電氣自動化在工業機械控制中的應用探討

摘要：工業機械大多采用電力驅動和控制，將電氣自動化技術引入到工業機械設備的控制和管理中可顯著提高其控制精度和工作效率。現代化的工業生產活動始終以提高勞動生產率、降低管理和運營成本、提升機械設備性能為重要的發展方向。本文先是分析了電氣自動化技術實現機械設備控制的原理，然后在其基礎上研究了電氣自動化技術的具體應用場景。

關鍵詞：電氣自動化;工業機械控制;應用策略

引言：

將電氣自動化技術應用于工業機械控制中可提高設備運行效率和精度、促進工業生產過程的安全管理，企業的綜合運營成本也會因此而降低。電氣自動化技術中大量運用微型處理器、PAC、PLC等電子化的元器件提高機械設備的控制性能。根據實際使用結果來看，機械設備在這種技術的支撐下實現了集成管理、智能化控制、虛擬控制以及無人化管理。

一、電氣自動化地實現原理

現代化的機械設備在工作過程中呈現出控制精度高、自動化運行以及人工依賴性低等一系列特點，典型的如數控機床，工程技術人員只需在配套的軟件中規劃設計加工工藝，再在操作臺上設置加工參數，機床上的鉆頭、夾具、機械臂等就會自動化地完成一系列操作精準的操作任務，電氣自動化技術在這一過程中發揮著非常關鍵的作用。工程機械控制實際是利用特定的動力形式驅動機械設備，使其按照人們預想的方時來運轉，進而完成一定的功能。可用于驅動機械設備的動力形式包括了氣動、液壓以及電力三種，現階段使用最頻繁、最廣泛的方式是電力驅動。其優勢在于通過單片機（微型處理器）、可編程控制器以及電力電子信號向機械設備發出精確的操作指令，使其在空間方位、力度、動作幅度等方面完全按照人的構想來運行，進而達到自動化控制的目標，由于其中運用了大量的和計算機相關的技術，因而自動化水平非常高[1]。

二、電氣自動化在機械控制中的應用價值

（一）運行效率高、精度高

現代化的工業大生產基本上都是依靠電力驅動的機械設備自動化地完成制造任務，并且隨著人工智能技術在生產線中應用，這些自動化的設備還將進一步降低對人的依賴性。其顯著的優勢在于大幅度提高了機械控制的精度、靈活性以及提高機械設備的工作效率。電氣自動化以電信號模擬機械設備的運行參數，而控制信號則是經過微型處理器或者可編程控制器等設備精確計算而來，縱觀生產生活中的各種機械設備，電氣自動化技術的應用已經非常普遍，汽車、高鐵、飛機等設備上都在大量運用電氣自動化控制技術，設備工作效率也都全面提升[2]。

（二）綜合使用成本低

在電氣自動化技術中可編程控制器（PLC）為技術人員編制工業控制程序提供了有效的路徑，上一代技術中主要利用繼電器來完成類似的功能，但是根據實際的使用效果來看，繼電器這種電器元件的故障率比較高，并且在出現故障之后還難以快速排查。而可編程控制器能夠在顯示界面上展示出相應的錯誤代碼，幫助技術人員快速查找故障原因、排除機械故障。與此同時，電氣自動化技術的全面應用使機械設備實現了全天候的控制和運行，這種技術上的進步將大幅提高企業的生產效率、降低勞動力成本，雖然前期采購的此類機械設備的成本較大，但綜合性的經濟效益卻非常突出[3]。

（三）有利于提高安全管理

在自動化、智能化水平較低的時代，機械和設備的控制主要依靠人工方式來實現，有些工作環境中存在一定的安全隱患，如高壓變電站中要實現合閘操作時，操作人員就存在觸電的風險。將電氣自動化技術引入到機械設備控制中將全面降低人員在危險環境中的暴露時間和暴露次數，機械設備操控人員在遠程的控制室中即可實現遠程管理，和傳統的生產管理過程相比較，引入了電氣自動化技術的機械設備在安全管理方面具有突出的表現，這一點在煤礦自動化采集作業中體現得最為明顯，開采作業面可實現無人化。

三、電氣自動化在機械控制中的具體應用策略

（一）提高機械設備控制的智能化水平

自動化的高層次應用就體現為智能化，所謂“智能”指的是機械設備在自動化運行的過程中能夠根據實際場景的變化自主學習、自主建模、自主適應，經過一定時間、足夠次數的訓練之后，這些機械設備就能熟練地處理之前從未涉及的場景[4]。智能化水平的提高和現代化的信息技術密切相關，主要依靠于大數據和機器學習。其原理是機械設備利用當前的數據不斷處理某些新的應用場景，然后在機器學習技術的支撐下利用算法和數據建立新的模型、形成控制邊界和條件，隨著訓練次數的增加，模型會越發合理與成熟，機械設備應對新場景的能力也隨之提高。這方面的典型應用是無人駕駛汽車，其工作示意圖如圖1。車輛在投入使用之前依靠大量的道路聯系自動建立駕駛模型，車載電腦數據庫會記錄下車載雷達和激光測距儀等獲取的數據，然后再由車載電腦將其集成的算法分析這些數據，逐步建立自動駕駛的模型。自動駕駛汽車上使用了大量的電氣自動化技術，具有典型的示范作用。（詳見圖1）

