工業(yè)自動化設(shè)備的設(shè)計制造及安裝調(diào)試方法

梁建忠

（廣東利元亨智能裝備股份有限公司，廣東惠州 516000）

0 引言

隨著人們對自動化技術(shù)的研發(fā)越來越深入，自動化技術(shù)的運用范圍越來越廣泛，在工業(yè)設(shè)備制造業(yè)中的自動化程度越來越高。工業(yè)自動化設(shè)備涉及倒硬件設(shè)備和軟件控制方法兩部分。

工業(yè)自動化設(shè)備主要用于大量現(xiàn)代自動化組件和自動控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的純機械機構(gòu)有一定的區(qū)別。但是，自動化組件和現(xiàn)代控制技術(shù)的能力不能盲目崇拜。與現(xiàn)代自動化設(shè)備組成的結(jié)構(gòu)模塊相比，傳統(tǒng)的機械機構(gòu)具有非常簡單和高效的優(yōu)點[1]。因此，在設(shè)備設(shè)計過程中，只有合理利用機械和自動化組件以及現(xiàn)代控制技術(shù)，才能設(shè)計出完美的自動化設(shè)備。為此本文對工業(yè)自動化設(shè)備的設(shè)計制造及安裝調(diào)試方法進行了分析。

1 工業(yè)自動化設(shè)備

在工業(yè)自動化設(shè)備中，常采用自動化專業(yè)方面的知識，如PLC、自動控制，軟件控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)等，通過在工業(yè)設(shè)備中利用自動化技術(shù)進行控制，可以提高工業(yè)設(shè)備的性能。工業(yè)自動化設(shè)備領(lǐng)域的業(yè)務(wù)包括高端智能成套裝備定制研發(fā)、工廠自動化整體集成和工業(yè)機器人系統(tǒng)應(yīng)用等，

對于工業(yè)自動化設(shè)備，不僅需要在設(shè)計制造及安裝調(diào)試過程中采用合適的方法，在后期的運行中，也應(yīng)采取合理的自動化設(shè)備運維方法，如狀態(tài)檢修方式就不但能夠避免突發(fā)故障，而且可防止不必要的過剩維修。特別對于應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線中的自動化設(shè)備，應(yīng)用狀態(tài)維修減少故障和停機損失，更具有顯著意義。同時并可為設(shè)備的更新改造、決策提供可靠依據(jù)，突發(fā)故障大大減少，能夠產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。

對于工業(yè)自動化設(shè)備的設(shè)計和制造，首先需要確定開發(fā)項目并了解客戶需求，包括產(chǎn)品質(zhì)量要求。設(shè)備生產(chǎn)效率要求，設(shè)備工作環(huán)境，產(chǎn)品分析，產(chǎn)品生產(chǎn)過程的理解，產(chǎn)品尺寸要求和來料，客戶傳達產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的注意事項和設(shè)備使用地點的技術(shù)參數(shù)。再次是制定計劃，組織工程師討論和分析相應(yīng)的設(shè)備計劃，設(shè)備可行性評估，設(shè)備成本評估，設(shè)備生產(chǎn)效率評估，各部分結(jié)構(gòu)可行性評估，方案通過后進入對工業(yè)自動化設(shè)備的開發(fā)制造。

2 工業(yè)自動化設(shè)備的設(shè)計制造

工業(yè)自動化設(shè)備在設(shè)計時，可采用優(yōu)化設(shè)計方法和自動控制技術(shù)，如采用狀態(tài)空間的最優(yōu)化設(shè)計方法和數(shù)字PID 控制技術(shù)。在狀態(tài)空間的最優(yōu)化設(shè)計方法中，可以通過狀態(tài)觀測器，對工業(yè)自動化設(shè)備中的控制性能進行控制及調(diào)整。在經(jīng)典的控制理論中，一般是通過計算傳遞函數(shù)進行控制方式的實現(xiàn)，所研究的系統(tǒng)也是輸入輸出系統(tǒng)，傳輸函數(shù)根據(jù)輸入量的變化，通過傳遞函數(shù)進行輸出量的控制[2]。但是這種控制方式也具有一些缺點，比如不能觀察到控制系統(tǒng)內(nèi)部的變化，這樣從控制系統(tǒng)的性能角度而言，和最優(yōu)化設(shè)計方法相比不夠優(yōu)越，故需要運行現(xiàn)代控制理論進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。在現(xiàn)代控制理論中，最優(yōu)化模型具有能觀性，能夠具有控制模型的可視化功能。在現(xiàn)代控制理論中，可以構(gòu)建狀態(tài)空間方程，通過對狀態(tài)空間方程的求解，并對狀態(tài)空間方程中的參數(shù)進行分析求解，若不合適的地方加以改進，這樣就可以得到控制性能更加優(yōu)越的控制模型，從而實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。在狀態(tài)空間的最優(yōu)化設(shè)計方法中，可以用狀態(tài)空間模型設(shè)計和分析多輸入和多輸出系統(tǒng)，也可研究多變量系統(tǒng)提供了很好的自動化控制方法。

對于工業(yè)自動化設(shè)備中的自動控制原理，可以利用自動控制原理中的能控性矩陣和能觀性矩陣，構(gòu)建狀態(tài)空間方程，如式（1）所示。

對于工業(yè)自動化設(shè)備中的控制算法，控制算法的性能直接決定了工業(yè)自動化設(shè)備產(chǎn)品的性能。工業(yè)自動化設(shè)備產(chǎn)品的二次型性能指標可采用下式表達式進行表示。

