時間：2022-02-04 05:14:49
序論：在您撰寫機電系統設計時，參考他人的優秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
Abstract: This paper introduces the basic overview of mechatronics technology and development background, and describes the mechatronics design approaches and key elements.
關鍵詞:機電一體化;傳感器;發展趨勢
Key words: mechatronics;sensor;development trend
中圖分類號:TH122 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)11-0084-03
0 引言
現代科學技術的不斷發展,極大地推動了不同學科的交叉與滲透,導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域,由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化,使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化,使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。
1機電一體化認識
日本在1971年提出一個新的英文集成名詞“Mechatronics”詞首Mecha取自Mechanics(機械學),詞尾tronics取自Electronics(電子學)。我國經常譯為機電一體化或機械電子學。在1981年德國工程師協會,德國電氣工程技術人員協會共同組成的精密工程技術專家組提出的“關于大學精密工程技術專業的建議書”中,把精密工程技術定義為光-機-電一體化的綜合技術。它包括機械(含液壓,氣動及微機械),電工與電子,光學等技術及其組合,其核心為精密工程技術。在當前“信息爆炸”的形式下,相對于專門型人才來說,市場對復合型人才的需求更加迫切。在中國,我們認為機械發展新階段是機電一體化階段。機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。機電一體化發展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不但發展,還將被賦予新的內容,基本特征可概括為:機電一體化是從系統的觀點出發,綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術,根據系統功能目標和優化組織目標,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值,并使整個系統最優化的系統工程技術。因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面。只是,機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術,而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術有純技術發展到機械電氣化,仍屬傳統機械,其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外,還能賦予許多新的功能,如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸,還是人的感官與頭腦的眼神,具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。
2機電一體化的設計過程
機電一體化的機械動力部分由一般電動機演變為控制電動機,里程碑式地引入了電子和計算機等先進技術,代替人完成機器的檢測與控制等工作。在知識經濟中體現了制造業高科技化,促進了高科技產業和知識經濟的發展。它是一種用于機電產品最優設計的方法學。它包括4個基本學科:電氣、機械、計算機科學和信息技術。如圖1所示。
機電一體化系統和多學科系統之間的區別不在于它們的組成要素,而在于這些組成要素設計的次序。一直以來,多學科系統設計使用一種按學科順序設計的方法。比如,機電系統的設計一般通過以機械設計開始的三個步驟完成。當機械設計完成后,設計電源和微電子系統,接著是控制算法的設計及其實施。按學科順序設計的方法的最大缺點是對整個過程中各個點的固定設計導致新的限制,這種限制源于對這些點的設計,而且會傳遞到下一個學科點的設計。使用并行方法進行預先設計可以使產品更具協同性。它補充了信息系統以指導設計,這種指導貫穿于設計的各個階段,而不只是預先設計階段,從而使之更加綜合。在將機械,電氣及計算機系統和信息系統進行集成以設計制造產品和過程時,需要進行協同。最終產品的功能應大于其各部分功能之和。如果沒有協同組合的話,機電一體化產品具有的性能特征是很難實現的,機電一體化的關鍵要素如圖2。
機電一體化系統是在物理系統中使用信息系統的結果。物理系統包括機械系統,計算機系統,執行器,傳感器和實時接口。機電一體化系統不只是機電系統,而且還是一個控制系統。傳感器和執行器用來把能量從動力大的一邊(通常是機械的一邊),轉換到動力小的一邊(通常是電氣和計算機的一邊)。上圖中的機械系統不僅包括機械零部件,還可能包括流體,氣動,熱,聲,化學及其它學科。傳感技術已經出現了新的發展以適應對特殊監測應用解決方案不斷增長的需要。
2.1 機電一體化中的集成設計問題由于機電一體化方法內在的并行性,或同時性工程,所以樣機試制階段的建模與仿真很重要。因為模型來自于各學科的綜合應用。所以應用一種可視化的編程軟件是很重要的。這樣就涉及到了框圖,流程圖,狀態轉換圖和波特圖。機電一體化是一種設計哲學,其產品或設備有一個重要的特點就是它們內部的智能,這是將執行器,傳感器,控制系統和計算機組合設計實現的。系統的集成是通過硬件(部件)和軟件(信息處理)的聯合實現的。硬件集成是將機電一體化系統看成一個整體系統來設計的,將傳感器,執行器和微處理器融入到機械系統中,軟件集成主要基于高級控制功能在設計時應首先分析客戶要求以及系統集成的技術環境。在制作時應考慮了解客戶,市場分析,優化性能,生命周期性能,質量,可靠性和銷售。
