时间：2022-02-04 05:14:49
序论：在您撰写机电系统设计时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
Abstract: This paper introduces the basic overview of mechatronics technology and development background, and describes the mechatronics design approaches and key elements.
关键词:机电一体化;传感器;发展趋势
Key words: mechatronics;sensor;development trend
中图分类号:TH122 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)11-0084-03
0 引言
现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
1机电一体化认识
日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
2机电一体化的设计过程
机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。
机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。
机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。
2.1 机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。
2.2 机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。③最优化: 就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ・S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。
3传感器和变换器
仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。
实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。
4A/D,D/A转换
在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。
数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。
一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。
4.1 传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。
4.2 A/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx
4.3 D/A转换器的原理D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。
5机电一体化综述
机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。
6机电一体化的发展趋势
1机电系统设计课程教学中的问题
对于机电系统设计这门课程而言，其教学的问题大致可以分为教学内容的问题以及教学方式的问题，本文从这两个方面对其中的主要问题进行分析。
1.1教学内容的问题
在现有的机电系统设计课程当中，其内容存在着一定的混乱性以及单一性，首先对于机电系统设计课程的教材而言，有着不同的版本，并且每一版本当中的内容分布都不相同，甚至有些内容本身都不同，并且对于机电系统设计知识的讲解深度也有着一定的差别，这就意味着，如果在教师水平相当的情况下，不同教材内容下培养出来的学生能力也会有着一定的差距，这对于学生未来的发展极为不利，因为机电系统设计课程学习越来越深入之后，学生的差距就会越来越大，到后来的实际运用过程当中，学生的实践能力也会由于理论支撑的差距而产生差距，一部分学生会面临淘汰的威胁。另外一点就是课程杂乱无章，比如其课程当中包含着微机控制、数控技术、计算机技术、机电系统设计是机电学当中的主要课程，在机电系统设计课程的教学当中，一直将机电系统设计作为一门主干课程进行教学。机电系统设计是一门综合性与实践性比较强的课程，其对于学生的实践能力要求比较高，而在传统的教学方式下学生并不能通过课本当中的基础看到本质，机电系统设计课程的教学改革已经势在必行，本文从目前机电系统设计课程当中所存在的问题出发，分析其具体的教学改革的方式。
1.2教学方法的问题
首先教学方式的问题可以分为传统教学方式的问题与现代教学方式的问题，在传统的教学方式当中，教师往往采取教师讲，学生听的方式，这种方式学生仅仅是被动的吸取知识，并且对于理论知识的理解程度并不代表着实践运用能力的程度。而机电系统设计是一门实践性要求比较高的课程，所以在教学的过程当中，其教学方法一定要围绕学生的实践性出发，这种传统的教学方式不仅不能培养学生的实践能力，还会因为枯燥的理论学习使得学生失去学习兴趣。另外一方面在现代教学方法的普及下，在教学领域当中的科技成分越来越高，大量多媒体教学工具、实践机械教学工具、投影仪等教学工具的使用使得教学效率提高，原本需要三个课时的教学内容教师在PPT的讲解方式下只需要一个课时，虽然提高教学进度，但是忽视了学生的接收能力与对知识的理解能力，从根本上来说并没有提高教学效果。
2机电系统设计课程教学改革策略
根据上文当中所提出的问题进行分析，探究在面对以上教学问题的情况下如何进行机电系统设计教学改革。
2.1优化教学内容
首先针对教学体系而言，需要对机电系统设计这门课程的教材内容进行整合设计，整体而言可以将教材的内容分布进行三个阶段的设置，首先是理论基础知识阶段，让学生认识机电系统设计这一项目的原理。第二个阶段就是将理论与实际相结合，也就是结合实际的案例，让学生进一步的认识机电系统设计这门课程的原理。最后一部分就是组织实践活动，让学生根据所学习的知识进行具体的实践，用实践来充分论证自己所学习的理论知识。另外一方面就是将教材内容进行合理的分配，也就是说要按照具体的机电系统设计程序来安排教学程序，并且注重知识点之间的连续性，将电子技术、计算机技术、检测技术、数控技术、液压技术进行结合，比如数控技术与计算机技术、电子技术可以运用在机械自动化操作上而检测技术、液压技术与电子技术则可以运用在监控系统上，并且对制动技术进行结合教学。按照时间将知识进行分类教学，增强课程知识点的连续性。
2.2教学方法的改善
教学方法的改善要从课堂教学与实践教学两个方面着手，首先对于课堂教学而言，需要注重学生的知识接收递进性，循序渐进的接触新知识，另外要充分利用现代技术，将多媒体技术与课堂教学相结合，但是要在保证学生理解知识的情况下提高教学效率。并且在对学生进行教学的过程当中，最终要的是培养学生的学习思维，特别是对于机电系统设计这门课程的教学，首先运用丰富的网络教学资源，结合实际教学案例，对其进行教学，让学生通过了解、思考、判断、提出问题、分析问题、解决问题的方式，进行学习，增强学生的思维能力。在实践教学当中，教师要脱离课堂将学生带到具体的机械车床前进行教学，对于机电系统的构造以及运作原理进行教学，并且在教学过后让学生自己动手实践，教师在一旁充当引导者的角色，提高学生的实践动手能力。
3结语
在机电系统设计这门课程的教学当中，首先要根据教学内容与教学方式进行着手，分析其中的问题，并且在教学内容当中，从教学内容的配置与教学内容整体性出发，解决其问题，而教学方式则通过实践教学与理论教学两个方面分析其解决策略，促进机电系统设计课程教学改革。
作者:黄安 曾军华 单位:江西应用工程职业学院
参考文献
[1]陈晓东.机电系统设计课程教学改革研究[J].价值工程,2012,31(17):281-282.
