工業(yè)電氣自動(dòng)化及其在工作中的實(shí)踐分析

王先瑞，劉敦國(guó)，董 蘭

（1.中國(guó)重汽集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.山東泓源電力工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.山東省糧油工程設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

電氣自動(dòng)化技術(shù)非常復(fù)雜，涉及各方面技術(shù)。我國(guó)不斷提高工業(yè)發(fā)展的信息化水平，也帶動(dòng)了電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，很多企業(yè)為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，不斷提高自身現(xiàn)代化發(fā)展速度，更加高效地完成生產(chǎn)任務(wù)，并且開(kāi)始加大力度利用電氣自動(dòng)化技術(shù)。為了充分發(fā)揮出該項(xiàng)技術(shù)的作用，企業(yè)需要結(jié)合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求進(jìn)一步完善企業(yè)管控體系，因此提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1 工業(yè)電氣自動(dòng)化概述

1.1 工業(yè)電氣自動(dòng)化的概念

我國(guó)工業(yè)電氣自動(dòng)化發(fā)展時(shí)間相對(duì)短暫，其技術(shù)基礎(chǔ)為控制理論和電子網(wǎng)理論，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中主要是應(yīng)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。當(dāng)前在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，有利于降低整體生產(chǎn)投資，而且可以高效地完成生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)優(yōu)化整個(gè)工業(yè)環(huán)境[1]。當(dāng)前這個(gè)時(shí)代注重科技和信息化，工業(yè)生產(chǎn)需要結(jié)合時(shí)代發(fā)展需求推廣應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)。

1.2 工業(yè)電氣自動(dòng)化發(fā)展歷程

在20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始，社會(huì)生產(chǎn)過(guò)程中不斷涌現(xiàn)出電機(jī)和電力產(chǎn)品，也推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展。通過(guò)自動(dòng)化控制繼電器等設(shè)備之后，有利于技術(shù)人員更加靈活地操控設(shè)備，因此創(chuàng)新力電氣自動(dòng)化發(fā)展。

在20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始提出了現(xiàn)代控制理論，這一理論也推動(dòng)了電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展。而在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮了不可代替的作用，當(dāng)前在各個(gè)行業(yè)也開(kāi)始推廣應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，可以優(yōu)化管控實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

發(fā)展到20 世紀(jì)70 年代，通信技術(shù)和電子技術(shù)不斷發(fā)展，也進(jìn)一步發(fā)展了電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，進(jìn)一步推廣了現(xiàn)代控制理論，解決了很多問(wèn)題，也同時(shí)推動(dòng)了新型自動(dòng)化理論技術(shù)發(fā)展，例如先后產(chǎn)生了大型系統(tǒng)控制理論和智能控制理論，為電氣自動(dòng)化穩(wěn)定發(fā)展和運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

在20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始顯著提高了電氣自動(dòng)化發(fā)展水平，并且該技術(shù)開(kāi)始在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中推廣應(yīng)用。在發(fā)展電氣自動(dòng)化技術(shù)的同時(shí)，也因此提高了制造技術(shù)發(fā)展水平。

1.3 工業(yè)電氣自動(dòng)化特點(diǎn)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工業(yè)電氣自動(dòng)化裝置的工作不頻繁，通常是在控制中心中應(yīng)用。通過(guò)這種方式，避免普通技術(shù)人員頻繁接觸核心設(shè)備，降低了錯(cuò)誤的發(fā)生，從而增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。另外，還需要滿足高級(jí)別的安全要求，并配置完整的防護(hù)設(shè)備來(lái)發(fā)揮保護(hù)作用。尤其要指出，不能在同一空間中配置超過(guò)兩臺(tái)的電氣設(shè)備，否則容易相互影響，也不利于工作人員及時(shí)排除錯(cuò)誤，通過(guò)獨(dú)立配置，有利于提高相關(guān)操作的有序性，避免出現(xiàn)混淆問(wèn)題[2]。

