工业创新背景下机电控制工程中自动控制技术的应用研究_张洪海.pdf

造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 装备及自动化29工业创新背景下机电控制工程中自动控制技术的应用研究张洪海，龚清正，朱 帆上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司，上海 200120摘要：随着科学技术的发展与创新，自动控制技术的广泛应用使得我国企业的生产效率和产品质量有了显著的提高，对企业的长远发展战略目标的达成有着积极的促进作用。工业创新背景下，在机电控制工程这一专业领域中，自动控制技术中的自动化控制功能，较传统的机电自动化控制水平有显著提升，促进了我国机电工程领域的整体发展。文章介绍了机电控制领域的发展历程，概述了机电控制工程中的自动控制技术，梳理和分析了工业创新背景下机电控制工程对自动控制技术的需求与应用。关键词：机电控制工程；自动化控制技术；PLC；变频器；嵌入式微控制器分类号：TP273我国是工业大国，生产加工企业是国民经济的支柱产业，因此，机械加工设备与技术的运用对企业的可持续发展战略有着积极的促进作用。随着信息科技的发展，工业企业与制造型企业日趋智能化，而且对机电控制工程中自动化控制技术水平有了更高的要求，因此传统的生产加工控制技术已经不能够满足企业生产与发展的需求，工业创新背景下，自动控制技术作为信息科技发展的优质成果，得到越来越广泛的应用。自动控制技术的应用领域包括金属冶炼行业、石油化工行业、电力企业、造纸业、纺织业、皮革生产行业、食品加工行业；还有航空领域、航海领域、汽车铁路等运输行业、工业，还有图书馆管理、实验室管理等方面。此外，这项技术在导弹与人造卫星领域都发挥了较为重要的作用，因此，在工业革新背景下，怎样充分地运用自动化控制技术的基础原理来解决实际生产活动中的问题成为该项技术不断创新的动力与目标。1 机电控制领域的发展历程20 世纪 90 年代至今，我国的机械自动化相关技术的发展经历了巨大的改革，将加工机械控制系统与计算机技术、通信技术等信息科技进行有机地结合，最终产生控制系统，实现了机械自动化发展的技术突破。随着时代的发展，技术也在不断革新与发展，进而产生了新的可编程控制器1。如今，工业企业的产品生产过程是连续性的批量式生产，机电控制技术的 PID 与 DCS 控制系统在机械生产设备中得到了广泛的应用，并且产生了非常好的使用效果。2 机电控制工程中的自动控制技术概述自动控制技术是指在没有人为影响的状态下，利用附加的机械或装置，让生产过程或生产机械按照预制的目标自动的运行，保持机械设备的物理状态如温度、工作速度、工作强度、位移、转速以及加工技术受相关程序控制的技术，该技术包括了有关自动控制功能的整个系统元器件的制造原理与功能2。机电控制工程中自动控制技术的内容包括自动化控制的原理、方法、控制系统、应用软件、设备装置、主要技术、安全防范技术。2.1 自动控制技术理论基础自动控制技术所应用的理论包括自动化基本理论，这一理论包含决策、智能分析、博弈、自我适应、自我学习、自我校正等信息；系统建模仿真、图像的处理与方法识别等，同时更新了自动控制理论如网络智能控制、协同与控制相关信息。2.2 自动控制系统工业创新背景下，机电控制工程中自动化控制技术系统主要包括系统体系结构、集成系统、典型系统、分布式控制系统（DCS）、总线控制系统（FCS）、可作者简介：张洪海，男，硕士，工程师，研究方向为机器人控制。文章编号：2096-3092（2023）01-0029-03 装备及自动化 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料30编程自动化系统、信息采集系统、信息控制系统等3，下面就分布式控制系统和现场总线控制系统进行详细的说明。首先，FCS 系统又称现场总线型控制系统，是将设备智能化控制，将设备与信息技术进行有机的结合，形成总体的信息系统。