以選用數(shù)學(xué)算法中的算數(shù)平均值的方式對其進行濾波處理。而傾角信號相對復(fù)雜，因此選用一種新興的數(shù)字濾波的方式，對其進行濾波處理。這種方法不僅可以提高傳統(tǒng)濾波的精確度，同時還可以在系統(tǒng)的程序中對濾波閾值進行隨意的修改，克服傳統(tǒng)濾波器的缺點。

3仿真測試

為了驗證本文設(shè)計的電子控制系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行仿真對比實驗。利用虛擬平臺構(gòu)建兩個完全相同的金屬機械，并用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)分別對金屬機械進行控制，分別發(fā)出5組完全相同的指令信息，比較兩個金屬機械完成該指令的時間，并記錄在表1實驗結(jié)果中。通過仿真測試及實驗結(jié)果可以看出，本文控制系統(tǒng)在對金屬機械的相應(yīng)動作指令進行控制過程中，完成相應(yīng)控制指令所消耗的時間明顯比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)短，滿足電子控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，因此更具有實際的應(yīng)用價值。

4結(jié)語

通過本文對電子控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，可以有效提高金屬機械的工作效率。但對于控制系統(tǒng)中的硬件可靠性以及使用壽命還有待進行進一步的檢測，目前階段僅對控制系統(tǒng)的功能進行測試研究，后續(xù)還將對系統(tǒng)中的各元件進行測試才能驗證控制系統(tǒng)是否可以進行批量的生產(chǎn)和制造。

作者:張建國 單位:甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院