第4章

電氣工程技術的應用舉例

4.1雷達伺服控制技術4.2數控機床電氣控制技術

4.3軋鋼及冶煉電氣控制系統

4.4電氣工程技術在化工行業(yè)中的應用

4.5電氣技術與相關技術的融合情況

4.6電氣工程技術的發(fā)展

4.1雷達伺服控制技術

4.1.1雷達技術

雷達的一個標志，就是高高豎起的一塊用金屬制成的板，或一個天線架。如果把雷達比喻成“偵察兵”，那天線就是它的眼睛。雷達操作時，天線就要不停地轉動。天線的作用是把雷達中產生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好像人的眼睛一樣，所以雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天線作360°的旋轉，這樣它就能在360°

范圍內進行“搜索”。

4.1.2雷達伺服系統1．伺服控制技術發(fā)展簡況

伺服控制技術的發(fā)展是和控制理論及控制器件的發(fā)展緊密相連的，功率驅動裝置的發(fā)展歷史就是伺服控制技術的發(fā)展歷史。世界上第一個伺服系統是由美國麻省理工學院輻射實驗室于1944年研制成功的火炮自動跟蹤目標伺服系統。這種早期的伺服系統采用交磁電機擴大機——直流電動機式的驅動方式。由于交磁電機的頻率響應差，電動機轉動部分的轉動慣量及電氣時間常數都比較大，因此響應速度比較慢。

2．伺服系統的組成原理伺服系統是用來控制被控對象的某種狀態(tài)(一般是轉角和位移)，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復現輸入信號的變化規(guī)律。伺服系統組成框圖如圖4-1所示。它由檢測裝置(用來檢測系統的輸出信號)、放大裝置、執(zhí)行部件、信號轉換電路和補償裝置以及相應的能源設備、保護裝置、控制設備和其他輔助設備組成。

圖4-1伺服系統組成框圖

3．伺服系統的控制方式從控制方式看，最常用的兩種控制方式如下。1)按誤差控制的系統如圖4-2所示，按誤差控制的系統由前向通道G(s)和負反饋通道F(s)構成，也稱閉環(huán)控制系統。系統閉環(huán)傳遞函數為

(4-1)將系統輸出速度v(或角速度)轉變成電壓信號Uf反饋到系統輸入端，用輸入信號U與Uf的差來控制系統。按誤差控制的系統歷史最長，應用也最廣。

圖4-2按誤差控制的系統

2)按誤差和擾動復合控制的系統按誤差和擾動復合控制的系統采用負反饋和前饋相結合的控制方式，也稱開環(huán)-閉環(huán)控制系統，如圖4-3所示。其系統的傳遞函數為

(4-2)式中，B(s)代表前饋通道的傳遞函數。

圖4-3按誤差和擾動復合控制的系統

無論是速度伺服系統，還是位置伺服系統，都可以采用復合控制形式，它的最大優(yōu)點是引入前饋B(s)后，能有效地提高系統的精度和快速響應，而不影響系統閉環(huán)的穩(wěn)定性。

雷達系統的結構和造價差別很大：有的既復雜又昂貴，像波音公司的E-3A空中警戒和控制飛機上使用的雷達；有的既簡單又便宜，像測量車速的警用手持式雷達。簡單地說，雷達的成本和復雜性與其平均發(fā)射功率和接收天線孔徑的乘積成正比。此外，雷達的工作環(huán)境(人為環(huán)境和自然環(huán)境)及可靠性對雷達的成本和復雜性也有很大的影響。

如果撇開具體雷達中所采用的具體技術，那么可以認為，現代雷達系統一般由三部分組成：硬件、軟件及外部接口(包括操作員)。雷達的各個分系統又可以包含其中一部分或幾部分。圖4-4示出了現代典型相控陣雷達的簡化方塊圖。

圖4-4現代典型相控陣雷達的簡化方塊圖

4.1.3雷達伺服控制技術的新發(fā)展1．從直流伺服驅動系統向交流伺服驅動系統的發(fā)展趨勢20世紀以來，在需要可逆、可調速與高性能的電氣傳動技術領域，相當長的時期內幾乎都是采用直流電氣傳動系統。電力電子學、微電子技術、現代電機控制理論和計算機技術的發(fā)展，為交流電氣傳動產品的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件，使得交流傳動逐漸具備了寬調速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應等良好的技術性能，并實現了交流調速裝置的產品系列化。由于交流伺服驅動系統具有良好的技術性能，因此它取代直流電動機調速傳動已是必然的發(fā)展趨勢。

稀土永磁交流伺服系統是這類系統的代表，按照工作原理、驅動電流波形和控制方式的不同，稀土永磁交流伺服電動機可分為兩種基本的運行模式：一種是方波電流驅動的稀土永磁交流伺服電動機；另一種是正弦波驅動的稀土永磁交流伺服電動機。前者又稱為稀土永磁無刷直流伺服電動機，簡稱方波電動機；后者又稱為稀土永磁無刷交流伺服電動機或稀土永磁三相同步伺服電動機，簡稱正弦波電動機。這兩種電動機的共同特點是：主要用于中小功率系統，電動機轉子采用稀土永磁材料勵磁，如釤鈷(SmCo)合金、釹鐵硼(NdFeB)合金等，使電動機體積和重量大為減小，結構簡單、運行可靠、效率高、免維護是其主要特點，在性能上已達到甚至超過了直流伺服裝置，而且在堅固性、可靠性等方面比直流伺服裝置更優(yōu)越。該系統眾多的優(yōu)點，使其在軍事裝備、工業(yè)機器人、數控機床等領域具備廣闊的應用前景。

2．從模擬伺服系統向數字伺服系統的發(fā)展趨勢數字伺服系統在大多數應用場合取代模擬伺服系統將是必然趨勢，產生這一趨勢的原因是自動控制理論和計算機技術是數字伺服系統技術兩個最主要的依托。自動控制理論的高速發(fā)展為數字伺服系統研制者提供了不少新的控制規(guī)律以及相應的分析和綜合方法。計算機技術的飛速發(fā)展為數字伺服系統研制者提供了實現這些控制規(guī)律的現實可能性。以計算機作為控制器、基于現代控制理論的伺服系統，其品質指標無論是穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)都相應達到了前所未有的水平，比模擬伺服系統高得多。計算機之所以能實現這些控制規(guī)律是由于它精度高、運算速度快、存儲容量大、輸入/輸出功能強以及具有很強的邏輯判斷功能。

所謂雷達伺服系統的數字化，就是將計算機(主要是微處理機)作為雷達伺服系統的一個環(huán)節(jié)來進行系統的控制。過去在研制雷達伺服系統時，初步設計后，一般需要建立和實物相近的試驗臺(至少是縮小比例的試驗臺)，反復進行調整試驗來達到系統指標。這樣做，需要大量的硬件，因此研制周期很長。如果運用一些專用的程序進行計算機仿真，不僅能夠大大節(jié)約時間，節(jié)省大量的專用試驗設備，而且還能夠在眾多的方案中找到最佳設計。

3．從經典傳統伺服控制向現代伺服控制的發(fā)展趨勢多少年來一直沿用古典理論來進行雷達伺服系統的分析與設計，并為廣大技術人員所掌握，無疑這是一種有力的工具，今后仍將被廣泛使用。但是，20世紀60年代前后發(fā)展起來的現代控制理論適應計算機的發(fā)展，具有許多古典理論難以比擬的優(yōu)點。隨著計算機技術的發(fā)展，現代控制理論在雷達伺服系統中將得到廣泛的應用?，F代控制理論中的重要部分——線性系統、最優(yōu)控制、卡爾曼濾波、系統辨識等重要理論都是分析、設計雷達伺服系統的新的重要工具。

眾所周知，在分析和設計系統時，首先必須建立數學模型。應用古典理論來分析伺服系統時，一般根據牛頓定律、基爾霍夫定律等基本定律來建立雷達伺服系統的數學模型。但是由于許多因素難以一一考慮，許多參數難以精確確定，這種數學模型常常不能很好地反映系統的實際情況，有時甚至會得出錯誤的結論；若根據系統的輸入/輸出，應用系統辨識的方法，便有可能建立更加符合實際而又比較簡單的數學模型，但這種數學模型必須通過動力學理論進行嚴格推導，使輸入、輸出關系得到良好的擬合。