1.4 工業(yè)電氣自動(dòng)化的重要性

通過(guò)幾次技術(shù)變革，推動(dòng)了工業(yè)和社會(huì)的共同發(fā)展，而工業(yè)電氣自動(dòng)化更是推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展。在信息社會(huì)中，為了全面高效地使用信息，首先要構(gòu)建與之相關(guān)聯(lián)的信息模型。而工業(yè)用電的自動(dòng)化對(duì)此有很好的理解，運(yùn)用各種新技術(shù)和新工具，提高對(duì)信息的使用效能，反之，實(shí)施工業(yè)電力自動(dòng)化也是凸顯信息化時(shí)代特點(diǎn)的重要手段，要明白，信息和產(chǎn)業(yè)是緊密相連的。從當(dāng)前的情況來(lái)看，工業(yè)的機(jī)械化已經(jīng)成功地完成了，在今后發(fā)展過(guò)程中需要加大力度發(fā)展工業(yè)電氣自動(dòng)化，順利實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)展，為國(guó)家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

1.5 工業(yè)電氣自動(dòng)化發(fā)展的影響因素

1.5.1 信息技術(shù)對(duì)電氣自動(dòng)化的影響

信息技術(shù)指的是人類開(kāi)發(fā)和使用信息的過(guò)程中使用的技術(shù)，信息技術(shù)主要包括計(jì)算技術(shù)技術(shù)和通訊技術(shù)兩方面?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了信息數(shù)的發(fā)展，也因此創(chuàng)新了電氣自動(dòng)化方式，并且不斷提高技術(shù)水平。在電氣工程中，通過(guò)應(yīng)用各種通信技術(shù)，也突出了電氣自動(dòng)化發(fā)展中信息技術(shù)的影響。

1.5.2 物理科學(xué)對(duì)電氣自動(dòng)化的影響

電氣自動(dòng)化技術(shù)和物理科學(xué)具有緊密的聯(lián)系，通過(guò)利用物理科學(xué)，可以提高該技術(shù)發(fā)展水平。例如，三極管識(shí)別緊密聯(lián)系了人類意識(shí)和設(shè)備操作，固體電子學(xué)的發(fā)展水平也因此得以提高，進(jìn)一步聯(lián)系了物理科學(xué)和電氣自動(dòng)化[3]。在今后的發(fā)展過(guò)程中，需要進(jìn)一步緊密聯(lián)系電氣自動(dòng)化和物理科學(xué)，在其它系統(tǒng)中進(jìn)一步拓展應(yīng)用。

2 工業(yè)電氣自動(dòng)化發(fā)展中存在的問(wèn)題

2.1 電氣自動(dòng)化應(yīng)用水平低

當(dāng)前很多企業(yè)員工因?yàn)椴粔蛄私庥嘘P(guān)電氣自動(dòng)化技術(shù)的知識(shí)，因此無(wú)法熟練利用各種設(shè)備，也無(wú)法在實(shí)踐工作中充分利用有關(guān)自動(dòng)化的知識(shí)理論。這也體現(xiàn)出，企業(yè)對(duì)于工作人員的電氣自動(dòng)化技術(shù)知識(shí)缺乏足夠的需求，導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)部人員對(duì)自動(dòng)化技術(shù)知識(shí)的了解程度也不平衡，企業(yè)沒(méi)有組織針對(duì)性的培訓(xùn)工作。

2.2 電氣自動(dòng)化設(shè)備落后

一些企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，發(fā)展規(guī)模也比較小，他們想要減少購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用，就必須購(gòu)買(mǎi)價(jià)格低廉、性能較低的自動(dòng)化設(shè)備，硬件設(shè)施都比較差，最終無(wú)法推廣電氣自動(dòng)化技術(shù)，并且在工作中難免會(huì)發(fā)生各種問(wèn)題，企業(yè)整體工作效率因此受到影響，企業(yè)員工完成工作的難度也會(huì)因此增加，最終會(huì)降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益[4]。

2.3 企業(yè)相關(guān)管控不合理

一些企業(yè)不夠重視電氣自動(dòng)化技術(shù)的安全管理工作，一些黑客利用這一弊端，盜取企業(yè)重要的信息，發(fā)生這種情況，將會(huì)降低企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，最終可能會(huì)面臨破產(chǎn)。

