自動化控制技術在機械制造中的應用與發展趨勢

孫梓雄

[摘? ? 要]機械制造業一直以來就是我國經濟發展的支柱性基礎產業，其經濟指標在我國工業產業中所占比例最大，在推進我國經濟增長方面起著非常重要的作用。隨著新時代的到來，我國科技發展突飛猛進，越來越多的先進技術應用到了傳統的制造業當中，其中自動化控制技術在機械制造業中得到了廣泛使用。文章對自動化控制技術在機械制造中的應用進行了討論和分析，對自動化控制的特點展開了論述。

[關鍵詞]自動化控制;機械制造;自動一體化;發展趨勢

[中圖分類號]TM76;TP18 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–0–02

Application and Development Trend of Automatic?Control Technology in Mechanical Manufacturing

Sun Zi-xiong

[Abstract]China's machinery manufacturing industry has always been the pillar basic industry of our party and national economy， and its economic indicators account for the largest proportion in our party and national industry， which plays a very important role in promoting our party's economic growth. With the advent of the new era， China's rapid development of science and technology， more and more science and technology are applied to the traditional manufacturing industry， in which automation control technology has been rapid development in the machinery manufacturing industry， this paper will mainly discuss and analyze the development trend of automation control technology in machinery manufacturing， and discuss the characteristics and application of automation control.

[Keywords]automatic control; machinery manufacturing; automatic integration; development trend

1 自動化控制技術概念

自動化泛指所有的機器設備、系統或者生產過程，在沒有人工的直接參與下，按照技術要求，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，達到預期的目標^[1]。隨著科技的發展和生產效率與加工精度的需要，自動化控制得到迅猛發展。控制系統中的控制可分為兩種，分別為自動控制和人工控制^[2]。自動控制就是在無人的情況下，利用自動化控制系統，使得生產工藝過程或者所控制物體的某個物理變化（例如溫度，壓力，液面，流量，速度，位移等）準確地按規律進行^[2]。自動化控制系統按控制作用的特點可分為恒值控制系統、程序控制系統和隨動控制系統。按控制系統有無反饋可分為開環控制系統和閉環控制系統，其中開環控制系統指輸出端與輸入端之間無反饋通道，閉環控制系統指輸出端與輸入端之間存在著反饋通道。如圖1所示。

2 機械制造中自動化控制特點

2.1 精確高效

自動化控制減少了傳統人工控制中的人員數量，在無人或少量人工操控下即可通過執行程序完成生產任務，減少了資金的消耗，降低了犯錯幾率，提高了生產效率，簡化了生產工序，打破了傳統機械制造的耗時、費力和誤差較大等，真正實現了精確高效。要想實現企業的大規模，高效率，連續生產等各個方面的快速發展，就需要迅速準確地檢測和監視各種工藝參數，對各種工況的可靠性進行分析，判斷，并及時做出正確的操作決策。由于人工操作的精度、準確性和效果都難以適應生產的要求，所以必須由更高效的自動化控制系統取代人工，這也對自控系統提出了較高的要求。

2.2 安全環保

在機械制造過程中，原料的綜合處理和加工往往會產生大量的污染物和廢棄品，若隨意排放和遺棄會對自然環境造成較大的影響，不利于經濟的可持續發展。近些年來，由于一些中小企業的違規排放，生態環境受到嚴重破壞，酸雨、霧霾、水源污染等問題對我國農業生產和人們身體健康都產生了很大影響，自動化控制可通過計算機實現數據分析，減少原料的浪費，并及時對污染物進行有效處理，減少對生態系統的危害^[3]。

在人工生產過程中，由于工人對外界的觀察和操作的精確度有限，往往對生產效率帶來一定的負面影響。而且，儀表連鎖所需要涉及到的安全體系對于工藝制造過程中的安全性也是極為重要的。一個失誤操作就有可能造成嚴重后果。人的體力是有限的，某些設備在操作時還有力量要求，包括人的情緒化、多變等因素都不利于高效生產。而自動化控制的出現使得以上問題得到了改善和避免。同時，自動化控制可減少生產事故的發生，操作人員可直觀地了解機器運行狀態和可能發生的故障，并及時檢修，遇到突發狀況，操作人員能夠及時采取措施。從而自動化控制可實現安全環保。

3 自動化控制技術在機械制造的應用

3.1 應用現狀

機械制造業一直是我國的支柱產業之一。近年來，隨著科技的發展和對生產效率和精度的需求的提高，機械自動化產業興起，并飛速發展，在不同領域取得了較好成績。各企業也紛紛將自動化控制技術結合傳統機械制造，做出了優化和改良。但自動化控制技術在我國仍處于初級發展階段，也存在著一些問題，如專業人才相對較少，技術不夠成熟等。

3.2 應用類型

3.2.1 柔性自動化在機械制造中的應用

工業自動化技術的發展和進步經歷了多個階段。自動化的發展史如圖2所示。

當前，自動化在不斷的發展中已經從剛性向柔性方向過度。過去，由于所生產產品種類單一，而且產量大，變化小，生產線設備成本低于柔性解決方案，在經濟和產品綜合考慮下，剛性自動化就非常適合。隨后出現了可編程自動化，目的是在實現安裝實施后允許某種程度的可配置性，于是就通過編寫新代碼來執行命令，但是需要手動操作機械裝置進行調試和轉換，勞動強度和工作難度較大，更換工具和重新編程需要時間較長，生產效率受到一定影響。

