大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

鄧希陽 張子軍

[摘 ? ?要]隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程，企業(yè)競爭加劇，市場需求的變化加快，主要國家都制定了基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與對自動化技術(shù)的戰(zhàn)略目標(biāo)。新材料、新設(shè)備、新技術(shù)以及新工藝層出不窮。從數(shù)字程序控制技術(shù)、PLC設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等方面探討計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對自動化發(fā)展運用的影響。

[關(guān)鍵詞]自動化;數(shù)控;大數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng);趨勢

[中圖分類號]F259.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]With the integration of the world economy， competition among enterprises has intensified and changes in market demand have accelerated. Major countries have formulated strategic goals based on the Internet of Things， big data， artificial intelligence and automation technology. New materials， new equipment， new technologies and new processes emerge in endlessly. Discuss the influence of the development of computer technology on the development and application of automation from the aspects of digital program control technology， PLC equipment， Internet of things， etc.

[Keywords]automation; numerical control; big data; internet of things; trend

1 自動化發(fā)展變遷

18世紀(jì)60年代到19世紀(jì)70年代初為第一階段，隨著蒸汽機(jī)、電力發(fā)明，科學(xué)家和工程師發(fā)明創(chuàng)造達(dá)到了一個高潮，珍妮紡紗機(jī)、火車、汽車、飛機(jī)等的出現(xiàn)都包含一定的初級自動化控制技術(shù)。20世紀(jì)中期為第二階段，單片機(jī)的出現(xiàn)，簡單計算機(jī)得到廣泛運用，以數(shù)控機(jī)床為代表的單機(jī)自動化加工設(shè)備逐步滲入到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。20世紀(jì)中后期為第三階段，計算機(jī)技術(shù)得到了空前發(fā)展，CAD、CAM等各種計算機(jī)輔助技術(shù)開始用于工程、設(shè)計、制造領(lǐng)域，使各種組合機(jī)床、組合生產(chǎn)線開始出現(xiàn)，流程線作業(yè)、加工成為現(xiàn)實。由于自動生產(chǎn)線的出現(xiàn)，這一階段的硬件加工設(shè)備主要用于產(chǎn)品的大、中批量的生產(chǎn)和加工，比如用于鉆、鏜等加工的自動生產(chǎn)線，企業(yè)的生產(chǎn)開始朝多品種、中小批量方向發(fā)展，對自動化技術(shù)的要求也越來越高。21世紀(jì)隨著世界科技和市場經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，市場經(jīng)濟(jì)使資源、資金、生產(chǎn)、加工等再分配，市場環(huán)境的變化、用戶需求更加多元化，美國學(xué)者提出了CIM概念（Computer Integrated Manufacturing，即計算機(jī)集成制造），也就是在所有與生產(chǎn)有關(guān)的企業(yè)部門中集成地用電子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括在計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助制造、計算機(jī)輔助質(zhì)量管理等信息技術(shù)之間的協(xié)同工作。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟推廣，進(jìn)一步促進(jìn)自動化技術(shù)的集成，加速了自動控制技術(shù)從生產(chǎn)、倉儲、管理的綜合集成，至今為第四階段，即工業(yè)第三次革命。

2 自動化控制技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

自動化技術(shù)發(fā)展到今天與計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步有著密切相關(guān)性，計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步都會為自動化領(lǐng)域帶來重大變革，自動化數(shù)控機(jī)床就是建立在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)之上出現(xiàn)的。1938年由香農(nóng)完成的數(shù)據(jù)快速運算與傳輸模式奠定了現(xiàn)代計算機(jī)（包括數(shù)字控制系統(tǒng)）發(fā)展方向，1952年，由麻省理工學(xué)院的伺服機(jī)構(gòu)實驗室開發(fā)第一臺數(shù)控機(jī)床，為計算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)打開了新大門。為了滿足高精度、高效率加工復(fù)雜零件的需要，到20世紀(jì)70年代初期在數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)了用計算機(jī)代替控制裝置，計算機(jī)數(shù)控（CNC）成為主流，這種技術(shù)可用計算機(jī)完成輸入數(shù)據(jù)的存儲、處理和運算等各種控制機(jī)能，開創(chuàng)了數(shù)控機(jī)床的革命性變革。

