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2008-01-25 15:13:04 | 人氣(1,739) | 回應(0) | 上一篇 | 下一篇

自動化控制系統的發展方向

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尋找適合我國國情的自動化控制發展方向,確立可行的發展道路,是通過科技創新發展國產自動化控制的關鍵。
自動化控制系統體系結構的主要形式與發展前途
從宏觀上看自動化控制系統可分為專用電腦自動化控制系統和通用電腦自動化控制系統兩大類。目前國內外眾多廠商普遍看好的自動化控制系統發展方向是通用電腦自動化控制系統。在通用機自動化控制中最成功的當屬PC自動化控制系統。
由於PC機(包括工業PC)產量大、價格便宜,技術進步和性能提高很快,且可靠性高。因此,以其作為自動化控制系統的軟硬體平台不但可以大幅度提高自動化控制系統的性能價格比,而且還可充分利用通用微機已有軟硬體資源和分享電腦領域的最新成果,如大容量記憶體、高解析度彩色顯示器、多媒體資訊交換、聯網通訊等。
目前,PC自動化控制系統的體系結構主要有以下幾種形式:
(1)專用自動化控制加PC前端的複合式結構 這類系統的設計思想是將通用PC和專用NC通過高速資訊交換通道連接到一起組成一複合式自動化控制系統。這類系統的優點是可以保持原有自動化控制基礎,發揮廠家在以硬體專用晶片實現特殊控制功能等方面的優勢,且技術上容易保密,因此多為一些老的自動化控制廠商或實力較強的廠家所採用。這類系統的最大缺點是開放性有限、開發和生產成本較高,技術升級較慢。可以預計國內現有條件下,此類系統不會有大的發展。 
(2)通用PC加即時控制單元的遞階式結構 其設計思想是利用PC機作為自動化控制系統軟硬體平台,在其標準匯流排上直接連接即時控制單元(將即時控制板插入匯流排插槽中)而組成完整的自動化控制系統。其中,PC機主要完成自動化控制系統中上層一些即時性不是很強的任務並對全系統的運行進行協調和管理,而即時控制單元則完成自動化控制下層的高即時性控制任務。即時控制單元可以是帶軌跡插補計算、位置控制、開關量控制(PLC)等的完整的CNC單元,也可以是僅具有位置控制功能的簡單位元控制卡或與數位式伺服介面的數位脈衝轉換卡。由於這類系統結構簡單、易於實現開放性、成本相對較低,因此得到了國內外許多廠商,特別是中小廠家的廣泛採用。但這類系統也存在一些缺點。最突出的就是即時控制單元與伺服驅動單元間的資訊交換問題。目前,將即時控制資訊送往伺服驅動單元的方法主要有兩種:一種是通過模擬量形式進行,主要問題是難以消除零飄、溫飄對精度的影響,容易受外部干擾。另一種是通過脈衝量形式進行,主要缺點是即時控制單元與伺服驅動單元間需通過非編碼方式直接傳遞指令脈衝信號,一旦丟失脈衝或引入了干擾脈衝,難以進行查錯糾錯,不易保證資訊的高可靠性。
(3)數位化分散式結構
其方案是將由DSP等組成的數位式伺服通過以光纜等為介質的網路與PC自動化控制裝置連接起來,組成一完整的自動化控制系統。由於這種系統採用分散式計算和控制,並通過具有高可*性和高即時性的網路進行通訊和協調,因而可以最大限度地發揮各子系統的能力,使整個自動化控制系統具有很好的性能。但是,這種系統的開發和生產成本很高,沒有較大的投資很難上馬。
綜上所述,本文認為以上三種結構均不是符合台灣國情的最好方案。
符合台灣國情的PC自動化控制的發展道路
幾十年的經驗,可靠性是國產自動化控制系統的生存關鍵。我們在開發新型自動化控制系統時,優先選用新型高性能CPU作為系統的運算和控制核心,並儘量用軟體來實現自動化控制的所有功能。這樣,可大幅度減小系統硬體的規模。此外,還應在軟體設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與遮罩設計和施工等採用強抗擾高可靠性設計與製造技術,從而全面提高系統的可靠性。在基於高性能CPU的PC平台上不僅可以完成自動化控制系統的基本功能(如資訊處理、補刀計算、補差計算、加減速控制等)和開關量控制功能(內裝PLC),而且還可以完成伺服控制功能。這樣,以前由DSP完成的數位化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、向量變換控制等)均可由PC中的CPU完成,從而實現內裝式伺服控制,這不僅有效縮小了自動化控制部分的硬體規模,而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬體規模。這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟體化集成式自動化控制系統,其硬體規模將達到最小化,整個自動化控制系統除一個PC平台外,剩下的只有驅動機床運動的功率介面和反饋介面。這既有效提高了系統可靠性,又提高了系統性能,同時還可顯著降低系統成本,使系統(包括電動機)售價可降至現有自動化控制系統的一半左右。顯然,這種高性能、高可靠性、低成本的新型自動化控制系統將具有極強的競爭力,有望為開創台灣自動化控制的新局面作出貢獻。
此外,集成化PC自動化控制系統還有一大優點,就是容易實現開放式結構。這是因為,這種系統的硬體本身已經是完全開放的,構成開放式自動化控制系統的工作完全在軟體上,只要制定好標準和協定,從資訊處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放,從而可大大方便用戶的使用。
自動化控制驅動技術與產品的發展途徑