若該系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，則泛函可表示為：

則最優(yōu)控制系統(tǒng)模型如式（4）所示，最優(yōu)控制系統(tǒng)模型的框圖如圖1 所示。

在圖1 中，令K（t）的表達式如式（5）所示：

則可以得到：

對于矩陣K，對角線上元素的值越大，則表示工業(yè)自動化設(shè)備的性能越佳，也表示該控制方法比較適合該工業(yè)自動化設(shè)備。當在理論層面對工業(yè)自動化設(shè)備進行設(shè)計之后，就可以進入到工業(yè)自動化設(shè)備的實際制作階段。在工業(yè)自動化設(shè)備的實際制造階段，可通過構(gòu)建工業(yè)自動化設(shè)備的產(chǎn)品模型，之后就可以在模型中加入控制策略和控制算法[3]，實現(xiàn)工業(yè)自動化設(shè)備的自動化功能。

通過對工業(yè)自動化設(shè)備中的各個功能分模塊進行設(shè)計，使得工業(yè)自動化設(shè)備具有更加優(yōu)越的性能。通過分模塊進行工業(yè)自動化設(shè)備的設(shè)計及制造，首先當工業(yè)自動化設(shè)備出現(xiàn)故障時，便于對故障進行排查，縮短自動化設(shè)備的停運故障時間。并且，自動化代碼生成，也減少了人為在代碼領(lǐng)域的出錯率，所花費的時間相對而言也會減少，提高了工業(yè)自動化設(shè)備的生成效率。

圖1 最優(yōu)控制系統(tǒng)

3 工業(yè)自動化設(shè)備的安裝調(diào)試

工業(yè)自動化設(shè)備在生產(chǎn)制造完成之后，能夠正常投入運行需要先進行安裝并調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試確認無誤之后，方可投入運行。對工業(yè)自動化設(shè)備安裝調(diào)試，在對自動化設(shè)備進行調(diào)試之前，需要考慮到系統(tǒng)在配置方面的問題，包括系統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)軟件等兩個方面的問題，對于系統(tǒng)的硬件問題應(yīng)該考慮到硬件設(shè)施的性能和硬件的型號等問題，此外對于硬件設(shè)備的接線和保護接地等方面的問題也是需要納入考慮范圍之內(nèi)的重要問題。

對于自動化設(shè)備中可能會涉及到的各類軟件和硬件都應(yīng)該進行較為深入和詳細的檢查，只有這樣才能充分保障自動化設(shè)備的安全穩(wěn)定工作。在對自動化設(shè)備進行檢查的過程中，可以根據(jù)原理圖，這樣能夠充分了解到設(shè)備中的各個組成部分的作用，就可以有針對性地進行設(shè)備的測試。在測試的過程中，可以首先輸入某個輸入量，輸入量在經(jīng)過自動化設(shè)備之后，觀察輸入量有什么變化，根據(jù)輸出量來測試自動化設(shè)備的性能。PLC 自動化設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，所采用的控制系統(tǒng)模式主要有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

對于采用開環(huán)方式的控制系統(tǒng)，輸出量的信息難以反映到輸入中，即輸入量不能根據(jù)輸出量的情況進行調(diào)節(jié)，故該種控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)較差。在開環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

若在工業(yè)自動化設(shè)備中，可以采用數(shù)字PID 控制器技術(shù)，該控制器的控制規(guī)律如式（7）所示。

對應(yīng)的模擬PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中 Kp——比例增益

u（t）——控制量

e（t）——偏差量

對工業(yè)自動化設(shè)備的控制性能進行測試，也是對自動化設(shè)備進行調(diào)試的一個重要方面。測試工業(yè)自動化控制設(shè)備能夠具有負反饋的控制性能，能否根據(jù)輸出量的變化實時調(diào)整輸入量的變化，已達到控制調(diào)整的目的。

此外在工業(yè)自動化設(shè)備涉及到的傳感器大致有幾類，一是光電開關(guān)，這類開關(guān)具有一定的優(yōu)點，光具有速度很快的特點，用在傳感器中則具有響應(yīng)速度很快的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)反映靈敏，這一點對于自動化設(shè)備是較為重要的性能。此外這類傳感器的結(jié)構(gòu)一般來說都不會太復(fù)雜，在傳感器的形式方面也比較靈活。分析3 種類型的光電開關(guān)：反射光電傳感器對射式光電傳感器和位移傳感器。在自動化設(shè)備中應(yīng)用的各類傳感器，在性能方面具有一定的差異性，在實際運用中應(yīng)該根據(jù)自動化設(shè)備所要求的具有性能加以選擇，從而達到自動化設(shè)備具有最佳的工作性能。其中，對于位移傳感器，它可以根據(jù)目標位置的變化，將相應(yīng)的位移信號輸入到位移傳感器中，并最終反映到自動化設(shè)備中，這樣就可以通過自動控制算法進行相應(yīng)的控制操作。此外，在自動化控制中，還涉及到編碼器，因為控制一般采用數(shù)字信號方式，需要通過譯碼和編碼器進行相關(guān)控制信號的傳遞。

4 結(jié)論

工業(yè)自動化設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中占有重要的地位，其中自動化設(shè)備中的軟件控制算法的性能將直接影響自動化設(shè)備產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，本文分析的工業(yè)自動化設(shè)備中的控制算法和安裝調(diào)試方法，對于工業(yè)自動化設(shè)備的推廣使用具有一定的意義和價值。