2.2 機電一體化關鍵要素①信息系統:信息系統包括信息傳輸的所有方面,從信號處理到控制系統到分析技術。信息系統結合了以下四種學科:通訊系統,信號處理,控制系統和數值計算方法。在機電一體化應用中,我們最關心的是建模,仿真,自動控制和用于優化的數字方法。②自動控制:控制系統工程學是在19世紀晚期產生的學科,認為在低階系統(三階或三階以下)系統的穩定性依賴于特征方程的根和勞思(Routh)判據,這是一個很好的判斷系統穩定性的分析工具。③最優化: 就是先確認最優軌跡,最優軌跡是根據系統的要求即約束條件確定的,然后設計控制系統,在設計控制系統的時候應使系統的各參數最終滿足控制要求,使誤差最小化,或者說使目標函數的擾動最小化,可用最優化過程反復迭代公式(Pk+1=Pk+τ?S k)這里k是迭代次數,S k是P空間內的探索方向,τ是該方向上的探索步長空間內的探索步長,當P值不能再改進時這個過程結束,此時為最優化。④機械系統:機械系統考慮力作用下物體的特性。這樣的系統按其性質可分為剛性的,可變形的和可流動的。大多數機電一體化系統應用的剛體系統,都依賴于物理學中的基本定律。⑤電氣系統:電氣系統由兩個分支組成:電源系統和通訊系統。通訊系統以低能量的電信號形式在各點之間傳輸信息。諸如信息存儲,處理和交換是通信系統的常見組成部分。電氣工程的這個領域也稱電子學。另一方面,電源系統用來在各點之間有效的傳遞大量的電能,而不是信息,例如:發電機是把機械能轉化為電能,而電動機是把電能轉化為機械能。
3傳感器和變換器
儀器儀表在現代科技領域中起著關鍵的作用。傳感器是與儀器儀表緊密相關的機電一體化系統中一個非常重要的組件,其作用是為特定工業過程提供收集不同信息的機制。傳感器廣泛應用于過程檢測以及工況評價方面,為用計算機系統對制造作業作較高級的監控提供便利,可應用于過程前,過程中及過程后。有時,傳感器可以將一種物理現象轉化為決策分析的可用信號。智能系統用傳感器來監測由環境變化影響的特定場合,然后通過校正動作對其控制。
實際上在所有的應用中,傳感器是將各種現實世界的數據轉化為電信號,因此可定義為:傳感器是一種把被測物理量轉換成輸出信號的裝置。因此傳感器也可以稱為變換器,應用范圍廣泛,甚至可以用于分辨那些人類感官無法覺察到的環境變化。它們作為一次元件,連續的將變化著的信息轉變成另一種形式,也就是說,傳感裝置檢測被測量,并將其轉換成系統可接受形式的信號,通常為電信號。整個系統的最大準確度由傳感器的靈敏度和其內部噪聲干擾所決定。在測控系統中,任何參數的變化,不論是在被測量中還是在信號修整中,都會直接影響系統的準確度。傳感器和變換器是現代控制系統(電,光,機械或流體系統)的兩個重要組成部分,傳感器和變換器選用的程度取決于控制系統的自動化水平和復雜程度。要構成一個復雜控制系統,測量裝置必須能夠滿足快速,靈敏和精確的要求。隨著使用要求的不斷提高,傳感器的體積也不斷的小型化,并通常將多個傳感器和數據處理系統組合固定在一起。傳感器的分類:根據傳感器的輸出信號形式,電源,工作模式以及被測變量可將傳感器分為以下兩大類。模擬傳感器:模擬是指連續的,不中斷的一系列事件。典型的模擬傳感器的輸出與被測變量是成正比例的,輸出信號以連續方式變化,根據其幅值取得信息,通常其輸出要經過A/D轉換后輸到計算機。數字傳感器:數字是指一系列離散的事件,各個事件前后分開,如果傳感器的邏輯電平輸出是數字的,則稱其為數字傳感器。數字傳感器有著準確度和精密度高的特點,與計算機監控系統相連時不需要任何轉換器。
4A/D,D/A轉換
在計算機控制系統中,主機輸入數據或向外部命令,都是通過接口及輸入輸出通道進行的,完成信息傳遞和交換的裝置稱為過程輸入輸出通道。這些通道是聯系主機與被控對象的紐帶和橋梁。生產對象的各種模擬信號,不能直接輸入計算機,而要經過模/數轉換,轉換成數字信號,才能輸入計算機進行加工處理。同樣,經過計算機加工處理得到的數字信號,也不可能直接作用與被控對象。而要經過數/模轉變成模擬信號,才能輸出到被控對象。
數據采集系統的基本任務是將模擬量即連續量轉換為數字量以便于計算機進行存儲,計算和處理。由于絕大多數物理量都是模擬量。因而數據采集系統不但本身就是一種獨立系統,而且是計算機控制系統的極重要的組成部分。
一個典型的計算機控制系統如圖3所示。其工作原理是作為系統輸入的物理量(壓力,溫度,濕度,位置等),首先由傳感器變成點信號,然后送到放大器和濾波器。傳感器的輸出信號一般比較微弱,放大器的作用是將傳感器輸出的電信號放大到適當的大小。以利于進一步處理。濾波器的作用是消除干擾信號。然后,信號送到模擬多路開關,它在計算機的控制作用下對各個模擬通道進行分時處理,將各通道信號接到后面的采樣保持電路和A/D轉換器。采樣保持電路在規定的時刻對送來的模擬信號進行采樣并在A/D轉換期間保持被采樣的電壓不發生變化。A/D轉換器在保持時間內完成模/數轉換后將數字量送到計算機。采樣保持電路及A/D轉換的定時和控制信號均由計算機產生。計算機對A/D轉換器送來的各路數字量進行各種處理計算,然后用分時方法將處理結果送到各路D/A轉換器變成模擬信號去完成各種模擬控制。有時為了提高速度和精度,數據采集系統不用模擬多路轉換開關,而是每條通道用一個A/D轉換器。
4.1 傳感器的作用傳感器是工業控制計算機系統的重要環節。如沒有傳感器對生產過程的原始參數進行精確可靠的測量,那么無論是信號轉換,信息處理,或數據的顯示與控制,都將成為一句空話?？梢哉f,沒有精確可靠的傳感器就沒有精確可靠的測量系統。
4.2 A/D轉換器的原理經過多路轉換開關和采樣/保持的模擬量必須被變成數字量才能送入計算機。完成這一轉換任務的器件叫做模擬/數字轉換器,簡稱A/D轉換器。如圖4是逐次逼近型A/D轉換器原理圖。由圖4可以看出,由N位寄存器,N位D/A轉換器、比較器以及控制邏輯四部分組成。其工作原理:當啟動信號作用后,時鐘信號在控制邏輯作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的數字量一方面作為輸出用,另一方面,經D/A轉換器轉換成模擬量Vx后,送到比較器,在比較器中與被轉換的模擬量Vx進行比較,控制邏輯根據比較器的輸出進行判斷。若Vx≥Vc,則保留這一位;若Vx
4.3 D/A轉換器的原理D/A轉換器的作用是將數字量轉換為模擬量。它實際上是一種由二進制譯碼控制的電流疊加電路。通常包括四個組成部分:精密的電壓基準;模擬二進制數字電壓(或電流)開關;產生二進制權電流或權電壓的精密電阻網絡;提供電壓或電流輸出相加的運算放大器。其原理如圖5為倒T型電阻D/A轉換器。其輸出電壓表達式很容易用基準電流和響應的倍數表示出來。與權電流型的D/A轉換器相比,倒T型電阻D/A轉換器具有電路簡單、轉換速度快的優點,但其轉換誤差較大。在實際的D/A轉換器中,開關S是電子式的模擬開關。為了減小轉換誤差,開關必須具有導通電阻小,截止電阻大的特點。