應用現代控制理論中的獨特技術，對于提高雷達的軸角精度和伺服系統的精度具有重要意義。在雷達測角系統中采用濾波和數字技術將濾波和伺服兩者分離，使整個系統由一個窄頻帶的接收濾波部分和一個寬頻帶的伺服驅動部分組成，前者提供精確的雷達輸出數據，后者只承擔對目標的指向跟蹤，可大大提高伺服系統的精度。這種方法就是人們所說的計算機輔助跟蹤。當所用的濾波器是最優(yōu)濾波器時，還可實現最優(yōu)控制。

4．向更高精度發(fā)展的趨勢位置測量元件是閉環(huán)控制系統中的重要部件，它的作用是檢測位移并發(fā)出反饋信號。一個設計完善的閉環(huán)伺服系統，其定位精度和測量精度主要由檢測元件決定，因此高精度伺服系統對測量元件的質量要求是相當高的。

在國內，以前雷達伺服系統測角元件主要使用旋轉變壓器或電感移相器，為了提高精度常常采用粗精雙通道組合編碼的方式。常見的組合方式有機械傳動的粗精組合和電氣變速的粗精組合(多極旋轉變壓器或電感移相器)。通過粗精組合后的測角精度可以達到幾個角秒左右，由于受到器件本身制造工藝的限制，用此種方法的測角精度很難進一步提高。模擬測速元件則主要采用測速發(fā)電機。我們知道，測速發(fā)電機的測速精度一般只能達到千分之幾的水平，而且還存在紋波，另外其工作在較高的轉速時，還得考慮非線性問題。隨著光電技術和加工技術的提高，光電式編碼器的制造精度越來越高，甚至可以達到零點幾角秒的程度。編碼器精度的提高，為我們更精確地測量伺服系統的位置、速度等參數提供了有利條件。

在雷達掃描線穩(wěn)定裝置中，隨著陀螺研制、制造水平的提高，動力調諧陀螺、液浮陀螺、氣浮陀螺、壓電陀螺精度也進一步提高，光纖陀螺、激光陀螺等新型陀螺的使用，使伺服系統對雷達的穩(wěn)定精度也有了很大的提高。另外，如前面所討論的，現代控制理論中獨特技術的應用，大大提高了雷達的軸角精度和伺服系統的精度。由于現代化戰(zhàn)爭的需要，對雷達的靈活性、適應性提出了更高的要求，比如在運動中的戰(zhàn)車、軍艦或飛機上要求雷達搜索、跟蹤目標，甚至與衛(wèi)星實時通信。這對雷達伺服系統是嚴峻的考驗，需要雷達設計工作者不斷學習和運用新技術、新理論來提高設計水平。

4.2數控機床電氣控制技術

4.2.1數控機床的發(fā)展1．數字控制技術與數控機床的產生和發(fā)展微電子技術、自動信息處理、數據處理以及電子計算機的發(fā)展，給自動化技術帶來了新的概念，推動了機械制造自動化的發(fā)展。采用數字控制(數控)技術進行機械加工的思想，最早是于20世紀40年代初提出的。當時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機工業(yè)承包商帕爾森茲公司(ParsonsCorporation)在制造飛機框架及直升飛機葉片輪廓用樣板時，利用全數字電子計算機對輪廓路徑進行數據處理，并考慮了刀具直徑對加工路徑的影響，使得加工精度達到較高的程度。

1952年，美國麻省理工學院成功地研制出一套三坐標聯動，利用脈沖乘法器原理的試驗性數字控制系統，并把它裝在一臺立式銑床上，當時用的電子元器件是電子管，這就是第一代數控系統，即世界上第一臺數控機床。1959年，計算機行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數控系統中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入第二代數控系統。1959年3月，由克耐·杜列克公司(Keaney&Treckercorp)發(fā)明了帶有自動換刀裝置的數控機床，稱為“加工中心”。

從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，如德國、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產及使用了數控機床；1965年出現了小規(guī)模集成電路。由于它的體積小、功耗低，使數控系統的可靠性得以進一步提高，數控系統發(fā)展到第三代。第三代數控系統都是采用專用控制計算機的硬邏輯數控系統，裝有這類數控系統的機床為普通數控機床(簡稱NC機床)。1967年，英國首先把幾臺數控機床聯接成具有柔性的加工系統，這就是最初的FMS(FlexibleManufacturingSystem，柔性制造系統)。之后美、歐、日也相繼進行開發(fā)和應用。

隨著計算機技術的發(fā)展，小型計算機的價格急劇下降。小型計算機開始取代專用數控計算機。數控的許多功能由軟件程序實現。這樣組成的數控系統稱為計算機數控系統(CNC)。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了這種系統，稱為第四代數控系統。1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年，英、日等國首先研制出以微處理器為核心的數控系統。近30多年來，微處理機數控系統的數控機床得到了飛速發(fā)展和廣泛應用，這就是第五代數控系統(MNC)。

2．我國數控機床發(fā)展情況我國從1958年開始研究數控技術，一直到20世紀60年代中期都處于研制、開發(fā)時期。當時，一些高等院校、科研單位研制出了試驗性樣機。這一研制工作開始也是從電子管著手的。1965年，國內開始研制晶體管數控系統。20世紀60年代末至70年代初研制了劈錐數控銑床、數控非圓齒輪插齒機、CJK-18晶體管數控系統及X53K-1G立式數控銑床。

從20世紀70年代開始，數控技術在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工以及電加工等領域全面展開，數控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質量和制造工藝水平差，致使數控系統的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。在這一時期，數控線切割機床由于結構簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。20世紀80年代，我國從日本發(fā)那科(FANUC)公司引進了5、7、3等系列的數控系統，直流伺服電機和直流主軸電機技術，以及從美國、德國等國引進了一些新技術，并進行了商品化生產。這些系統可靠性高、功能齊全，推動了我國數控機床的發(fā)展，使我國的數控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍。

1985年，我國數控機床的品種有了新的發(fā)展。數控機床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術復雜的大型數控機床、重型數控機床都相繼研制出來。為了跟蹤國外技術的發(fā)展，北京機床研究所研制出了JCS-FM-l、2型的柔性制造單元和柔性制造系統。這個時期，我國在引進、消化國外技術的基礎上，進行了大量開發(fā)工作。一些較高檔次的數控系統(五軸聯動)、分辨率為0.02?μm的高精度數控系統、數字仿型數控系統、為柔性單元配套的數控系統等相繼開發(fā)出來，并造出了樣機?，F在，我國已經建立了以中、低檔數控機床為主的產業(yè)體系。進入21世紀后將進一步向高檔數控機床發(fā)展。

3．數控技術的發(fā)展水平和趨勢隨著科學技術的發(fā)展及制造技術的進步，社會對產品質量和品種多樣化的要求愈來愈加強烈。中、小批量生產的比重明顯增加，要求現代數控機床成為一種高效率、高質量、高柔性和低成本的新一代制造設備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(FMS)以及計算機集成制造系統(CIMS)提供基礎設備，也要求數控機床向更高水平發(fā)展。這些要求主要由數字控制技術的發(fā)展來實現。數控技術體現在數控裝置、伺服系統、程序編制、機床主機等方面。

1)數控裝置推動數控技術發(fā)展的關鍵因素是數控裝置。由于微電子技術的發(fā)展，當今占絕對優(yōu)勢的微型計算機數控系統發(fā)展非?？?。技術發(fā)展概況如下：(1)數控裝置的微處理器已經由8位CPU過渡到16位和32位CPU。頻率由原來的5?MHz提高到16?MHz、20?MHz和32?MHz，并且開始采用精簡指令集運算芯片RISC作為主CPU，進一步提高了運算速度。采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和多個微處理器，使結構模塊化、標準化和通用化，其數控功能根據用戶需要可進行任意組合和擴展。

(2)具有強大功能的內裝式機床可編程控制器，用梯形圖語言、C語言或Pascal語言進行編程。在CNC和PC之間有高速窗口，它們有機地結合起來，除能完成開關量的邏輯控制外，還有監(jiān)控功能和軸控制功能等。(3)配備多種遙控接口和智能接口。系統除配有RS-232C串行接口、光纖維和20?mA電流電路等外，還有DNC接口，可以實現幾臺數控機床之間的數據通信，也可以直接對幾臺數控機床進行控制?，F代數控機床為了適應自動化技術的進一步發(fā)展，適應工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，紛紛采用MAP等高級工業(yè)控制網絡，實現不同廠家和不同類型機床的聯網要求。