能够实现多种方式或结构的传导方式，具有较为唯一的特性，结构较为简单、成本也较低，具有高度的灵活特性。此外，在可操作特性上比较占有优势，能够在未来的机械加工与控制领域实现可持续发展4。其次，DCS 控制系统能够将信息与数据高度集成化处理，且可以根据机械生产的整个环节进行集中式控制的同时形成分散管理，主要依靠控制系统、信息技术等，再进一步地运用网络来控制与检测机械生产全过程。它包括总控制系统、显示系统、通信总线系统，能够将各种风险实现分散处理，集中控制信息，进而形成集成化的控制与显示系统5。3 工业创新背景下机电控制工程对自动控制技术的需求作为我国经济支柱型产业，工业领域的技术革新关系着国家整体经济的发展，工业创新成果改变了传统的生产方式。由于我国工业领域的市场巨大，先进的技术能够为其带来跨域式的发展，因此，为了实现工业强国目标，在工业创新背景下机电控制工程对自动化技术提出了更高的要求。首先，由于工业企业的生产加工环节较多，机械设备数量更多，如果其中一个步骤产生问题就会对工业系统造成全面的影响，甚至造成停产或产品质量问题。因此，必须创建自动控制系统，全面监控工业企业生产过程中各个步骤的工作状态，这对工业企业的生产活动发挥着重要的作用。其次，自动控制系统中的传感器能够有效地检测生产环节中机械设备的运行状态，然后对其进行具体的分析，负责企业生产活动的管理人员，以自动控制系统提供的信息来作为管理与控制的依据，通过对系统进行智能设定，能够直接针对机械设备的相关控制信息进行反馈控制。此外，在工业创新背景下，机电控制工程对于自动控制技术的需求不仅仅是上述两点，因此，经过技术革新，产生了集成控制系统。集成控制系统能够统一地控制各个生产环节、各个生产机械设备、各个自动化控制系统的子系统，并且加强了各个部分之间的联系，进而能够有效地提高产品的质量与生产的效率6。最后，工业创新背景下，自动控制技术也迎来了全面的革新，不但能够极大程度地取代人工劳动力的参与，更能够避免人为误操作造成的损失，促进工业生产向着更加高效、高质量、高安全等目标发展，当机械设备在生产加工环节出现问题时，相应的自动控制系统会根据不同的检测数据进行分析，然后做出应急处理并报警，这样能够极大程度地保护机械设备，减少工业企业的经济损失，避免更加严重的后果7。4 工业创新背景下机电控制工程中自动控制技术的应用近些年来，在工业创新背景下，自动控制技术飞速发展，随着计算机技术的迭代更新，网络通信技术发展也愈加成熟，让人们能够充分地利用这些先进的技术来创新应用，开发的应用工具影响的领域越来越广泛。例如，网络控制技术、可编程控制器都是自动控制技术领域的应用技术。随着科学技术的不断发展与进步，工业企业发展对自动控制技术提出了更高的要求，推动着这项技术向着智能化、网络化、集成与分布化、节能与节点化的方向逐步发展。就工业领域的发展而言，由于自动控制技术的广泛应用，在生产过程中能够充分地实现其检测功能、控制功能、优化功能、调度功能、管理功能以及决策功能，进而有效地提高了产品品质与产量、降低了生产环节的损耗、确保了生命与财产的安全等目标。在控制原理、设备与仪表、计算机与信息科技等因素的助力之下，推动了工业领域自动控制技术的进步与发展。工业创新背景下，自动化控制技术必然要与信息科技紧密衔接，服务于工业生产并为其带来更加广阔的发展前景。目前，自动控制技术在工业的主要应用也十分广泛，如 PLC 系统、变频器、嵌入式的微控制器等产品得到了各个工业企业的青睐。4.1 现场总线（1）现场总线控制系统。这一系统能够对计算机进行模拟操作，对工业企业的生产环节进行有效控制，再加上对 PC 人机界面的使用能够更加直观且灵活地反映出自动控制技术的特征。该系统主要是在传统的测量仪表中嵌入微处理器，赋予这些设备智能或数据信息处理功能。总线系统与通信技术将各个测量控制仪器仪表进行有效的连接进而形成网络基础，然后通过造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 装备及自动化31网络的通信功能将各个仪器仪表所监测的信息上传至中央控制器进行运算，然后形成相应的控制指令，再运用网络通信功能来下达指令，进而形成了匹配各种需求的自动控制系统。