3 工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1 生產(chǎn)裝置

系統(tǒng)生產(chǎn)裝置主要包括機(jī)器人和控制器以及自動(dòng)化設(shè)備店等，其中最常用的設(shè)備為機(jī)器人，主要負(fù)責(zé)采集相關(guān)信息編制程序。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)循環(huán)動(dòng)作重復(fù)性的加工，對(duì)比人力生產(chǎn)模式，外界各種因素很難干擾機(jī)器人工作，因此在危險(xiǎn)的場(chǎng)合適合應(yīng)用這一系統(tǒng)，保障工作人員的安全性[5]。通過(guò)連接人和PLC 以及計(jì)算機(jī)，將程序指令輸入之后，機(jī)器人可以快速識(shí)別指令，隨后執(zhí)行針對(duì)性的工作動(dòng)作，在整體生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需安排工作人員，有利于順利完成工作任務(wù)。

3.2 控制裝置

控制裝置在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，在實(shí)際過(guò)程中通過(guò)PLC 控制，促使其它識(shí)別執(zhí)行具體的工作指令。PLC 在正常的工作狀態(tài)中，首先需要采集相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是通過(guò)PLC 掃描，因此讀取輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，然后在映像區(qū)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其次在口令執(zhí)行階段，PLC 可以掃描梯形圖，系統(tǒng)可以運(yùn)算發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種數(shù)據(jù)，在這一階段不會(huì)影響到映像區(qū)中的數(shù)據(jù)，但是會(huì)改變輸出端的數(shù)據(jù)，下方梯形圖處理結(jié)果將會(huì)收到上方程序執(zhí)行結(jié)果。最后進(jìn)行終端輸出，系統(tǒng)可以刷新存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。然后利用傳輸電路對(duì)相應(yīng)的外設(shè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此完成整體工作任務(wù)。

3.3 反饋裝置

反饋裝置中主要是利用傳感器和視覺(jué)系統(tǒng)以及條形碼等，在實(shí)際工作中主要是利用傳感器進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)加工處理被測(cè)量的信息，并且可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，方便系統(tǒng)自動(dòng)化識(shí)別，最后輸出這些信息。在傳感器中利用熱敏元件和光敏元件等，可以發(fā)揮出感知作用。利用反饋裝置的視覺(jué)感應(yīng)系統(tǒng)可以對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，可以重復(fù)性地檢測(cè)各種產(chǎn)品[6]。應(yīng)用這一系統(tǒng)可以保障檢測(cè)就夠的精準(zhǔn)性。通過(guò)條形碼可以詳細(xì)記錄產(chǎn)品的各種信息，方便終端用戶及時(shí)了解產(chǎn)品。

4 工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的具體應(yīng)用

4.1 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

因?yàn)镻LC 的數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)能力比較強(qiáng)，而電網(wǎng)運(yùn)行階段會(huì)產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)，應(yīng)用PLC 可以精準(zhǔn)性地預(yù)算和處理各種數(shù)據(jù)，并且應(yīng)用系統(tǒng)存儲(chǔ)器執(zhí)行各種工作指令，再通過(guò)輸入或者輸出數(shù)據(jù)控制整體電力網(wǎng)絡(luò)。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用PLC 可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)工作模式的弊端，例如傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中接線比較復(fù)雜，不利于進(jìn)行控制，而且會(huì)產(chǎn)生較高的能耗。電力行業(yè)控制系統(tǒng)的核心為繼電器，但是這一設(shè)備的成本較高，同時(shí)缺乏可靠性和抗干擾性，因此不利于實(shí)施自動(dòng)化控制。通過(guò)利用PLC，有利于節(jié)省資金投入，避免浪費(fèi)系統(tǒng)資源，保障整體企業(yè)的收益。利用PLC 取代繼電器，主要包括以下優(yōu)勢(shì)：（1）PLC 主要是利用操作終端傳輸工作指令，然后可以獨(dú)立性地控制不同的模塊，因此顯著提高了工作效率。（2）連接電廠分線路惡化終端總線，因此可以全面監(jiān)督和控制各種生產(chǎn)工作，減少投入人力資源。（3）在管控階段，應(yīng)用PLC 可以減少人力控制的影響，例如通過(guò)PLC 互換數(shù)字量和模擬量，可以精準(zhǔn)地控制溫度和流量以及濕度等數(shù)據(jù)。