(4)具有很好的操作性能。系統具有“友好”的人機界面，普遍采用薄膜軟按鈕的操作面板，減少指示燈和按鈕數量，使操作一目了然。大量采用菜單選擇操作方法，可使操作越來越方便。CRT顯示技術大大提高，彩色圖像顯示已很普遍，不僅能顯示字符、圖形，還能顯示三維動態(tài)立體圖形。

(5)數控系統的可靠性大大提高。大量采用高集成度的芯片、專用芯片及混合式集成電路，提高了硬件質量，減少了元器件數量，從而降低了功耗，提高了可靠性。新型大規(guī)模集成電路采用了表面安裝技術(SMT)，實現了三維高密度安裝工藝。元器件經過嚴格篩選，建立由設計、試制到生產的一整套質量保證體系，使得數控裝置的平均無故障時間(MeanTimeBetweenFailures，MTBF)達到10000～36000h。

2)伺服系統伺服系統是數控機床的重要組成部分。與數控裝置相配合，伺服系統的靜態(tài)和動態(tài)特性直接影響機床的定位精度、加工精度和位移速度?，F在，直流伺服系統被交流數字伺服系統代替。伺服電機的位置、速度及電流環(huán)都實現了數字化，并采用了新的控制理論，實現了不受機械負荷變動影響的高速響應系統。其發(fā)展的技術如下：(1)前饋控制技術。過去的伺服系統是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著追蹤滯后誤差，這使得在拐角加工及圓弧加工時精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統上加上速度指令的控制，這樣可使追蹤滯后誤差大大減小。

(2)機械靜止摩擦的非線性控制技術。對于一些具有較大靜止摩擦的數控機床，新型的數字伺服系統具有補償機床驅動系統靜摩擦的非線性控制功能。(3)伺服系統的位置環(huán)和速度環(huán)均采用軟件控制。為適應不同類型的機床、不同精度和不同速度的要求，可預先調整加、減速性能。

(4)采用高分辨率的位置檢測裝置。如采用高分辨率的脈沖編碼器，內有微處理器的細分電路，使得分辨率大大提高。增量位置檢測為10000?P/r；絕對位置檢測為1000000P/r。(5)補償技術得到發(fā)展和廣泛應用?，F代數控機床利用CNC數控系統的補償功能，對伺服系統進行了多種補償，如軸向運動誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱補償、空間誤差補償等。

3)程序編制數控機床的零件程序編制是實現數控加工的主要環(huán)節(jié)。編程技術的發(fā)展有以下幾方面的特點：(1)脫機編程發(fā)展到在線編程。傳統的編程是脫機進行的。由手工、電子計算機以及專用編程機來完成，然后再輸入給數控裝置?，F代的CNC裝置有很強的存儲和運算能力，把很多自動編程機具有的功能植入到數控裝置里，使零件的程序編制工作可以在數控系統上在線進行，實現了人機對話。在手工操作鍵和彩色顯示器的配合下，實現程序輸入、編輯、修改、刪除。數控系統具有了前臺操作、后臺編輯的前后臺功能。

(2)具有機械加工技術中的特殊工藝方法和組合工藝方法的程序編制功能。除了具有圓切削、固定循環(huán)和圖形循環(huán)外，還有宏程序設計功能、會話式自動編程、藍圖編程和實物編程功能。(3)編程系統由只能處理幾何信息發(fā)展到幾何信息和工藝信息同時處理的新階段。新型的CNC數控系統中裝入了小型工藝數據庫，使得在在線程序編制過程中，可以自動選擇最佳刀具和切削用量。

4)機床主機數控機床機械結構適應數控技術的發(fā)展，采用機電一體化的總體布局。為提高生產率，一般都采用自動換刀裝置，自動更換工件機構、數控夾盤和數控夾具等。為了提高數控機床的動態(tài)性能，伺服系統和機床主機進行了很好的機電匹配。同時，主機進行了優(yōu)化設計。

5)數控機床的檢測和監(jiān)督數控機床加工過程中進行檢測與監(jiān)控越來越普遍，因為數控機床上裝有各種類型的監(jiān)控、檢測裝置。例如紅外、聲發(fā)射(AE)、激光檢測裝置，它們可對刀具和工件進行監(jiān)測。發(fā)現工件超差、刀具磨損、破損，都能及時報警，并給予補償，或對刀具進行調換，保證了產品質量?，F代的數控機床都具有很好的故障自診斷功能及保護功能。軟件限位和自動返回功能避免了加工過程中出現的特殊情況而造成工件報廢和事故。

6)自適應控制數控機床增加更完善的自適應控制功能是數控技術發(fā)展的一個重要方向。自適應控制機床是一種能隨著加工過程中切削條件的變化，自動地調整切削用量，實現加工過程最佳化的自動控制機床。數控機床的自適應控制功能由檢測單一或少數參數(如功率、扭矩或力等)進行調整的“約束適應控制”(AdaptiveControlConstraint，ACC)，發(fā)展到檢測調控多參數的“最佳適應控制”(AdaptiveControlOptimization，ACO)和“學習適應控制”(TrainableAdaptiveControl，TAC)。

4.2.2數控機床的伺服系統1．伺服系統的組成數控機床伺服系統是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統，又稱隨動系統、拖動系統或伺服機構。在CNC機床中，伺服系統接收計算機插補軟件生成的進給脈沖或進給位移量，經變換和放大轉化為工作臺的位移。

伺服系統是數控裝置和機床的聯系環(huán)節(jié)，是數控系統的重要組成部分。伺服系統的性能，在很大程度上決定了數控機床的性能。例如，數控機床的最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于伺服系統的動態(tài)和靜態(tài)性能。因此，研究與開發(fā)高性能的伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一。數控機床伺服系統的一般結構如圖4-5所示，這是一個雙閉環(huán)系統。輪廓加工精度與速度控制和聯動坐標的協調一致有關。在速度控制中，要求高的調速精度及較強的抗負載擾動能力，即對靜態(tài)、動態(tài)精度要求都比較高。

圖4-5伺服系統結構圖

(1)穩(wěn)定性好。穩(wěn)定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。對伺服系統要求有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數控加工的精度和表面粗糙度。

(2)快速響應。快速響應是伺服系統動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統的跟蹤精度。為了保證高的輪廓切削形狀精度和低的表面加工粗糙度，要求伺服系統跟蹤指令信號的響應要快。這一方面要求過渡時間要短，一般在200?ms以內，甚至小于幾十毫秒；另一方面要求超調要小。這兩方面的要求往往是矛盾的，實際應用中要采取一定措施，按工藝加工要求作出合理的選擇。

(3)調速范圍寬。調速范圍R是指生產機械要求電機能提供的最高轉速Nmax和最低轉速Nmin之比，即

式中，Nmax和Nmin一般指額定負載時的轉速，對于少數負載很輕的機械，也可以是實際負載時的轉速。

在數控機床中，由于加工用刀具，被加工材質及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統具有足夠寬的調速范圍。目前，最先進的水平是，在進給速度范圍已可達到脈沖當量為1?μm的情況下，進給速度在0～240?m/min范圍內連續(xù)可調。但對于一般的數控機床而言，要求進給伺服系統在0～24?m/min進給速度下都能工作就足夠了，而且可以分為以下幾種狀態(tài)：

在1～24000?mm/min范圍，即1～24000調速范圍內，要求速度均勻、穩(wěn)定、無爬行，且速降要?。辉??mm/min以下時，具有一定的瞬時速度，而平均速度很低；在零速時，即工作臺停止運動時，要求電機有電磁轉矩，以維持定位精度，使定位精度滿足系統的要求。也就是說，應處于伺服鎖止狀態(tài)。

以上是對整臺數控機床的位置伺服控制而言。如前所述，位置伺服控制系統由速度環(huán)和位置環(huán)組成。如果對速度控制也過分地追求像位置控制那么大的調速范圍而又要穩(wěn)定可靠地工作，那么速度控制系統將會變得相當復雜。這將提高成本，也將降低可靠性。一般來說，對于要求速度范圍內為1～20?000的位置控制系統，當總的開環(huán)位置增益為20時，只要保證速度單元具有1～1000的調速范圍就完全可以滿足要求。這樣，可使速度控制單元線路既簡單又經濟可靠。目前，代表當今先進水平的速度控制單元的技術已達到1～100000的調速范圍。主軸伺服系統主要是速度控制，它要求1～100或1～1000范圍內的恒轉矩調速和1～10以上的恒功率調速，而且要保證足夠大的輸出功率。