[2]王昊,王化更,谢飞等.以项目教学驱动机电系统设计课程教学改革[J].教育教学论坛,2015(01):87-88.
关键词：地铁机电设备监控系统(BAS)；系统结构及监控对象、监控功能；分析
1地铁机电设备监控系统
为了满足轨道交通的运营要求，在车站设置了保障正常运营的照明设备、通风空调设备、给排水设备、屏蔽门系统、自动扶梯、FAS火灾自动报警、售票系统等机电设备；在紧急状态的报警、乘客疏散、救灾等的要求，轨道交通车站还设置了火灾报警系统、水消防系统、气体灭火系统、防排烟系统、防烟设备等机电设备和系统。为了实施这些系统和设备相互间的有序联动控制和监视，在轨道交通线上设置了称之为“环境与设备监控系统”（ Building Automatic System-BAS）的自动控制系统，形成了一个强大的轨道交通运营保障系统。下面是设备监控系统图：详见图一
BAS系统将现代科技的计算机及网络技术结合机电设备自动化控制原理，以专门的地铁环境通风空调及防灾处理等理论为基础的自动化控制系统，利用分布式微机监控系统对地铁车站及区间隧道内的空调通风、给排水、照明、电梯、自动扶梯、导向标识等机电设备进行全面的运行管理与控制，在发生火灾或列车阻塞等事故情况时，能够及时迅速地进入防灾运行模式，根据火灾报警系统发送的着火点信息或列车自动控制系统发送的阻塞点信息自动调度送风和排风，进行通风排烟，引导人员疏散，极大地提高地铁运营的智能化和安全性。系统以节能为特色，综合考虑列车、客流、车站设备、通风等影响空调通风系统负荷的各种因素，根据地铁热环境变化的规律，对空调通风系统的全年运行方式自动进行调整。
2系统结构及监控对象、监控功能
地铁机电设备监控系统主要包括地铁中央控制室OCC中央控制系统、车站MU控制系统、各站点通风系统、照明系统和给排水系统、导向标识系统、电梯、自动扶梯等设备自动控制等系统
控制系统采用多层网络结构，大概可以分为三层，第一层包括装置感应器、执行机构和照明控制系统，使用现场网络连接所有的现场设备。第二层含操作站和分站，即具体应用控制器或自动化站／设备的网络。即车站MV系统，第三层是管理层及其广域网络。即中央控制中心(OCC)及地铁公共传输网。采用TCP／IP协议通讯。车站为ControlNET光纤环网，实时数据通信，分布式控制。
2.1监控对象、监控功能
地体人线路的照明系统的控制是根据地铁运行时间具体要求，通过照明回路的开启、关闭时间的设定对车站及隧道内的照明进行精确的控制，达到节能目的。监控对象有：工作照明、广告照明和节电照明等。监控的主要功能有：工作照明、广告照明和节电照明的启停控制。除了地铁运行启停时间对车站及隧道照明的控制，在非高峰运行时段，可停止工作照明部分
通风系统是BAS系统的主要组成部分，用来保证地铁车站及隧道内的环境温湿度条件及改善环境对乘客感受舒适度影响。监控对象有：1、隧道通风系统：隧道风机，组合风阀，并监测隧道的温、湿度。2、空调通风系统：制冷机组、空调机组、回排风机、以及送风、回风及公共区的温湿度。3、空调水系统：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、水路的电动蝶阀，并检测温度、压力和流量等。监控的主要功能有：①机组定时启停控制。根据事先排定的工作时间表定时启停机组，自动统计机组工作时间，提示定时维修。②联锁保护控制。风机启动后，其前后压差过低时，故障报警并联锁停机；风机停止后，新、回风风门、电动调节阀、电磁阀自动关闭；盘管处设温控开关，当温度过低时开启热水阀。③送回风温度控制。自动调节冷水阀开度，保证送回风温度为设定值。④送回风湿度控制。自动控制加湿阀开闭，保证送回风湿度为设定值。⑤过滤器堵塞报警。空气过滤器两端压差过大时报警，提示清扫。⑥冷负荷计算与冷水机组控制。⑦冷冻水差压控制。根据冷冻水供回水压差，自动调节旁通调节阀，保持供水压差恒定。⑧冷却水温度控制。根据冷却水温度，自动控制冷却塔风机的运行方式及启停台数。⑨机组运行参数的自动显示、定时打印及故障记录