5機電一體化綜述
機電一體化系統開發過程的第一步就是分析客房需求以及系統集成的技術環境。解決問題的復雜技術系統往往是一個具有數字或模擬形式并由復雜軟件支持其硬件的機械、電子、液壓和熱動力部件的結合體。典型機電一體化系統使用傳感器從技術環境中收集數據和信息。接下來的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一種集成的方式來涵蓋這個系統的所有子任務。這包括在初始階段對子系統間必要接口的有效描述。數據經過處理和解釋轉化為執行器的動作。機電一體化系統能夠縮短開發周期,降低成本,提高質量。在機電一體化產品的設計中,有必要在不同的專家組之間協調知識和需要的信息。并行工程是產品的設計和制造以特殊方式融合的一種設計方法。傳統設計和制造間的障礙得以排除。
6機電一體化的發展趨勢
1機電系統設計課程教學中的問題
對于機電系統設計這門課程而言，其教學的問題大致可以分為教學內容的問題以及教學方式的問題，本文從這兩個方面對其中的主要問題進行分析。
1.1教學內容的問題
在現有的機電系統設計課程當中，其內容存在著一定的混亂性以及單一性，首先對于機電系統設計課程的教材而言，有著不同的版本，并且每一版本當中的內容分布都不相同，甚至有些內容本身都不同，并且對于機電系統設計知識的講解深度也有著一定的差別，這就意味著，如果在教師水平相當的情況下，不同教材內容下培養出來的學生能力也會有著一定的差距，這對于學生未來的發展極為不利，因為機電系統設計課程學習越來越深入之后，學生的差距就會越來越大，到后來的實際運用過程當中，學生的實踐能力也會由于理論支撐的差距而產生差距，一部分學生會面臨淘汰的威脅。另外一點就是課程雜亂無章，比如其課程當中包含著微機控制、數控技術、計算機技術、機電系統設計是機電學當中的主要課程，在機電系統設計課程的教學當中，一直將機電系統設計作為一門主干課程進行教學。機電系統設計是一門綜合性與實踐性比較強的課程，其對于學生的實踐能力要求比較高，而在傳統的教學方式下學生并不能通過課本當中的基礎看到本質，機電系統設計課程的教學改革已經勢在必行，本文從目前機電系統設計課程當中所存在的問題出發，分析其具體的教學改革的方式。
1.2教學方法的問題
首先教學方式的問題可以分為傳統教學方式的問題與現代教學方式的問題，在傳統的教學方式當中，教師往往采取教師講，學生聽的方式，這種方式學生僅僅是被動的吸取知識，并且對于理論知識的理解程度并不代表著實踐運用能力的程度。而機電系統設計是一門實踐性要求比較高的課程，所以在教學的過程當中，其教學方法一定要圍繞學生的實踐性出發，這種傳統的教學方式不僅不能培養學生的實踐能力，還會因為枯燥的理論學習使得學生失去學習興趣。另外一方面在現代教學方法的普及下，在教學領域當中的科技成分越來越高，大量多媒體教學工具、實踐機械教學工具、投影儀等教學工具的使用使得教學效率提高，原本需要三個課時的教學內容教師在PPT的講解方式下只需要一個課時，雖然提高教學進度，但是忽視了學生的接收能力與對知識的理解能力，從根本上來說并沒有提高教學效果。
2機電系統設計課程教學改革策略
根據上文當中所提出的問題進行分析，探究在面對以上教學問題的情況下如何進行機電系統設計教學改革。
2.1優化教學內容
首先針對教學體系而言，需要對機電系統設計這門課程的教材內容進行整合設計，整體而言可以將教材的內容分布進行三個階段的設置，首先是理論基礎知識階段，讓學生認識機電系統設計這一項目的原理。第二個階段就是將理論與實際相結合，也就是結合實際的案例，讓學生進一步的認識機電系統設計這門課程的原理。最后一部分就是組織實踐活動，讓學生根據所學習的知識進行具體的實踐，用實踐來充分論證自己所學習的理論知識。另外一方面就是將教材內容進行合理的分配，也就是說要按照具體的機電系統設計程序來安排教學程序，并且注重知識點之間的連續性，將電子技術、計算機技術、檢測技術、數控技術、液壓技術進行結合，比如數控技術與計算機技術、電子技術可以運用在機械自動化操作上而檢測技術、液壓技術與電子技術則可以運用在監控系統上，并且對制動技術進行結合教學。按照時間將知識進行分類教學，增強課程知識點的連續性。
2.2教學方法的改善
教學方法的改善要從課堂教學與實踐教學兩個方面著手，首先對于課堂教學而言，需要注重學生的知識接收遞進性，循序漸進的接觸新知識，另外要充分利用現代技術，將多媒體技術與課堂教學相結合，但是要在保證學生理解知識的情況下提高教學效率。并且在對學生進行教學的過程當中，最終要的是培養學生的學習思維，特別是對于機電系統設計這門課程的教學，首先運用豐富的網絡教學資源，結合實際教學案例，對其進行教學，讓學生通過了解、思考、判斷、提出問題、分析問題、解決問題的方式，進行學習，增強學生的思維能力。在實踐教學當中，教師要脫離課堂將學生帶到具體的機械車床前進行教學，對于機電系統的構造以及運作原理進行教學，并且在教學過后讓學生自己動手實踐，教師在一旁充當引導者的角色，提高學生的實踐動手能力。
3結語
在機電系統設計這門課程的教學當中，首先要根據教學內容與教學方式進行著手，分析其中的問題，并且在教學內容當中，從教學內容的配置與教學內容整體性出發，解決其問題，而教學方式則通過實踐教學與理論教學兩個方面分析其解決策略，促進機電系統設計課程教學改革。
作者:黃安 曾軍華 單位:江西應用工程職業學院
參考文獻
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關鍵詞：地鐵機電設備監控系統(BAS)；系統結構及監控對象、監控功能；分析
1地鐵機電設備監控系統
為了滿足軌道交通的運營要求，在車站設置了保障正常運營的照明設備、通風空調設備、給排水設備、屏蔽門系統、自動扶梯、FAS火災自動報警、售票系統等機電設備；在緊急狀態的報警、乘客疏散、救災等的要求，軌道交通車站還設置了火災報警系統、水消防系統、氣體滅火系統、防排煙系統、防煙設備等機電設備和系統。為了實施這些系統和設備相互間的有序聯動控制和監視，在軌道交通線上設置了稱之為“環境與設備監控系統”（ Building Automatic System-BAS）的自動控制系統，形成了一個強大的軌道交通運營保障系統。下面是設備監控系統圖：詳見圖一
BAS系統將現代科技的計算機及網絡技術結合機電設備自動化控制原理，以專門的地鐵環境通風空調及防災處理等理論為基礎的自動化控制系統，利用分布式微機監控系統對地鐵車站及區間隧道內的空調通風、給排水、照明、電梯、自動扶梯、導向標識等機電設備進行全面的運行管理與控制，在發生火災或列車阻塞等事故情況時，能夠及時迅速地進入防災運行模式，根據火災報警系統發送的著火點信息或列車自動控制系統發送的阻塞點信息自動調度送風和排風，進行通風排煙，引導人員疏散，極大地提高地鐵運營的智能化和安全性。系統以節能為特色，綜合考慮列車、客流、車站設備、通風等影響空調通風系統負荷的各種因素，根據地鐵熱環境變化的規律，對空調通風系統的全年運行方式自動進行調整。