(4)低速大轉矩。機床加工的特點是，在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統在低速時要有大的轉矩輸出。進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，而主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，在高速時為恒功率控制。

數控機床一般由穿孔紙帶、數控裝置、伺服機構、機床等幾部分組成。穿孔紙帶用來記錄控制指令，它是根據待加工零件的圖紙尺寸、動作次序以及各種輔助機能(如主軸轉速、進給速度、換刀、冷卻液的開或關等)編好程序，用穿孔機打出來的。穿孔帶被放到相當于人眼的閱讀機(如光電閱讀機)中，閱讀機就把紙帶上所寄存的信息變成電信號送到數字控制機或專用計算機中。數字控制機是數控機床的運算和控制部分。它接收由穿孔帶輸入的數據和指令，然后進行數字運算和邏輯運算，并將運算的結果以有規(guī)律的電脈沖形式送到伺服機構中，驅動機床作相應的運動。所以數字控制機相當于人的大腦，是機床工作的指揮中心。伺服機構是數控機床加工時的執(zhí)行部件，相當于人的手腳。主軸伺服系統一般為速度控制系統，除上面的一般要求外，還具有以下的控制功能：

(1)軸與進給驅動的同步控制。該功能使數控機床具有螺紋(或螺旋槽)加工能力。(2)準停控制。在加工中心上為了自動換刀，要求主軸能進行高精度的準確位置停止。

(3)角度分度控制。角度分度有兩種情況：一是固定的等分角位置控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度控制屬于帶位置環(huán)的伺服系統控制，如在車床上加工端面螺旋槽，在圓周面加工螺旋槽等。這時主軸坐標具有了進給坐標的功能，稱為“C”軸控制?！癈”軸控制可以用一般主軸控制和C軸控制切換的方法實現，也可以用大功率的進給伺服系統代替主軸系統。

為了滿足對伺服系統的要求，對伺服系統的執(zhí)行元件——伺服電機也相應提出高精度、快反應、寬調速和大轉矩的要求，具體是：(1)電機從最低進給速度到最高進給速度范圍內都能平滑運轉，轉矩波動要小，尤其在最低轉速時，如0.1?r/min或更低轉速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現象。(2)電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。比如，電機能在數分鐘內過載4～6倍而不損壞。

(3)滿足快速響應的要求，即隨著控制信號的變化，電機應能在較短時間內達到規(guī)定的速度?？斓姆磻俣戎苯佑绊懙较到y的品質。因此，要求電機必須具有較小的轉動慣量和較大的堵轉轉矩，以及盡可能小的機電時間常數和啟動電壓。進給電機必須具有400?rad/s2以上的加速度，才能保證電機在0.2?s以內從靜止啟動到1500?r/min。(4)電機應能承受頻繁的啟動、制動和反轉。

2．伺服系統的分類1)按調節(jié)理論分類(1)開環(huán)伺服系統。開環(huán)伺服系統(見圖4-6)即無位置反饋的系統，其驅動元件主要是功率步進電機或電液脈沖馬達。這兩種驅動元件工作原理的實質是數字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測元件實現定位，而是靠驅動裝置本身，轉過的角度正比于指令脈沖的個數，運動速度由進給脈沖的頻率決定。

圖4-6開環(huán)伺服系統

(2)閉環(huán)伺服系統。閉環(huán)伺服系統是誤差控制隨動系統(見圖4-7)。數控機床進給系統的誤差是CNC輸出的位置指令和機床工作臺(或刀架)實際位置的差值。閉環(huán)伺服系統運動執(zhí)行元件不能反映運動的位置，因此需要有位置檢測裝置。該裝置測出實際位移量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求得誤差，以此構成閉環(huán)位置控制。

圖4-7閉環(huán)伺服系統

(3)半閉環(huán)系統。半閉環(huán)系統的位置檢測元件不直接安裝在進給坐標的最終運動部件上(見圖4-8)，而是中間經過機械傳動部件的位置轉換，稱為間接測量。亦即坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，在環(huán)外的傳動誤差沒有得到系統的補償，因而伺服系統的精度低于閉環(huán)系統。

圖4-8半閉環(huán)系統

2)按使用的驅動元件分類(1)電液伺服系統。電液伺服系統的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級為電氣元件。驅動元件為液動機和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達和電液伺服馬達。數控機床發(fā)展的初期，多數采用電液伺服系統。電液伺服系統具有在低速下可以得到很高的輸出力矩，以及剛性好、時間常數小、反應快和速度平穩(wěn)等優(yōu)點，然而，液壓系統需要油箱、油管等供油系統，體積大。此外，還有噪聲、漏油等問題，故從20世紀70年代起電液伺服系統逐步被電氣伺服系統代替。只是具有特殊要求時，才采用電液伺服系統。

(2)電氣伺服系統。電氣伺服系統全部采用電子器件和電機部件，操作維護方便，可靠性高。電氣伺服系統中的驅動元件主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機，它們沒有液壓系統中的噪聲、污染和維修費用高等問題，但反應速度和低速力矩不如電液伺服系統高?，F在電機的驅動線路、電機本身的結構都得到很大改善，性能大大提高，已經在更大范圍取代了電液伺服系統。

3)按使用直流伺服電機和交流伺服電機分類(1)直流伺服系統。直流伺服系統常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機(也稱為大慣量寬調速直流伺服電機)。小慣量伺服電機最大限度地減小了電樞的轉動慣量，所以能獲得最好的快速性。這類伺服電機在早期的數控機床上應用較多，現在也有應用。小慣量伺服電機一般都設計成高的額定轉速和低的慣量，所以應用時，要經過中間機械傳動才能與絲桿相連接。

永磁直流伺服電機能在較大過載轉矩下長時間工作以及電機的轉子慣量較大，能直接與絲桿相連而不需中間傳動裝置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉，如能在1?r/min甚至在0.1?r/min下平穩(wěn)地運轉。因此，這種直流伺服系統在數控機床上獲得了廣泛的應用，自20世紀70年代至80年代中期在數控機床上的應用占絕對統治地位，至今，許多數控機床上仍使用這種電機的直流伺服系統。永磁直流伺服電機的缺點是有電刷，限制了轉速的提高，一般額定轉速為1000～1500r/min，而且結構復雜，價格較貴。

(2)交流伺服系統。交流伺服系統使用交流異步伺服電機(一般用于主軸伺服電機)和永磁同步伺服電機(一般用于進給伺服電機)。由于直流伺服電機存在著一些固有的缺點，因此其應用環(huán)境受到限制。交流伺服電機沒有這些缺點，且轉子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應好。另外，在同樣體積下，交流電機的輸出功率可比直流電機提高10%～70%。還有，交流電機的容量可以比直流電機造得大，達到更高的電壓和轉速。因此，交流伺服系統得到了迅速發(fā)展，已經形成潮流。從20世紀80年代后期開始，大量使用交流伺服系統，到今天，有些國家的廠家已全部使用交流伺服系統。

4)按進給驅動和主軸驅動分類(1)進給伺服系統。進給伺服系統是指一般概念的伺服系統，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數控機床中要求最高的伺服控制。

(2)主軸伺服系統。嚴格來說，一般的主軸控制只是一個速度控制系統，主要實現主軸的旋轉運動，提供切削過程中的轉矩和功率，且保證任意轉速的調節(jié)，完成在轉速范圍內的無級變速。具有C軸控制的主軸與進給伺服系統一樣，為一般概念的位置伺服控制系統。此外，刀庫的位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進給坐標軸的位置控制相比，性能要低得多，故稱為簡易位置伺服系統。

5)按反饋比較控制方式分類(1)脈沖、數字比較伺服系統。該系統是閉環(huán)伺服系統中的一種控制方式。它是將數控裝置發(fā)出的數字(或脈沖)指令信號與檢測裝置測得的以數字(或脈沖)形式表示的反饋信號直接進行比較，以產生位置誤差，達到閉環(huán)控制。脈沖、數字比較伺服系統結構簡單，容易實現，整機工作穩(wěn)定，在一般數控伺服系統中應用十分普遍。

(2)相位比較伺服系統。在相位比較伺服系統中，位置檢測裝置采取相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位置與指令位置的偏差，實現閉環(huán)控制。相位伺服系統適用于感應式檢測元件(如旋轉變壓器、感應同步器)的工作狀態(tài)，可得到滿意的精度。此外，由于相位伺服系統具有載波頻率高、響應快、抗干擾性強等優(yōu)點，很適于連續(xù)控制的伺服系統。

