工业自动化设备的设计制造及安装调试方法

梁建忠

（广东利元亨智能装备股份有限公司，广东惠州 516000）

0 引言

随着人们对自动化技术的研发越来越深入，自动化技术的运用范围越来越广泛，在工业设备制造业中的自动化程度越来越高。工业自动化设备涉及倒硬件设备和软件控制方法两部分。

工业自动化设备主要用于大量现代自动化组件和自动控制系统，与传统的纯机械机构有一定的区别。但是，自动化组件和现代控制技术的能力不能盲目崇拜。与现代自动化设备组成的结构模块相比，传统的机械机构具有非常简单和高效的优点[1]。因此，在设备设计过程中，只有合理利用机械和自动化组件以及现代控制技术，才能设计出完美的自动化设备。为此本文对工业自动化设备的设计制造及安装调试方法进行了分析。

1 工业自动化设备

在工业自动化设备中，常采用自动化专业方面的知识，如PLC、自动控制，软件控制技术、机电一体化技术等，通过在工业设备中利用自动化技术进行控制，可以提高工业设备的性能。工业自动化设备领域的业务包括高端智能成套装备定制研发、工厂自动化整体集成和工业机器人系统应用等，

对于工业自动化设备，不仅需要在设计制造及安装调试过程中采用合适的方法，在后期的运行中，也应采取合理的自动化设备运维方法，如状态检修方式就不但能够避免突发故障，而且可防止不必要的过剩维修。特别对于应用在自动化生产线中的自动化设备，应用状态维修减少故障和停机损失，更具有显著意义。同时并可为设备的更新改造、决策提供可靠依据，突发故障大大减少，能够产生了较好的经济效益。

对于工业自动化设备的设计和制造，首先需要确定开发项目并了解客户需求，包括产品质量要求。设备生产效率要求，设备工作环境，产品分析，产品生产过程的理解，产品尺寸要求和来料，客户传达产品生产过程中的注意事项和设备使用地点的技术参数。再次是制定计划，组织工程师讨论和分析相应的设备计划，设备可行性评估，设备成本评估，设备生产效率评估，各部分结构可行性评估，方案通过后进入对工业自动化设备的开发制造。

2 工业自动化设备的设计制造

工业自动化设备在设计时，可采用优化设计方法和自动控制技术，如采用状态空间的最优化设计方法和数字PID 控制技术。在状态空间的最优化设计方法中，可以通过状态观测器，对工业自动化设备中的控制性能进行控制及调整。在经典的控制理论中，一般是通过计算传递函数进行控制方式的实现，所研究的系统也是输入输出系统，传输函数根据输入量的变化，通过传递函数进行输出量的控制[2]。但是这种控制方式也具有一些缺点，比如不能观察到控制系统内部的变化，这样从控制系统的性能角度而言，和最优化设计方法相比不够优越，故需要运行现代控制理论进行控制系统的设计。在现代控制理论中，最优化模型具有能观性，能够具有控制模型的可视化功能。在现代控制理论中，可以构建状态空间方程，通过对状态空间方程的求解，并对状态空间方程中的参数进行分析求解，若不合适的地方加以改进，这样就可以得到控制性能更加优越的控制模型，从而实现最优化设计。在状态空间的最优化设计方法中，可以用状态空间模型设计和分析多输入和多输出系统，也可研究多变量系统提供了很好的自动化控制方法。

对于工业自动化设备中的自动控制原理，可以利用自动控制原理中的能控性矩阵和能观性矩阵，构建状态空间方程，如式（1）所示。

对于工业自动化设备中的控制算法，控制算法的性能直接决定了工业自动化设备产品的性能。工业自动化设备产品的二次型性能指标可采用下式表达式进行表示。

若该系统为线性定常系统，则泛函可表示为：

则最优控制系统模型如式（4）所示，最优控制系统模型的框图如图1 所示。

在图1 中，令K（t）的表达式如式（5）所示：

则可以得到：

对于矩阵K，对角线上元素的值越大，则表示工业自动化设备的性能越佳，也表示该控制方法比较适合该工业自动化设备。当在理论层面对工业自动化设备进行设计之后，就可以进入到工业自动化设备的实际制作阶段。在工业自动化设备的实际制造阶段，可通过构建工业自动化设备的产品模型，之后就可以在模型中加入控制策略和控制算法[3]，实现工业自动化设备的自动化功能。