现场总线技术是自动控制技术中过程控制技术的创新应用8。（2）以太网现场总线。由于现场总线系统的广泛应用，现场总线技术得到了有效普及，尽管其控制器在性能上不断地提升，但是传统总线系统限制了控制系统的发展，此外，由于现场总线系统按层划分的控制体系是由多个辅助系统组成的，通常情况下这些系统的反应时间是控制器周期时间的 3 5 倍，因此，以太网总线系统成为这一领域的先进技术水平的代表，率先采用驱动或 I/O 级的应用代替现场总线系统，具有良好的能力，能够充分地适应小数据通信，此外价格也较为经济实惠9。4.2 PLC 技术PLC 技术即通过编写程序达到相关控制功能的控制器，其中的电源结构能够将交流电转换成直流电供给存储控制器使用，进而有效融合计算机控制技术与通信技术，在模拟量控制、开关量控制、定位控制、网络控制等方面都展现出了其优越的应用特点。这样，PLC 控制技术的应用较传统的机电自动化控制水平有了显著提升，应用领域越来越广泛，特别是在工业领域的自动控制技术中具有重要的应用意义，具体分为以下几个方面。首先，PLC 技术能够运用软件虚拟继电器代替传统继电器。其次，在工业企业生产环节存在着持续变化的控制量，该项技术能够分析生产环节中机械设备的电流与电压状态以及温度情况等模拟信息，将上述模拟量转化成数据信号，进而为工业企业的控制系统提供更加准确的参数10。再次，机械加工生产需要对机械臂、机床主轴等运动的位置实施精准的控制，PLC 技术的应用真正地做到了精准的控制。最后，PLC 是总线系统构成的关键技术，可以促进内部系统灵活组网，提升了控制系统的相应能力11。4.3 嵌入式微控制器嵌入式微控制器是由硬件与软件两个系统组成，软件是以程序的形式在微控制器中进行储存，能够适应产业的具体要求，运用计算机技术，形成了软硬件功能高度融合的计算机系统。该技术在工业企业的应用范围非常广泛，在航空领域、航天领域、制造业等都发挥出了重要的作用，是具有广阔发展前景的新型应用技术12。4.4 变频器变频器的作用类似变频交流电源，在工业生产过程中可以通过改变频率的形式来控制机械设备的速度。此外，它还具备直流制动的专项功能，在工业生产过程中需要进行设备制动时，不用额外建立制动控制的电路，运用变频器为电动机添加直流电压就可以轻松地完成设备的制动13。5 结束语近些年来，随着我国综合实力的不断提升，工业企业呈现迅猛发展之势，就更需要切实地开展技术革新，因此在工业创新背景下，机电控制工程中自动控制技术应该被充分应用，这样能够极大程度地促进工业企业的发展，其产品质量、生产效率、生产安全性、设备保障性等均能得到有效提升。随着科学技术不断地创新发展，自动控制技术还有很大的发展空间，因此技术革新工作应该被有关部门重视，力求为工业领域的发展提供更多的助力。参考文献1 苑晨阳.大型风机结构振动的结构机电智能控制研究D.大连:大连理工大学,2017.2 朱家厅,陈祖希,宁振雷.基于前馈控制器的数字阀动态性能研究J.液压与气动,2016(1):114-117.3 牛晓玲.机电控制系统与自动化控制系统一体化设计及应用J.自动化技术与应用,2018,37(10):125-128.4 曹军.基于BIM技术的建筑机电节能运维系统构架与功能需求研究D.重庆:重庆大学,2019.5 伍玩秋.基于小区域碰撞分析的机电一体化控制方法研究J.电气传动,2020,50(4):104-108.6 朱家厅,孟淑平,张立娟,等.基于线性跟踪微分器的数字阀电机控制系统J.液压与气动,2019(12):114-118.7 张立娟,朱家厅,孟淑平,等.一种偏心拨杆数字阀用位置伺服控制驱动器的设计J.液压与气动,2021(1):179-183.8 周卫卫,刘凤江,常冬艳,等.自动控制数字化过盈偶件精密装配技术研究J.精密成形工程,2021,13(4):179-184.9 马殷元,王虎军,张伟.机电系统中实时控制软件状态图模型扩展及实现J.计算机工程,2016,42(3):94