给排水系统，根据站内用水量及各排水点水位状况自动控制设备进行管理工作。监控对象有：废水、污水及车站其他排水泵，水池、水箱的液位。监控的主要功能有：1、水位自动控制。排水水位高于启泵水位时，自动起动排水或排污泵；水位低于停泵水位时自动停泵；水位高于报警水位时起动备用泵；2、设备启停控制；3、参数检测及报警
电梯、自动扶梯：车站自动扶梯和无机房电梯运行监视和紧急报警
导向标识系统，提供引领乘客进入车站、乘车和离开车站的信息，紧急疏散时能引导乘客顺利离开危险区域并最终离开车站。监控对象为：各类群控、单控导向标识牌正常及紧急情况下的运行。监控的主要功能有：1、群控标识牌的进、出方向显示，启停控制。2、单控标识牌的启停控制
分析
构成BAS系统的不同层级所完成的功能是不一样的，通过各级的有机配合，最终实现BAS的整体功能：
1、中央级功能
中央级监控系统是整个BAS系统的监控核心，其功能设计应面向地铁运营和维护，突出日常调度和防灾指挥功能，支持全局性的监控和管理，并实现用于调度和运营管理的数据设置、关键设备（隧道风机等）的摇控、组控及模式控制等功能，为环调及维调提供用于运营管理的、全局性的、并且可实现区域性监控操作的各类高效实用的监控手段。
2、车站级功能
车站BAS系统可以是一个以车站为单位的相对独立的系统，从而完成车站BAS功能。车站BAS系统功能的主要目的是：
3、就地级功能
1）信号采集、转换及传输功能2）显示与诊断功能3）数据传输和协议转换功能4）单台设备控制功能5）联锁控制
结论：
关键词： 机电系统设计；工程实践；教学改革
0 引言
随着制造业和计算机软硬件技术的发展，传统的加工手段已经不能满足现在设备的高精度、高智能化要求。传统制造技术不断地吸收计算机技术、数控技术、测量传感技术、伺服传动技术、自动控制技术等，而且只有各部分之间相互结合，则产品的性能和功能就越好，只有实现多种技术的有机结合，才能实现整体最佳。这些技术就构成了机电一体化技术，因此，运用机电一体化技术设计机电设备或产品，改变机械产品与机械工业的面貌，满足社会和生活的物质要求，已成为工程设计人员的使命。要学好机电系统设计这门课不仅需要掌握多门学科的理论，而且需要把这些课程融汇通，有机结合。
1 机电系统设计课程教学中存在的问题
1.1 教材的问题 目前存在很多机电系统设计教材，内容不同，侧重点不同，深浅不一。由于该课程涉及机械、电子、计算机、伺服传动及检测技术等多项内容，教材中存在内容选定、案例安排、基本概念界定等方面是否科学、合理也值得商榷；甚至大量内容堆砌，把各种技术割裂开来讲，不能从整体性、关联性、集合性及环境适应性等方面入手，以系统工程的方法为指导，综合运用机、电、控等各学科的技术设计新型产品，造成和微机控制、数控技术、伺服驱动、检测技术等课程内容的简单重复，不能将这些技术有机结合，使这门课缺乏新鲜感，导致学生失去学习兴趣。另外，教材内容缺乏新颖性，例如，当前精度要求高的机电设备中的伺服驱动元件大都采用交流伺服电机或直流伺服电机，而教材中却重点在讲解步进电机的原理、驱动控制，对伺服电机草草带过，不作为重点讲解内容，教学内容严重滞后，和实际工程应用脱节。
1.2 教学方法的问题 长期以来，在机电系统设计的教学活动中，教师习惯运用的是“满堂灌”式的传统讲授教学法。注重具体技术的理论分析和讲解，忽视了所讲内容在工程实际的联系、培养学生解决实际问题的能力和实际操作的技能，不能使学生深切感受到机电一体化技术和日常生活中的机电产品的密切关系，感受机电系统学科的博大精深以及这门学科中处处蕴含的技术之美，严重影响了学生的学习兴趣和学习效果。
随着计算机、投影仪等先进设备在教学中的普及，使用多媒体教学成为课堂教学的大势所趋、必然选择，知识量明显加大，加之该课程设计内容广，容易造成教学速度过快，导致学生和老师互动较少，不利于调动积极性。
