工業自動化儀表及自動化控制技術研究

張冬梅

（廣西中鋁建設監理咨詢有限公司，廣西 百色 531400）

0 引言

隨著科技水平的不斷提高，高科技在工業中的用途越來越多。由于工業自動化儀表操控的檢測水平不斷發展與完善，儀表產品的相關功用日益提升，實現了監控生產設施，檢測、判斷自動化體系的實時操控。但如果要將自動化儀表設施應用在工業生產中，必須要對其進行嚴格檢測，保證其處于完備的狀態，能夠順利運作。該文將重點探討工業自動化儀表及自動化控制技術。

1 自動化儀表的控制技術

1.1 技術原理

借助自動化儀表操控技術對制造業的生產進行檢測與控制，不僅能夠提升相關產品的品質，而且能夠對制造業的生產過程進行全方位的監控與管理，進而保證其生產中極少出現甚至不出現任何品質與安全問題，這一操控方式展現的是不斷實現制造業的智能化、現代化發展。對于制造業而言，智能化、自動化的不斷推進可以促使其生產與監控能夠脫離人而正常進行[1]。當前，各類型的自動化儀表操控技術以及操控算法日益革新，制造業必須對其相關的設施進行改良，以適應其發展的需求。

1.2 操控系統

對于過程操控系統來說，其主要指的是對于工業的整個生產程序進行操控，以保證其生產能力與生產的質量，進而使其占據一定的市場份額。其中，操控系統主要是關于制造業的相關資源的管控體系，是可以為企業進行生產、籌劃以及管理等活動提供參照的，以操控系統作為依據，企業確定管理措施，進而可以幫助企業提高管理效能，操控系統借助財務管理的相關信息將企業整體管理效果展現出來。實現系統的全方位監督與管控需使用自動化儀表操控技術。隨著企業產能的不斷提升，需不斷加深關于自動化儀表控制系統的認知與掌握，不斷提升工業化自動儀表設施的性能[2]。

1.3 動態操控

在現存的工業自動化生產中，絕大部分智能操控僅僅運用于動態的生產之中，而其他生產步驟仍多數是由人工操作。對于工業自動化儀表的智能操控而言，必須在同工業生產的相關規律、人工生產所獲取的經驗等基礎上進行設計，真正確保該智能化技術的高效化、自動化。

2 工業控制中工業機器人的架構與自動化整體策劃

操控程序的安全性、穩定性對于工業生產而言至關重要。當前多數工業生產均存在多層次、多類型的安全隱患，安全性是工業自動化儀表操控手段中應該考慮的極為核心的內容之一，尤其是在自動化儀表的使用過程中，必須將安全性放置首位[3]。如前面所述，目前對于工業自動化儀表的運用不斷發展并拓展向更多的領域，且目前具有安全認證的自動化儀表數量日益增多，但是要確保其在使用過程中不出現任何安全問題，進一步強化檢查是十分關鍵且必要的，與此同時，進行相關的檢測時必須嚴格遵照國家規范，必須確保相關的資料均為真實、有效的。

2.1 工業機器人機構設計

隨著科學技術的不斷發展，各個領域廣泛應用先進的技術手段，我國很多領域在開展日常工作時需要大量的人力資源支撐。基于這種情況，應根據實際狀況，對機器人的價值充分挖掘。不僅提升生產水平，與此同時還可以避免人為的操作失誤造成的損失。應用機器人時，可以結合4 個自由度設計電機控制。另外，還要按照實際情況，采取科學手段，設計機器人的機構。在實際操作中，要想合理設計機構，必須聯系實際情況，全面分析垂直運動等不同運動類型進行不同的驅動。經分析機器人實際運作狀態，發現機器人在操作時，主要利用豎直軸系建立上部機構。同時，與其有關的軸承和其他支撐件構建優良的連接關系。連接后，在應用中充分體現驅動電機的價值。另外，還要注意的是，有效支撐機器人操作，不僅滿足個性化需求，還在應用中發揮機器人的價值。機器人在應用時，由滾珠絲桿帶動連桿機構，使機器人大小臂進行運動。小臂很好地銜接大臂，應用大臂時，牽涉到2 個平行桿組合。2 個桿彼此運動時，注意聯系實際情況，2 桿一段要有效銜接小臂。在銜接中，為了提高準確性，另一端有效連接2 個滑塊。為確保機器人的實際應用效果，從垂直和水平方向使機器人運動。末端在實際操作中，應根據實際情況，通過執行器進行操作，執行器相當于氣動機構的抓手。操作每一個軸都要聯系實際情況，同時安裝限位開關。使用機器人時，要想得到最好的應用效率，必須嚴格控制機器人操作[4]。

