工業(yè)自動(dòng)化儀表及自動(dòng)化控制技術(shù)研究

張冬梅

（廣西中鋁建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，廣西 百色 531400）

0 引言

隨著科技水平的不斷提高，高科技在工業(yè)中的用途越來(lái)越多。由于工業(yè)自動(dòng)化儀表操控的檢測(cè)水平不斷發(fā)展與完善，儀表產(chǎn)品的相關(guān)功用日益提升，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)施，檢測(cè)、判斷自動(dòng)化體系的實(shí)時(shí)操控。但如果要將自動(dòng)化儀表設(shè)施應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，必須要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，保證其處于完備的狀態(tài)，能夠順利運(yùn)作。該文將重點(diǎn)探討工業(yè)自動(dòng)化儀表及自動(dòng)化控制技術(shù)。

1 自動(dòng)化儀表的控制技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

借助自動(dòng)化儀表操控技術(shù)對(duì)制造業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)行檢測(cè)與控制，不僅能夠提升相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)，而且能夠?qū)χ圃鞓I(yè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全方位的監(jiān)控與管理，進(jìn)而保證其生產(chǎn)中極少出現(xiàn)甚至不出現(xiàn)任何品質(zhì)與安全問(wèn)題，這一操控方式展現(xiàn)的是不斷實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展。對(duì)于制造業(yè)而言，智能化、自動(dòng)化的不斷推進(jìn)可以促使其生產(chǎn)與監(jiān)控能夠脫離人而正常進(jìn)行[1]。當(dāng)前，各類(lèi)型的自動(dòng)化儀表操控技術(shù)以及操控算法日益革新，制造業(yè)必須對(duì)其相關(guān)的設(shè)施進(jìn)行改良，以適應(yīng)其發(fā)展的需求。

1.2 操控系統(tǒng)

對(duì)于過(guò)程操控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要指的是對(duì)于工業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)程序進(jìn)行操控，以保證其生產(chǎn)能力與生產(chǎn)的質(zhì)量，進(jìn)而使其占據(jù)一定的市場(chǎng)份額。其中，操控系統(tǒng)主要是關(guān)于制造業(yè)的相關(guān)資源的管控體系，是可以為企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)、籌劃以及管理等活動(dòng)提供參照的，以操控系統(tǒng)作為依據(jù)，企業(yè)確定管理措施，進(jìn)而可以幫助企業(yè)提高管理效能，操控系統(tǒng)借助財(cái)務(wù)管理的相關(guān)信息將企業(yè)整體管理效果展現(xiàn)出來(lái)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全方位監(jiān)督與管控需使用自動(dòng)化儀表操控技術(shù)。隨著企業(yè)產(chǎn)能的不斷提升，需不斷加深關(guān)于自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的認(rèn)知與掌握，不斷提升工業(yè)化自動(dòng)儀表設(shè)施的性能[2]。

1.3 動(dòng)態(tài)操控

在現(xiàn)存的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，絕大部分智能操控僅僅運(yùn)用于動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)之中，而其他生產(chǎn)步驟仍多數(shù)是由人工操作。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化儀表的智能操控而言，必須在同工業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)律、人工生產(chǎn)所獲取的經(jīng)驗(yàn)等基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，真正確保該智能化技術(shù)的高效化、自動(dòng)化。

2 工業(yè)控制中工業(yè)機(jī)器人的架構(gòu)與自動(dòng)化整體策劃

操控程序的安全性、穩(wěn)定性對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言至關(guān)重要。當(dāng)前多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)均存在多層次、多類(lèi)型的安全隱患，安全性是工業(yè)自動(dòng)化儀表操控手段中應(yīng)該考慮的極為核心的內(nèi)容之一，尤其是在自動(dòng)化儀表的使用過(guò)程中，必須將安全性放置首位[3]。如前面所述，目前對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化儀表的運(yùn)用不斷發(fā)展并拓展向更多的領(lǐng)域，且目前具有安全認(rèn)證的自動(dòng)化儀表數(shù)量日益增多，但是要確保其在使用過(guò)程中不出現(xiàn)任何安全問(wèn)題，進(jìn)一步強(qiáng)化檢查是十分關(guān)鍵且必要的，與此同時(shí)，進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)時(shí)必須嚴(yán)格遵照國(guó)家規(guī)范，必須確保相關(guān)的資料均為真實(shí)、有效的。