1.3 教师存在的问题 机电一体化技术具有的实践性、科学性、综合性、创新性的特点，意味着讲述这门课的教师也要具备实施工程教育的能力和素质。只有教师自身具备工程实践能力，才能用工程的视野去教学，才能将机电产品的开发、设计过程以系统的建造能力与讲授的课程相融合，为学生提供相关的案例，培养学生的工程意识，增强学生的工程实践能力，从而培养出更多未来的工程技术人员[1]。据统计，我国普通高校专任教师中符合“双师型”教师仅占16.3%[2]，其余青年教师大都从学校到学校，偏重理论知识的学习，从事工程实践的经历较少，因此在授课中不能引用在工程实践中积累的案例，更难讲授在工程中如何解决实际问题的过程。这些情况严重束缚了本学科多样性、实践性的发展。
2 机电系统设计教学改革思考
2.1 优化讲解内容，建立合理的课程内容体系 针对当前教材中存在内容堆砌、各种技术割裂、各模块安排杂乱的现象，在讲述课程中将内容重新安排，这重讲解机电系统的总体设计。总体设计是机电系统设计中的最重要环节，它的优劣直接影响系统的全部性能及使用情况，尤其是总体设计理论还处于经验状态时，如何使总体设计最佳化，充分体现现代设计方法成为重点。按照原理方案设计、结构方案设计、总体布局与环境设计这条主线延伸，进而对机电一体化系统的各组成要素、相关技术（如：机械技术、计算机信息技术、控制技术、传感器与检测技术、伺服传动技术等）及各组成部分之间通过什么接口有机的联系在一起进行重点分析讲解，重构了课程的内容体系和知识结构，使课程知识结构体系内容更具条理性、科学性。
2.2 实施多元化的教学方法
2.2.1 理论讲授与实践教学相结合 对机电系统中相关的基本概念、原理、设计方法主要采用讲授的方式讲解，提高学生的理论水平。另外，引导学生对日常生活中的机电产品进行设计，由学生查资料、制订方案，然后由师生讨论方案的可行性并加以修改，最后由学生完成产品设计，这样不仅培养了学生包括查文献、方案设计、方案修改的能力，还提高了学生的自学能力、分析设计能力。
2.2.2 案例法 在讲授的过程中通过“举例”，使用一些工程案例说明问题。使用案例的目的是为了说明所要阐述的理论，帮助学生理解，增强课堂讲授的趣味性。学生能通过对案例的“思考—分析—讨论—判断”，进而掌握所学理论如何在工程中应用，如何把理论和实际有机的结合起来，如何分析工程中环境的复杂性带来的干扰，采用什么方法加以解决，这些都是教材中很少提到，但在工程中常常遇到的问题，通过这些典型案例加深理解，增强理论联系实际的能力。
2.2.3 报告式教学 对一些教师自己参与过的典型案例作专题报告，同时邀请本校老专家走进课堂，把自己如何设计机电产品的过程以及亲身感受与学生分享，增强学生学习兴趣。
2.2.4 增加实践教学环节，以科研促教学 在实验教学内容中，大大增加了综合设计性实验和创新性实验的比例。对综合设计性实验，要求学生自行设计一个产品，既要反映出机电系统的各要素，又要反映出各要素之间的相互关系；对创新性研究实验，先由学生提出设计方案，教师审查确定其方案合理与可行后，由学生自行设计完成。
2.3 加强教师工程实践能力 机电系统具有很强的实践性，教师如果只具备扎实的理论知识而缺乏实践的经历是难以胜任这门课的教学工作的。因此，加强教师工程实践能力势在必行。可以通过校企合作，鼓励青年教师在具有丰富经验的老教师的带动下，以项目为驱动，积极参与企业的攻关课题，促进科研成果向生产力的转化，并且在参与工程实践项目的同时，拓展工程视野，提升团队合作能力[1]。
2.4 参与教师科研，提高学生实践能力 吸收学生参加教师的科研工作，充当科研助手，接受教师科研思想熏陶和科研方法的锻炼，通过参与提高从事科研的能力，培养作为一个科技工作者应具备的良好素质，为学生走向工作岗位奠定坚实的基础[3]。
3 结束语
在机电系统的教学过程中应通过各种形式让学生更深、更广、更远的了解本专业的特点、内容、发展。充分调动学生的主动性参与到工程实践中，才能在实践中培养出分析解决问题的能力，才能从系统的角度出发，深刻理解机电系统的各个部分之间是如何有机的联系在一起的，设计出更加优质的机电产品。
参考文献：
[1]惠效丽等.高等工科院校青年教师工程实践能力培养问题研究[J].教育科学，2010，6，[26]6-8.