2.2 工業機器人運動學分析

該文主要結合碼垛操作設計機器人系統，碼垛機器人有4 個獨立的自由度，分析時可拆分機器人的運動形成與四連桿結構平行的運動，抓手圍繞機械臂轉動。圖1 是碼垛機器人平行四連桿機構結構。

圖1 碼垛機器人平面四連桿結構

機器人水平運動驅動電機驅動滑塊E 正方向移動x、垂直運動驅動電機驅動滑塊F 正方向移動y 時其腕部的移動規律。由圖1 可知：D0F=DF-y 和D0E=DE+x，可以推出如下所示表達式：

式中：λ 是比例系數，yA是垂直方向移動位置，水平移動位置計算方法與垂直移動相同。

經公式推導，得到機器人的運動學結論：固定F 點，水平移動E 點，A 點水平移動距離相當于λ 倍的E 點，A 點水平移動速度相當于λ 倍的E 點；固定E 點時，F 點垂直移動，A 點垂直移動距離相當于λ-1 倍的F 點，A 點垂直移動速度相當于λ-1 倍的F 點。其中λ=AC/BC=CF/DF。

在該機器人中，考慮到實際工作區域大小及機器人工作能力與誤差等因素，可選用比例參數λ=6，需要說明的是：λ 取值不能過小，過小時一方面在碼放作業時容易產生干涉，另一方面也會縮小機器人作業范圍；λ 取值也不能過大，過大時滑塊移動誤差會按比例放大而使機器人碼放精度大大降低。所以選用λ=6，再通過優化碼垛機器人的尺寸參數，這樣既可以保證碼垛機器人的工作不受干涉又能保證其碼放精度。最后，可確定機器人尺寸參數如下：AC=1740mm，DF=230mm，CD=1150mm，BC=290mm，AB=1450mm，BE=1150mm，DE=290mm。

所以根據推導出來的公式可知：

通過對機器人水平滑塊、垂直滑塊和抓手移動的變化數據監測，如表1 和表2 所示，計算位置變化量數據的關系。實驗結果符合理論推導，水平移動時，抓手位置變化量相當于6 倍的水平滑塊變量；垂直移動時，抓手位置變量相當于5 倍垂直滑塊變化量。

表1 水平方向數據一覽表

表2 垂直方向數據一覽表

通過上述分析，可以發現機器人的運動學規律具有較高的使用價值，還可以減少相應的控制工作量。

3 自動化系統總體設計

自動系統包括機械系統和電氣系統，其中機械系統簡單，主要涉及輸送線，所以設計的電氣控制系統，具體有PLC、工業機器人、觸摸屏，傳感器，電磁閥和安全護欄等。

系統軟件設計包括PLC 程序設計，機器人程序設計與觸摸屏程序設計。PLC 程序在生產線中發揮了重要作用，指導流水線生產及與機器人進行信息交換。機械人操控程序時產生搬運軌跡，從而完成堆垛材料的工作。觸摸屏程序設計借助PLC 實現人機交換功能。

設備通過調試后正式投入應用，保證了生產線的穩定運行，不會發生生產事故，并保證24 h 連續工作，順利完成生產任務，垛型符合規定標準，每天工作量相當于2 倍的人工量。員工通過技術培訓可以保證操作的安全性，還可以減少人工成本。該文設計的機器人自動化系統具有極高的自動化性能，有效適應惡劣的工作環境，在減輕工作強度的同時節省了運營成本，明顯提升了生產水平，滿足國內相關企業的生產需求。但是，我國仍需要進一步提高自動化儀表的應用水平，不斷提升應用嵌入式技術和網絡技術的水平。

4 結語

在工業自動化系統中，處理系統功能時要應用嵌入式技術，并聯合使用芯片設計功能，利用嵌入式技術完成功能計算，利用網絡技術接收信息、傳輸信息，利用通信與網絡技術更合理地控制工業生產系統。