工業(yè)自動化控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用分析

趙輝

【摘要】從其中的變頻器、嵌入式微控、觸摸屏等技術(shù)方面較為詳細(xì)的介紹其結(jié)構(gòu)、作用和工作原理。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)控制技術(shù)；變頻；微控；摸屏

Development Application of industrial automation and control technology

Zhao Hui

（Taiyuan Luhai Automation Technology Co.， LtdTaiyuanShanxi030006）

【Abstract】From a technical aspect which inverter， embedded micro-controller， touch screen and other more detailed description of its structure， and how it works.

【Key words】Industrial Control Technology；Frequency；Microcontroller；Touch screen

1. 引言

在工業(yè)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理與決策，從而達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全生產(chǎn)等一些目的。對于工業(yè)自動化控制技術(shù)而言，它是自動化技術(shù)、電子技術(shù)、儀器儀表等技術(shù)的綜合集成。其控制系統(tǒng)主要由變頻器、嵌入式微控制器、觸摸屏等部分構(gòu)成。通過對設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制，就能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，并提升整個(gè)企業(yè)的安全生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效果。

2. 變頻器技術(shù)

2.1變頻器基本功能。

作為變頻器技術(shù)來說，它是一門綜合性的技術(shù)，是建立在電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上而逐漸發(fā)展起來的。而變頻器也可以看作是一個(gè)頻率可調(diào)節(jié)器的交流電源。它通過改變變頻器的輸出頻率，就可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的速度控制。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實(shí)現(xiàn)輸出換相，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換。與此同時(shí)，變頻器還具有直流制動的功能，不需要增加制動控制電路了，就能順利實(shí)現(xiàn)制動功能。在需要制動時(shí)，只要通過變頻器給電動機(jī)加上一個(gè)直流電壓，利用自己的制動回路，將機(jī)械負(fù)載的能量消耗在制動電阻上進(jìn)行制動即可。變頻器在使用時(shí)，只需要在電網(wǎng)電源和現(xiàn)有的電動機(jī)之間接人變頻器和相應(yīng)設(shè)備，不需要對電動機(jī)和系統(tǒng)本身進(jìn)行大的設(shè)備改造，就可以適用各種工作環(huán)境和工藝要求。另外，變頻器的節(jié)能效果也非常顯著。尤其是對于工業(yè)中大量使用的二次負(fù)載（風(fēng)機(jī)和泵類）來說，當(dāng)用戶需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果是非常顯著的。

2.2變頻器的結(jié)構(gòu)。

變頻器的主要任務(wù)是把電壓和頻率恒定的電網(wǎng)電壓，變成電壓和頻率可調(diào)的變頻電源。它的基本結(jié)構(gòu)包括以下四個(gè)部分：

（1）整流電路。主要由三相全波整流橋組成，其作用是對電網(wǎng)工頻電源進(jìn)行整流，把交流電整流成直流電，并給逆變電路和控制電路提供所要的直流電源。

（2）逆變電路。它是變頻器最主要的部分，也是長期以來要解決的核心問題。常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)電力電子開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，它的主要作用是在控制電路的控制下，有規(guī)律地實(shí)現(xiàn)逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，將整流電路輸出的直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可任意調(diào)節(jié)的交流電。逆變電路的輸出，也就是變頻器的輸出。它主要就是被用來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速控制。

（3）直流中間電路。它主要是對整流電路的輸出進(jìn)行濾波，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。當(dāng)直流中間電路是用大容量的電解電容濾波時(shí)，變頻器為電壓型變頻器；當(dāng)直流中間電路是用電感很大的電抗器濾波時(shí)，變頻器為電流型變頻器。另外，直流中間電路中有時(shí)還包括制動電阻，甚至一些其他輔助電路。

（4）控制電路。它是變頻器核心部分，高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，并采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的一些功能。

2.3變頻器發(fā)展趨勢。

隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用，以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的優(yōu)越性正在逐步體現(xiàn)并擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)的所有應(yīng)用領(lǐng)域。今后變頻器技術(shù)將向以下三個(gè)方面發(fā)展：

（1）高性能和多功能化。利用了微型計(jì)算機(jī)巨大的信息處理能力與軟件功能不斷強(qiáng)化，使變頻裝置的靈活性和適應(yīng)性也不斷增強(qiáng)。