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关键词：高速摄影；单片机；CPLD；转速测量
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018
引言
超高速摄影与一般摄影最根本的区别，在于它能以极快的速度进行拍摄，有很高的时间分辨率，能够将快速变化的过程记录下来，可以广泛应用于高速运动过程研究、瞬态光谱物理、高能物理、炸药爆轰参数测量等领域。
超高速摄影有超高速光电相机、转镜式超高速摄影等。转镜式高速摄影有较高的分辩力，转镜式高速摄影扫描系统的扫描速度可达0.375km/ s～15km/s，系统分辩力可达80lp/ mm，高速摄影分幅系统的摄影频率可达104fps～107fps，系统分辨力可达35lp/mm，可满足速度最高可达几十千米每秒的高速运动物体的测试需求。
转镜式超高速摄影系统是一个涉及光学、机械、电子等技术领域的复杂精密系统，主要由光学系统、机械系统和控制系统组成，这里主要对某项目中用到的转镜式超高速摄影系统的电路控制系统设计进行介绍。
超高速摄影电控系统设计
转镜式超高速摄影电路控制系统使高速摄影机各部分按程序工作，保证高速摄影机以500万帧/秒的速度准确可靠地高速拍摄。超高速摄影机电控系统是保证摄影机准确可靠工作、提供分析所需数据的指挥机构。控制系统性能的好坏是衡量高速摄影机质量的重要标志。
超高速摄影电路控制系统主要由控制箱、电源、计算机等组成。电控系统主要功能为：（1）快门开启和关闭的控制；（2）调整和控制转镜的旋转速度；（3）转镜旋转速度测量和指示；（4）引发脉冲光源；（5）安全保护功能，包括电机的过流保护、传感器断电保护等。超高速摄影电控系统工作流程示意如图1所示。
单片机ATMega16L通过RS485通信接受计算机的指令并完成对其它各个分系统的实时控制。电机脉冲信号放大板将转镜转速测量板的信号放大并送给CPLD逻辑电路XC95288进行测速，并与转镜速度控制单元的测速值进行比较，用于判断是否达到设定的速度；脉冲氙灯控制器用于开启脉冲氙灯和引发目标信号，机械快门控制单元实现对摄影机的保护，外部触发及同步信号单元用来获取外部的同步信号，并根据到达拍摄区域的时间确定零时信号。系统各控制模块（除电机控制器外）和电源等都装配在控制机柜中，并通过电缆与对应的快门、电机、氙灯、传感器和液晶显示模块等连接起来。
逻辑电路XC95288的功能设计
XC95288是Xilinx公司的在系统可编程CPLD器件，主要用来完成逻辑控制和转镜速度测量等功能，其控制的内容包括转镜速度和外部同步信号的读取、控制机械快门、脉冲氙灯以及触发目标，同时也控制MAX485等芯片实现与上位控制计算机的半双工通信。
XC95288与MAX485的连接电路如图3所示。
超高速摄影机需要将转镜加速到预定的拍摄速度，并能够维持数秒（维持时间不宜过长，否则将损坏电机），以等待拍摄目标的到来。因此要设定拍摄速度的自动选择环节，当转镜速度达到预定的转速时，它能自动给出信号以稳定电机转速。当摄影频率为500万帧/秒=5×106fps时，拍摄320个画幅对应转镜的旋转角度为120°，此时转镜转速n为：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。
为了测量电机转速是否达到设定的转动速度，这里设计一个速度测量电路，其参数如下：（a）频率测量范围：10Hz～1MHz；（b）测量分辨率：1Hz；（c）测量通道灵敏度：50mVpp；（d）通道输入阻抗：≥100kΩ。
（1）电机信号整形电路
电机转速输入的速度频率信号是方波，并且信号的测量通道灵敏度为50mVpp，为此需要将速度信号放大整形成标准的TTL电平的方波信号，便于XC95288对信号脉冲的计数，放大电路需要将最小为Vpp=50mV的信号经过放大整形后变成Vpp=5V电平，并且前向通道电阻≥100kΩ，则放大电路的电压放大倍数为：
第一级射级跟随器提高了输入阻抗，使其满足Ri≥100kΩ的要求，使得信号基本上送入后级，再经过两级的放大使信号放大，最后经施密特触发器整形成比较好的方波信号，为后面的处理提供信号。
（2）电机速度频率测量电路
XC95288主要实现对被测信号的脉冲个数进行处理，并通过串口发送到PC上进行实时显示。这里采用有源晶振40MHz进行分频得到计时标准时钟，标准时钟为电机速度频率测量提供精度相对较高的时基信号，其时间的稳定性和精度将会直接影响到测量的准确性。
用XC95288实现电机速度测量的电路结构如图5所示。
在XC95288内部电路中，F0、F1输入端口分别输入标准脉冲和待测的速度脉冲信号（经过整形放大以后的信号），计数器0和1分别对标准脉冲F0和待测信号F1进行计数，锁存器0和1分别对计数器0和1的计数值进行保存，16位的输入端口NP作为预置闸门时间的设定端口，设其输入值为NP，则预置闸门时间T0为T0=NP/f0。
