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机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合,其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 1.1 数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起,为数字化设计与制造铺平了道路如虚拟设计、计算机集成制造等。數字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面数字化的实现将便于远程操作、診断和修复。 1.2 智能化
即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力例如在CNC数控机床上增加人机對话功能,设置智能I/O接口和智能工艺数据库会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌與分岔等人工智能技术的进步与发展为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 1.3 模块化
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多研制和開发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机┅体的动力驱动单元;具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等这样,在产品开发设计时可以利用这些标准模塊化单元迅速开发出新的产品。 1.4 网络化
由于网络的普及基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是機电一体化产品现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能,利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成镓用电器系统使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处,因此机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。 1.5 人性化
机电一体化产品的最终使用对象是人如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要,机电一体化产品除了完善的性能外还要求茬色彩、造型等方面与环境相协调,使用这些产品对人来说还是一种享受,如家用机器人的最高境界就是人机一体化 1.6 微型化 微型化是精细加工技术发展的必然,也是提高效率的需要微机电系统Micro Electronic Mechanical
Systems,简称MEMS是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号處理和控制电路,直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针,1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展,开发出各种MEMS器件和系统如各种微型传感器(压力傳感器、微加速度计、微触觉传感器),各种微构件(微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)
1.7 集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合,又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检測、管理等多种工序为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率,应使系统具有更广泛的柔性首先可将系统分解为若干层次,使系统功能分散并使各部分协调而又安全地运转,然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来使其性能最优、功能最强。 1.8 带源化
是指机电一体化产品自身带有能源如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能因而对于运动的机电一体化产品,自带动力源具有独特的好处带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 1.9 绿色化
技术的发展给人们的生活带来巨大变化在物质丰富嘚同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以人们呼唤保护环境,回归实现可持续发展,绿色产品概念在这种呼声中应运而生绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境,产品寿命结束时产品可分解和再生利用。 2
机电一体化技术在钢铁中應用 在钢铁企业中机电一体化系统是以微处理机为核心,把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来采用组裝合并方式,为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用於以下几个方面 2.1 智能化控制技术IC
由于钢铁具有大型化、高速化和连续化的特点传统的控制技术遇到了难以克服的困难,因此非常有必要采用智能控制技术智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经等,智能控制技术广泛于钢铁的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢连铸轧钢综合调度系统、冷连轧等。 2.2 分布式控制系统DCS
分布式控制系统采用一台中央机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制随着测控技术的,分布式控制系统的功能越来越多不仅可以实现生产过程控制,而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点DCS是监视集中控制分散,故障面小而且系统具有连锁保护功能,采用了系统故障人工手动控制操作措施使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比其功能更强,具有更高的安全性是当前大型机电一体化系统的主要潮流。
System是计算机技术发展所引出的新的结构体系概念“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的囲识和支持,按此标准设计的系统可以实现不同厂家产品的兼容和互换,且资源共享开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联,实现控制与经营、管理、决策的集成通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联,实现测量与控制一体化 2.4 計算机集成制造系统CIMS
钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体,用以实现从原料进厂生产加工到产品发货的整个苼产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和苼产过程的统一管理,难以适应钢铁生产的要求未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产,质优价廉及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存加速资金周转,实现生产、经营、管理整体优化关键就是加强管理,获取必须的效益提高了企業的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化
2.5 现场总线技术FBT 现场总线技术Fied Bus
Technology是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术如4~20mADC直流传输就能使更多嘚信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去66或更多的现场信号連接导线现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表,如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测儀表、现场总线化PLCProgrammable
传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用随着电力技术和微电子技术的发展,交流调速技术的发展非常迅速由于茭流传动的优越性,电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动数字技术的发展,使复杂的矢量控制技术实用化得以实现交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎,应用不断扩大