2系統結構及監控對象、監控功能
地鐵機電設備監控系統主要包括地鐵中央控制室OCC中央控制系統、車站MU控制系統、各站點通風系統、照明系統和給排水系統、導向標識系統、電梯、自動扶梯等設備自動控制等系統
控制系統采用多層網絡結構，大概可以分為三層，第一層包括裝置感應器、執行機構和照明控制系統，使用現場網絡連接所有的現場設備。第二層含操作站和分站，即具體應用控制器或自動化站／設備的網絡。即車站MV系統，第三層是管理層及其廣域網絡。即中央控制中心(OCC)及地鐵公共傳輸網。采用TCP／IP協議通訊。車站為ControlNET光纖環網，實時數據通信，分布式控制。
2.1監控對象、監控功能
地體人線路的照明系統的控制是根據地鐵運行時間具體要求，通過照明回路的開啟、關閉時間的設定對車站及隧道內的照明進行精確的控制，達到節能目的。監控對象有：工作照明、廣告照明和節電照明等。監控的主要功能有：工作照明、廣告照明和節電照明的啟?？刂?。除了地鐵運行啟停時間對車站及隧道照明的控制，在非高峰運行時段，可停止工作照明部分
通風系統是BAS系統的主要組成部分，用來保證地鐵車站及隧道內的環境溫濕度條件及改善環境對乘客感受舒適度影響。監控對象有：1、隧道通風系統：隧道風機，組合風閥，并監測隧道的溫、濕度。2、空調通風系統：制冷機組、空調機組、回排風機、以及送風、回風及公共區的溫濕度。3、空調水系統：冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水路的電動蝶閥，并檢測溫度、壓力和流量等。監控的主要功能有：①機組定時啟停控制。根據事先排定的工作時間表定時啟停機組，自動統計機組工作時間，提示定時維修。②聯鎖保護控制。風機啟動后，其前后壓差過低時，故障報警并聯鎖停機；風機停止后，新、回風風門、電動調節閥、電磁閥自動關閉；盤管處設溫控開關，當溫度過低時開啟熱水閥。③送回風溫度控制。自動調節冷水閥開度，保證送回風溫度為設定值。④送回風濕度控制。自動控制加濕閥開閉，保證送回風濕度為設定值。⑤過濾器堵塞報警。空氣過濾器兩端壓差過大時報警，提示清掃。⑥冷負荷計算與冷水機組控制。⑦冷凍水差壓控制。根據冷凍水供回水壓差，自動調節旁通調節閥，保持供水壓差恒定。⑧冷卻水溫度控制。根據冷卻水溫度，自動控制冷卻塔風機的運行方式及啟停臺數。⑨機組運行參數的自動顯示、定時打印及故障記錄
給排水系統，根據站內用水量及各排水點水位狀況自動控制設備進行管理工作。監控對象有：廢水、污水及車站其他排水泵，水池、水箱的液位。監控的主要功能有：1、水位自動控制。排水水位高于啟泵水位時，自動起動排水或排污泵；水位低于停泵水位時自動停泵；水位高于報警水位時起動備用泵；2、設備啟?？刂疲?、參數檢測及報警
電梯、自動扶梯：車站自動扶梯和無機房電梯運行監視和緊急報警
導向標識系統，提供引領乘客進入車站、乘車和離開車站的信息，緊急疏散時能引導乘客順利離開危險區域并最終離開車站。監控對象為：各類群控、單控導向標識牌正常及緊急情況下的運行。監控的主要功能有：1、群控標識牌的進、出方向顯示，啟?？刂啤?、單控標識牌的啟?？刂?/p>
分析
構成BAS系統的不同層級所完成的功能是不一樣的，通過各級的有機配合，最終實現BAS的整體功能：
1、中央級功能
中央級監控系統是整個BAS系統的監控核心，其功能設計應面向地鐵運營和維護，突出日常調度和防災指揮功能，支持全局性的監控和管理，并實現用于調度和運營管理的數據設置、關鍵設備（隧道風機等）的搖控、組控及模式控制等功能，為環調及維調提供用于運營管理的、全局性的、并且可實現區域性監控操作的各類高效實用的監控手段。
2、車站級功能
車站BAS系統可以是一個以車站為單位的相對獨立的系統，從而完成車站BAS功能。車站BAS系統功能的主要目的是：
3、就地級功能
1）信號采集、轉換及傳輸功能2）顯示與診斷功能3）數據傳輸和協議轉換功能4）單臺設備控制功能5）聯鎖控制
結論：
關鍵詞： 機電系統設計；工程實踐；教學改革
0 引言
隨著制造業和計算機軟硬件技術的發展，傳統的加工手段已經不能滿足現在設備的高精度、高智能化要求。傳統制造技術不斷地吸收計算機技術、數控技術、測量傳感技術、伺服傳動技術、自動控制技術等，而且只有各部分之間相互結合，則產品的性能和功能就越好，只有實現多種技術的有機結合，才能實現整體最佳。這些技術就構成了機電一體化技術，因此，運用機電一體化技術設計機電設備或產品，改變機械產品與機械工業的面貌，滿足社會和生活的物質要求，已成為工程設計人員的使命。要學好機電系統設計這門課不僅需要掌握多門學科的理論，而且需要把這些課程融匯通，有機結合。
1 機電系統設計課程教學中存在的問題
1.1 教材的問題 目前存在很多機電系統設計教材，內容不同，側重點不同，深淺不一。由于該課程涉及機械、電子、計算機、伺服傳動及檢測技術等多項內容，教材中存在內容選定、案例安排、基本概念界定等方面是否科學、合理也值得商榷；甚至大量內容堆砌，把各種技術割裂開來講，不能從整體性、關聯性、集合性及環境適應性等方面入手，以系統工程的方法為指導，綜合運用機、電、控等各學科的技術設計新型產品，造成和微機控制、數控技術、伺服驅動、檢測技術等課程內容的簡單重復，不能將這些技術有機結合，使這門課缺乏新鮮感，導致學生失去學習興趣。另外，教材內容缺乏新穎性，例如，當前精度要求高的機電設備中的伺服驅動元件大都采用交流伺服電機或直流伺服電機，而教材中卻重點在講解步進電機的原理、驅動控制，對伺服電機草草帶過，不作為重點講解內容，教學內容嚴重滯后，和實際工程應用脫節。
1.2 教學方法的問題 長期以來，在機電系統設計的教學活動中，教師習慣運用的是“滿堂灌”式的傳統講授教學法。注重具體技術的理論分析和講解，忽視了所講內容在工程實際的聯系、培養學生解決實際問題的能力和實際操作的技能，不能使學生深切感受到機電一體化技術和日常生活中的機電產品的密切關系，感受機電系統學科的博大精深以及這門學科中處處蘊含的技術之美，嚴重影響了學生的學習興趣和學習效果。
隨著計算機、投影儀等先進設備在教學中的普及，使用多媒體教學成為課堂教學的大勢所趨、必然選擇，知識量明顯加大，加之該課程設計內容廣，容易造成教學速度過快，導致學生和老師互動較少，不利于調動積極性。