在电路刚开始工作时，由清零信号CLR对所有的计数器、锁存器和D触发器清零。这样，计数器0的计数值NN0的初值为0，故此时NP>NN0，比较器输出为1，但此时DFF0触发器的输出F2仍保持此初值0，由于F2作用在计数器0和1的使能端，此时计数器没有开始计数，直到信号F1的上升沿到来后，DFF0触发器的输出F2才翻转为1，允许两计数器计数。随着计数值的增加，当NN0>NP时，比较器输出等于0，不过此时两个计数器仍在计数，直到信号F1的又一上升沿到来后，F2=0，两个计数器都停止计数，利用F2的下降沿（F3的上升沿）将此时的计数值NN0和NN1分别通过锁存器0和1锁存起来。然后利用此时F2=0，经D1触发器延时到信号F0的上升沿到来后，对计数器0、1清零。延时清零的原因是为了避免锁存器锁存数据与计数器清零同时进行，从而使存储数据出错。但由于延时清零，使实际门控信号的上升沿比速度信号F0的上升沿滞后，滞后时间为信号F0的一个周期。为使检测结果准确，将计数器0的计数值加1即可。F2实质上就是实际门控信号。
在设计电路时，需要考虑计数器溢出的情况。例如，在电机转速很慢的情况下，两个速度脉冲信号上升沿间的时间间隔较长，这使实际闸门时间变得很长，在该段时间内，计数器0可能会出现溢出情况。在该情况下，可用3种方法来解决计数：一是增加计数器0的位数；二是通过增加计数器来对溢出次数另行读数；三是一旦计数器溢出，便认为此时电机的转速约等于0。这里采用的方法是：在电机转速很慢的时候延时2秒种后再进行测量，而且计数器都采用16位宽度。
单片机ATMega16L的功能设计
ATMega16L单片机是ATMEL公司生产的高性能单片机，采用精简指令集，具有预取指令功能，指令可以在一个时钟周期内执行，处理速度快。在高速摄影电控系统中，ATMega16L单片机负责读取XC95288的电机测速值，处理控制内外信息的输入输出接口，并与上位控制计算机通过RS-485接口进行信息交互。
在软件编程时，利用ATMega16L单片机定时/计数器与系统时钟的预定比例分频器，可以获得很高分辨率的时间间隔控制精度，例如，单片机系统采用8MHz的晶振工作，采用8分频，则时间控制的间隔可以达到微秒，完全能够实现超高速摄影中要求的0.1微秒的控制精度。
这里给出一个ATMega16L单片机读取XC95288的电机测速值的C语言子程序。
结束语
根据以上电路设计的转镜式超高速摄影机电控系统，已在某系统超高速摄影机中得到应用，系统工作良好。
参考文献：
【关键词】机电一体化；控制技术；设计；应用方法
中图分类号：C35文献标识码： A
工业一直以来都是国民经济的主导产业，其不仅关系着国家经济的发展进程，也影响了整个社会科技的发展水平。新经济体制下，我国工业科技取得了新的研究成果，改变了过去单一的技术应用方案。机电一体化控制系统是工业经济中的先进模式，由于多种技术融入而提高技术的实用性，这些都能为企业发展创造有利的条件。
一、机电一体化系统的构成
从构成要素上来看，机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五个子系统组成。机电一体化系统的基本特征是给”机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制)，因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。
从所要实现功能上来看，因为机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，要有满足人们使用要求的功能(目的功能)，所以根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换(加工、处理)功能；②传递(移动、输送)功能；③储存(保持、积蓄、记录)功能,不管是实现哪类“目的”功能的系统(或产品)，其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能，即主功能、动力能功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)。
既然机电一体化系统(产品)可以分解成一系列要素或子系统构成，那么怎样使各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换呢?这就涉及到了接口的概念。所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件。从系统外部看，机电一体化系统的输入／输出是与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入／输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。广义的接口功能有两种，一种是输入／输出的功能；另一种是变换、调整的功能。
二、机电一体化控制系统的设计要点
随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器有了人性化、智能化。从企业角度分析，开辟新工业生产模式是行业科技的创新要求，也是实现经济收益最大化的必要条件。笔者认为，机电一体化控制系统设计应注重几大模块的控制：
（1）结构模块。机械本体是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等，这是机电系统控制的主要对象。设计一体化系统要考虑设备本身的结构设置，使机电、机械等设备发挥出预期的功效，这样才可以加快控制系统的功能发挥。