2.1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，我國(guó)很多領(lǐng)域在開(kāi)展日常工作時(shí)需要大量的人力資源支撐。基于這種情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際狀況，對(duì)機(jī)器人的價(jià)值充分挖掘。不僅提升生產(chǎn)水平，與此同時(shí)還可以避免人為的操作失誤造成的損失。應(yīng)用機(jī)器人時(shí)，可以結(jié)合4 個(gè)自由度設(shè)計(jì)電機(jī)控制。另外，還要按照實(shí)際情況，采取科學(xué)手段，設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)。在實(shí)際操作中，要想合理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，必須聯(lián)系實(shí)際情況，全面分析垂直運(yùn)動(dòng)等不同運(yùn)動(dòng)類(lèi)型進(jìn)行不同的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)分析機(jī)器人實(shí)際運(yùn)作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在操作時(shí)，主要利用豎直軸系建立上部機(jī)構(gòu)。同時(shí)，與其有關(guān)的軸承和其他支撐件構(gòu)建優(yōu)良的連接關(guān)系。連接后，在應(yīng)用中充分體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的價(jià)值。另外，還要注意的是，有效支撐機(jī)器人操作，不僅滿(mǎn)足個(gè)性化需求，還在應(yīng)用中發(fā)揮機(jī)器人的價(jià)值。機(jī)器人在應(yīng)用時(shí)，由滾珠絲桿帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人大小臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。小臂很好地銜接大臂，應(yīng)用大臂時(shí)，牽涉到2 個(gè)平行桿組合。2 個(gè)桿彼此運(yùn)動(dòng)時(shí)，注意聯(lián)系實(shí)際情況，2 桿一段要有效銜接小臂。在銜接中，為了提高準(zhǔn)確性，另一端有效連接2 個(gè)滑塊。為確保機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用效果，從垂直和水平方向使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。末端在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)執(zhí)行器進(jìn)行操作，執(zhí)行器相當(dāng)于氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的抓手。操作每一個(gè)軸都要聯(lián)系實(shí)際情況，同時(shí)安裝限位開(kāi)關(guān)。使用機(jī)器人時(shí)，要想得到最好的應(yīng)用效率，必須嚴(yán)格控制機(jī)器人操作[4]。

2.2 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

該文主要結(jié)合碼垛操作設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)，碼垛機(jī)器人有4 個(gè)獨(dú)立的自由度，分析時(shí)可拆分機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形成與四連桿結(jié)構(gòu)平行的運(yùn)動(dòng)，抓手圍繞機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1 是碼垛機(jī)器人平行四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。

圖1 碼垛機(jī)器人平面四連桿結(jié)構(gòu)

機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊E 正方向移動(dòng)x、垂直運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊F 正方向移動(dòng)y 時(shí)其腕部的移動(dòng)規(guī)律。由圖1 可知：D0F=DF-y 和D0E=DE+x，可以推出如下所示表達(dá)式：

式中：λ 是比例系數(shù)，yA是垂直方向移動(dòng)位置，水平移動(dòng)位置計(jì)算方法與垂直移動(dòng)相同。

經(jīng)公式推導(dǎo)，得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)論：固定F 點(diǎn)，水平移動(dòng)E 點(diǎn)，A 點(diǎn)水平移動(dòng)距離相當(dāng)于λ 倍的E 點(diǎn)，A 點(diǎn)水平移動(dòng)速度相當(dāng)于λ 倍的E 點(diǎn)；固定E 點(diǎn)時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)垂直移動(dòng)，A 點(diǎn)垂直移動(dòng)距離相當(dāng)于λ-1 倍的F 點(diǎn)，A 點(diǎn)垂直移動(dòng)速度相當(dāng)于λ-1 倍的F 點(diǎn)。其中λ=AC/BC=CF/DF。

