智能化技術(shù)在機(jī)械工程自動(dòng)化中的應(yīng)用研究

張秋潔

（武漢東湖學(xué)院，湖北 武漢 430212）

1 開環(huán)和閉環(huán)（反饋）控制

在機(jī)械自動(dòng)化中主要有兩種智能控制回路：開環(huán)控制和閉環(huán)（反饋）控制。在開環(huán)控制中，來自控制器的控制動(dòng)作獨(dú)立于“過程輸出”（或“受控過程變量”）。一個(gè)很好的例子就是一個(gè)集中供熱鍋爐，只有定時(shí)器才能控制，因此不管建筑物的溫度如何，熱量都會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。（控制動(dòng)作是鍋爐的開啟/關(guān)閉，過程輸出是建筑物溫度）。在閉環(huán)控制中，來自控制器的控制動(dòng)作取決于過程輸出。在鍋爐類比的情況下，這將包括用于監(jiān)測建筑物溫度的恒溫器，并由此反饋信號(hào)以確保控制器將建筑物維持在恒溫器上設(shè)定的溫度。閉環(huán)控制器因此具有反饋回路，該回路確?？刂破魇┘涌刂苿?dòng)作以給出與“參考輸入”或“設(shè)定點(diǎn)”相同的過程輸出。為此，閉環(huán)控制器也被稱為反饋控制器。

2 順序控制和邏輯順序或系統(tǒng)狀態(tài)控制

順序控制可以是固定順序，也可以是邏輯順序，根據(jù)不同的系統(tǒng)狀態(tài)執(zhí)行不同的操作。狀態(tài)指的是系統(tǒng)使用或順序情景中可能出現(xiàn)的各種情況。一個(gè)例子是電梯，它根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)使用邏輯來響應(yīng)其狀態(tài)和操作員輸入來執(zhí)行某些操作。例如，如果操作員按下地板n按鈕，則系統(tǒng)將根據(jù)電梯是停止還是移動(dòng)、上升或下降，或者門是打開還是關(guān)閉以及其他情況而作出響應(yīng)。順序控制的早期發(fā)展是繼電器邏輯，通過該繼電器邏輯，電氣繼電器接合啟動(dòng)或中斷設(shè)備電源的電氣觸點(diǎn)。繼電器在開發(fā)用于控制其他設(shè)備之前首先用于電報(bào)網(wǎng)絡(luò)，例如在啟動(dòng)和停止工業(yè)級(jí)電動(dòng)機(jī)或開關(guān)電磁閥時(shí)。使用繼電器進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的控制，即響應(yīng)外部事件，可以按順序觸發(fā)操作。這些響應(yīng)比剛性單序列凸輪定時(shí)器更靈活。更復(fù)雜的例子涉及維護(hù)安全順序的設(shè)備，如擺動(dòng)橋控制裝置，其中需要在橋可移動(dòng)之前釋放鎖栓，并且在安全門已經(jīng)關(guān)閉之前不能釋放鎖栓。在一些工廠中，繼電器、凸輪計(jì)時(shí)器和鼓音序器的總數(shù)可以達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千。需要早期的編程技術(shù)和語言來使這種系統(tǒng)易于管理，其中第一個(gè)是梯形邏輯，其中互連繼電器的圖表與梯子的梯級(jí)相似。稱為可編程邏輯控制器的特殊計(jì)算機(jī)后來被設(shè)計(jì)成用單個(gè)更容易重新編程的單元代替這些硬件集合。在典型的硬接線電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止電路（稱為控制電路）中，通過按動(dòng)啟動(dòng)一對(duì)繼電器的“啟動(dòng)”或“運(yùn)行”按鈕來啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)?！版i定”繼電器鎖定觸點(diǎn)，使按鈕釋放時(shí)控制電路保持通電。（啟動(dòng)按鈕是一個(gè)常開觸點(diǎn)，停止按鈕是常閉觸點(diǎn)。）另一個(gè)繼電器激勵(lì)一個(gè)開關(guān)，該開關(guān)為主電源電路中引發(fā)電機(jī)啟動(dòng)開關(guān)的設(shè)備供電（三組工作電源觸點(diǎn)）。大型電機(jī)使用高電壓，使得速度在制造和斷開接觸方面非常重要。啟動(dòng)電路中的“鎖定”觸點(diǎn)和電機(jī)的主電源觸點(diǎn)通過其各自的電磁鐵保持接合，直到按下“停止”或“關(guān)閉”按鈕，從而斷開繼電器中的鎖定。通?；ユi被添加到控制電路。定時(shí)器，限位開關(guān)和電眼是控制電路中的其他常見元素。電磁閥廣泛用于壓縮空氣或液壓流體，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件上的執(zhí)行器。雖然電機(jī)用于提供連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是對(duì)于間歇性地為機(jī)械部件創(chuàng)建有限范圍的運(yùn)動(dòng)（例如移動(dòng)各種機(jī)械臂、打開或關(guān)閉閥門、提升重壓輥、向壓力機(jī)施加壓力），致動(dòng)器通常是更好的選擇。