（2）动力模块。动力驱动部分依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。无论是哪一种类型的机械设备，都要借助动力系统才能正常地运转，这是机电一体化设计的主要内容。动力模块设计可选用变频调节技术，根据主电机传输能量的大小，由变频器自动控制电传动速率，进而对设备动力供应系统进行调节，这样能够方便机电系统的自动化运转。
（3）感知模块。测试传感部分对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。传感器是信息传递的主要设备，用其作为信号感应与自处理装置，对机电设备调度具有指导作用。无线传感技术的普及应用，能够帮助控制系统快速地分析数据信息，避免其他信号传递造成的干扰。
（4）指令模块。控制及信息处理部分将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。机电一体化控制系统设计应考虑指令的控制，尤其是自然语言与计算机语言之间的转换，更应该朝着一体化方向转变，这是保证机电信号稳定传输的重点条件。
三、机电一体化系统的相关关键技术
（1）机械技术：机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构及新型的制造工艺和工艺装置。
（2）传感检测技术：传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠地获取信息。
（3）信息处理技术：信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。
（4）自动控制技术：机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。
（5）伺服传动技术：伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。
（6）系统总体技术：机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。
四、机电一体化控制系统是工业生产调度的主要趋势，也是基于信息科技的自动化控制平台，用其作为工业生产控制模块，有助于加强生产设施的工作性能，带动了生产效率的全面提升。同时，借助控制及信息处理部分发出的指令，可快速完成规定的动作和功能。除此之外，新型机电控制系统应用还表现在其它方面：
（1）人机智能化。从未来科学技术的发展角度考虑，我国机电一体化控制系统也将朝着智能方向改进，这种智能性特点是在原控制模式上的升级，应用了多功能控制技术作为辅助方案。随着计算机应用技术的不断推广，机电一体化作业模式的智能系数更高，大部分人工操作均可通过计算机控制平台处理，这些改变了传统工业生产模式的不足。
（2）数字一体化。数字一体化是对机电一体化控制的延伸，其选用高科技数字系统作为支撑，对机电设备动作指令进行合理地调度，帮助工业系统解决实际生产中的问题。数字一体化以微型计算机为控制平台，这种小型计算机具备了常规计算机的数据处理功能，因其外形轻巧而适合安装于机电设备。利用数字传感器对控制系统实时感应，发现异常信号后及时调整指令，加快了数字系统的自处理效率。
参考文献
[1]丁子华.新时期多功能通信网络的设计与应用[J].工业科技研究.2009，20（12）：19～21
【关键词】地铁机电设备监控系统 设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
地铁车站设备监控系统( EMCS) 通过中央级、车站级和就地级三级对车站设备进行监控, 通过中央级和车站级进行系统管理。车站设备监控系统对全线各个车站的通风空调系统设备、给排水设备、自动扶梯、电梯、车站公共区照明、广告照明、车站事故照明电源、屏蔽门及人防密闭隔断门等车站设备进行全面、有效的自动化监控及管理，确保设备处于高效、节能、可靠的最佳运行状态，并创造一个舒适的地下环境，此外在火灾等灾害或阻塞事故状态下，能够更好地协调车站设备的运行，充分发挥各种设备应有的作用来保证乘客的安全和设备的正常运行。
一、系统设置目的
地下铁路作为现代化城市建设的标志之一，因其具有无污染、低噪音、高速度等优点，目前已被越来越多的城市所采用。机电设备监控系统( EMCS) 是将计算机及其网络技术相结合的机电设备自动化控制系统，该系统的控制对象主要为地铁通风空调设备、给排水设备、正常照明设备及电扶梯等设备。其主要作用为：对地铁内的环境质量进行监视和控制，使其在正常情况下满足乘客舒适度的要求，并在紧急情况下提供正确可靠的信息来保证乘客等人员安全。其中，由于地铁工程的通风空调系统与一般的地上建筑完全不同，其温湿的变化既有它的周期性，也有受外界干扰的随机变化无规律性，因此，通风空调系统容量大且复杂。在这种情况下，如果没有计算机控制系统，只靠工作人员人为去控制是根本无法实现的。所以在全线设置EMCS 系统非常重要。设置机电设备监控系统是想借一斑而窥全貌，想以此达到反映整个监控系统的设计思路，确保以上这些系统的安全可靠运行的目的。特别是在地下车站发生火灾事故的情况下，能够使有关救灾设施按照设计工况及时有效地运行，从而保障人身安全。