因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，而且天氣因素很容易引發(fā)系統(tǒng)短路等故障，需要維修人員耗費(fèi)較多的時(shí)間和精力逐一排查故障隱患，而且還無(wú)法保障排查效果。投入運(yùn)用工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，隨后發(fā)出預(yù)警信息，提醒維修人員及時(shí)響應(yīng)，快速排除故障問(wèn)題，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4.2 在化工行業(yè)中的應(yīng)用

化工行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境非常復(fù)雜，例如生產(chǎn)環(huán)境具有高溫、多塵等特征，如果在生產(chǎn)過(guò)程中泄露某些化學(xué)試劑或者原料，將會(huì)引發(fā)爆炸和燃燒等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重?fù)p壞電氣設(shè)備。不斷發(fā)展電氣自動(dòng)化技術(shù)之后，也推動(dòng)了化工行業(yè)向自動(dòng)、智能等方向發(fā)展，有利于保障電氣化設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。例如，通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，有利于緊密聯(lián)系工作現(xiàn)場(chǎng)和電氣設(shè)備，例如現(xiàn)場(chǎng)總線可以連接控制儀表和底層儀器，因此開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)通信聯(lián)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理工作現(xiàn)場(chǎng)的儀器設(shè)備。此外，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還具有可操作性和開(kāi)放性等特點(diǎn)，有利于高效完成化工生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)可以優(yōu)化整體生產(chǎn)環(huán)境，保障化工企業(yè)的綜合效益。

4.2.1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的過(guò)程中需要綜合利用不同的儀表和PLC 以及集散控制系統(tǒng)等，可以保障控制工作的智能化?，F(xiàn)場(chǎng)總線自控系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，有利于順利落實(shí)接線程序，例如只需要利用一組傳送線即可連接監(jiān)控端和職能端，互通兩個(gè)功能端之后，就可以有效控制各類電氣設(shè)備。利用現(xiàn)場(chǎng)級(jí)節(jié)點(diǎn)可以開(kāi)展計(jì)算和傳感以及操作執(zhí)行等工作，并且還可以發(fā)揮出自動(dòng)預(yù)警和問(wèn)題分析等功能。

4.2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的儀表結(jié)構(gòu)

在對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和人工智能模擬以及自動(dòng)控制過(guò)程中，儀表結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮著不可代替的作用，通過(guò)利用高級(jí)控制算法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)信息，有利于降低電器設(shè)備故障發(fā)生率。

4.2.3 控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制器局域網(wǎng)絡(luò)主要包括總線驅(qū)動(dòng)器和總線協(xié)議控制器，其中單片機(jī)和上位機(jī)中設(shè)置了串口電路，方便設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)通信程序。主要是利用CSM-100 集成串口和CAN 總線雙向轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換通信信號(hào)，而且可以實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)換和透明袋標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換，有利于節(jié)省化工生產(chǎn)能耗，節(jié)省化工企業(yè)資金投入。

通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，有利于節(jié)省設(shè)備安裝之前的調(diào)試成本，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)接線比較簡(jiǎn)單。對(duì)比分散控制方式，可以降低現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)施的投入成本，減少利用工電纜和槽盒等使用量，因此節(jié)省了投資。此外，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，工作人員可以動(dòng)態(tài)化掌握化工生產(chǎn)信息，如果某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，工作人員可以及時(shí)排除故障，進(jìn)一步提高整體生產(chǎn)效率。

4.3 在凈化空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在一些工序中將會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，如果不斷積累將會(huì)威脅到人們的健康。尤其是某些生產(chǎn)車間嚴(yán)格要求空氣潔凈度，因此需要落實(shí)空調(diào)空氣凈化工作。通過(guò)應(yīng)用工業(yè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，有利于提高空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化水平，首先是完善了凈化系統(tǒng)，不僅可以發(fā)揮出送風(fēng)和控縫的作用，而且可以發(fā)揮出殺菌作用，凈化處理空氣之后再向潔凈室中輸送，有利于正常開(kāi)展各種生產(chǎn)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始推廣應(yīng)用工業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)，顯著提高了工業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)值。因此，相關(guān)技術(shù)人員需要加大力度研究工業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)，積極學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)的智能化和自動(dòng)化，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。