(3)幅值比較伺服系統。幅值比較伺服系統是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將此幅值信號轉換成數字信號才與指令數字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號，構成閉環(huán)控制系統。在以上三種伺服系統中，相位比較和幅值比較系統從結構上和安裝維護上都比脈沖、數字比較系統復雜和要求高，所以一般情況下脈沖、數字比較伺服系統應用較廣泛，而且相位比較系統又比幅值比較系統應用得多。

4.2.3數控機床電氣控制電路實例1．TK1640數控機床的組成TK1640數控機床傳動簡圖如圖4-10所示。該機床由底座、床身、主軸箱、大拖板(縱向拖板)、中拖板(橫向拖板)、電動刀架、尾座、防護罩、電氣部分、CNC系統、冷卻裝置、潤滑裝置等部分組成。機床主軸的旋轉運動由5.5kW變頻主軸電動機經皮帶傳動至Ⅰ軸，經三聯齒輪變速將運動傳至主軸Ⅱ，并得到低速、中速和高速三段范圍內的無級變速。

圖4-9TK1640數控機床z坐標為大拖板左右運動方向，其運動由GK6063-6AC31交流永磁伺服電動機與滾珠絲杠直聯實現；x坐標為中拖板前后運動方向，其運動由GK6062-6AC31交流永磁伺服電動機通過同步齒形帶及帶輪帶動滾珠絲杠和螺母實現。

1．TK1640數控機床的組成TK1640數控機床傳動簡圖如圖4-10所示。該機床由底座、床身、主軸箱、大拖板(縱向拖板)、中拖板(橫向拖板)、電動刀架、尾座、防護罩、電氣部分、CNC系統、冷卻裝置、潤滑裝置等部分組成。機床主軸的旋轉運動由5.5kW變頻主軸電動機經皮帶傳動至Ⅰ軸，經三聯齒輪變速將運動傳至主軸Ⅱ，并得到低速、中速和高速三段范圍內的無級變速。

z坐標為大拖板左右運動方向，其運動由GK6063-6AC31交流永磁伺服電動機與滾珠絲杠直聯實現；x坐標為中拖板前后運動方向，其運動由GK6062-6AC31交流永磁伺服電動機通過同步齒形帶及帶輪帶動滾珠絲杠和螺母實現。

圖4-10TK1640數控機床傳動簡圖

螺紋車削為保證主軸轉一圈，刀架移動一個導程，在主軸箱的左側安裝了一個光電編碼器。主軸至光電編碼器的齒輪傳動比為1∶1。光電編碼器配合縱向進給交流伺服電動機，保證主軸轉一圈，刀架移動一個導程(即被加工螺紋導程)。

2．TK1640數控車床電氣控制電路分析1)機床的運動及控制要求TK1640數控機床主軸的旋轉運動由5.5?kW變頻主軸電動機實現，與機械變速配合得到低速、中速和高速三段范圍的無級變速。z軸、x軸的運動由交流伺服電動機帶動滾珠絲杠實現，兩軸的聯動由數控系統控制。加工螺紋由光電編碼器與交流伺服電動機配合實現。除上述運動外，還有電動刀架的轉位，冷卻電動機的啟、停等。

2)主回路分析圖4-11中QF1為電源總開關。QF3、QF2、QF4、QF5分別為主軸強電、伺服強電、冷卻電動機、刀架電動機的空氣開關，它們的作用是接通電源及短路、過流時起保護作用，其中QF4、QF5帶輔助觸頭，該觸點輸入到PLC，作為QF4、QF5的狀態(tài)信號，并且這兩個空開的保護電流為可調的，可根據電動機的額定電流來調節(jié)空開的設定值，起到過流保護作用。KM3、KM1、KM6分別為主軸電動機、伺服電動機、冷卻電動機交流接觸器，由它們的主觸點控制相應電動機；KM4、KM5為刀架正反轉交流接觸器，用于控制刀架的正反轉。TC1為三相伺服變壓器，將交流380?V變?yōu)榻涣?00?V，供給伺服電源模塊。RC1、RC3、RC4為阻容吸收，當相應的電路斷開后，吸收伺服電源模塊冷卻電動機、刀架電動機中的能量，避免產生過電壓而損壞器件。

圖4-11TK1640強電回路

3)主軸電動機的控制

圖4-12TK1640交流控制回路

圖4-13TK1640直流控制回路

在圖4-11中，先將QF2、QF3空氣開關合上，當機床未壓限位開關、伺服未報警、急停未壓下、主軸未報警時，KA2、KA3繼電器線圈通電，繼電器觸點吸合，并且PLC輸出點Y00發(fā)出伺服允許信號，KA1繼電器線圈通電，繼電器觸點吸合，KM1交流接觸器線圈通電，交流接觸器觸點吸合，KM3主軸交流接觸器線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，主軸變頻器加上380V(AC)電壓。當有主軸正轉或主軸反轉及主軸轉速指令時(手動或自動)，在圖4-13中，PLC輸出主軸正轉Y10或主軸反轉Y11有效、主軸轉速指令輸出對應于主軸轉速的直流電壓值(0～10?V)至主軸變頻器上，主軸按指令值的轉速正轉或反轉；當主軸速度到達指令值時，主軸變頻器輸出主軸速度到達信號給PLC主軸轉動指令完成。主軸的啟動時間、制動時間由主軸變頻器內部參數設定。

4.3軋鋼及冶煉電氣控制系統

4.3.1軋鋼過程的計算機控制系統工業(yè)自動化根據生產過程的特點可分為兩大類。第一類是化工、輕工、煉油、冶煉自動化，這一類過程由于其對象為慣性大的熱工、化工過程，所需的控制周期一般為300～500?ms。第二類是軋鋼自動化，其對象為機電、液壓系統，由于對象慣性小、響應快，要求控制周期為2～20?ms。這兩類對象所用系統的結構完全不同。軋鋼自動化，特別是帶鋼熱連軋自動化具有“二高”特點(即具有高速控制能力和高速通信能力)，這使得目前能提供帶鋼熱連軋計算機控制系統的廠家僅有四、五家(如美國GE、德國SIEMENS、日本三菱等)。

在設計和集成適用于帶鋼熱連軋的計算機控制系統時，應遵循以下原則：(1)系統應具有開放性。硬件及軟件的開放性是當前的發(fā)展趨勢。(2)在硬件上以VME總線及PCI總線為基礎，無論哪個廠生產的符合這兩種標準總線的硬件模塊都可以用于這個系統。這不僅在集成系統時可選擇各類CPU、I/O模塊，使用接口模塊范圍擴大，而且方便了用戶將來對系統的擴展及備品備件的采購。

(3)在軟件上除過程機采用OPENVMS操作系統外，基礎自動化控制器及人機界面站采用VxWORK、WindowsNT等操作系統。(4)采用具有多種標準總線接口的通信網卡，能在系統中通過通信網連接基于VME總線及PCI總線的過程機控制器及人機界面站。(5)所有選用的計算機、控制器中的CPU及人機界面站(PC)都具有軟件向上兼容的可能，這樣在若干年后硬件產品被淘汰時，只需更換高一檔的硬件而不需要重新開發(fā)控制軟件，使用戶系統的更新更為方便。

4.3.2軋鋼電氣系統舉例鞍鋼1700半連軋翻新改造(連鑄連軋)的全線計算機控制提出了兩種系統配置方案(見圖4-14和圖4-15)。圖4-14為一個較為完整的基于區(qū)域控制器群結構、適用于帶鋼熱連軋的分布式計算機控制系統。整個系統分為4或5個控制器群(包括連鑄則為5個群)，每個群由一臺區(qū)域主管與過程機通信。區(qū)域主管通過區(qū)內高速光纖內存映像網與機架控制器連接(機架控制器僅承擔各設備及工藝參數的反饋閉環(huán)控制)。

1#、3#、8#為軋件跟蹤及軋件運送、模軋；2#、4#、9#、17#為人機界面；7#為PLC熱板卷箱控制；5#、6#為控制器，用于連軋可逆軋制；0#～15#為VME總線(多CPU)控制器，用于F1～F6控制；16#為PLC，用于CTC這一系統結構充分考慮了各個區(qū)內控制功能間存在較強的耦合和高速通信(1～2?ms)的要求。

