论文部分内容阅读
摘 要：浅析工业自动化控制中的变频器技术、触摸屏技术及嵌入式微控技术，就其原理、结构、功能作用和发展应用前景作了简要介绍。
关键词：自动化控制；变频、触摸和嵌入式微控技术；简介
中图分类号：P415.1+3
1 引言
随着科学技术的不断发展，工业自动化控制技术以已在工业生产过程扮演了检测、控制、优化、调度、管理和决策的主要作用，保障了增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全生产等目标的实现。工业自动化控制技术实质上就是自动化技术、电子技术、仪器仪表等技术的综合集成。控制系统主要由变频器、触摸屏、嵌人式微控制器等构成。生产性企业，通过对设备和生产过程的控制，能顯著提升竞争力，提高经济效益。在此，就工业自动化控制技术中常涉及的几项核心技术进行分析。
2 变频器技术
1）变频技术原理和功能。众所周知，变频器技术是当前工业生产过程中应用较多一项控制技术，也是一门综合性的技术，它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。实际上，变频器可看作是一个频率可调节器的交流电源，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。而在变频器内部，只需要改变逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，从而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特性，无需另外增加制动控制电路，就能实现制动功能。必要的制动时，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即可进行制动。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入变频器和相应设备，不需要对电动机和系统本身进行大的设备改造，显然就非常适用各种工作环境和工艺要求高的地点。另外，变频器的节能效果也是非常明显。尤其是工业中大量使用的二次负载（风机和泵类），需要的平均流量较小、转速较低时，其节能效果更加可观。
2）变频器主要结构。变频器是把电压、频率恒定的电网电压变成电压和频率可调的变频电源，其基本结构包括整流、直流中间、逆变三部分电路。①整流电路：它由三相全波整流桥组成，主要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直流中间电路：它对整流电路的输出进行滤波，保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。直流中间电路用大容量的电解电容滤波时，这为电压型变频器；直流中间电路用电感很大的电抗器滤波时，这为电流型变频器。另外，直流中间电路中有时还包括制动电阻及其他辅助电路。③逆变电路：该电路是变频器最主要的部分，也是解决核心问题地方。常见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，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可任意可调的交流电。逆变电路的输出也就是变频器的输出，用之实现对电动机的调速控制。④控制电路：它是变频器核心部分。高性能的变频器现已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功能。
3）变频器的发展。新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的不断发展，变频器的优越性正逐步体现，并扩展应用到所有工业生产领域。在今后的发展中，变频器技术着重向以下三个方面进展：一是大容量和小体积化。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，为其小型化搭接了较好的平台，促进装置更加小型化。二是高性能和多功能化。利用微型计算机巨大的信息处理能力与软件功能的不断强化，使变频装置的灵活性和适应性不断增强。三是随着信息技术的发展和网络与智能化的应用，其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，并可利用网络实现多台变频器联动、组合控制。
3 触摸屏技术
1）作用。人机界面通常称为触摸屏，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人设备。它包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件。触摸屏是工业应用首选的接口设备，连接的主要设备种类是PLC触摸屏。它具有很强的适应性，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。其在恶劣的环境下工作，都不会造成损坏。因此在工业自动化控制中发挥了较好的作用。
2）结构。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，确定输人的信息。它包括触摸屏控制器（卡）和触摸检测装置两部分。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，并转换成触摸点坐标，再送给CPU，同时能接收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（电阻式、电容感应式、红外线式和表面声波式）。
3）发展。随着数字电路和计算机技术的不断发展，HMI的功能将越来越丰富，价格越来越降低，屏寿命越来越长，它的发展空间将更加广阔。
4 嵌入式微控技术
1）功能和作用。嵌人式微控制器（Embedded MieroeontrollerUnit，EMCU）是将先进的计算机、半导体和电子技术与各行业的具体应用相结合的产物，是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，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。嵌人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和系统要求，是一个发散的、技术密集的系统。
2）结构。嵌人式微控制器系统由硬件系统和软件系统组成。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；它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（RAM、ROM）、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）应用领域。嵌人式微控制器在应用数量上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、军事装备消费类产品等方面均是嵌人式微控制器的应用领域。新世纪以来，嵌人式微控制器技术逐渐成熟，并全面应用，也是一项具有良好发展潜力的实用技术。
5 结束语
工业自动化控制技术被应用到工业企业以来，有效提高了工业生产产品的数量、质量及设备的效率，大大改善了劳动条件。工业自动化控制技术的飞速发展，还将极大地提高人们对现代工业生产的预测及决策能力，并推动现代工业制造业的迅速发展，其发展前景更加广阔。
参考文献
[1]吴忠智，黄立培，吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M]北京：机械工业出版社，2000.
[2]张锦荣.风机变频调速节能的应用实例.风机技术[J]，2001（2）.
[3]徐甫荣，崔力.发电厂辅机电动机变频调速节能方案探讨.变频器世界[J]，2001（7）.
[4]吴秋生.交流传动的应用与展望.自动化博览[J]，2004（4）.
[5]梁昌鑫，贾廷纲，陈孝祺.工业自动化现状与发展趋势[J].上海电机学院学报，2008，（3）.