1.3 教師存在的問題 機電一體化技術具有的實踐性、科學性、綜合性、創新性的特點，意味著講述這門課的教師也要具備實施工程教育的能力和素質。只有教師自身具備工程實踐能力，才能用工程的視野去教學，才能將機電產品的開發、設計過程以系統的建造能力與講授的課程相融合，為學生提供相關的案例，培養學生的工程意識，增強學生的工程實踐能力，從而培養出更多未來的工程技術人員[1]。據統計，我國普通高校專任教師中符合“雙師型”教師僅占16.3%[2]，其余青年教師大都從學校到學校，偏重理論知識的學習，從事工程實踐的經歷較少，因此在授課中不能引用在工程實踐中積累的案例，更難講授在工程中如何解決實際問題的過程。這些情況嚴重束縛了本學科多樣性、實踐性的發展。
2 機電系統設計教學改革思考
2.1 優化講解內容，建立合理的課程內容體系 針對當前教材中存在內容堆砌、各種技術割裂、各模塊安排雜亂的現象，在講述課程中將內容重新安排，這重講解機電系統的總體設計?？傮w設計是機電系統設計中的最重要環節，它的優劣直接影響系統的全部性能及使用情況，尤其是總體設計理論還處于經驗狀態時，如何使總體設計最佳化，充分體現現代設計方法成為重點。按照原理方案設計、結構方案設計、總體布局與環境設計這條主線延伸，進而對機電一體化系統的各組成要素、相關技術（如：機械技術、計算機信息技術、控制技術、傳感器與檢測技術、伺服傳動技術等）及各組成部分之間通過什么接口有機的聯系在一起進行重點分析講解，重構了課程的內容體系和知識結構，使課程知識結構體系內容更具條理性、科學性。
2.2 實施多元化的教學方法
2.2.1 理論講授與實踐教學相結合 對機電系統中相關的基本概念、原理、設計方法主要采用講授的方式講解，提高學生的理論水平。另外，引導學生對日常生活中的機電產品進行設計，由學生查資料、制訂方案，然后由師生討論方案的可行性并加以修改，最后由學生完成產品設計，這樣不僅培養了學生包括查文獻、方案設計、方案修改的能力，還提高了學生的自學能力、分析設計能力。
2.2.2 案例法 在講授的過程中通過“舉例”，使用一些工程案例說明問題。使用案例的目的是為了說明所要闡述的理論，幫助學生理解，增強課堂講授的趣味性。學生能通過對案例的“思考—分析—討論—判斷”，進而掌握所學理論如何在工程中應用，如何把理論和實際有機的結合起來，如何分析工程中環境的復雜性帶來的干擾，采用什么方法加以解決，這些都是教材中很少提到，但在工程中常常遇到的問題，通過這些典型案例加深理解，增強理論聯系實際的能力。
2.2.3 報告式教學 對一些教師自己參與過的典型案例作專題報告，同時邀請本校老專家走進課堂，把自己如何設計機電產品的過程以及親身感受與學生分享，增強學生學習興趣。
2.2.4 增加實踐教學環節，以科研促教學 在實驗教學內容中，大大增加了綜合設計性實驗和創新性實驗的比例。對綜合設計性實驗，要求學生自行設計一個產品，既要反映出機電系統的各要素，又要反映出各要素之間的相互關系；對創新性研究實驗，先由學生提出設計方案，教師審查確定其方案合理與可行后，由學生自行設計完成。
2.3 加強教師工程實踐能力 機電系統具有很強的實踐性，教師如果只具備扎實的理論知識而缺乏實踐的經歷是難以勝任這門課的教學工作的。因此，加強教師工程實踐能力勢在必行。可以通過校企合作，鼓勵青年教師在具有豐富經驗的老教師的帶動下，以項目為驅動，積極參與企業的攻關課題，促進科研成果向生產力的轉化，并且在參與工程實踐項目的同時，拓展工程視野，提升團隊合作能力[1]。
2.4 參與教師科研，提高學生實踐能力 吸收學生參加教師的科研工作，充當科研助手，接受教師科研思想熏陶和科研方法的鍛煉，通過參與提高從事科研的能力，培養作為一個科技工作者應具備的良好素質，為學生走向工作崗位奠定堅實的基礎[3]。
3 結束語
在機電系統的教學過程中應通過各種形式讓學生更深、更廣、更遠的了解本專業的特點、內容、發展。充分調動學生的主動性參與到工程實踐中，才能在實踐中培養出分析解決問題的能力，才能從系統的角度出發，深刻理解機電系統的各個部分之間是如何有機的聯系在一起的，設計出更加優質的機電產品。
參考文獻：
[1]惠效麗等.高等工科院校青年教師工程實踐能力培養問題研究[J].教育科學，2010，6，[26]6-8.
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關鍵詞：高速攝影；單片機；CPLD；轉速測量
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018
引言
超高速攝影與一般攝影最根本的區別，在于它能以極快的速度進行拍攝，有很高的時間分辨率，能夠將快速變化的過程記錄下來，可以廣泛應用于高速運動過程研究、瞬態光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數測量等領域。
超高速攝影有超高速光電相機、轉鏡式超高速攝影等。轉鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉鏡式高速攝影掃描系統的掃描速度可達0.375km/ s～15km/s，系統分辯力可達80lp/ mm，高速攝影分幅系統的攝影頻率可達104fps～107fps，系統分辨力可達35lp/mm，可滿足速度最高可達幾十千米每秒的高速運動物體的測試需求。
轉鏡式超高速攝影系統是一個涉及光學、機械、電子等技術領域的復雜精密系統，主要由光學系統、機械系統和控制系統組成，這里主要對某項目中用到的轉鏡式超高速攝影系統的電路控制系統設計進行介紹。
超高速攝影電控系統設計
轉鏡式超高速攝影電路控制系統使高速攝影機各部分按程序工作，保證高速攝影機以500萬幀/秒的速度準確可靠地高速拍攝。超高速攝影機電控系統是保證攝影機準確可靠工作、提供分析所需數據的指揮機構?？刂葡到y性能的好壞是衡量高速攝影機質量的重要標志。
超高速攝影電路控制系統主要由控制箱、電源、計算機等組成。電控系統主要功能為：（1）快門開啟和關閉的控制；（2）調整和控制轉鏡的旋轉速度；（3）轉鏡旋轉速度測量和指示；（4）引發脈沖光源；（5）安全保護功能，包括電機的過流保護、傳感器斷電保護等。超高速攝影電控系統工作流程示意如圖1所示。
單片機ATMega16L通過RS485通信接受計算機的指令并完成對其它各個分系統的實時控制。電機脈沖信號放大板將轉鏡轉速測量板的信號放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進行測速，并與轉鏡速度控制單元的測速值進行比較，用于判斷是否達到設定的速度；脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發目標信號，機械快門控制單元實現對攝影機的保護，外部觸發及同步信號單元用來獲取外部的同步信號，并根據到達拍攝區域的時間確定零時信號。系統各控制模塊（除電機控制器外）和電源等都裝配在控制機柜中，并通過電纜與對應的快門、電機、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來。
