工業自動化控制技術的發展應用分析

趙輝

【摘要】從其中的變頻器、嵌入式微控、觸摸屏等技術方面較為詳細的介紹其結構、作用和工作原理。

【關鍵詞】工業控制技術；變頻；微控；摸屏

Development Application of industrial automation and control technology

Zhao Hui

（Taiyuan Luhai Automation Technology Co.， LtdTaiyuanShanxi030006）

【Abstract】From a technical aspect which inverter， embedded micro-controller， touch screen and other more detailed description of its structure， and how it works.

【Key words】Industrial Control Technology；Frequency；Microcontroller；Touch screen

1. 引言

在工業自動化控制技術領域，為了實現對工業生產過程的檢測、控制、優化、調度、管理與決策，從而達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保安全生產等一些目的。對于工業自動化控制技術而言，它是自動化技術、電子技術、儀器儀表等技術的綜合集成。其控制系統主要由變頻器、嵌入式微控制器、觸摸屏等部分構成。通過對設備和生產過程的控制，就能實現上述目標，并提升整個企業的安全生產能力和經濟效果。

2. 變頻器技術

2.1變頻器基本功能。

作為變頻器技術來說，它是一門綜合性的技術，是建立在電力電子技術、自動控制技術、計算機技術的基礎之上而逐漸發展起來的。而變頻器也可以看作是一個頻率可調節器的交流電源。它通過改變變頻器的輸出頻率，就可以實現電動機的速度控制。只需要改變變頻器內部逆變管的開關順序，即可實現輸出換相，實現電動機的正反轉切換。與此同時，變頻器還具有直流制動的功能，不需要增加制動控制電路了，就能順利實現制動功能。在需要制動時，只要通過變頻器給電動機加上一個直流電壓，利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上進行制動即可。變頻器在使用時，只需要在電網電源和現有的電動機之間接人變頻器和相應設備，不需要對電動機和系統本身進行大的設備改造，就可以適用各種工作環境和工藝要求。另外，變頻器的節能效果也非常顯著。尤其是對于工業中大量使用的二次負載（風機和泵類）來說，當用戶需要的平均流量較小時，風機、水泵的轉速較低，其節能效果是非常顯著的。

2.2變頻器的結構。

變頻器的主要任務是把電壓和頻率恒定的電網電壓，變成電壓和頻率可調的變頻電源。它的基本結構包括以下四個部分：

（1）整流電路。主要由三相全波整流橋組成，其作用是對電網工頻電源進行整流，把交流電整流成直流電，并給逆變電路和控制電路提供所要的直流電源。

（2）逆變電路。它是變頻器最主要的部分，也是長期以來要解決的核心問題。常見的結構形式是利用六個電力電子開關器件組成的三相橋式逆變電路，它的主要作用是在控制電路的控制下，有規律地實現逆變器中主開關器件的通與斷，將整流電路輸出的直流電轉換為頻率和電壓都可任意調節的交流電。逆變電路的輸出，也就是變頻器的輸出。它主要就是被用來實現對電動機的調速控制。

（3）直流中間電路。它主要是對整流電路的輸出進行濾波，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質量較高的直流電源。當直流中間電路是用大容量的電解電容濾波時，變頻器為電壓型變頻器；當直流中間電路是用電感很大的電抗器濾波時，變頻器為電流型變頻器。另外，直流中間電路中有時還包括制動電阻，甚至一些其他輔助電路。

（4）控制電路。它是變頻器核心部分，高性能的變頻器目前已經采用微型計算機進行全數字控制，并采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的一些功能。

2.3變頻器發展趨勢。

隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用，以及控制技術的不斷發展，變頻器的優越性正在逐步體現并擴展到工業生產的所有應用領域。今后變頻器技術將向以下三個方面發展：