[6]刘会.工业自动化控制的现状和未来发展趋势[J].硅谷，2010.（2）.
关键词：自动化控制；变频、触摸和嵌入式微控技术；简介
中图分类号：P415.1+3
1 引言
随着科学技术的不断发展，工业自动化控制技术以已在工业生产过程扮演了检测、控制、优化、调度、管理和决策的主要作用，保障了增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全生产等目标的实现。工业自动化控制技术实质上就是自动化技术、电子技术、仪器仪表等技术的综合集成。控制系统主要由变频器、触摸屏、嵌人式微控制器等构成。生产性企业，通过对设备和生产过程的控制，能顯著提升竞争力，提高经济效益。在此，就工业自动化控制技术中常涉及的几项核心技术进行分析。
2 变频器技术
1）变频技术原理和功能。众所周知，变频器技术是当前工业生产过程中应用较多一项控制技术，也是一门综合性的技术，它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。实际上，变频器可看作是一个频率可调节器的交流电源，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。而在变频器内部，只需要改变逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，从而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特性，无需另外增加制动控制电路，就能实现制动功能。必要的制动时，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即可进行制动。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入变频器和相应设备，不需要对电动机和系统本身进行大的设备改造，显然就非常适用各种工作环境和工艺要求高的地点。另外，变频器的节能效果也是非常明显。尤其是工业中大量使用的二次负载（风机和泵类），需要的平均流量较小、转速较低时，其节能效果更加可观。
2）变频器主要结构。变频器是把电压、频率恒定的电网电压变成电压和频率可调的变频电源，其基本结构包括整流、直流中间、逆变三部分电路。①整流电路：它由三相全波整流桥组成，主要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直流中间电路：它对整流电路的输出进行滤波，保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。直流中间电路用大容量的电解电容滤波时，这为电压型变频器；直流中间电路用电感很大的电抗器滤波时，这为电流型变频器。另外，直流中间电路中有时还包括制动电阻及其他辅助电路。③逆变电路：该电路是变频器最主要的部分，也是解决核心问题地方。常见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，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可任意可调的交流电。逆变电路的输出也就是变频器的输出，用之实现对电动机的调速控制。④控制电路：它是变频器核心部分。高性能的变频器现已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功能。
3）变频器的发展。新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的不断发展，变频器的优越性正逐步体现，并扩展应用到所有工业生产领域。在今后的发展中，变频器技术着重向以下三个方面进展：一是大容量和小体积化。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，为其小型化搭接了较好的平台，促进装置更加小型化。二是高性能和多功能化。利用微型计算机巨大的信息处理能力与软件功能的不断强化，使变频装置的灵活性和适应性不断增强。三是随着信息技术的发展和网络与智能化的应用，其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，并可利用网络实现多台变频器联动、组合控制。
3 触摸屏技术
1）作用。人机界面通常称为触摸屏，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人设备。它包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件。触摸屏是工业应用首选的接口设备，连接的主要设备种类是PLC触摸屏。它具有很强的适应性，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。其在恶劣的环境下工作，都不会造成损坏。因此在工业自动化控制中发挥了较好的作用。
2）结构。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，确定输人的信息。它包括触摸屏控制器（卡）和触摸检测装置两部分。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，并转换成触摸点坐标，再送给CPU，同时能接收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（电阻式、电容感应式、红外线式和表面声波式）。
3）发展。随着数字电路和计算机技术的不断发展，HMI的功能将越来越丰富，价格越来越降低，屏寿命越来越长，它的发展空间将更加广阔。
4 嵌入式微控技术
1）功能和作用。嵌人式微控制器（Embedded MieroeontrollerUnit，EMCU）是将先进的计算机、半导体和电子技术与各行业的具体应用相结合的产物，是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，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。嵌人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和系统要求，是一个发散的、技术密集的系统。
2）结构。嵌人式微控制器系统由硬件系统和软件系统组成。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；它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（RAM、ROM）、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）应用领域。嵌人式微控制器在应用数量上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、军事装备消费类产品等方面均是嵌人式微控制器的应用领域。新世纪以来，嵌人式微控制器技术逐渐成熟，并全面应用，也是一项具有良好发展潜力的实用技术。
5 结束语
工业自动化控制技术被应用到工业企业以来，有效提高了工业生产产品的数量、质量及设备的效率，大大改善了劳动条件。工业自动化控制技术的飞速发展，还将极大地提高人们对现代工业生产的预测及决策能力，并推动现代工业制造业的迅速发展，其发展前景更加广阔。
参考文献
[1]吴忠智，黄立培，吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M]北京：机械工业出版社，2000.
[2]张锦荣.风机变频调速节能的应用实例.风机技术[J]，2001（2）.
[3]徐甫荣，崔力.发电厂辅机电动机变频调速节能方案探讨.变频器世界[J]，2001（7）.
[4]吴秋生.交流传动的应用与展望.自动化博览[J]，2004（4）.
[5]梁昌鑫，贾廷纲，陈孝祺.工业自动化现状与发展趋势[J].上海电机学院学报，2008，（3）.
[6]刘会.工业自动化控制的现状和未来发展趋势[J].硅谷，2010.（2）.