【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學(xué)研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學(xué)Berkeley分校研制出第一個微電機(jī)以來，國內(nèi)外在MEMS工藝、材料以及微觀機(jī)理研究方面取得了很大進(jìn)展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構(gòu)件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機(jī)器人等）。7集成化集成化既包含各種技術(shù)的相互滲透、相互融合和各種產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與復(fù)合，又包含在生產(chǎn)過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)的自動化與高效率，應(yīng)使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調(diào)而又安全地運轉(zhuǎn)，然后再通過軟、硬件將各個層次有機(jī)地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強(qiáng)。8帶源化是指機(jī)電一體化產(chǎn)品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機(jī)電一體化產(chǎn)品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。9 綠色化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質(zhì)豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護(hù)環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲中應(yīng)運而生。綠色產(chǎn)品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調(diào)而可再生利用的產(chǎn)品。在其設(shè)計、制造、使用和銷毀時應(yīng)符合環(huán)保和人類健康的要求，機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束時，產(chǎn)品可分解和再生利用。在鋼鐵企業(yè)中，機(jī)電一體化系統(tǒng)是以微處理機(jī)為核心，把微機(jī)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)通訊、顯示裝置、儀表等技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，采用組裝合并方式，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合一體化創(chuàng)造有力條件，增強(qiáng)系統(tǒng)控制精度、質(zhì)量和可靠性。機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中主要應(yīng)用于以下幾個方面： 1 智能化控制技術(shù)(IC)由于鋼鐵工業(yè)具有大型化、高速化和連續(xù)化的特點，傳統(tǒng)的控制技術(shù)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(shù)。智能控制技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，智能控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、控制、設(shè)備與產(chǎn)品質(zhì)量診斷等各個方面，如高爐控制系統(tǒng)、電爐和連鑄車間、軋鋼系統(tǒng)、煉鋼———連鑄———軋鋼綜合調(diào)度系統(tǒng)、冷連軋等。2 分布式控制系統(tǒng)(ＤCS)分布式控制系統(tǒng)采用一臺中央計算機(jī)指揮若干臺面向控制的現(xiàn)場測控計算機(jī)和智能控制單元。分布式控制系統(tǒng)可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術(shù)的發(fā)展，分布式控制系統(tǒng)的功能越來越多。不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，而且還可以實現(xiàn)在線最優(yōu)化、生產(chǎn)過程實時調(diào)度、生產(chǎn)計劃統(tǒng)計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統(tǒng)。ＤCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統(tǒng)可以擴(kuò)展、維護(hù)方便、可靠性高等特點。ＤCS是監(jiān)視集中控制分散，故障影響面小，而且系統(tǒng)具有連鎖保護(hù)功能，采用了系統(tǒng)故障人工手動控制操作措施，使系統(tǒng)可靠性高。分布式控制系統(tǒng)與集中型控制系統(tǒng)相比，其功能更強(qiáng)，具有更高的安全性。是當(dāng)前大型機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要潮流。開放式控制系統(tǒng)(OCS)開放控制系統(tǒng)(Open Control System)是目前計算機(jī)技術(shù)發(fā)展所引出的新的結(jié)構(gòu)體系概念?！伴_放”意味著對一種標(biāo)準(zhǔn)的信息交換規(guī)程的共識和支持，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統(tǒng)通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)使各種控制設(shè)備、管理計算機(jī)互聯(lián)，實現(xiàn)控制與經(jīng)營、管理、決策的集成，通過現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制室的控制設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)測量與控制一體化。