圖4-15為一個較完整的基于“超高速網”結構。整個系統由十多臺PLC及多CPU控制器組成基礎自動化級。過程機(APLHA機)亦直接連接在超高速網上。各控制器分工可以按機架，亦可以按功能分配。加熱爐、粗軋、卷取應按設備設立控制器，而精軋則宜以功能來設立控制器?；A自動化級中為每個區(qū)設有一臺人機界面控制器，以便和人機界面的OPS(操作員站)交換數據，并通過遠程通信線與一批OPS、遠程I/O連接。這兩種系統配置各有優(yōu)缺點，一般認為新建系統最好采用區(qū)域控制器群結構，而現有計算機控制系統改造則可以采用超高速網結構以適應老系統一般采用平輔式結構的特點，使軟件結構可以不作大的改動。自行集成適用于熱連軋的計算機控制系統。無論采用哪一種結構都能充分滿足高速控制能力和高速通信能力的要求，但價格上僅為引進系統的1/4，這將為我國軋鋼自動化技術立足國內創(chuàng)造良好條件。

1#、8#VMEbusPLC用于軋件跟蹤；2#、4#、9#、15#VMEbusPLC用于人機界面控制；3#VMEbusPLC用于爐區(qū)APC；5#VMC多CPU控制器用于粗軋機控制；6#VMEbusPLC用于熱板卷箱控制；7#VMEbusPLC用于飛剪控制；10#、11#、12#、13#VMCbus多CPU控制器用于AGC、ASC、LPC；14#VMEbusPLC用于CTC；16#VMEbus多CPU控制器用于實時仿真器。

圖4-14自行集成的基于區(qū)域控制器群的系統配置

圖4-15自行集成的基于超高速網的系統配置

4.4電氣工程技術在化工行業(yè)中的應用

4.4.1我國化工自動化發(fā)展概況我國化工生產過程自動化起步于1953年。在此之前，從上海天原化工廠和大連化工廠等幾個廠來看，自動化極為落后，只有幾臺瑞士產的環(huán)天平流量表、水銀流量表、毫伏計和一臺基地式調節(jié)器，全靠笨重體力勞動來維持生產。

自1953年開始，從前蘇聯引進化工裝置，建立吉化、蘭化、太化三大化工基地，并分別于1957年、1958年、1961年投產。企業(yè)自動化水平很低，使用儀表多、重復繁瑣，調節(jié)系統只有一些非主要參數定值調節(jié)系統，主要參數(如變換爐溫度、合成塔溫度)沒有自調系統，高壓系統全靠人工操作。20世紀60年代初，我國自行設計了如衢州合成氨廠等一批5萬噸合成氨廠。這些廠原設計自動化水平較低，除了各種檢測、計量儀表和信號聯鎖裝置之外，自調系統只有壓力和液位兩種，采用調節(jié)器實現單回路調節(jié)；氯堿廠也只有溫度計、壓力表和液位調節(jié)，其他全靠手工操作。

1965年，興平化肥廠、瀘州天然氣化工廠從意大利、英國引進5萬噸合成氨裝置，自動化程度較高，全廠設一個中控室，采用氣動、電動單元組合儀表，自動調節(jié)回路有50套。興平化肥廠還配用了一套ARCH21000型直接數字控制儀(DDC)。從此我國化工自動化進入仿制時期。1965年化工部在蘭化公司化肥廠用計算機控制氨合成過程進行試點，提出最優(yōu)工況計算機控制奮斗目標。同時推廣石家莊化肥廠采用氣動單元組合儀表、工業(yè)色譜儀和100點巡回檢測儀，實現合成氨集中控制的自動化。

20世紀70年代初，我國自行設計了一批6萬噸合成氨廠，并建立起一批乙烯裝置和化工裝置，用電、氣單元組合儀表實現以單回路調節(jié)為主，配有比值、串級控制實現工段和車間集中控制。1975年后，隨著從美、日、法引進以DDZ-Ⅱ型系列表為主，實現全流程集中控制的13套自動化程度較高的30萬噸/年合成氨裝置和一批大中型乙烯裝置和化工裝置，從此，我國化工自動化進入發(fā)展時期，并積極開發(fā)新的應用，如四川化工總廠用Fox3計算機進行優(yōu)化控制試點，瀘天化用常規(guī)儀表完成一段轉化爐出口溫度、馳放氣、氫/氮、水/碳四套自動調節(jié)系統的節(jié)能自動化改造項目。

1981年吉化公司化肥廠在氨合成生產過程率先采用CENTUM系統監(jiān)控合成塔溫度、氫/氮和馳放氣，這也是我國工業(yè)部門首次使用分散控制系統(DCS)控制生產過程。隨后，又在河南安陽化肥廠召開了DCS現場應用交流會，1988年化工部還提出今后改、擴建化肥裝置要選用DCS的設想，從此推動了DCS在化工生產中的應用。老廠改造也好，新引進的化肥、乙烯裝置、氯堿裝置也好，基本上采用了DCS控制生產過程，同時乙烯裝置還采用DCS和上位機構成二級計算機控制系統。裂解爐采用SCC+DDC控制方式，乙烯壓縮、分離、汽油加氫等采用SCC+SPC控制方式。

20世紀80年代末以來，隨著微電子技術發(fā)展和現代控制理論應用擴大，開始考慮高級先進控制策略，在滄州化肥廠、云南天然氣化工廠等采用優(yōu)化操作、優(yōu)化管理的管控一體的自動化試點，乙烯廠開始建立裂解爐等23個數學模型和19套最佳設定點的先進控制系統，通過模擬優(yōu)化、局部優(yōu)化達到最佳操作。在這段時期內，小化肥廠自動化有所發(fā)展，或多或少用了一些數量不等的自調系統和檢測儀表。有約5%的廠用了DCS，有60%的廠用了IPC(工業(yè)計算機)和PLC(可編程控制器)。特別是造氣爐自控系統更新較快，有78.43%的小化肥廠已用PLC加油壓系統取代落后的自動機，但是大量使用的儀表仍是氣動、電動單元組合儀表。

圖4-16我國化工自動化的發(fā)展

4.4.2化工自動化現狀1．常規(guī)儀表應用狀況常規(guī)儀表是化工自動化的重要檢測工具，通用性很強，廣泛用于化工企業(yè)的流量、壓力、液位、溫度等工藝參數的檢測和控制。40多年來，化工系統隨著儀表技術的發(fā)展而不斷更新換代。20世紀50年代末，化工自動化只是采用機械式、基地式儀表和部分氣動儀表；60年代廣泛采用Ⅰ型電氣動單元組合儀表；70年代中期Ⅱ型電氣動單元儀表成為化工生產檢測和控制的主流產品；80年代初開始采用Ⅲ型電氣動組合儀表。目前化工系統使用了20多種型號變送器和30多種型號調節(jié)器。

不管變送器也好，調節(jié)器也好，有一種明顯趨勢是電動電子儀表逐步取代氣動儀表，成為化工生產的主要檢測控制工具。氣動儀表由于具有安全可靠、防爆、維護方便、價格便宜等優(yōu)點，化工企業(yè)一些惡劣環(huán)境和小型化工企業(yè)仍在使用氣動儀表，如小型化肥廠使用氣動儀表約占儀表使用量的32.98%。第二種明顯趨勢是電動Ⅲ型表用量增加，電動Ⅰ型、Ⅱ型表用量減少或趨向淘汰。

2．分析儀表應用狀況分析儀表是檢測化工生產中化學成分不可缺少的工具，特別是隨著環(huán)境保護、提高產品質量和節(jié)約能源的要求，分析儀表的作用越來越明顯。20世紀60年代前后，化工企業(yè)基本上靠人工取樣，實驗室人工分析得出結果指導生產；70年代，隨著電子技術發(fā)展和生產要求，采用紅外、熱導、磁氧等工業(yè)流程分析儀表進行在線分析、開環(huán)指導，代替實驗室的間斷分析；80年代較多地應用了在線工業(yè)流程分析儀表，把成分信號引入調節(jié)系統和計算機系統。合成氨和氨加工生產中，采用氣相色譜儀等分析器分析原料氣、轉化氣、合成氣的各種組分含量控制氫氮比、水碳比、氨碳比，把設定值保持在最佳值上；

石油化工生產中，采用色譜儀分析裂解爐出口裂解氣、乙烯、丙烯等組分含量；其他化工廠中的聚氯乙烯、氯堿、農藥生產中，分析器都被作為有效成分檢測工具；在節(jié)約能源中，一些耗能大的鍋爐、煤加熱器的燃燒控制、精餾過程中的產品組分分析都用了不少分析器。目前化工系統所用的各種型號的分析器較多，據不完全統計，化工企業(yè)所用的工業(yè)流程分析器達30多種，一個30萬噸/年乙烯廠需用20～30種不同型號分析器，一個30萬噸/年合成氨廠要用30～40套分析器。上海焦化廠還用在線Q3000工業(yè)質譜儀作定量分析煤氣化中各種組分及含量。