（二）實現機械設備的集成化管理

生產制造過程或者具體的生活服務項目通常具備多個環節，其中涉及的機械設備也具有多樣性的特點，有時候生產一件產品要經過一條較長的流水線。顯然，在這種情況下就要求機械設備的控制實現集成化的管理，也就是將原本相對分散的生產過程通過電氣自動化技術結合在一起，形成一條高效率運行的機械生產線[5]。以國內某大型企業的工程機械組裝生產線的進步為例，在傳統的生產模式下，要制造挖掘機、裝載機、吊裝車輛等設備，就要完成機械組件吊運、機械組件組裝、焊接、接線、調試等一系列工序，采用人工和機械相配合的方式，但是生產效率卻不高，主要原因是人工方式導致生產過程的集成化水平低下、作業面連接不緊密，并且工人的效率也難以和機械相比較。后來在生產線中引入了自動化水平和集成度更高的新型工作模式，新的生產線以5G高清傳感器、重載機器人為核心，將原本必須依靠人工模式完成的“吊龍門”工作轉化為機器人作業，生產線的緊促性更高，集成度更高，因而生產效率也顯著提升上，產能在原有基礎上提高了4倍。

（三）實現機械設備的虛擬化操控

機械控制自動化水平的全面提高將管理人員從終端的生產環境中解放出來，現代大量的機械控制工作可在遠程控制室中完成，操作人員利用計算機平臺以及各種類型的虛擬軟件，將機械設備的運行過程模擬出來，并展示在電腦屏幕上。虛擬化操作的實現原理是仿真，這種技術進步在實際工作中的價值非常突出。邊緣計算技術在機械設備的虛擬化控制中具有非常重要的應用，其中要使用到PAC（可編程自動化控制器）和PLC（可編程邏輯控制器），這兩種電子元器件也屬于電氣自動化控制的核心設備。以PLC的應用為例，這種設備具有獨立的處理器和實時操作系統（RTOS），該設備為定期自動化控制提供了專門的輸入/輸出和特定的功能。虛擬化軟件是為了提高人機交互的便捷性而設計的，虛擬軟件行業具備遠程操作的功能，將機械設備當前的運行狀態以圖形、數據、圖像等形式展現出來，電氣工程技術在這一過程中發揮的主要作用是采集各種設備的運行數據和參數，將其反饋到管理后臺，然后由計算和軟件系統將其轉化成便于讀取的圖形和數字[6]。

（四）實現無人化管理模式

無論是從降低生產過程的安全風險看，還是降低企業的用工成本看，無人化都是未來的一大趨勢，機械設備控制要實現高水平的自動化控制，基本上都離不開電氣自動化技術，我國已經成為全世界最大的工業機器人采購國。無人化對自動化水平提出了非常高的要求，無人也并不是百分之百的無人，只是人的作用被極大地弱化，僅僅用于監控設備運行狀態、處理緊急突發情況，大部分時間下由機器設備自行完成生產或者工作任務。以傳統的煤礦開采作業為例，在自動化水平較低的時代，煤礦工人要深入到井下，面對著粉塵、瓦斯、透水等一系列嚴重的安全威脅，在過去煤礦開采造成的事故居高不下。現階段煤礦開采已經逐步使用智能化、無人化的生產設備代替傳統的生產設備，井下基本可實現無人化管理，管理人員無需在進入礦井下操作設備按鈕，而是在遠程控制室中利用遙控裝置來操作。井下開采設備大部分時間自動化運行，由智能巡檢機器人對其工作狀態實現全天候監控，僅僅在設備出現故障的情況下由管理人員實時處理，使煤礦企業職工脫離井下的危險工作環境。電氣自動化技術在實現煤礦無人化開采方面發揮了非常關鍵的作用，表1匯總了礦井下智能巡檢機器人實時工作參數。（詳見表1）

（五）有利于構建柔性生產線

機械設備主要用于生產制造，產品的規格、結構等有可能存在一定的差異，如果每一種產品都單獨建立一套生產線，企業的生產成本會非常高，解決這一問題的方法是構建柔性生產線，采用模塊化思路，生產線主體結構不變，只是在生產不同的產品時更換生產線上的某些模塊，對原有的生產線做出小幅度的更改即可。電氣自動化控制技術在更換模塊、連接新的線路時具有重要的應用，模塊更改之后，通常還要更換相應的軟件程序。現代化的柔性生產中還大規模使用計算機數控車床，由于車床的自動化程度非常高，可靈活地制造各種復雜的產品，一套設備能滿足各種類型的生產任務，甚至可以說機械加工設備的自動化水平越高、適應場景越廣泛，越能滿足柔性生產的需求。顯然，電氣自動化技術在柔性生產中發揮著非常關鍵的作用。

四、結束語

工業生產對機械設備具有很高的依賴性，現代化的工業機械廣泛使用電氣自動控制技術來減少人工管理模式，生產線可實現全天候工作，作業人員也更少的暴露于危險的工作環境。這種技術中大量使用現地化的計算機技術、微處理器技術以及可編程控制器技術，工業生產在這種技術的支撐下呈現出智能化、無人化、集成化以及虛擬化的特點。

參考文獻

[1]霍科農.電氣自動化在工業機械控制中的應用分析[J].中國戰略新興產業：理論版，2019（19）：1.

[2]賈秋炅，劉廣斌.電力系統運行中電氣自動化技術的應用策略[J].電力系統裝備，2019，000（009）：55-56.

[3]顏秉毅.論電氣自動化在工業機械控制中的應用[J].汽車世界，2020（3）：1.

[4]何繼賢.PLC自動化技術在農業機械電氣控制中的應用[J].農機使用與維修，2021（6）：2.

[5]楊崢嶸.電氣自動化在工業機械控制中的應用研究[J].華東科技：綜合，2019（8）：1.

[6]劉少斌.淺析工業機械設備電氣工程自動化技術的應用研究[J].中國戰略新興產業，2020，000（006）：94.

作者簡介：劉新海 南京大地水刀股份有限公司 男，1975年10月，鹽城市人 現為中級工程師，研究方向為：機械工程自動化。