通过对工业自动化设备中的各个功能分模块进行设计，使得工业自动化设备具有更加优越的性能。通过分模块进行工业自动化设备的设计及制造，首先当工业自动化设备出现故障时，便于对故障进行排查，缩短自动化设备的停运故障时间。并且，自动化代码生成，也减少了人为在代码领域的出错率，所花费的时间相对而言也会减少，提高了工业自动化设备的生成效率。

图1 最优控制系统

3 工业自动化设备的安装调试

工业自动化设备在生产制造完成之后，能够正常投入运行需要先进行安装并调试，经过调试确认无误之后，方可投入运行。对工业自动化设备安装调试，在对自动化设备进行调试之前，需要考虑到系统在配置方面的问题，包括系统的硬件和系统软件等两个方面的问题，对于系统的硬件问题应该考虑到硬件设施的性能和硬件的型号等问题，此外对于硬件设备的接线和保护接地等方面的问题也是需要纳入考虑范围之内的重要问题。

对于自动化设备中可能会涉及到的各类软件和硬件都应该进行较为深入和详细的检查，只有这样才能充分保障自动化设备的安全稳定工作。在对自动化设备进行检查的过程中，可以根据原理图，这样能够充分了解到设备中的各个组成部分的作用，就可以有针对性地进行设备的测试。在测试的过程中，可以首先输入某个输入量，输入量在经过自动化设备之后，观察输入量有什么变化，根据输出量来测试自动化设备的性能。PLC 自动化设备在工业生产中的应用十分广泛，所采用的控制系统模式主要有开环控制系统和闭环控制系统。

对于采用开环方式的控制系统，输出量的信息难以反映到输入中，即输入量不能根据输出量的情况进行调节，故该种控制系统的控制系统较差。在开环控制系统的基础上进行改进，构成闭环控制系统。

若在工业自动化设备中，可以采用数字PID 控制器技术，该控制器的控制规律如式（7）所示。

对应的模拟PID 调节器的传递函数为：

式中 Kp——比例增益

u（t）——控制量

e（t）——偏差量

对工业自动化设备的控制性能进行测试，也是对自动化设备进行调试的一个重要方面。测试工业自动化控制设备能够具有负反馈的控制性能，能否根据输出量的变化实时调整输入量的变化，已达到控制调整的目的。

此外在工业自动化设备涉及到的传感器大致有几类，一是光电开关，这类开关具有一定的优点，光具有速度很快的特点，用在传感器中则具有响应速度很快的优点，能够实现反映灵敏，这一点对于自动化设备是较为重要的性能。此外这类传感器的结构一般来说都不会太复杂，在传感器的形式方面也比较灵活。分析3 种类型的光电开关：反射光电传感器对射式光电传感器和位移传感器。在自动化设备中应用的各类传感器，在性能方面具有一定的差异性，在实际运用中应该根据自动化设备所要求的具有性能加以选择，从而达到自动化设备具有最佳的工作性能。其中，对于位移传感器，它可以根据目标位置的变化，将相应的位移信号输入到位移传感器中，并最终反映到自动化设备中，这样就可以通过自动控制算法进行相应的控制操作。此外，在自动化控制中，还涉及到编码器，因为控制一般采用数字信号方式，需要通过译码和编码器进行相关控制信号的传递。

4 结论

工业自动化设备在工业生产领域中占有重要的地位，其中自动化设备中的软件控制算法的性能将直接影响自动化设备产品的性能表现，本文分析的工业自动化设备中的控制算法和安装调试方法，对于工业自动化设备的推广使用具有一定的意义和价值。