3．分散控制系統(DCS)應用狀況1)DCS應用數量1997年我國化工系統(不包括石化)用了713套DCS系統，比1995年統計數增加37.45%，是工業(yè)各部門應用DCS最多的工業(yè)部門，約占全國工業(yè)部門用DCS總套數2066套的34.5%，中國石化總公司占全國工業(yè)部門用DCS總套數的19.2%，冶金工業(yè)占12.8%。化工系統所用的DCS引進的較多，有美國、日本、德國、英國、意大利、澳大利亞等國家14個公司的不同型號的產品，約占總套數的73.77%，其中日本橫河公司和美國霍尼韋爾公司為最多，分別占23.42%和17.81%。

近年國產DCS應用有很大發(fā)展，應用套數和范圍不斷擴大，以表4-1中“浙江浙大中控自動化公司”和“北京和利時自動化公司”為代表的DCS產品占有化工市場的一定份額，產品性能和可靠性提高很快，得到用戶好評，但只占DCS應用總套數的26.23%。2005年中國化工行業(yè)的DCS市場規(guī)模達到10.6億元，同比增長26%。2006年化工行業(yè)的DCS市場增長在10%以上，市場規(guī)模接近12億元。目前DCS應用已滲透到化肥、氯堿、有機化工、純堿、硫酸、碳黑等各個行業(yè)。據不完全統計，大型化肥廠、乙烯廠100%采用DCS控制生產，中型化肥廠有65.38%已用DCS控制生產。各行業(yè)所用DCS套數和比例見表4-1。

2)應用水平20世紀80年代中期，化工系統所應用的DCS基本上是替代常規(guī)模擬儀表的作用，DCS功能沒有充分發(fā)揮。如以自動化水平較高的30萬噸/年合成氨為例，20世紀80年代中，瀘天化、云天化、川化、滄化等引進DCS裝置，只起著電動Ⅲ

型表所具有的作用，即單回路及串級調節(jié)、顯示，顯示畫面也很少，模擬儀表盤仍保留作為輔助監(jiān)控作用，以備萬一。表4-2顯示了DCS在化學工業(yè)各行業(yè)應用數統計情況。

表4-1DCS在各工業(yè)部門應用數統計

表4-1DCS在各工業(yè)部門應用數統計

表4-2DCS在化學工業(yè)各行業(yè)應用數統計表

表4-2DCS在化學工業(yè)各行業(yè)應用數統計表

4．IPC(工業(yè)個人計算機)和PLCIPC和PLC使用方便，價格便宜，能用于程序控制、順序控制和連續(xù)生產過程控制。特別是IPC，不僅能用于過程控制，還能作為上位機用。因此，IPC和PLC應用范圍越來越廣泛，化工生產中連續(xù)或間斷生產中都有應用實例，如小型化肥廠造氣生產78.43%的廠已用PLC控制。據不完全統計，氯堿廠所使用的IPC在DCS、IPC、PLC三者比例中占58.98%、PLC占17.97%；中型氮肥廠所使用的IPC占39.67%、PLC占28.1%。表4-3示出了DCS、IPC、PLC在化工行業(yè)中的應用套數比例。

表4-3DCS、IPC、PLC在化工行業(yè)中的應用套數比例

5．管理控制一體化現狀隨著科學技術和市場競爭的需要，人們對自動化發(fā)展日益重視，企業(yè)自動化范圍擴大，它已成為應包括企業(yè)管理自動化、生產過程自動化和實驗室自動化在內的綜合自動化體系，因此，企業(yè)管理和生產過程控制融為一體是必然的趨勢，化工部在“八五”期間，把管理控制一體化列入規(guī)劃，并在滄州化肥廠實行試點，國務院重大辦在云南天然氣化工廠進行試點，并取得階段性成果。另外，福建煉油化工有限公司、吉化公司有機廠、盤錦乙烯工業(yè)公司、河北滄州化工廠等也做了大量工作。

4.4.3化工過程控制簡介化工過程控制又稱過程控制，是化工生產過程自動控制的簡稱。從廣義化工自動化看，化工自動化包括兩大方面：一是適應于化工過程的控制理論及其策略；二是用于實現控制理論及其策略的工具，即適用于化工過程控制的裝置。在20世紀50年代，曾采用化工自動化一詞來概括化工生產過程的檢測和控制兩方面的內容，近年來傾向于將檢測與控制分為兩個概念?；み^程控制主要是研討控制理論在化工生產過程中的應用，包括各種自動化系統的分析、設計和現場的實施、運行。

1．化工過程控制的特點化工過程控制與一般化工方法最大的區(qū)別是動態(tài)和反饋。在過程控制中把各種工藝及計算所依據的平衡狀態(tài)稱穩(wěn)態(tài)。但是，實際生產總是在穩(wěn)態(tài)附近波動而變化的。當生產達到穩(wěn)態(tài)時，一個干擾出現后，被控制的變量就會偏離穩(wěn)態(tài)，然后在控制作用下又逐步回至穩(wěn)態(tài)，這個偏離了穩(wěn)態(tài)又回復到穩(wěn)態(tài)的過程稱動態(tài)過程。在很多情況下，回復過程是振蕩式的，可以回到原來起始的穩(wěn)態(tài)，也可以回到另一個新的穩(wěn)態(tài)。多數控制系統的質量指標都是直接從這一動態(tài)過程曲線出發(fā)而制定的。很多工藝設備的設計也是按可能出現的最大偏離的動態(tài)條件進行，而不能都按穩(wěn)態(tài)計算進行。生產中出現的控制措施不力、操作裕度有限等，往往是由于設計依據不當所造成的。

2．化工過程控制中的反饋自動控制的成功和發(fā)展關鍵在于信息的反饋。在一個控制系統中，當控制器采取控制措施后，如果能夠把控制效果的信息送回到控制器進行比較，則可以決定下一步如何進行校正。這種將控制效果信息送回到控制器的概念稱反饋；這種信息通路稱反饋回路。有反饋回路的系統稱閉環(huán)控制系統；否則稱開環(huán)控制系統。采用反饋是提高控制質量的關鍵措施，改變反饋的大小、形式或規(guī)律，對控制質量有不同的影響，甚至可以將不可控的非穩(wěn)定系統改進為控制質量頗佳的穩(wěn)定系統。所以稱反饋是控制系統的心臟。

3．化工過程控制技術的應用在工藝成熟的生產過程中，化工過程控制是提高產量和質量、節(jié)約原料和能源、改善勞動強度和節(jié)省勞力等方面有力的手段。中國近年來在控制規(guī)律、控制方案、實施技術以及大規(guī)模的集中控制方面，從借用、開發(fā)到創(chuàng)新都做了不少工作，有一定數量的成功案例，經濟效益也比較顯著。近年來，還開始運用數學模型方法，探討和推廣現代控制理論在化工過程控制中的應用，已有一些創(chuàng)見性的成果。結合微型計算機的推廣應用，不少項目開展了計算機控制和調度管理的研究，有些已經取得了成功，使生產的技術水平和經濟效益都有較大的提高。

在化工生產中，對各個工藝生產過程中的物理量(或稱工藝變量)有著一定的控制要求。有些工藝變量直接表征生產過程，對產品的數量和質量起著決定性的作用。例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作壓力不變的情況下，必須保持一定，才能得到合格的產品；加熱爐出口溫度的波動不能超出允許范圍，否則將影響分餾效果；化學反應器的反應溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達到指標。有些工藝變量雖不直接地影響產品的數量和質量，然而保持其平穩(wěn)卻是使生產獲得良好控制的前提。例如，用蒸氣加熱反應器或再沸器，在蒸氣總壓波動劇烈的情況下，要把反應溫度或塔釜溫度控制好將極為困難；中間儲槽的液位高度和氣柜壓力必須維持在允許范圍之內，才能使物料平衡，保持連續(xù)的均衡生產。有些工藝變量是決定安全生產的因素。例如，鍋爐汽包的水位、受壓容器的壓力等，不允許超出規(guī)定的限度，否則將威脅生產的安全。還有一些工藝變量直接決定產品的質量，例如，某些混合氣體的組成、溶液的酸堿度等。對于以上各種類型的變量，在化工生產過程中都必須加以必要的控制。為了實現控制的要求，可用兩種方式，一是人工控制，二是自動控制。后者是在人工控制的基礎上發(fā)展起來的，使用了自動化儀表等控制裝置來代替人的觀察、判斷、決策和操作。