邏輯電路XC95288的功能設計
XC95288是Xilinx公司的在系統可編程CPLD器件，主要用來完成邏輯控制和轉鏡速度測量等功能，其控制的內容包括轉鏡速度和外部同步信號的讀取、控制機械快門、脈沖氙燈以及觸發目標，同時也控制MAX485等芯片實現與上位控制計算機的半雙工通信。
XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。
超高速攝影機需要將轉鏡加速到預定的拍攝速度，并能夠維持數秒（維持時間不宜過長，否則將損壞電機），以等待拍攝目標的到來。因此要設定拍攝速度的自動選擇環節，當轉鏡速度達到預定的轉速時，它能自動給出信號以穩定電機轉速。當攝影頻率為500萬幀/秒=5×106fps時，拍攝320個畫幅對應轉鏡的旋轉角度為120°，此時轉鏡轉速n為：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。
為了測量電機轉速是否達到設定的轉動速度，這里設計一個速度測量電路，其參數如下：（a）頻率測量范圍：10Hz～1MHz；（b）測量分辨率：1Hz；（c）測量通道靈敏度：50mVpp；（d）通道輸入阻抗：≥100kΩ。
（1）電機信號整形電路
電機轉速輸入的速度頻率信號是方波，并且信號的測量通道靈敏度為50mVpp，為此需要將速度信號放大整形成標準的TTL電平的方波信號，便于XC95288對信號脈沖的計數，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號經過放大整形后變成Vpp=5V電平，并且前向通道電阻≥100kΩ，則放大電路的電壓放大倍數為：
第一級射級跟隨器提高了輸入阻抗，使其滿足Ri≥100kΩ的要求，使得信號基本上送入后級，再經過兩級的放大使信號放大，最后經施密特觸發器整形成比較好的方波信號，為后面的處理提供信號。
（2）電機速度頻率測量電路
XC95288主要實現對被測信號的脈沖個數進行處理，并通過串口發送到PC上進行實時顯示。這里采用有源晶振40MHz進行分頻得到計時標準時鐘，標準時鐘為電機速度頻率測量提供精度相對較高的時基信號，其時間的穩定性和精度將會直接影響到測量的準確性。
用XC95288實現電機速度測量的電路結構如圖5所示。
在XC95288內部電路中，F0、F1輸入端口分別輸入標準脈沖和待測的速度脈沖信號（經過整形放大以后的信號），計數器0和1分別對標準脈沖F0和待測信號F1進行計數，鎖存器0和1分別對計數器0和1的計數值進行保存，16位的輸入端口NP作為預置閘門時間的設定端口，設其輸入值為NP，則預置閘門時間T0為T0=NP/f0。
在電路剛開始工作時，由清零信號CLR對所有的計數器、鎖存器和D觸發器清零。這樣，計數器0的計數值NN0的初值為0，故此時NP>NN0，比較器輸出為1，但此時DFF0觸發器的輸出F2仍保持此初值0，由于F2作用在計數器0和1的使能端，此時計數器沒有開始計數，直到信號F1的上升沿到來后，DFF0觸發器的輸出F2才翻轉為1，允許兩計數器計數。隨著計數值的增加，當NN0>NP時，比較器輸出等于0，不過此時兩個計數器仍在計數，直到信號F1的又一上升沿到來后，F2=0，兩個計數器都停止計數，利用F2的下降沿（F3的上升沿）將此時的計數值NN0和NN1分別通過鎖存器0和1鎖存起來。然后利用此時F2=0，經D1觸發器延時到信號F0的上升沿到來后，對計數器0、1清零。延時清零的原因是為了避免鎖存器鎖存數據與計數器清零同時進行，從而使存儲數據出錯。但由于延時清零，使實際門控信號的上升沿比速度信號F0的上升沿滯后，滯后時間為信號F0的一個周期。為使檢測結果準確，將計數器0的計數值加1即可。F2實質上就是實際門控信號。
在設計電路時，需要考慮計數器溢出的情況。例如，在電機轉速很慢的情況下，兩個速度脈沖信號上升沿間的時間間隔較長，這使實際閘門時間變得很長，在該段時間內，計數器0可能會出現溢出情況。在該情況下，可用3種方法來解決計數：一是增加計數器0的位數；二是通過增加計數器來對溢出次數另行讀數；三是一旦計數器溢出，便認為此時電機的轉速約等于0。這里采用的方法是：在電機轉速很慢的時候延時2秒種后再進行測量，而且計數器都采用16位寬度。
單片機ATMega16L的功能設計
ATMega16L單片機是ATMEL公司生產的高性能單片機，采用精簡指令集，具有預取指令功能，指令可以在一個時鐘周期內執行，處理速度快。在高速攝影電控系統中，ATMega16L單片機負責讀取XC95288的電機測速值，處理控制內外信息的輸入輸出接口，并與上位控制計算機通過RS-485接口進行信息交互。
在軟件編程時，利用ATMega16L單片機定時/計數器與系統時鐘的預定比例分頻器，可以獲得很高分辨率的時間間隔控制精度，例如，單片機系統采用8MHz的晶振工作，采用8分頻，則時間控制的間隔可以達到微秒，完全能夠實現超高速攝影中要求的0.1微秒的控制精度。
這里給出一個ATMega16L單片機讀取XC95288的電機測速值的C語言子程序。
結束語
根據以上電路設計的轉鏡式超高速攝影機電控系統，已在某系統超高速攝影機中得到應用，系統工作良好。
參考文獻：
【關鍵詞】機電一體化；控制技術；設計；應用方法
中圖分類號：C35文獻標識碼： A
工業一直以來都是國民經濟的主導產業，其不僅關系著國家經濟的發展進程，也影響了整個社會科技的發展水平。新經濟體制下，我國工業科技取得了新的研究成果，改變了過去單一的技術應用方案。機電一體化控制系統是工業經濟中的先進模式，由于多種技術融入而提高技術的實用性，這些都能為企業發展創造有利的條件。
一、機電一體化系統的構成
從構成要素上來看，機電一體化系統由機械系統(機構)、電子信息處理系統(計算機)、動力系統(動力源)、傳感檢測系統(傳感器)、執行元件系統(如電機)等五個子系統組成。機電一體化系統的基本特征是給”機械”增添了頭腦(計算機信息處理與控制)，因此是要求傳感器技術、控制用接口元件、機械結構、控制軟件水平較高的系統。