二、地铁监控系统的技术特点
1、环境条件特殊
地铁建筑所处环境具有特殊性，由于机车为电力牵引,且地下相对外界隔绝，环境潮湿。既不同于地面商用建筑物，一般所处环境较好，电磁干扰较轻，也不同于工厂金属粉尘等有害物质较多，环境恶劣。
2、功能要求特殊
地下铁路属于公共交通行业, 是城市交通的一面窗口，是面向乘客的优质服务，反映了城市的先进程度。这种服务除了人的因素以外，设备的安全、可靠、高效、节能所带来的舒适感、安全性也非常重要。不同于智能楼宇侧重于办公自动化、通信自动化、长时间工作下环境智能调节的要求,地铁建筑监控系统则更侧重有利于安全行车管理、变化客流下的环境调节、灾害情况下的疏散导引、相关设备在各种情况下的有效运行。
三、监控系统组成及功能
1、车站级监控系统组成由设置于车站环控电控室和车站控制室( SCR) 的可编程序控制器( PLC) 采集现场设备的状态信号，通过网络通讯线传递到车站级服务器及监控工作站，车站监控人员再通过工作站下达控制指令，由PLC 传递到现场设备完成。
2、中央级监控系统由中央级局域网络构成，网络内包括主备监控主机、主备服务器、档案管理计算机、网络交换机、打印机、打印机服务器、大屏幕显示系统和UPS 等设备。
3、就地级监控设备组成：作为车站级监控设备PLC 控制器的组成部分，远程I/ O 设备直接与现场设备连接，采集从现场传感器检测到的各类信号；同时，远程I/ O 也将上级下达的控制任务，直接传递到现场的阀门、开关及电机等执行机构，从而完成系统的控制指令。对于关键性的监控场合，使用带CPU 处理器的远程I/ O 来实现独立控制功能。
4、地铁监控系统从全线功能来讲，包括了设在全线调度指挥中心的中央级功能，设在各个车站控制室和环控电控室的车站级功能，以及设在被控设备附近的就地级功能。
车站级设备监控系统负责统一管理本车站的被控设备。接收中央级下达的指令，完成其控制要求，以及实现对车站的环境监控、其他机电设备的监控管理和导向设备监控。
四、车站级网络构成
1、点对点形式
车站局域网采用1: N 点对点的结构方式，局域网上设置服务器，通过集线器可同时与所有子网控制器进行点对点数据交换，通信方式采用轮回仲裁方法，实现点对点的通信方式。该方案属于集中式通信策略，网络结构简单，易于扩充，但需要的数据通路多，而且工作站处容易形成通信故障的瓶颈。
2、环形以太网形式
局域网通过连接设备将网络连接成环型，系统各控制器作为环网上的节点互通信息。网络通信协议采用TCPPIP 协议组标准，通信方式为CSMAPCD。由于以太网是一个非常开放的网络，且通讯能力强大，网络通讯设备成熟。但其传输效率的能力相对薄弱，如果采用高可靠、高品质的交换机作为连接设备，利用它的存储转发功能，建立逻辑上的多通道，则可以较好地解决这一问题。另外，为了保证系统的控制和信息的响应时间，可选择通信速率为100Mbps 的高速以太网。
3、工业总线形式
系统各控制器作为网络节点连接在总线网上，利用总线作为节点的共同信道互通信息。采用广播或主从等方式通信。这种总线方式，通讯效率高，节点增加容易。常用在工业网络中，通信效率和可靠性依据大量的工业实践有所保证。但不同厂家的总线系统有各自的数据通信特点，相应的总线产品有其自己的市场定位，在开放性方面都有所努力，以达到通用性的目的。
五、设备选型分析
车站级局域网的高效运行，往往取决于网络连接设备和信息传输的物理介质，而控制器的选择又直接关系到系统控制性能的高低。在高速以太网尚未普及之前，大多数以太网10Mbps，没有交换机的需求。对于百兆以太网，选用高品质10P100Mbps 自适应端口的交换机，可以使其连接的每个端口设备拥有足够的带宽。其自动侦测交换和全双工功能，使网络有着良好的扩充延伸性能。而支持冗余双环硬件自动切换的功能，使以太网的双环结构成为可能， 这样就在网络故障自愈能力上提高了系统的可靠性。
采用多模光缆作为传输介质，避免了强电磁感应、高电压引起的干扰。选用带有钢护带，具有良好抗拉伸和抗侧压，以及防湿防潮性能的光缆，更有利于在地下的安装敷设和系统传输可靠性的提高。
作为车站级监控系统的核心部件，控制器的处理能力、处理速度、扩展能力、可靠性、易维护性等诸多方面都要有所考虑。而PLC 在这些方面则有很好的性能和实践。在对实际数量的IPO 数据收发的同时，有大量的中间处理数据，选择CPU 的处理能力就要远大于实际的IPO 数量。对于不同的指令，处理速度有几倍，甚至几十倍的差别，选择基本赋值指令作为参考，具有可比性。为提高可靠性，如一台PLC 被诊断故障，另一台必须保证所有下层设备及数据通讯不间断、无扰动的继续正常运行，PLC 常需要冗余配置。配置方式有单电源- 双CPU、双电源- 单CPU、双电源- 双CPU的多种组合, 采用后一种及双背板结构，更能保证PLC 的完全冗余。采用标准化选件、模块化结构、可带电插拔方式等，为运营维修部门的现场设备维护和日后系统的扩展创造了条件。
总结
地铁机电设备的自动监控是一项十分重要的控制技术，也是一项繁杂的系统工程，涉及许多专业的设备监控及运行要求，有着地铁行业的特殊性。这就要以接口协调配合为基础，设备选型为根本，网络构造为条件，以管理措施为保证，以实际运营经验作为优化的前提，才能使得地铁监控系统有更好的发展前景。
参考文献