在科技發展和生產的需求下，柔性自動化開始出現在人們的視野。柔性自動化是機械技術與電子技術相結合，即機電一體化的新一代自動化，其加工程序靈活可變，也稱可變自動化^[4]。在生產量較大時，柔性與生產率是相悖的。為了同時提高制造工業的柔性和生產效率，減少產品生產時間，降低產品成本，在保證產品質量的前提下，使中小批量生產能與大批量生產抗衡。柔性自動化技術能有效提高產品的質量和生產效率，為系統的可靠性提供保障，也可提高制造的應變能力，滿足客戶的需求變化。它可以利用機械自動化和配方控制快速地將一個進程轉化成另一個，而且停機時間較短，柔性設備將迅速、重復的過程轉換為位置控制，從而在一臺機器設備上生產更多產品。

3.2.2 數控自動化技術在機械制造中的應用

數控自動化技術充分結合了計算機技術、自動控制技術、電子技術等，與機械制造相互交叉并融于一體，通過數字信息編程控制機械操作，使加工工藝更加精確，節省人力和節約時間，隨著電子技術、計算機技術的發展和進步，數控技術已經成功應用于除機床加工以外的多個領域。

（1）PLC的運用。PLC邏輯運算效率高，控制周期短，作為機電一體化的組成部分，其具有模塊體積小、安裝相對便利的特點，在當今的機械制造中，自動化系統構建中PLC的運用，使得整個操作系統更加簡便。PLC的各種軟件架構都已經完全實現了不同的功能和可變，而且所有的軟件和程序都已經完全是自動進行編譯和執行，進行控制時非常靈活。必要時還可以按目的，自己設計和編寫多套或多組的程序，依照自己的特點和需要對其進行了調用，很好地滿足了對工業現場的多情境、多狀態轉換。

在設計和生產的過程中若出現故障部件，系統就會準確地判斷故障的位置，并對于故障部分準確地用其他模塊進行代替，將PLC技術直接引入到工業機械制造中，可明顯地改善和提高生產效率。

（2）SCADA的運用。SCADA系統專門用于對生產的各個環節中數據的采集以及處理和分析，系統的自動化檢測和監控，SCADA系統主要依托計算機裝置，具有安全可靠，經濟性，適應度高等特點，開發和可擴展能力較強。通過該自動化系統所構建的信息服務平臺，可準確及時地了解企業生產經營活動的運行情況，提高了企業的生產質量和效率。

4 自動化控制技術在機械制造中的發展趨勢

4.1 自主化

目前，我國機械制造工業自動化及其相關技術還只是處于初級起步階段，財力經濟等和發達國家相比仍差距較大，機械工業和自動化應用經驗也略有欠缺，基礎性技術也略為不足。當前仍需要充分結合國情和制造工業發展的實際，進一步探索開拓和發展先進的自主制造技術，使我國機械自動化技術取得更好的發展和提高影響力。

4.2 虛擬化

隨著近年來我國現代工業科學技術的發展和進步，自動化控制系統虛擬化技術已經被廣泛應用于工業生產、加工的重要環節和保障流程，其意義和功能較為明顯。虛擬化在機械設計中借助于對生產的模擬，能有效地降低對生產資源的浪費，控制生產制造成本，提前直觀地檢查設計漏洞，提高設計可行性，有利于自動化控制技術良好的可持續發展。

4.3 人機一體化

人、產品及環境是人機一體化自動化制造系統的組成要件，自動化制造系統是指通過各種技術手段和設備之間相互配合來完成生產的功能和任務。在現代工業和自動化生產制造系統中，人和產品之間是相互影響和共同發揮作用的。人機一體化將操作、計算、運行和屏幕顯示完美地集合在了一起，降低了控制難度，方便了控制模式。集中控制提高了工作效率，讓故障更早更直觀地被發現并解決，有效地避免了事故發生和財產損失。人機一體化隨著工業生產的需要一定會更加普及并逐步完善。

5 結語

本文對自動化控制技術的特點進行了分析，并通過舉例和流程圖對自動化控制技術的應用進行了詳細闡述，針對自動化控制技術在機械制造中的發展趨勢進行了論述。隨著我國經濟和科技的不斷進步，機械制造業的競爭也愈演愈烈。國家和企業一定要充分了解并認識到自動化控制技術的重要性，結合我國的國情和發展趨勢，不斷探索、學習，腳踏實地，制定一套符合我國現狀的發展方案，借鑒學習他國的經驗和技術，取長補短，相信自動化控制技術一定會在機械制造業發揮越來越大的作用。

參考文獻

[1] 楊維娜.淺談計算機技術在工業自動化控制系統中的應用[C].天津市電子工業協會2017年年會論文集.2017.

[2] 朱驥北，徐小力，陳秀梅.機械控制工程基礎（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2018.

[3] 季達，張雨，果崇實.淺述目前機械設計制造及其自動化的發展特點[J].南方農機，2017，48（3）：126，128.

[4] 陳樂成.機械自動化在機械制造中的應用[J].科技風，2017（13）：148.