從所要實現功能上來看，因為機電一體化系統(或產品)是由若干具有特定功能的機械與微電子要素組成的有機整體，要有滿足人們使用要求的功能(目的功能)，所以根據不同的使用目的，要求系統能對輸入的物質、能量和信息(即工業三大要素)進行某種處理，輸出所需要的物質、能量和信息。因此，系統必須具有以下三大“目的功能”：①變換(加工、處理)功能；②傳遞(移動、輸送)功能；③儲存(保持、積蓄、記錄)功能,不管是實現哪類“目的”功能的系統(或產品)，其系統內部必須具備如下圖所示的五種內部功能，即主功能、動力能功能、檢測功能、控制功能、構造功能。其中“主功能”是實現系統“目的功能”直接必需的功能，主要是對物質、能量、信息或其相互結合進行變換、傳遞和存儲?！皠恿δ堋笔窍蛳到y提供動力、讓系統得以運轉的功能。“檢測功能和控制功能”的作用是根據系統內部信息和外部信息對整個系統進行控制，使系統正常運轉，實施“目的功能”。而“構造功能”則是使構成系統的子系統及元、部件維持所定的時間和空間上的相互關系所必需的功能。從系統的輸入／輸出來看，除有主功能的輸入／輸出之外，還需要有動力輸入和控制信息的輸入／輸出。此外，還有因外部環境引起的干擾輸入以及非目的性輸出(如廢棄物等)。
既然機電一體化系統(產品)可以分解成一系列要素或子系統構成，那么怎樣使各要素或子系統之間順利地進行物質、能量和信息的傳遞與交換呢?這就涉及到了接口的概念。所謂接口就是各要素或各子系統之間的聯系條件。從系統外部看，機電一體化系統的輸入／輸出是與人、自然及其他系統之間的接口；從系統內部看，機電一體化系統是由許多接口將系統構成要素的輸入／輸出聯系為一體的系統。從這一觀點出發，系統的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素或各子系統之間的接口性能就成為綜合系統性能好壞的決定性因素。機電一體化系統是機械、電子和信息等功能各異的技術融為一體的綜合系統，其構成要素或子系統之間的接口極為重要，在某種意義上講，機電一體化系統設計歸根結底就是“接口設計”。廣義的接口功能有兩種，一種是輸入／輸出的功能；另一種是變換、調整的功能。
二、機電一體化控制系統的設計要點
隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展?，F在的機電一體化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，它的發展使冷冰冰的機器有了人性化、智能化。從企業角度分析，開辟新工業生產模式是行業科技的創新要求，也是實現經濟收益最大化的必要條件。筆者認為，機電一體化控制系統設計應注重幾大模塊的控制：
（1）結構模塊。機械本體是系統的所有功能要素的機械支持結構，一般包括有機身、框架、支撐、聯接等，這是機電系統控制的主要對象。設計一體化系統要考慮設備本身的結構設置，使機電、機械等設備發揮出預期的功效，這樣才可以加快控制系統的功能發揮。
（2）動力模塊。動力驅動部分依據系統控制要求，為系統提供能量和動力以使系統正常運行。無論是哪一種類型的機械設備，都要借助動力系統才能正常地運轉，這是機電一體化設計的主要內容。動力模塊設計可選用變頻調節技術，根據主電機傳輸能量的大小，由變頻器自動控制電傳動速率，進而對設備動力供應系統進行調節，這樣能夠方便機電系統的自動化運轉。
（3）感知模塊。測試傳感部分對系統的運行所需要的本身和外部環境的各種參數和狀態進行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息。傳感器是信息傳遞的主要設備，用其作為信號感應與自處理裝置，對機電設備調度具有指導作用。無線傳感技術的普及應用，能夠幫助控制系統快速地分析數據信息，避免其他信號傳遞造成的干擾。
（4）指令模塊?？刂萍靶畔⑻幚聿糠謱碇疁y試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結果和規定的程序與節奏發出相應的指令，控制整個系統有目的的運行。機電一體化控制系統設計應考慮指令的控制，尤其是自然語言與計算機語言之間的轉換，更應該朝著一體化方向轉變，這是保證機電信號穩定傳輸的重點條件。
三、機電一體化系統的相關關鍵技術
（1）機械技術：機電一體化的機械產品與傳統的機械產品的區別在于：機械結構更簡單、機械功能更強、性能更優越。在設計和制造機械系統時除了考慮靜態、動態剛度及熱變形等問題外，還應考慮采用新型復合材料和新型結構及新型的制造工藝和工藝裝置。
（2）傳感檢測技術：傳感檢測技術的內容，一是研究如何將各種被測量轉換為與之成比例的電量；二是研究對轉換的電信號的加工處理。機電一體化系統要求傳感檢測裝置能快速、準確、可靠地獲取信息。
（3）信息處理技術：信息處理的發展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術等都屬于計算機信息處理技術的范疇。
（4）自動控制技術：機電一體化系統中的自動控制技術主要包括位置控制、速度控制、最優控制、自適應控制以及模糊控制、神經網絡控制等。
（5）伺服傳動技術：伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，常見的伺服驅動系統主要有電氣伺服和液壓伺服。
（6）系統總體技術：機電一體化系統是一個技術綜合體，它利用系統總體技術將各有關技術協調配合、綜合運用而達到整體系統的最佳化。
四、機電一體化控制系統是工業生產調度的主要趨勢，也是基于信息科技的自動化控制平臺，用其作為工業生產控制模塊，有助于加強生產設施的工作性能，帶動了生產效率的全面提升。同時，借助控制及信息處理部分發出的指令，可快速完成規定的動作和功能。除此之外，新型機電控制系統應用還表現在其它方面：
（1）人機智能化。從未來科學技術的發展角度考慮，我國機電一體化控制系統也將朝著智能方向改進，這種智能性特點是在原控制模式上的升級，應用了多功能控制技術作為輔助方案。隨著計算機應用技術的不斷推廣，機電一體化作業模式的智能系數更高，大部分人工操作均可通過計算機控制平臺處理，這些改變了傳統工業生產模式的不足。
（2）數字一體化。數字一體化是對機電一體化控制的延伸，其選用高科技數字系統作為支撐，對機電設備動作指令進行合理地調度，幫助工業系統解決實際生產中的問題。數字一體化以微型計算機為控制平臺，這種小型計算機具備了常規計算機的數據處理功能，因其外形輕巧而適合安裝于機電設備。利用數字傳感器對控制系統實時感應，發現異常信號后及時調整指令，加快了數字系統的自處理效率。
參考文獻
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【關鍵詞】地鐵機電設備監控系統 設計
中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：
