工業自動化設備的設計制造及安裝調試方法

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

隨著人們對自動化技術的研發越來越深入，自動化技術的運用范圍越來越廣泛，在工業設備制造業中的自動化程度越來越高。工業自動化設備涉及倒硬件設備和軟件控制方法兩部分。

工業自動化設備主要用于大量現代自動化組件和自動控制系統，與傳統的純機械機構有一定的區別。但是，自動化組件和現代控制技術的能力不能盲目崇拜。與現代自動化設備組成的結構模塊相比，傳統的機械機構具有非常簡單和高效的優點[1]。因此，在設備設計過程中，只有合理利用機械和自動化組件以及現代控制技術，才能設計出完美的自動化設備。為此本文對工業自動化設備的設計制造及安裝調試方法進行了分析。

1 工業自動化設備

在工業自動化設備中，常采用自動化專業方面的知識，如PLC、自動控制，軟件控制技術、機電一體化技術等，通過在工業設備中利用自動化技術進行控制，可以提高工業設備的性能。工業自動化設備領域的業務包括高端智能成套裝備定制研發、工廠自動化整體集成和工業機器人系統應用等，

對于工業自動化設備，不僅需要在設計制造及安裝調試過程中采用合適的方法，在后期的運行中，也應采取合理的自動化設備運維方法，如狀態檢修方式就不但能夠避免突發故障，而且可防止不必要的過剩維修。特別對于應用在自動化生產線中的自動化設備，應用狀態維修減少故障和停機損失，更具有顯著意義。同時并可為設備的更新改造、決策提供可靠依據，突發故障大大減少，能夠產生了較好的經濟效益。

對于工業自動化設備的設計和制造，首先需要確定開發項目并了解客戶需求，包括產品質量要求。設備生產效率要求，設備工作環境，產品分析，產品生產過程的理解，產品尺寸要求和來料，客戶傳達產品生產過程中的注意事項和設備使用地點的技術參數。再次是制定計劃，組織工程師討論和分析相應的設備計劃，設備可行性評估，設備成本評估，設備生產效率評估，各部分結構可行性評估，方案通過后進入對工業自動化設備的開發制造。

2 工業自動化設備的設計制造

工業自動化設備在設計時，可采用優化設計方法和自動控制技術，如采用狀態空間的最優化設計方法和數字PID 控制技術。在狀態空間的最優化設計方法中，可以通過狀態觀測器，對工業自動化設備中的控制性能進行控制及調整。在經典的控制理論中，一般是通過計算傳遞函數進行控制方式的實現，所研究的系統也是輸入輸出系統，傳輸函數根據輸入量的變化，通過傳遞函數進行輸出量的控制[2]。但是這種控制方式也具有一些缺點，比如不能觀察到控制系統內部的變化，這樣從控制系統的性能角度而言，和最優化設計方法相比不夠優越，故需要運行現代控制理論進行控制系統的設計。在現代控制理論中，最優化模型具有能觀性，能夠具有控制模型的可視化功能。在現代控制理論中，可以構建狀態空間方程，通過對狀態空間方程的求解，并對狀態空間方程中的參數進行分析求解，若不合適的地方加以改進，這樣就可以得到控制性能更加優越的控制模型，從而實現最優化設計。在狀態空間的最優化設計方法中，可以用狀態空間模型設計和分析多輸入和多輸出系統，也可研究多變量系統提供了很好的自動化控制方法。

對于工業自動化設備中的自動控制原理，可以利用自動控制原理中的能控性矩陣和能觀性矩陣，構建狀態空間方程，如式（1）所示。

對于工業自動化設備中的控制算法，控制算法的性能直接決定了工業自動化設備產品的性能。工業自動化設備產品的二次型性能指標可采用下式表達式進行表示。

若該系統為線性定常系統，則泛函可表示為：

則最優控制系統模型如式（4）所示，最優控制系統模型的框圖如圖1 所示。

在圖1 中，令K（t）的表達式如式（5）所示：

則可以得到：

對于矩陣K，對角線上元素的值越大，則表示工業自動化設備的性能越佳，也表示該控制方法比較適合該工業自動化設備。當在理論層面對工業自動化設備進行設計之后，就可以進入到工業自動化設備的實際制作階段。在工業自動化設備的實際制造階段，可通過構建工業自動化設備的產品模型，之后就可以在模型中加入控制策略和控制算法[3]，實現工業自動化設備的自動化功能。

