工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)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(duì)自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)越來越深入，自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用范圍越來越廣泛，在工業(yè)設(shè)備制造業(yè)中的自動(dòng)化程度越來越高。工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備主要用于大量現(xiàn)代自動(dòng)化組件和自動(dòng)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的純機(jī)械機(jī)構(gòu)有一定的區(qū)別。但是，自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備組成的結(jié)構(gòu)模塊相比，傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)具有非常簡單和高效的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，只有合理利用機(jī)械和自動(dòng)化組件以及現(xiàn)代控制技術(shù)，才能設(shè)計(jì)出完美的自動(dòng)化設(shè)備。為此本文對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造及安裝調(diào)試方法進(jìn)行了分析。

1 工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備

在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，常采用自動(dòng)化專業(yè)方面的知識(shí)，如PLC、自動(dòng)控制，軟件控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等，通過在工業(yè)設(shè)備中利用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行控制，可以提高工業(yè)設(shè)備的性能。工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化整體集成和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用等，

對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，不僅需要在設(shè)計(jì)制造及安裝調(diào)試過程中采用合適的方法，在后期的運(yùn)行中，也應(yīng)采取合理的自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)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(duì)于應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的自動(dòng)化設(shè)備，應(yīng)用狀態(tài)維修減少故障和停機(jī)損失，更具有顯著意義。同時(shí)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(jì)效益。

對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，首先需要確定開發(fā)項(xiàng)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(dá)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的注意事項(xiàng)和設(shè)備使用地點(diǎn)的技術(shù)參數(shù)。再次是制定計(jì)劃，組織工程師討論和分析相應(yīng)的設(shè)備計(jì)劃，設(shè)備可行性評(píng)估，設(shè)備成本評(píng)估，設(shè)備生產(chǎn)效率評(píng)估，各部分結(jié)構(gòu)可行性評(píng)估，方案通過后進(jìn)入對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的開發(fā)制造。

2 工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)制造

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，可采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和自動(dòng)控制技術(shù)，如采用狀態(tài)空間的最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)方法中，可以通過狀態(tài)觀測器，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的控制性能進(jìn)行控制及調(diào)整。在經(jīng)典的控制理論中，一般是通過計(jì)算傳遞函數(shù)進(jìn)行控制方式的實(shí)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(jìn)行輸出量的控制[2]。但是這種控制方式也具有一些缺點(diǎn)，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(jì)方法相比不夠優(yōu)越，故需要運(yùn)行現(xiàn)代控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(duì)狀態(tài)空間方程的求解，并對(duì)狀態(tài)空間方程中的參數(shù)進(jìn)行分析求解，若不合適的地方加以改進(jìn)，這樣就可以得到控制性能更加優(yōu)越的控制模型，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在狀態(tài)空間的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，可以用狀態(tài)空間模型設(shè)計(jì)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(dòng)化控制方法。

對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的自動(dòng)控制原理，可以利用自動(dòng)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(duì)于工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備產(chǎn)品的性能。工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)品的二次型性能指標(biāo)可采用下式表達(dá)式進(jìn)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。

圖1 最優(yōu)控制系統(tǒng)

在圖1 中，令K（t）的表達(dá)式如式（5）所示：

則可以得到：

對(duì)于矩陣K，對(duì)角線上元素的值越大，則表示工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備。當(dāng)在理論層面對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，就可以進(jìn)入到工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)際制作階段。在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)際制造階段，可通過構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的自動(dòng)化功能。

通過對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的各個(gè)功能分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備具有更加優(yōu)越的性能。通過分模塊進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)及制造，首先當(dāng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，便于對(duì)故障進(jìn)行排查，縮短自動(dòng)化設(shè)備的停運(yùn)故障時(shí)間。并且，自動(dòng)化代碼生成，也減少了人為在代碼領(lǐng)域的出錯(cuò)率，所花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)而言也會(huì)減少，提高了工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的生成效率。

3 工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的安裝調(diào)試

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備在生產(chǎn)制造完成之后，能夠正常投入運(yùn)行需要先進(jìn)行安裝并調(diào)試，經(jīng)過調(diào)試確認(rèn)無誤之后，方可投入運(yùn)行。對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備安裝調(diào)試，在對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)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(gè)方面的問題，對(duì)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(hào)等問題，此外對(duì)于硬件設(shè)備的接線和保護(hù)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(duì)于自動(dòng)化設(shè)備中可能會(huì)涉及到的各類軟件和硬件都應(yīng)該進(jìn)行較為深入和詳細(xì)的檢查，只有這樣才能充分保障自動(dòng)化設(shè)備的安全穩(wěn)定工作。在對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)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(gè)組成部分的作用，就可以有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)備的測試。在測試的過程中，可以首先輸入某個(gè)輸入量，輸入量在經(jīng)過自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備的性能。PLC 自動(dòng)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(duì)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(jìn)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(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

若在工業(yè)自動(dòng)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(duì)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(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的控制性能進(jìn)行測試，也是對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行調(diào)試的一個(gè)重要方面。測試工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備能夠具有負(fù)反饋的控制性能，能否根據(jù)輸出量的變化實(shí)時(shí)調(diào)整輸入量的變化，已達(dá)到控制調(diào)整的目的。

此外在工業(yè)自動(dòng)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(diǎn)，光具有速度很快的特點(diǎn)，用在傳感器中則具有響應(yīng)速度很快的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)反映靈敏，這一點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)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(huì)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(duì)射式光電傳感器和位移傳感器。在自動(dòng)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(shí)際運(yùn)用中應(yīng)該根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備所要求的具有性能加以選擇，從而達(dá)到自動(dòng)化設(shè)備具有最佳的工作性能。其中，對(duì)于位移傳感器，它可以根據(jù)目標(biāo)位置的變化，將相應(yīng)的位移信號(hào)輸入到位移傳感器中，并最終反映到自動(dòng)化設(shè)備中，這樣就可以通過自動(dòng)控制算法進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。此外，在自動(dòng)化控制中，還涉及到編碼器，因?yàn)榭刂埔话悴捎脭?shù)字信號(hào)方式，需要通過譯碼和編碼器進(jìn)行相關(guān)控制信號(hào)的傳遞。

4 結(jié)論

工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備中的軟件控制算法的性能將直接影響自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，本文分析的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中的控制算法和安裝調(diào)試方法，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的推廣使用具有一定的意義和價(jià)值。