計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)鋼鐵企業(yè)的CIMS是將人與生產(chǎn)經(jīng)營、生產(chǎn)管理以及過程控制連成一體，用以實現(xiàn)從原料進(jìn)廠，生產(chǎn)加工到產(chǎn)品發(fā)貨的整個生產(chǎn)過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業(yè)已基本實現(xiàn)了過程自動化，但這種“自動化孤島”式的單機(jī)自動化缺乏信息資源的共享和生產(chǎn)過程的統(tǒng)一管理，難以適應(yīng)現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的要求。未來鋼鐵企業(yè)競爭的焦點是多品種、小批量生產(chǎn)，質(zhì)優(yōu)價廉，及時交貨。為了提高生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、減少人員及現(xiàn)有庫存，加速資金周轉(zhuǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理整體優(yōu)化，關(guān)鍵就是加強(qiáng)管理，獲取必須的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)的競爭力。美國、日本等一些大型鋼鐵企業(yè)在20世紀(jì)80年代已廣泛實現(xiàn)CIMS化。5 現(xiàn)場總線技術(shù)(ＦBT)現(xiàn)場總線技術(shù)(Ｆieｄ Bus Technology)是連接設(shè)置在現(xiàn)場的儀表與設(shè)置在控制室內(nèi)的控制設(shè)備之間的數(shù)字式、雙向、多站通信鏈路。采用現(xiàn)場總線技術(shù)取代現(xiàn)行的信號傳輸技術(shù)(如4～20mA，ＤC直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現(xiàn)場儀表裝置與更高一級的控制系統(tǒng)之間在共同的通信媒體上進(jìn)行雙向傳送。通過現(xiàn)場總線連接可省去66%或更多的現(xiàn)場信號連接導(dǎo)線?，F(xiàn)場總線的引入導(dǎo)致ＤCS的變革和新一代圍繞開放自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總線化儀表，如智能變送器、智能執(zhí)行器、現(xiàn)場總線化檢測儀表、現(xiàn)場總線化PLC(Programmable Logic Controller)和現(xiàn)場就地控制站等的發(fā)展。6 交流傳動技術(shù)傳動技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中起作至關(guān)重要的作用。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展非常迅速。由于交流傳動的優(yōu)越性，電氣傳動技術(shù)在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使復(fù)雜的矢量控制技術(shù)實用化得以實現(xiàn)，交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能已達(dá)到和超過直流調(diào)速水平。現(xiàn)在無論大容量電機(jī)或中小容量電機(jī)都可以使用同步電機(jī)或異步電機(jī)實現(xiàn)可逆平滑調(diào)速。交流傳動系統(tǒng)在軋鋼生產(chǎn)中一出現(xiàn)就受到用戶的歡迎，應(yīng)用不斷擴(kuò)大。第四篇機(jī)電一體化系統(tǒng)可分為機(jī)械和微電子系統(tǒng)兩大部分,各部分連接須具備一定條件,這個聯(lián)系條件通常稱為接口。各分系統(tǒng)又由各要素(子系統(tǒng))組成。本文以機(jī)電一體化控制系統(tǒng)(微電子系統(tǒng))為例,將接口分為人機(jī)與機(jī)電接口兩大類。一、機(jī)電接口由于機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大差別,兩者間的聯(lián)系須通過機(jī)電接口進(jìn)行調(diào)整、匹配、緩沖,因此機(jī)電接口起著非常重要的作用:(1)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大。一般微機(jī)的I/O芯片都是TTL電平,而控制設(shè)備則不一定,因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。另外,在大負(fù)載時還需要進(jìn)行功率放大。(2)抗干擾隔離。為防止干擾信號的串入,可以使用光電耦合器、脈沖變壓器或繼電器等把微機(jī)系統(tǒng)和控制設(shè)備在電器上加以隔離。(3)進(jìn)行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)被控對象的檢測和控制信號為模擬量時,必須在微機(jī)系統(tǒng)和被控對象之間設(shè)置A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,以保證微機(jī)所處理的數(shù)字量與被控的模擬量之間的匹配。模擬信號輸入接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,反映被控對象運行狀態(tài)信號是傳感器或變送器的輸出信號,通常這些輸出信號是模擬電壓或電流信號(如位置檢測用的差動變壓器、溫度檢測用的熱偶電阻、溫敏電阻、轉(zhuǎn)速檢測用的測速發(fā)電機(jī)等)計算機(jī)要對被控對象進(jìn)行控制,必須獲得反映系統(tǒng)運行的狀態(tài)信號,而計算機(jī)只能接受數(shù)字信號,要達(dá)到獲取信息的目的,就應(yīng)將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的接口——模擬信號輸入接口。模擬信號輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,控制生產(chǎn)過程執(zhí)行器的信號通常是模擬電壓或電流信號,如交流電動機(jī)變頻調(diào)速、直流電動機(jī)調(diào)速器、滑差電動機(jī)調(diào)速器等。而計算機(jī)只能輸出數(shù)字信號,并通過運算產(chǎn)生控制信號,達(dá)到控制生產(chǎn)過程的目的,應(yīng)有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號的接口——模擬信號輸出接口。任務(wù)是把計算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號,以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器,達(dá)到控制對象的目的。