數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性變革，促進(jìn)了建筑、石油、化工、能源等行業(yè)的發(fā)展，還對促進(jìn)社會的工業(yè)化進(jìn)程起著重大作用。數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點包括：對加工對象改變的適應(yīng)性強，要想在數(shù)控機(jī)床上加工不同的零件，只需要重新編制數(shù)控程序即可;加工精度高，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度達(dá)5 μm，精密級數(shù)控機(jī)床則達(dá)到1～1.5 μm;加工生產(chǎn)率高，由美國生產(chǎn)的Hyper Mach機(jī)床進(jìn)給速度最大為60 m/min，主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，加工一個薄壁飛機(jī)零件，只需30min就可完成。可編程計算機(jī)控制器技術(shù)也是推動工業(yè)自動化的重要動力。早期的為可編程邏輯控制器（PLC），代替了繼電器實現(xiàn)邏輯控制，如今，PLC的功能已遠(yuǎn)超過了邏輯控制的范圍，它采用分時多任務(wù)機(jī)應(yīng)用軟件的運行平臺，實時控制與操作的目標(biāo)得以實現(xiàn)。1987年國際電工委員會對PLC的定義為一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。PLC的實質(zhì)就是專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，結(jié)構(gòu)、功能與微型計算機(jī)基本相同，主要包括CPU、I/O模塊、底座或機(jī)架等。

世界上第一臺PLC由美國數(shù)字設(shè)備公司于1969年研制成功，隨著計算機(jī)技術(shù)的更新快速發(fā)展迭代，可編程控制器不斷完善，20世紀(jì)中后期PLC得到快速發(fā)展，PLC在數(shù)字運算能力、模擬量處理能力等方面得到大幅度提高，其性能、功能已很完善，使用范圍也越來越廣。它的抗干擾能力增強，使用壽命極大提高，比如由三棱公司生產(chǎn)的F系列PLC，平均無故障時間可高達(dá)30萬h，極大減少了停機(jī)檢驗時間。運用更加廣泛，各種性能PLC的功能單元大量出現(xiàn)，在壓力、溫度、位移等各種各樣的控制場合應(yīng)用。PLC可編程控制器采用的編程語言是與繼電器電路圖相似的梯形圖語言，這種編程語言能被熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的技術(shù)人員很快掌握，其數(shù)據(jù)運算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器里的元件命名，只要學(xué)會操作PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令，就能很方便推廣使用。

3 21世紀(jì)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)技術(shù)對自動化控制技術(shù)推動與變革