（2）大容量和小體積化。變頻器主電路中功率電路的模塊化、變流電路開關(guān)模式的高頻化、控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)，為變頻器小型化搭接了很好的平臺，并促使其裝置更加小型化。

（3）隨著信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)與智能化的應(yīng)用，變頻器產(chǎn)品將可以進(jìn)行故障自診斷、部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命和高可靠性，并利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，以致于組成變頻器綜合。

3. 嵌入式微控技術(shù)

（1）基本功能。嵌入式微控制器（Embedded MieroeontrollerUnit，EMCU）是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。它以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪，適合應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式微控制器系統(tǒng)通常面向特定應(yīng)用，設(shè)計(jì)和開發(fā)必須考慮特定環(huán)境與系統(tǒng)要求，是一個(gè)發(fā)散的、技術(shù)密集的系統(tǒng)。

（2）結(jié)構(gòu)。嵌入式微控制器系統(tǒng)，它是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成。為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度和可靠性，它的軟件一般固化在存儲器芯片或微控制器中，而不是存儲在外加的磁盤載體中。系統(tǒng)是以微控制器為核心，加上外部專用電路和系統(tǒng)軟件，形成的計(jì)算機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)。在一塊芯片上集成了中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和各種輸人輸出（I/O）接口等。它還可包含A/D和轉(zhuǎn)換器D/A直接存儲器傳輸（DMA）通道、浮點(diǎn)運(yùn)算等特殊功能部件。

（3）應(yīng)用范圍。嵌入式微控制器在應(yīng)用數(shù)量上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備消費(fèi)類產(chǎn)品等方面，均是嵌入式微控制器的應(yīng)用領(lǐng)域。在進(jìn)入21世紀(jì)以來，嵌入式微控制器技術(shù)逐漸成熟，并全面展開，現(xiàn)已被公認(rèn)為是一種具有良好發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。

4. 觸摸屏技術(shù)

（1）功能。人機(jī)界面通常被大家稱為觸摸屏，是用戶利用手指或其他介質(zhì)直接與屏幕接觸，進(jìn)行信息選擇，向計(jì)算機(jī)輸人信息的一種輸入設(shè)備。包含HMI硬件和相應(yīng)的專用畫面組態(tài)軟件。在工業(yè)上，觸摸屏是首選的接口設(shè)備，連接的主要設(shè)備種類是PLC觸摸屏，因其具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，比鍵盤鼠標(biāo)、軌跡球更具有優(yōu)越性。觸摸屏易于使用、易于掌握、低故障率，是任何其他輸人設(shè)備所無法比擬的。當(dāng)觸摸屏在惡劣的環(huán)境下（灰塵、油污潮濕、磨損、劃傷等）工作時(shí)，都不會造成觸摸屏的損壞。因此，它在工業(yè)自動化控制技術(shù)中，能夠發(fā)揮著很好的作用與效果。

（2）工作原理。觸摸屏的工作原理是用手指或其他物體觸摸，所觸摸的位置由觸摸屏控制器檢測，并通過接口（如RS-232串行口）送到CPU，從而確定輸人的信息。觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器（卡）和觸摸檢測裝置兩個(gè)部分。其中，觸控屏控制器（卡）的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸摸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給CPU，它能同時(shí)接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸摸屏控制卡。觸摸屏按照工作原理和傳輸信息的介質(zhì)可分為四種，它們分別為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式觸摸屏。

（3）發(fā)展方向。隨著數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，HMI的功能將越來越豐富、價(jià)格也會降低、屏的壽命也將延長，HMI產(chǎn)品將贏得更加廣闊的發(fā)展空間。

5. 結(jié)語

在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中，工業(yè)自動化控制技術(shù)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。工業(yè)自動化控制技術(shù)，如今已廣泛應(yīng)用于提高工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和生產(chǎn)設(shè)備的效率，并大大改善了勞動條件和強(qiáng)度。隨著科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步與工業(yè)自動化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，它還將極大地提高人們對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的預(yù)測及決策能力，從而進(jìn)一步促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)的迅猛發(fā)展，其工業(yè)自動化控制技術(shù)也將會贏得更加廣闊的發(fā)展前景和空間。

參考文獻(xiàn)

[1]高東杰，譚杰，林紅權(quán).應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)[M].北京： 國防工業(yè)出版社，2003.1.