模擬信號輸出接口一般由控制接口、數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)和功率放大器幾部分構(gòu)成。開關(guān)信號通道接口。機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,需要經(jīng)常處理一類最基本的輸入/輸出信號,即數(shù)字量(開關(guān)量)信號包括:開關(guān)的閉合與斷開。指示燈的亮與滅。繼電器或接觸器的吸合與釋放。電動機(jī)的啟動與停止。閥門的打開與關(guān)閉等。這些信號的共同特征是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中,對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)碼的每一位都可以代表生產(chǎn)過程中的一個狀態(tài),此狀態(tài)作為控制依據(jù)。(1)輸入通道接口。開關(guān)信號輸入通道接口的任務(wù)是將來自控制過程的開關(guān)信號、邏輯電平信號以及一些系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)信號傳送給計算機(jī)。這些信號實質(zhì)是一種電平各異的數(shù)字信號,所以開關(guān)信號輸入通道又稱為數(shù)字輸入通道(DI)。由于開關(guān)信號只有兩種邏輯狀態(tài)“ON”和“OFF”或數(shù)字信號“1”和“0”,但是其電平一般與計算機(jī)的數(shù)字電平不相同,與計算機(jī)連接的接口只需考慮邏輯電平的變換以及過程噪聲隔離等設(shè)計問題,它主要由輸入緩沖器、電平隔離與轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路等組成。(2)輸出通道接口。開關(guān)信號輸出通道的作用是將計算機(jī)通過邏輯運算處理后的開關(guān)信號傳遞給開關(guān)執(zhí)行器(如繼電器或報警指示器)。它實質(zhì)是邏輯數(shù)字的輸出通道,又稱為數(shù)字輸出通道(DO)。DO通道接口設(shè)計主要考慮的是內(nèi)部與外部公共地隔離和驅(qū)動開關(guān)執(zhí)行器的功率。開關(guān)量輸出通道接口主要由輸出鎖存器、驅(qū)動器和輸出口地址譯碼電路等組成。二、人機(jī)接口人機(jī)接口是操作者與機(jī)電系統(tǒng)(主要是控制微機(jī))之間進(jìn)行信息交換的接口。按照信息的傳遞方向,可以分為輸入與輸出接口兩大類。機(jī)電系統(tǒng)通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運行參數(shù)及結(jié)果等信息。另一方面,操作者通過輸入接口向機(jī)電系統(tǒng)輸入各種控制命令,干預(yù)系統(tǒng)的運行狀態(tài),以實現(xiàn)所要求的功能。輸入接口。(1)撥盤輸入接口。撥盤是機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見的一種輸入設(shè)備,若系統(tǒng)需要輸入少量的參數(shù),如修正系數(shù)、控制目標(biāo)等,采用撥盤較為方便,這種方式具有保持性。撥盤的種類很多,作為人機(jī)接口使用最方便的是十進(jìn)制輸入、BCD碼輸出的BCD碼撥盤。BCD碼撥盤可直接與控制微機(jī)的并行口或擴(kuò)展口相連,以 BCD碼形式輸入信息。(2)鍵盤輸入接口。鍵盤是一組按鍵集合,向計算機(jī)提供被按鍵的代碼。常用的鍵盤有:1)編碼鍵盤,自動提供被按鍵的編碼(如ASCII碼或二進(jìn)制碼)。2)非編碼鍵盤,僅僅簡單地提供按鍵的通或斷(“0”或“1”電位),而按鍵的掃描和識別,則由設(shè)計的鍵盤程序來實現(xiàn)。前者使用方便,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。后者電路簡單,便于設(shè)計。輸出接口。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,發(fā)光二極管顯示器(LED)是典型的輸出設(shè)備,由于LED顯示器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、壽命長、價格便宜,因此使用廣泛。常用的LED顯示器有7段發(fā)光二極管和點陣式LED顯示器。7段LED顯示器原理很簡單,是同名管腳上所加電平高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯示不同字形的。點陣式LED顯示器一般用來顯示復(fù)雜符號、字母及表格等,在大屏幕顯示及智能化儀器中有廣泛應(yīng)用。第五篇機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)投入工業(yè)應(yīng)用環(huán)境運行時，系統(tǒng)總會受到電網(wǎng)、空間與周圍環(huán)境干擾。若系統(tǒng)抵御不住干擾的沖擊，各電氣功能模塊將不能進(jìn)行正常的工作，微機(jī)系統(tǒng)往往會因干擾產(chǎn)生程序“跑飛”，傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅(qū)動模塊將會輸出畸變的驅(qū)動信號，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作失常，最終導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。干擾源從干擾竄入系統(tǒng)的渠道來看，系統(tǒng)所受到的干擾源分為供電干擾、過程通道干擾、場干擾等。（1）供電干擾大功率設(shè)備會造成電網(wǎng)的嚴(yán)重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度地漲落、浪涌，大功率開關(guān)的通斷，電動機(jī)的啟停等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)很高的尖峰脈沖干擾。據(jù)統(tǒng)計，電源的投入、瞬時短路、欠壓、過壓、電網(wǎng)竄入的噪聲引起CPU誤動作及數(shù)據(jù)丟失占各種干擾的90％以上。（2）過程通道干擾過程通道干擾主要來源于長線傳輸。當(dāng)系統(tǒng)中有電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者傳感器測量部件絕緣不好等；及各通道的傳輸線如果處于同根電纜或捆扎在一起，尤其是將信號線與交流電源線處于同一根管道時，產(chǎn)生的共?；虿钅ｋ妷憾?