（1）高性能和多功能化。利用了微型計算機巨大的信息處理能力與軟件功能不斷強化，使變頻裝置的靈活性和適應性也不斷增強。

（2）大容量和小體積化。變頻器主電路中功率電路的模塊化、變流電路開關模式的高頻化、控制電路采用大規模集成電路和全數字控制技術，為變頻器小型化搭接了很好的平臺，并促使其裝置更加小型化。

（3）隨著信息技術的發展和網絡與智能化的應用，變頻器產品將可以進行故障自診斷、部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命和高可靠性，并利用網絡實現多臺變頻器聯動，以致于組成變頻器綜合。

3. 嵌入式微控技術

（1）基本功能。嵌入式微控制器（Embedded MieroeontrollerUnit，EMCU）是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合的產物。它以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪，適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式微控制器系統通常面向特定應用，設計和開發必須考慮特定環境與系統要求，是一個發散的、技術密集的系統。

（2）結構。嵌入式微控制器系統，它是由硬件系統和軟件系統所組成。為了提高系統的執行速度和可靠性，它的軟件一般固化在存儲器芯片或微控制器中，而不是存儲在外加的磁盤載體中。系統是以微控制器為核心，加上外部專用電路和系統軟件，形成的計算機的應用系統。在一塊芯片上集成了中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、定時器/計數器和各種輸人輸出（I/O）接口等。它還可包含A/D和轉換器D/A直接存儲器傳輸（DMA）通道、浮點運算等特殊功能部件。

（3）應用范圍。嵌入式微控制器在應用數量上已遠遠超過了各種通用計算機。在制造工業、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備消費類產品等方面，均是嵌入式微控制器的應用領域。在進入21世紀以來，嵌入式微控制器技術逐漸成熟，并全面展開，現已被公認為是一種具有良好發展潛力的技術。

4. 觸摸屏技術

（1）功能。人機界面通常被大家稱為觸摸屏，是用戶利用手指或其他介質直接與屏幕接觸，進行信息選擇，向計算機輸人信息的一種輸入設備。包含HMI硬件和相應的專用畫面組態軟件。在工業上，觸摸屏是首選的接口設備，連接的主要設備種類是PLC觸摸屏，因其具有很強的適應性，比鍵盤鼠標、軌跡球更具有優越性。觸摸屏易于使用、易于掌握、低故障率，是任何其他輸人設備所無法比擬的。當觸摸屏在惡劣的環境下（灰塵、油污潮濕、磨損、劃傷等）工作時，都不會造成觸摸屏的損壞。因此，它在工業自動化控制技術中，能夠發揮著很好的作用與效果。

（2）工作原理。觸摸屏的工作原理是用手指或其他物體觸摸，所觸摸的位置由觸摸屏控制器檢測，并通過接口（如RS-232串行口）送到CPU，從而確定輸人的信息。觸摸屏系統一般包括觸摸屏控制器（卡）和觸摸檢測裝置兩個部分。其中，觸控屏控制器（卡）的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸摸點坐標，再送給CPU，它能同時接收CPU發來的命令并加以執行。觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸摸屏控制卡。觸摸屏按照工作原理和傳輸信息的介質可分為四種，它們分別為電阻式、電容感應式、紅外線式以及表面聲波式觸摸屏。

（3）發展方向。隨著數字電路和計算機技術的發展，HMI的功能將越來越豐富、價格也會降低、屏的壽命也將延長，HMI產品將贏得更加廣闊的發展空間。

5. 結語

在現代制造領域中，工業自動化控制技術是21世紀最重要的技術之一。工業自動化控制技術，如今已廣泛應用于提高工業生產產品的質量、數量和生產設備的效率，并大大改善了勞動條件和強度。隨著科學技術的快速進步與工業自動化控制技術的飛速發展，它還將極大地提高人們對現代工業生產的預測及決策能力，從而進一步促進現代工業制造業的迅猛發展，其工業自動化控制技術也將會贏得更加廣闊的發展前景和空間。

參考文獻

[1]高東杰，譚杰，林紅權.應用先進控制技術[M].北京： 國防工業出版社，2003.1.