通過對工業自動化設備中的各個功能分模塊進行設計，使得工業自動化設備具有更加優越的性能。通過分模塊進行工業自動化設備的設計及制造，首先當工業自動化設備出現故障時，便于對故障進行排查，縮短自動化設備的停運故障時間。并且，自動化代碼生成，也減少了人為在代碼領域的出錯率，所花費的時間相對而言也會減少，提高了工業自動化設備的生成效率。

圖1 最優控制系統

3 工業自動化設備的安裝調試

工業自動化設備在生產制造完成之后，能夠正常投入運行需要先進行安裝并調試，經過調試確認無誤之后，方可投入運行。對工業自動化設備安裝調試，在對自動化設備進行調試之前，需要考慮到系統在配置方面的問題，包括系統的硬件和系統軟件等兩個方面的問題，對于系統的硬件問題應該考慮到硬件設施的性能和硬件的型號等問題，此外對于硬件設備的接線和保護接地等方面的問題也是需要納入考慮范圍之內的重要問題。

對于自動化設備中可能會涉及到的各類軟件和硬件都應該進行較為深入和詳細的檢查，只有這樣才能充分保障自動化設備的安全穩定工作。在對自動化設備進行檢查的過程中，可以根據原理圖，這樣能夠充分了解到設備中的各個組成部分的作用，就可以有針對性地進行設備的測試。在測試的過程中，可以首先輸入某個輸入量，輸入量在經過自動化設備之后，觀察輸入量有什么變化，根據輸出量來測試自動化設備的性能。PLC 自動化設備在工業生產中的應用十分廣泛，所采用的控制系統模式主要有開環控制系統和閉環控制系統。

對于采用開環方式的控制系統，輸出量的信息難以反映到輸入中，即輸入量不能根據輸出量的情況進行調節，故該種控制系統的控制系統較差。在開環控制系統的基礎上進行改進，構成閉環控制系統。

若在工業自動化設備中，可以采用數字PID 控制器技術，該控制器的控制規律如式（7）所示。

對應的模擬PID 調節器的傳遞函數為：

式中 Kp——比例增益

u（t）——控制量

e（t）——偏差量

對工業自動化設備的控制性能進行測試，也是對自動化設備進行調試的一個重要方面。測試工業自動化控制設備能夠具有負反饋的控制性能，能否根據輸出量的變化實時調整輸入量的變化，已達到控制調整的目的。

此外在工業自動化設備涉及到的傳感器大致有幾類，一是光電開關，這類開關具有一定的優點，光具有速度很快的特點，用在傳感器中則具有響應速度很快的優點，能夠實現反映靈敏，這一點對于自動化設備是較為重要的性能。此外這類傳感器的結構一般來說都不會太復雜，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：反射光電傳感器對射式光電傳感器和位移傳感器。在自動化設備中應用的各類傳感器，在性能方面具有一定的差異性，在實際運用中應該根據自動化設備所要求的具有性能加以選擇，從而達到自動化設備具有最佳的工作性能。其中，對于位移傳感器，它可以根據目標位置的變化，將相應的位移信號輸入到位移傳感器中，并最終反映到自動化設備中，這樣就可以通過自動控制算法進行相應的控制操作。此外，在自動化控制中，還涉及到編碼器，因為控制一般采用數字信號方式，需要通過譯碼和編碼器進行相關控制信號的傳遞。

4 結論

工業自動化設備在工業生產領域中占有重要的地位，其中自動化設備中的軟件控制算法的性能將直接影響自動化設備產品的性能表現，本文分析的工業自動化設備中的控制算法和安裝調試方法，對于工業自動化設備的推廣使用具有一定的意義和價值。