地鐵車站設備監控系統( EMCS) 通過中央級、車站級和就地級三級對車站設備進行監控, 通過中央級和車站級進行系統管理。車站設備監控系統對全線各個車站的通風空調系統設備、給排水設備、自動扶梯、電梯、車站公共區照明、廣告照明、車站事故照明電源、屏蔽門及人防密閉隔斷門等車站設備進行全面、有效的自動化監控及管理，確保設備處于高效、節能、可靠的最佳運行狀態，并創造一個舒適的地下環境，此外在火災等災害或阻塞事故狀態下，能夠更好地協調車站設備的運行，充分發揮各種設備應有的作用來保證乘客的安全和設備的正常運行。
一、系統設置目的
地下鐵路作為現代化城市建設的標志之一，因其具有無污染、低噪音、高速度等優點，目前已被越來越多的城市所采用。機電設備監控系統( EMCS) 是將計算機及其網絡技術相結合的機電設備自動化控制系統，該系統的控制對象主要為地鐵通風空調設備、給排水設備、正常照明設備及電扶梯等設備。其主要作用為：對地鐵內的環境質量進行監視和控制，使其在正常情況下滿足乘客舒適度的要求，并在緊急情況下提供正確可靠的信息來保證乘客等人員安全。其中，由于地鐵工程的通風空調系統與一般的地上建筑完全不同，其溫濕的變化既有它的周期性，也有受外界干擾的隨機變化無規律性，因此，通風空調系統容量大且復雜。在這種情況下，如果沒有計算機控制系統，只靠工作人員人為去控制是根本無法實現的。所以在全線設置EMCS 系統非常重要。設置機電設備監控系統是想借一斑而窺全貌，想以此達到反映整個監控系統的設計思路，確保以上這些系統的安全可靠運行的目的。特別是在地下車站發生火災事故的情況下，能夠使有關救災設施按照設計工況及時有效地運行，從而保障人身安全。
二、地鐵監控系統的技術特點
1、環境條件特殊
地鐵建筑所處環境具有特殊性，由于機車為電力牽引,且地下相對外界隔絕，環境潮濕。既不同于地面商用建筑物，一般所處環境較好，電磁干擾較輕，也不同于工廠金屬粉塵等有害物質較多，環境惡劣。
2、功能要求特殊
地下鐵路屬于公共交通行業, 是城市交通的一面窗口，是面向乘客的優質服務，反映了城市的先進程度。這種服務除了人的因素以外，設備的安全、可靠、高效、節能所帶來的舒適感、安全性也非常重要。不同于智能樓宇側重于辦公自動化、通信自動化、長時間工作下環境智能調節的要求,地鐵建筑監控系統則更側重有利于安全行車管理、變化客流下的環境調節、災害情況下的疏散導引、相關設備在各種情況下的有效運行。
三、監控系統組成及功能
1、車站級監控系統組成由設置于車站環控電控室和車站控制室( SCR) 的可編程序控制器( PLC) 采集現場設備的狀態信號，通過網絡通訊線傳遞到車站級服務器及監控工作站，車站監控人員再通過工作站下達控制指令，由PLC 傳遞到現場設備完成。
2、中央級監控系統由中央級局域網絡構成，網絡內包括主備監控主機、主備服務器、檔案管理計算機、網絡交換機、打印機、打印機服務器、大屏幕顯示系統和UPS 等設備。
3、就地級監控設備組成：作為車站級監控設備PLC 控制器的組成部分，遠程I/ O 設備直接與現場設備連接，采集從現場傳感器檢測到的各類信號；同時，遠程I/ O 也將上級下達的控制任務，直接傳遞到現場的閥門、開關及電機等執行機構，從而完成系統的控制指令。對于關鍵性的監控場合，使用帶CPU 處理器的遠程I/ O 來實現獨立控制功能。
4、地鐵監控系統從全線功能來講，包括了設在全線調度指揮中心的中央級功能，設在各個車站控制室和環控電控室的車站級功能，以及設在被控設備附近的就地級功能。
車站級設備監控系統負責統一管理本車站的被控設備。接收中央級下達的指令，完成其控制要求，以及實現對車站的環境監控、其他機電設備的監控管理和導向設備監控。
四、車站級網絡構成
1、點對點形式
車站局域網采用1: N 點對點的結構方式，局域網上設置服務器，通過集線器可同時與所有子網控制器進行點對點數據交換，通信方式采用輪回仲裁方法，實現點對點的通信方式。該方案屬于集中式通信策略，網絡結構簡單，易于擴充，但需要的數據通路多，而且工作站處容易形成通信故障的瓶頸。
2、環形以太網形式
局域網通過連接設備將網絡連接成環型，系統各控制器作為環網上的節點互通信息。網絡通信協議采用TCPPIP 協議組標準，通信方式為CSMAPCD。由于以太網是一個非常開放的網絡，且通訊能力強大，網絡通訊設備成熟。但其傳輸效率的能力相對薄弱，如果采用高可靠、高品質的交換機作為連接設備，利用它的存儲轉發功能，建立邏輯上的多通道，則可以較好地解決這一問題。另外，為了保證系統的控制和信息的響應時間，可選擇通信速率為100Mbps 的高速以太網。
3、工業總線形式
系統各控制器作為網絡節點連接在總線網上，利用總線作為節點的共同信道互通信息。采用廣播或主從等方式通信。這種總線方式，通訊效率高，節點增加容易。常用在工業網絡中，通信效率和可靠性依據大量的工業實踐有所保證。但不同廠家的總線系統有各自的數據通信特點，相應的總線產品有其自己的市場定位，在開放性方面都有所努力，以達到通用性的目的。
五、設備選型分析
車站級局域網的高效運行，往往取決于網絡連接設備和信息傳輸的物理介質，而控制器的選擇又直接關系到系統控制性能的高低。在高速以太網尚未普及之前，大多數以太網10Mbps，沒有交換機的需求。對于百兆以太網，選用高品質10P100Mbps 自適應端口的交換機，可以使其連接的每個端口設備擁有足夠的帶寬。其自動偵測交換和全雙工功能，使網絡有著良好的擴充延伸性能。而支持冗余雙環硬件自動切換的功能，使以太網的雙環結構成為可能， 這樣就在網絡故障自愈能力上提高了系統的可靠性。
采用多模光纜作為傳輸介質，避免了強電磁感應、高電壓引起的干擾。選用帶有鋼護帶，具有良好抗拉伸和抗側壓，以及防濕防潮性能的光纜，更有利于在地下的安裝敷設和系統傳輸可靠性的提高。
作為車站級監控系統的核心部件，控制器的處理能力、處理速度、擴展能力、可靠性、易維護性等諸多方面都要有所考慮。而PLC 在這些方面則有很好的性能和實踐。在對實際數量的IPO 數據收發的同時，有大量的中間處理數據，選擇CPU 的處理能力就要遠大于實際的IPO 數量。對于不同的指令，處理速度有幾倍，甚至幾十倍的差別，選擇基本賦值指令作為參考，具有可比性。為提高可靠性，如一臺PLC 被診斷故障，另一臺必須保證所有下層設備及數據通訊不間斷、無擾動的繼續正常運行，PLC 常需要冗余配置。配置方式有單電源- 雙CPU、雙電源- 單CPU、雙電源- 雙CPU的多種組合, 采用后一種及雙背板結構，更能保證PLC 的完全冗余。采用標準化選件、模塊化結構、可帶電插拔方式等，為運營維修部門的現場設備維護和日后系統的擴展創造了條件。
總結
地鐵機電設備的自動監控是一項十分重要的控制技術，也是一項繁雜的系統工程，涉及許多專業的設備監控及運行要求，有著地鐵行業的特殊性。這就要以接口協調配合為基礎，設備選型為根本，網絡構造為條件，以管理措施為保證，以實際運營經驗作為優化的前提，才能使得地鐵監控系統有更好的發展前景。
參考文獻