3 計(jì)算機(jī)控制

計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行順序控制和反饋控制，通常單臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以在工業(yè)應(yīng)用中使用。可編程邏輯控制器（PLC）是一種專用微處理器，它取代了許多硬件組件，如繼電器邏輯類型系統(tǒng)中使用的定時(shí)器和鼓定序器。通用過程控制計(jì)算機(jī)已經(jīng)越來越多地取代了獨(dú)立控制器，而單臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行數(shù)百個(gè)控制器的操作。

過程控制計(jì)算機(jī)可以處理來自PLC，儀表和控制器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)許多單個(gè)變量的典型（如PID）控制，或者在某些情況下，可以使用多個(gè)輸入和數(shù)學(xué)操作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。

自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）的控制是交互過程的一個(gè)例子，其中計(jì)算機(jī)將基于從聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中檢索的信息對(duì)用戶選擇執(zhí)行邏輯推導(dǎo)的響應(yīng)。ATM過程與其他在線交易過程相似。不同的邏輯回應(yīng)稱為情景。這些過程通常是借助用例和流程圖來設(shè)計(jì)的，這些用例和流程圖指導(dǎo)了軟件代碼的編寫。

4 智能化工具

工程師現(xiàn)在可以對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行智能化控制。其結(jié)果是應(yīng)用程序和人類活動(dòng)的范圍正在迅速擴(kuò)大。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（或CAx）現(xiàn)在成為用于創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和組織工具的基礎(chǔ)。CAx的著名例子包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD軟件）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM軟件）。由CAx實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)、分析和制造對(duì)于工業(yè)是有益的。信息技術(shù)與工業(yè)機(jī)械和工藝一起可以幫助設(shè)計(jì)，實(shí)施和監(jiān)控控制系統(tǒng)。工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)例子是可編程邏輯控制器（PLC）。PLC是經(jīng)過專門加固的計(jì)算機(jī)，經(jīng)常用于同步來自（物理）傳感器和事件的輸入流與執(zhí)行器和事件的輸出流。人機(jī)界面（HMI）或計(jì)算機(jī)人機(jī)界面（CHI），以前稱為人機(jī)界面，通常用于與PLC和其他計(jì)算機(jī)通信。通過HMI進(jìn)行監(jiān)視和控制的服務(wù)人員可以通過不同的名稱進(jìn)行調(diào)用。在工業(yè)過程和制造環(huán)境中，它們被稱為操作員或類似的東西。在鍋爐房和中央公用事業(yè)部門，他們被稱為固定工程師。存在不同類型的智能化工具：ANN-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；DCS-分布式控制系統(tǒng)；HMI-人機(jī)界面；SCADA-監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集；PLC-可編程邏輯控制器；儀表；運(yùn)動(dòng)控制；機(jī)器人。在工廠自動(dòng)化方面，主機(jī)仿真軟件（HSS）是一種常用的測試工具，用于測試設(shè)備軟件。HSS用于根據(jù)工廠自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)（超時(shí)，響應(yīng)時(shí)間，處理時(shí)間）測試設(shè)備性能。

5 自動(dòng)化限制

目前的技術(shù)無法使所有期望的任務(wù)自動(dòng)化。許多使用自動(dòng)化的操作具有大量的投資資本并產(chǎn)生大量的產(chǎn)品，使得故障成本極高且潛在危險(xiǎn)。因此，需要一些人員來確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，并保證安全和產(chǎn)品質(zhì)量。目前工業(yè)過程中人類的許多角色已經(jīng)超出了自動(dòng)化的范圍。人類模式識(shí)別、語言理解和語言生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)代機(jī)械和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力。需要主觀評(píng)估或合成復(fù)雜感官數(shù)據(jù)（如氣味和聲音）以及戰(zhàn)略規(guī)劃等高級(jí)任務(wù)的任務(wù)目前需要人類專業(yè)知識(shí)。在許多情況下，甚至在可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)任務(wù)自動(dòng)化的情況下，使用人類比機(jī)械方法更具成本效益?？朔@些障礙是后稀缺經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論化途徑。

6 結(jié)語

智能化生產(chǎn)可以有效提高生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，同時(shí)還能減少對(duì)人力的需求，降低生產(chǎn)成本。但應(yīng)用智能化技術(shù)是機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)并存的選擇。在使用智能化技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)明確其技術(shù)缺陷，根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行技術(shù)的合理選擇與應(yīng)用。

[1]朱澄.探究智能化技術(shù)在機(jī)械工程自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（15）：91-92.