基于物联网的机电一体化系统设计与实现路径.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化43摘要：随着物联网技术的飞速发展，机电一体化系统在制造业中的设计与优化成为引人瞩目的研究方向。文章以物联网为基础，深入研究了机电一体化系统的设计与实现，旨在实现制造业生产过程的智能化与高效化。首先，文章介绍了机电一体化的作用及融入物联网的必要性，探讨了基于物联网的机电一体化系统面临的挑战。其次，概述了物联网的内涵和工业自动化系统的发展历程。最后，总结了基于物联网的机电一体化系统的设计与实现路径。研究结果表明，基于物联网的机电一体化系统能够通过实时监控、数据采集等功能，显著提升生产效率、降低成本并提高产品质量。未来的发展趋势中，智能化与人机协同、大数据与人工智能的深度融合以及灵活制造的深入研究将成为重要方向。关键词：物联网；机电一体化系统；工业自动化分类号：TH-39；TP391物联网技术通过将物理世界与网络世界相互连接，实现了各种设备和系统的智能化和自动化。而机电一体化则是将机械设备自动化、智能化，使机械技术与电子技术相互融合1。基于物联网的机电一体化系统通过集成各类传感器，实现了对生产过程的实时监控和数据采集，使制造企业能够实时获取设备状态、生产数据等信息，为决策提供了实时的数据支持。这种及时性的数据反馈有助于企业更灵活地调整生产计划，提高生产效率。物联网技术为机电一体化系统引入了预测性维护的概念。通过监测设备运行状态和性能数据，系统可以预测设备的故障和维护需求，提前采取维修措施，降低生产中断的风险，延长设备寿命，从而降低维护成本。基于物联网的机电一体化系统通过智能执行器和数据分析技术的整合，实现了更高层次的自动化和智能化。设备之间的协同作业变得更加智能化，生产线的自动调整和优化更为高效。因此，基于物联网的机电一体化系统设计与优化成为当今工业领域的研究热点。1 研究背景1.1 现代制造中机电一体化系统的关键作用在现代制造中，机电一体化系统的作用越来越重要，它不仅能够提高生产效率和产品质量，还能够降低能耗和减少环境污染。因此，基于物联网的机电一体化系统设计与优化成为制造业的重要发展趋势。通过物联网技术的应用，可以实现设备间信息共享、协同工作，为制造业转型升级提供有力支撑，进一步提升制造业的自动化、智能化水平2。1.2 机电一体化系统融入物联网的必要性传统的机电一体化系统已经无法满足现代工业生产的需求，因此需要借助物联网技术对其进行升级和优化。基于物联网的机电一体化系统能够实现设备间的信息共享和协同工作，提高生产效率和产品质量，降低能耗和减少环境污染。因此，基于物联网的机电一体化系统设计与优化具有重要的现实意义和广阔的应用前景3。1.3 基于物联网的机电一体化系统面临的挑战物联网技术为机电一体化系统带来了很多优势，例如可以实现设备间的信息共享和协同工作，提高生产效率和产品质量。此外，实现了精细化管理，同时物联网技术的应用还可以帮助企业降低能耗，减轻环境污染。然而，基于物联网的机电一体化系统也面临着一些挑战，例如如何保证数据的安全性和隐私性，如何实现设备的互操作性和兼容性等。因此，文章将深入分析基于物联网的机电一体化系统设计的优势和挑战，为系统的优化提供有益的参考和借鉴4。2 物联网技术概述物联网技术通过将各种设备和系统相互连接，实基于物联网的机电一体化系统设计与实现路径赵成龙培黎职业学院，甘肃 张掖 734100文章编号：2096-3092（2024）02-0043-03作者简介：赵成龙，男，本科，助教，研究方向为机电一体化、通信技术。装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料44现了信息的共享和协同工作，为工业自动化带来了新的机遇和挑战。多位学者深入探讨了物联网技术，研究了工业自动化领域中物联网技术的应用。研究表明，基于物联网技术的应用，提高生产过程的自动化和智能化水平，实现了设备的远程监控和协同工作5。此外，还有一些文献研究了物联网技术在智能家居、智能交通等领域的应用，通过物联网技术实现各种设备的互联互通，提高人们的生活质量和交通安全性。