浅析工业自动化控制技术的应用

摘　要：浅析工业自动化控制技术的发展应用情况。从其中的变频器、嵌入式微控、触摸屏等技术方面较为详细的介绍其结构、作用和工作原理

关键词：工业控制技术；变频；嵌入式微控；触摸屏
一、引言
　　在工业自动化控制技术领域，为了实现对工业生产过程的检测.控制.优化.调度.管理与决策，从而达到增加产量.提高质量.降低消耗.确保安全生产等一些目的。对于工业自动化控制技术而言，它是自动化技术.电子技术.仪器仪表等技术的综合集成。其控制系统主要由变频器.嵌入式微控制器.触摸屏等部分构成。通过对设备和生产过程的控制，就能实现上述目标，并提升整个企业的安全生产能力和经济效果。
　　二、变频器技术
　　1.变频器基本功能
　　作为变频器技术来说，它是一门综合性的技术，是建立在电力电子技术.自动控制技术.计算机技术的基础之上而逐渐发展起来的。而变频器也可以看作是一个频率可调节器的交流电源。它通过改变变频器的输出频率，就可以实现电动机的速度控制。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，实现电动机的正反转切换。与此同时，变频器还具有直流制动的功能，不需要增加制动控制电路了，就能顺利实现制动功能。在需要制动时，只要通过变频器给电动机加上一个直流电压，利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上进行制动即可。变频器在使用时，只需要在电网电源和现有的电动机之间接人变频器和相应设备，不需要对电动机和系统本身进行大的设备改造，就可以适用各种工作环境和工艺要求。另外，变频器的节能效果也非常显著。尤其是对于工业中大量使用的二次负载(风机和泵类)来说，当用户需要的平均流量较小时，风机.水泵的转速较低，其节能效果是非常显著的。
　　2.变频器的结构
　　变频器的主要任务是把电压和频率恒定的电网电压，变成电压和频率可调的变频电源。它的基本结构包括以下四个部分：
　　1）整流电路。主要由三相全波整流桥组成，其作用是对电网工频电源进行整流，把交流电整流成直流电，并给逆变电路和控制电路提供所要的直流电源。
　　2）逆变电路。它是变频器最主要的部分，也是长期以来要解决的核心问题。常见的结构形式是利用六个电力电子开关器件组成的三相桥式逆变电路，它的主要作用是在控制电路的控制下，有规律地实现逆变器中主开关器件的通与断，将整流电路输出的直流电转换为频率和电压都可任意调节的交流电。逆变电路的输出，也就是变频器的输出。它主要就是被用来实现对电动机的调速控制。
　　3）直流中间电路。它主要是对整流电路的输出进行滤波，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。当直流中间电路是用大容量的电解电容滤波时，变频器为电压型变频器；当直流中间电路是用电感很大的电抗器滤波时，变频器为电流型变频器。另外，直流中间电路中有时还包括制动电阻，甚至一些其他辅助电路。
　　4）控制电路。它是变频器核心部分，高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，并采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的一些功能。
　　3.变频器发展趋势
    随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用，以及控制技术的不断发展，变频器的优越性正在逐步体现并扩展到工业生产的所有应用领域。今后变频器技术将向以下三个方面发展：
　　1）高性能和多功能化。利用了微型计算机巨大的信息处理能力与软件功能不断强化，使变频装置的灵活性和适应性也不断增强。
　　2）大容量和小体积化。变频器主电路中功率电路的模块化.变流电路开关模式的高频化.控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，为变频器小型化搭接了很好的平台，并促使其装置更加小型化。
　　3）随着信息技术的发展和网络与智能化的应用，变频器产品将可以进行故障自诊断.部件自动置换，从而保证变频器的长寿命和高可靠性，并利用网络实现多台变频器联动，以致于组成变频器综合。
　　三、嵌入式微控技术
　　1）基本功能。嵌入式微控制器（Embedded MieroeontrollerUnit，EMCU)是将先进的计算机技术.半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。它以应用为中心.以计算机技术为基础.软件硬件可裁剪，适合应用系统对功能.可靠性.成本.体积.功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式微控制器系统通常面向特定应用，设计和开发必须考虑特定环境与系统要求，是一个发散的.技术密集的系统。
　　2）结构。嵌入式微控制器系统，它是由硬件系统和软件系统所组成。为了提高系统的执行速度和可靠性，它的软件一般固化在存储器芯片或微控制器中，而不是存储在外加的磁盘载体中。系统是以微控制器为核心，加上外部专用电路和系统软件，形成的计算机的应用系统。在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）.存储器().定时器/计数器和各种输人输出(I/O)接口等。它还可包含A/D和转换器D/A直接存储器传输(DMA)通道.浮点运算等特殊功能部件。
　　3）应用范围。嵌入式微控制器在应用数量上已远远超过了各种通用计算机。在制造工业.过程控制.通信.仪器.仪表.汽车.船舶.航空.航天.军事装备消费类产品等方面，均是嵌入式微控制器的应用领域。在进入21世纪以来，嵌入式微控制器技术逐渐成熟，并全面展开，现已被公认为是一种具有良好发展潜力的技术。
　　四、触摸屏技术
　　1）功能。人机界面通常被大家称为触摸屏，是用户利用手指或其他介质直接与屏幕接触，进行信息选择，向计算机输人信息的一种输入设备。包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件。在工业上，触摸屏是首选的接口设备，连接的主要设备种类是PLC触摸屏，因其具有很强的适应性，比键盘鼠标.轨迹球更具有优越性。触摸屏易于使用.易于掌握.低故障率，是任何其他输人设备所无法比拟的。当触摸屏在恶劣的环境下（灰尘.油污潮湿.磨损.划伤等）工作时，都不会造成触摸屏的损坏。因此，它在工业自动化控制技术中，能够发挥着很好的作用与效果。
　　2）工作原理。触摸屏的工作原理是用手指或其他物体触摸，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS-232串行口）送到CPU，从而确定输人的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器（卡）和触摸检测装置两个部分 。其中，触控屏控制器（卡）的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触摸点坐标，再送给CPU，它能同时接收CPU发来的命令并加以执行。触摸检测装置一般安装在显示器的前端，主要作用是检测用户的触摸位置，并传送给触摸屏控制卡。触摸屏按照工作原理和传输信息的介质可分为四种，它们分别为电阻式.电容感应式.红外线式以及表面声波式触摸屏。
　　3）发展方向。随着数字电路和计算机技术的发展，HMI的功能将越来越丰富.价格也会降低.屏的寿命也将延长，HMI产品将赢得更加广阔的发展空间。
　　五、结语
　　在现代制造领域中，工业自动化控制技术是21世纪最重要的技术之一。工业自动化控制技术，如今已广泛应用于提高工业生产产品的质量.数量和生产设备的效率，并大大改善了劳动条件和强度。随着科学技术的快速进步与工业自动化控制技术的飞速发展，它还将极大地提高人们对现代工业生产的预测及决策能力，从而进一步促进现代工业制造业的迅猛发展，其工业自动化控制技术也将会赢得更加广阔的发展前景和空间。
    参考文献：
    [1]高东杰，谭杰，林红权.应用先进控制技术[M].北京: 国防工业出版社，2003.1.
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