在該機(jī)器人中，考慮到實(shí)際工作區(qū)域大小及機(jī)器人工作能力與誤差等因素，可選用比例參數(shù)λ=6，需要說(shuō)明的是：λ 取值不能過(guò)小，過(guò)小時(shí)一方面在碼放作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生干涉，另一方面也會(huì)縮小機(jī)器人作業(yè)范圍；λ 取值也不能過(guò)大，過(guò)大時(shí)滑塊移動(dòng)誤差會(huì)按比例放大而使機(jī)器人碼放精度大大降低。所以選用λ=6，再通過(guò)優(yōu)化碼垛機(jī)器人的尺寸參數(shù)，這樣既可以保證碼垛機(jī)器人的工作不受干涉又能保證其碼放精度。最后，可確定機(jī)器人尺寸參數(shù)如下：AC=1740mm，DF=230mm，CD=1150mm，BC=290mm，AB=1450mm，BE=1150mm，DE=290mm。

所以根據(jù)推導(dǎo)出來(lái)的公式可知：

通過(guò)對(duì)機(jī)器人水平滑塊、垂直滑塊和抓手移動(dòng)的變化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，如表1 和表2 所示，計(jì)算位置變化量數(shù)據(jù)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論推導(dǎo)，水平移動(dòng)時(shí)，抓手位置變化量相當(dāng)于6 倍的水平滑塊變量；垂直移動(dòng)時(shí)，抓手位置變量相當(dāng)于5 倍垂直滑塊變化量。

表1 水平方向數(shù)據(jù)一覽表

表2 垂直方向數(shù)據(jù)一覽表

通過(guò)上述分析，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律具有較高的使用價(jià)值，還可以減少相應(yīng)的控制工作量。

3 自動(dòng)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，其中機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)單，主要涉及輸送線(xiàn)，所以設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)，具體有PLC、工業(yè)機(jī)器人、觸摸屏，傳感器，電磁閥和安全護(hù)欄等。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC 程序設(shè)計(jì)，機(jī)器人程序設(shè)計(jì)與觸摸屏程序設(shè)計(jì)。PLC 程序在生產(chǎn)線(xiàn)中發(fā)揮了重要作用，指導(dǎo)流水線(xiàn)生產(chǎn)及與機(jī)器人進(jìn)行信息交換。機(jī)械人操控程序時(shí)產(chǎn)生搬運(yùn)軌跡，從而完成堆垛材料的工作。觸摸屏程序設(shè)計(jì)借助PLC 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換功能。

設(shè)備通過(guò)調(diào)試后正式投入應(yīng)用，保證了生產(chǎn)線(xiàn)的穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生生產(chǎn)事故，并保證24 h 連續(xù)工作，順利完成生產(chǎn)任務(wù)，垛型符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，每天工作量相當(dāng)于2 倍的人工量。員工通過(guò)技術(shù)培訓(xùn)可以保證操作的安全性，還可以減少人工成本。該文設(shè)計(jì)的機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)具有極高的自動(dòng)化性能，有效適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，在減輕工作強(qiáng)度的同時(shí)節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本，明顯提升了生產(chǎn)水平，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)需求。但是，我國(guó)仍需要進(jìn)一步提高自動(dòng)化儀表的應(yīng)用水平，不斷提升應(yīng)用嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水平。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，處理系統(tǒng)功能時(shí)要應(yīng)用嵌入式技術(shù)，并聯(lián)合使用芯片設(shè)計(jì)功能，利用嵌入式技術(shù)完成功能計(jì)算，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接收信息、傳輸信息，利用通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更合理地控制工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。