3 工业自动化系统的发展历程工业自动化系统的发展可以追溯到 20 世纪 50 年代，当时人们开始使用各种自动化设备代替人工进行生产。随着技术的不断发展，自动化设备逐渐形成了多种自动化系统，如可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）。这些系统通过自动化设备，提高生产效率和产品质量，实现了生产过程的自动化和智能化。近年来，随着物联网技术的不断发展，工业自动化系统也开始与物联网技术相互融合，工业自动化系统通过与物联网技术融合，各种设备和系统可以互相连接，信息共享，实现协同发展，使工业自动化系统具有更高级的智能化、高效化以及更高的可靠性。目前，基于物联网的工业自动化系统已成为当今工业领域的热门研究领域6。工业领域的物联网技术渗透日益广泛，如企业可以通过物联网技术实现设备的远程监控和协同工作，从而提高生产过程的自动化和智能化水平。另外，物联网技术还可以帮助企业实现精细化管理、高效管理，实现高层决策。然而，工业领域应用物联网技术也面临一定挑战。比如如何保证数据的安全，如何实现设备的互通性，如何实现兼容性等。因此，在应用物联网技术时，企业需要充分考虑这些因素，并采取相应的措施来解决这些问题。4 基于物联网的机电一体化系统设计与实现路径4.1 基于物联网的机电一体化系统设计思路在传统的机电一体化系统中，机械部分主要负责执行机构的运动和动作，控制部分负责控制执行机构的运动轨迹、速度和加速度，信息处理部分则负责采集、处理和传输各种信息。各部分之间的连接通常采用电缆直接连接，或通过继电器、接触器等中间环节进行连接，存在线路复杂、维护困难、伸缩性不强等问题7。为了解决这些问题，现代机电系统开始使用基于总线的通信方式。各部分之间可以共享信息，协同工作，通过总线技术提高系统可靠性和扩展性。同时，现代机电系统为了便于系统维护和升级的特定功能和接口，也采用了将系统拆分为若干模块的模块化设计思想。机电系统的设计随着技术的不断发展而进化。目前先进的机电一体化系统设计思路如下。（1）互联性。机电一体化系统通过物联网技术可以实现设备之间的互联互通，从而可以进行远程监控、数据采集和分析，从而达到操作更加高效、决策更加精准的目的。（2）智能化和自动化。借助人工智能和机器学习技术，现代机电一体化系统能够自动调整和优化自身的运行状态，以提高生产效率和产品质量。（3）模块化和标准化。为了方便系统的维护、升级和扩展，现代机电一体化系统采用模块化设计，并遵循国际通用的标准和规范。（4）绿色环保。随着对环保的日益重视，现代机电一体化系统设计也更加注重节能减排和资源循环利用，以降低对环境的影响。（5）高可靠性和高安全性。为了确保生产的安全和稳定，现代机电一体化系统设计更加注重提高系统的可靠性和安全性，采用了多种冗余设计和安全防护措施。在实际操作中，机电系统的设计需求是根据具体的应用场景和需求而量身定做的。通过对系统功能、性能、成本等各方面因素的深入分析，并结合先进的技术趋势，为满足不断发展的工业自动化和智能化需求，设计出高效可靠的机电一体化系统8。4.2 基于物联网的机电一体化系统实现路径4.2.1 选用智能执行器智能执行器的选用需要考虑以下方面要求。（1）控制策略：根据系统的特点和要求，选择合适的控制策略，如 PID 控制、模糊控制、神经网络控制等控制策略。（2）驱动方式：电压驱动，电流驱动，气压驱动等，选择适合的驱动方式，根据执行器的类型和特性。（3）传感器反馈：通过传感器向控制器反馈执行器的输出，从而达到控制和优化的闭环。（4）集成调试：对智能执行机构进行集成调试，确保其与系统整体的协调稳定9。（5）性能评估：对智能执行器的性能进行评估，包括响应速度、精度、稳定性等。然后根据评估结果造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化45进行优化和改进。4.2.2 选用传感器选择先进的传感器需要综合考虑多种因素，如精度、可靠性、稳定性和环境适应性等。传感器的大小、重量、功耗等，对于具体应用而言，同样需要斟酌。例如，在航空航天领域，由于空间和重量的限制，需要选择小型化、轻量化的传感器。在使用传感器的过程中，同样需要关注传感器的安装与调试。