伺服驅動裝置是自動化控制系統的重要組成部分,目前我國在自動化控制驅動技術與產品方面還是一個弱項,因而造成許多國產自動化控制裝置配的是國外的伺服系統。因此,今後我們必須通過科技創新大力發展國產自動化控制驅動單元並促進其專業化生產。其主要之點包括以下幾方面:
 (1)廉價的高性能伺服系統
目前,一套進給交流伺服系統(驅動器+電動機)的價格一般都在萬元以上,主軸伺服系統的價格高達數萬元,已成為降低國產自動化控制機床成本的一大障礙。因此,應配合新型集成化國產自動化控制系統的發展,大力開發廉價的高性能內裝式伺服系統。由於內裝式伺服的硬體部分只有電動機和功率介面,充分利用我國的永磁資源優勢,通過專業化生產可以把電動機的造價降下來,而採用智慧化的IPM模組作為功率介面也很便宜。因此將內裝式進給伺服,內裝式主軸伺服的價格控制在數萬元以內,將是完全可能的。
(2)直線交流伺服系統
直線交流伺服系統是下一世紀自動化控制機床不可缺少的功能部件,目前我國還沒有成熟產品,因此應加強研究、開發和推廣應用。考慮到常規機床的防磁問題較難解決,而並聯機床的防磁相對容易,因此可為常規結構機床開發感應非同步型直線電動機,為並聯結構機床開發永磁同步型直線電動機,從而揚長避短,構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統。
(3)新型永磁主軸電動機和電主軸單元
目前主軸驅動電動機和電主軸產品幾乎都為感應非同步型,存在以下突出問題?轉子上存在繞組,有大電流流過,因此轉子發熱嚴重,直接影響主軸精度;?低速出力小且轉矩脈動大,難以滿足寬範圍切削要求;?效率和功率因素低,不僅電動機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多;控制系統複雜、成本高。
因此,開發永磁同步交流主軸電動機和新型大功率、高效率、寬調速範圍永磁同步型交流電主軸單元,將可有效解決主軸驅動中存在的問題,形成具有台灣特色的新一代主軸驅動產品。
(4)自動化控制轉台與擺頭的零傳動驅動系統
自動化控制轉台與擺頭是多座標自動化控制機床的關鍵部件,傳統的採用高精度渦桿渦輪等傳動的轉台與擺頭不僅製造難度大、成本高,而且難以達到高速加工所需的速度和精度。因此必須另闢蹊徑開發自動化控制轉台和擺頭的新型電磁驅動系統,以實現自動化控制機床旋轉運動座標的零傳動(無機械傳動鏈)驅動,加速促進我國高速高精度多座標自動化控制機床的發展。
(5)高速高精度檢測裝置 高速高精度是下世紀自動化控制機床發展的主題,這不但需要高性能的控制和驅動,同時還需要高品質的檢測環節,因此應在現有技術基礎上,進一步開發0.1μm以上精度的高速(60m/min以上)線位移感測器和100萬脈衝/r的角位移感測器,此類技術國外對我國是進行封鎖的。
加強自動化控制系統產品技術支援的新思路
國產自動化控制系統進入市場後,能否牢固地站穩腳跟,在競爭中立於不敗之地,關鍵的一條還取決於我們能否做好技術支援與服務。考慮到資訊技術的發展,可以新的思路來進行。
(1)加強用戶技術訓練自動化控制系統,使用者的技能水準與應用成果有關。因此,在國產自動化控制系統的推廣應用中必須十分注意對用戶使用人員的技術訓練工作。此項工作除可通過常規途徑進行外,還可利用多媒體技術、虛擬現實技術等新手段與常規方法相結合進行,從而實現大規模、高效率、低成本的訓練。在當前資訊技術很發達的環境下,還可充分利用網路系統,特別是internet,進行遠端訓練。
(2)做好編程服務
用戶使用自動化控制機床中常見的問題就是零件編程。目前,許多用戶(特別是新用戶)都缺乏有經驗的編程人員,從而影響了自動化控制機床的應用。為解決此問題,可利用網路系統進行遠端編程服務。其具體做法是,由自動化控制系統和自動化控制機床製造廠設立網上自動化控制編程中心。當用戶遇到自己不能解決的編程問題時,可通過互聯網將問題提交給網上編程中心,由該中心中有經驗的編程人員為用戶編好程式,並經仿真無問題後,再通過網路將程式傳到用戶的自動化控制系統上,用戶可即時進行加工。從而消除了用戶使用自動化控制機床的後顧之憂。
(3)建立遠端診斷、維修中心 利用網路還可對用戶自動化控制系統的故障進行遠端診斷。實施辦法是,由自動化控制系統生產廠家建立網上維修服務中心。當用戶的系統出現問題時,可將其與網路連接起來,網上維修服務中心即可通過向系統發出診斷資訊並接收其回應,然後通過中心的診斷軟體對資訊進行分析,從而找出問題的原因,並予以自動排除或指導用戶進行排除。
(4)網路化技術支援
建立於PC平台上的開放式結構自動化控制系統,特別是集成化PC自動化控制系統,其所有功能均是由軟體實現的,當用戶為了改變和擴充系統功能時,既可利用系統的開放式結構自己完成,也可以通過網路將要求提供技術相關開發部門,由該部門中有經驗的技術人員替用戶修改和增加系統功能,然後將修改後的系統程式通過網路直接傳到用戶的自動化控制系統中,用戶自動化控制系統的功能馬上就得到了改變。這種方法是一種利用網路充分發揮開放式架構自動化控制系統的優勢的有效途徑。
總之,從技術層面看,科技創新能力不強,是決定我國自動化控制系統技術與產業發展的主要因素。因此,確立科技創新戰略,依靠科技創新建立我國獨立、先進的技術體系,是我國自動化控制系統技術與產業發展的根本出路。


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台長: chaostec
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