下面舉例來說明什么是自動控制系統。生產蒸氣的鍋爐設備在電廠、化工廠中是常見的。要保證鍋爐正常運行，維持鍋爐水位為規(guī)定數值是很重要的。水位過低易燒干鍋爐而發(fā)生嚴重事故，水位過高則又易使蒸氣夾帶水分，因此要求自動控制鍋爐水位高低，以保證其正常運行。當蒸氣耗汽量與鍋爐進水量相等時，水位保持在規(guī)定的數值上，若鍋爐的給水量不變，當蒸氣負荷突然增加或減少時，將會使水位下降或上升；或者，當蒸氣負荷不變而給水水壓發(fā)生變化時，也會影響水位。為此設置的自動控制系統由氣動單元組合儀表組成，如圖4-17所示。

檢測元件和變送器的作用是檢測水位高低，當水位高度與正常水位之間出現偏差時，調節(jié)器就立刻根據偏差進行控制，去開大或關小給水閥門，使水位恢復到規(guī)定數值。要實現對鍋爐水位的自動控制，至少必須要有檢測元件(包括變送器)、調節(jié)器、調節(jié)閥及鍋爐等四個部分，它們組成一個簡單的自動控制系統。溫度、流量、壓力、成分的控制系統同樣也是由這四部分組成的。將圖4-17畫成帶控制點的工藝流程圖則如圖4-18所示。

圖4-17鍋爐水位自動控制示意圖

圖4-18鍋爐帶控制點工藝流程圖

4.4.4典型化工過程控制方案1．合成氨裝置的計算機控制和操作優(yōu)化以單產能耗量最低為優(yōu)化目標函數，采用系統數學模型參數的在線修正、大系統分解-協調優(yōu)化方法和輸出邏輯處理等技術，實現了合成氨裝置的在線操作優(yōu)化。在基礎控制級以DCS為基礎，成功地實現了水/碳、氫/氮、一段轉化爐出口溫度、輔鍋燃燒、氨合成塔溫度、馳放氣、大機組防喘振量等十多套節(jié)能型復雜控制系統。通過上位機與DCS的雙向通信，實現了數據在線采集，對工藝系統的定時優(yōu)化計算、優(yōu)化值的定時輸出和二級優(yōu)化閉環(huán)控制。

2．尿素裝置的計算機控制和操作優(yōu)化針對尿素生產過程的高度復雜性，引入先進的神經網絡理論，分別建立了主要單元設備的神經網絡模型。以尿素氨耗最低為目標，采用人工智能優(yōu)化方法，建立了集優(yōu)化決策、故障診斷、工況預測等各項功能于一體的實時專家系統。在基礎控制級，成功地實現了氨/碳配料比、尿素負荷、氧含量、尿素合成塔液位、一段蒸發(fā)溫度、二氧化碳負荷等多套節(jié)能型復雜控制系統。

3．智能化聯鎖和生產保護專家系統利用CEN/TUM集散控制系統在國內首家實現了大型合成氨和尿素全裝置智能化聯鎖保護。其內容包括現場智能化聯鎖改造和具有模擬仿真、故障檢測與診斷、操作培訓等功能的生產保護專家系統，通過畫面顯示、聲光報警和信息提示功能，向操作人員發(fā)出警告。

4．生產管理決策根據總體目標要求，針對合成氨和尿素生產狀態(tài)的在線實時數據庫和歷史數據庫，建立相應的能量和物料管理系統。在建立全廠信息采集和通信系統基礎上，實現現場、車間級和全廠調度級構成的三級網絡，并以實時多任務方式運行，極大地提高了企業(yè)生產決策的速度和水平。

滄州化工集團公司的綜合信息管理自動化系統由以下兩個系統組成的控制系統構成，即由財務、銷售、物資管理、采購、質檢、能源、生產統計、工資、人事管理、總裁查詢等構成的網絡管理系統和由離子膜電解、單體、聚合三個車間8臺工業(yè)控制單元(90個控制點、380個監(jiān)視點、501個開關量輸入/出點)構成的DCS集散控制系統。該系統的管理部分由3臺COMPAQ公司的PROLANT1500服務器、NOVELL公司的NETWARE4.0及分布在1200?m范圍內的50臺工作站組成。為確保安全正常運轉，全系統采用冗余結構。

該系統的特點是：(1)實用性強、操作簡單。利用該系統可以進行財務核算、利潤分析，了解市場價格實時變化、產品庫存量、每天售銷情況和生產情況。(2)在充分發(fā)揮原有DCS功能基礎上，開發(fā)了一些較好的數學模型。例如，離子膜裝備用整流電流與陰(陽)極液注入量控制數學模型來進行補償控制，使產品合格率從97%提高到99%；聚合釜的進料補償多因子復合控制方案，縮短了開蓋時間，增產10%；尾凝器復雜調節(jié)系統對保證低沸系統穩(wěn)定生產起到了一定的作用。

4.5電氣技術與相關技術的融合情況

4.5.1電氣信息化技術的研究與發(fā)展電氣工程中信息技術的應用主要集中在信息系統技術和信息應用技術這兩個層次上，它的技術應用特征主要表現在以下幾個方面：(1)計算機優(yōu)化與仿真技術在電力設備的設計、制造和運行中得到了廣泛應用，各種專業(yè)應用軟件層出不窮，計算機輔助設計(CAD)、制造(CAM)、工藝規(guī)劃(CAPP)和計算機輔助工程(CAE)技術在電氣工程中發(fā)揮了巨大作用。

(2)人工智能在電力設備及其系統的分析、監(jiān)視、診斷、控制、規(guī)劃、管理中得到了廣泛的應用，各種新穎的算法解決了電氣工程中的許多技術難題。(3)計算機網絡通信技術在電氣工程中得到了初步應用，網絡技術基礎之上的現代集成制造技術(CIMS)、過程控制自動化技術以及管理信息服務體系得到了蓬勃發(fā)展。

4.5.2優(yōu)化與仿真技術的應用1．計算機輔助電機電器優(yōu)化設計在機械工業(yè)中，除了飛機和汽車制造是CAD的最早開拓者外，電機電器工業(yè)也是采用CAD技術最早的行業(yè)之一。早期的電機CAD技術主要是依靠計算機強大的高速計算能力，將傳統的經驗設計公式編制成計算機軟件，大大提高設計工作的質量和速度，但隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，利用計算機快速運算、存儲以及邏輯判斷功能，使電機電器的CAD可以建立在更符合實際情況的復雜數學模型基礎上，從而大大提高了設計精度和性能。

2．電力系統的計算與仿真20世紀50年代以來，計算機在電力系統可靠性、規(guī)劃、安全經濟運行、潮流計算以及調度員培訓仿真系統中得到了廣泛應用。目前，該研究主要集中在計算機輔助電力系統潮流計算、計算機輔助電力系統網絡規(guī)劃及其靈敏度和可靠性分析、電力系統計劃分析、計算機輔助電力系統狀態(tài)推測、狀態(tài)估計、負荷預測等。

3．水、火電工程的計算機輔助設計電力工程的計算機輔助設計已經發(fā)展到了一個嶄新的階段，基本上實現了無圖板設計?；谌S模型設計和工程數據庫的電力工程規(guī)劃、勘測、設計、生產制造和管理在內的集成化系統已得到了高度重視。

4．電機的柔性制造技術20世紀80年代起，為了適應現代社會發(fā)展的要求，克服老一代電機自動生產線換批困難、調整時間長、難以適應多品種小批量生產模式，相繼建成了電機柔性制造系統。

4.5.3人工智能技術的應用1．電力系統中的智能技術人工智能已在電力系統規(guī)劃(運行規(guī)劃、裝備的設計、系統規(guī)劃)、監(jiān)視(故障診斷、警報處理、事故評估)、控制(正常控制、緊急控制、恢復控制)、分析(系統靜態(tài)和動態(tài)分析)和其他(電力負荷管理、輔助教學、仿真器)眾多方面得到了應用。開發(fā)與應用較成功的人工智能系統主要有電力調度操作管理專家系統、短期電力負荷智能預報系統、電力系統正常與事故