其中包括确定传感器的位置、安装方式、连接方式等方面的内容。同时，为了保证测量结果的准确可靠，传感器也需要进行校准和标定10。通过各种传感器和执行器，系统可以实时获取关于设备运行状态、环境参数、生产过程的各种数据。这些数据经过处理后，可以为系统提供关于如何调整运行状态、优化资源配置的重要信息。例如，通过分析温度、压力、流量等参数的变化，可以实时调整系统的运行状态，以保证设备的稳定运行和产品的质量11。随着传感器技术的发展，可以获取到海量的数据，这些数据包含了关于设备性能、生产过程、市场需求等各种信息。通过大数据分析，深入挖掘这些数据，找出规律和趋势，为决策提供支撑。如分析设备运行资料，预测检修设备的需要，避免因生产中断而造成设备故障的情况；产品设计、生产方案等符合市场需求的内容，通过对市场需求数据的分析进行调整。4.2.3 优化控制系统传统的控制算法往往无法满足复杂系统的控制需求，因此需要引入新的控制方法来提高系统的性能。自适应控制方法是一种基于系统参数变化的控制方法，能够自动调整控制参数，以适应系统参数的变化12。在控制算法的创新与优化方面，可以采用基于数据驱动的控制方法，利用大量的数据来训练模型，实现对系统的精确控制。同时，可采用混合控制方法，取长补短，提高系统性能，将传统的控制算法与新的控制算法结合在一起。在自适应控制方法中采用自适应 PID 控制方法，根据系统运行情况自动调整 PID 控制器参数，使系统反应迅速，控制准确。同时，可以使用自适应模糊控制方法，使用模糊逻辑和自适应算法，对系统进行非线性控制13。5 结束语物联网技术在制造业中的广泛应用为机电一体化系统带来了深刻的变革，并为其未来的发展打开了新的可能性。基于物联网的机电一体化系统不仅实现了设备之间的互联互通，更在实时监控、数据采集、预测性维护、自动化和智能化等方面发挥了关键作用。为了充分发挥基于物联网的机电一体化系统的优势，持续的技术创新和改进至关重要。企业需要积极投入研发，引入最新的技术，不断提升系统的性能和可靠性。与此同时，为了更好地应对市场需求和技术环境的变化，企业还需加强相关人员的培训和技术交流。通过这些努力，基于物联网的机电一体化系统将更好地服务于制造业，推动行业朝着更智能、高效的方向迈进。参考文献1 刘丽.智能控制技术在机电一体化系统中的应用J.造纸装备及材料,2023,52(9):107-109.2 庄培灿,李麒阳,郗欣甫,等.径向环形编织机机电一体化系统建模及控制策略研究J.工程设计学报,2022,29(3):347-357.3 孙春旺.面向机电一体化关节的高精度伺服系统关键技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2022.4 张震,张辉,王玉,等.螺旋桨检测机电一体化建模仿真技术研究J.制造技术与机床,2022(5):134-140.5 刘振华,徐绪堪.基于物联网的煤矿机电设备智能管理平台设计J.工矿自动化,2019,45(4):101-104,108.6 任立民,薛晓,陈华敏.基于物联网的煤矿井下机电设备安全监测系统设计J.煤炭技术,2021,40(10):166-168.7 计诗轩.机电一体化虚拟调试系统关键技术研究与实现D.广州:华南理工大学,2021.8 段宝岩.迈向机电耦合的机电一体化技术J.科技导报,2021,39(5):1-2.9 吕石磊,曹其新,李想,等.机电一体化机器人关节及其驱控系统硬件设计J.重庆邮电大学学报(自然科学版),2021,33(1):111-117.10 朱文琦,邰鑫.基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计J.制造业自动化,2020,42(10):141-145.11 史龙凤.基于PLC的YL-235A型光机电一体化设备实训系统设计与研究D.西安:西安电子科技大学,2020.12 伍玩秋.基于小区域碰撞分析的机电一体化控制方法研究J.电气传动,2020,50(4):104-108.13 郝勇奇,王俊,朱彦,等.基于物联网技术的地铁机电设备全寿命周期管理系统J.都市快轨交通,2020,33(2):121-126.