進(jìn)入21世紀(jì)，世界處在一個數(shù)據(jù)爆發(fā)的時代，超級計算機(jī)、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以超出人門想象的速度快速增長，全球數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，“信息時代”“大數(shù)據(jù)時代”已然到來。世界各國對大數(shù)據(jù)的關(guān)注度日益提高，大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用，帶動各行各業(yè)各信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)升級換代，提升產(chǎn)業(yè)競爭力、國家安全防護(hù)能力，變革教育和科研模式。2009年美國國家科學(xué)技術(shù)委員會（NSTC）發(fā)布了《開發(fā)數(shù)據(jù)的威力》報告，2016年美國政府發(fā)布《聯(lián)邦大數(shù)據(jù)研發(fā)戰(zhàn)略計劃》，2014年德國政府推出《2014—2017年數(shù)字議程》，2012年澳大利亞政府發(fā)布《澳大利亞公共服務(wù)信息與通信技術(shù)戰(zhàn)略2012—2015》。我國政府緊緊抓住大數(shù)據(jù)驅(qū)動的戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇，并于2015年先后發(fā)布了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃、《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展綱要》、《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等指導(dǎo)性文件，強調(diào)加快大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)、管理和營銷變革，全面提升我國從制造大國到制造強國、技術(shù)跟跑到技術(shù)引領(lǐng)轉(zhuǎn)型速度。隨著各國將創(chuàng)新驅(qū)動提到國家發(fā)展層面，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的兼容性和開放性越來越強，計算機(jī)技術(shù)在計算、儲存、分析的能力上更加高效可靠，促進(jìn)了自動化系統(tǒng)將信息層、控制層和設(shè)備層更加緊密、有效聯(lián)系起來，自動化控制系統(tǒng)進(jìn)入具有自我分析、改進(jìn)、約束、診斷的全過程全自動化階段。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在自動化控制系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色，現(xiàn)代制造業(yè)的最新研究結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用使企業(yè)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)發(fā)生巨大變化，同時對企業(yè)的運營和管理方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，充分實現(xiàn)資源共享、按需分配，業(yè)務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動十分明顯，對應(yīng)對環(huán)境變化，節(jié)約資源，實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)標(biāo)的目標(biāo)實現(xiàn)有著重要意義。通過數(shù)據(jù)建模，根據(jù)不同行業(yè)、專業(yè)領(lǐng)域確定相應(yīng)算法，通過傳感器與感知技術(shù)，采取生產(chǎn)、經(jīng)營過程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳到計算中心，計算中心清洗、去除大量無關(guān)和不重要數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將結(jié)果分發(fā)、反饋，進(jìn)行閉環(huán)管理，實現(xiàn)過程調(diào)整和自動化控制，強調(diào)閉環(huán)管理，及時修正參數(shù)，從而提高生產(chǎn)精度、按需生產(chǎn)、及時調(diào)整的全自動化過程，促進(jìn)了各專業(yè)之間、生產(chǎn)與決策層、專業(yè)與客戶間的高效溝通，進(jìn)一步支撐協(xié)同體系構(gòu)建，實現(xiàn)人、設(shè)備、數(shù)據(jù)實時雙向互聯(lián)。從而提高設(shè)備全方位、全命周期、全生產(chǎn)過程的自動管理水平。21世紀(jì)無線高速傳輸、光纖高速大容量傳輸使互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用長足發(fā)展，為互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)實時、可靠性高、高速信號傳輸?shù)鹊於ɑA(chǔ)，通過“環(huán)形以太網(wǎng)冗余”技術(shù)實現(xiàn)多網(wǎng)段間的冗余連接，保證網(wǎng)絡(luò)的正?？煽窟\行。網(wǎng)絡(luò)安全方面，①國家法律、制度、規(guī)范的建立;②MOCN共享精細(xì)防御，包括基于安全策略協(xié)同按需防護(hù)，基于策略驗證的用戶面分級防護(hù)，包括多運用商PKI認(rèn)證、軟硬件資源動態(tài)共享的安全隔離、“分層遞進(jìn)”的網(wǎng)絡(luò)安全基線;③業(yè)務(wù)承載安全通管控，接入與互通關(guān)鍵節(jié)點的多層管控、軟硬切片的動態(tài)承載安全、端到端業(yè)務(wù)的靈活放通和動態(tài)管控;④企業(yè)內(nèi)部物理隔離、反向隔離及隨機(jī)動態(tài)密鑰認(rèn)證管理。通過打造一張立體網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)網(wǎng)，確保自動化控制系統(tǒng)避免網(wǎng)絡(luò)攻擊造成損失。

當(dāng)今，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的自動化控制技術(shù)在各行各業(yè)中都深入廣泛應(yīng)用，美國通用電氣公司（GE）基于其研發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)分析平臺Predix，將各種工業(yè)資產(chǎn)設(shè)備和供應(yīng)商互聯(lián)并接入云端，每天監(jiān)測和分析1 000萬傳感器的5 000萬數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析并提供資產(chǎn)性能管理（AMP）和運營優(yōu)化服務(wù)。2021年德國博世（BOSCH）集團(tuán)公司基于領(lǐng)先的大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與精密的自動化控制技術(shù)，建成全球首座全自動化5 nm工藝制程的圓晶工廠，5 nm圓晶產(chǎn)品效率和優(yōu)良率得到極大提升。中國海爾公司發(fā)布具有自主知識產(chǎn)權(quán)平臺COSMO，支持大規(guī)模開放、互聯(lián)、可視的自動化智能制造工廠，在全國建成8座基于COSMO平臺工廠。我國制造業(yè)重點領(lǐng)域創(chuàng)新成果接連涌現(xiàn)，規(guī)模以上工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率、關(guān)鍵設(shè)備自動化數(shù)控化率、數(shù)字化設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率到2020年分別達(dá)到49.9%、52.1%和43.5%，“天眼”探空、“神舟”飛天、“天問”登火星、大飛機(jī)首飛、萬米載人深潛展示了制造業(yè)向高精尖邁進(jìn)。受計算機(jī)控制和管理的柔性制造系統(tǒng)，可自動地切換工件和道具，控制程序編制修改更加便捷，具有靈活性、高效率等優(yōu)點，極大提高了生產(chǎn)過程的自動化程度，使自動化系統(tǒng)應(yīng)用更方便高效，適應(yīng)性更強。

4 結(jié)束語

隨著計算機(jī)技術(shù)新成果的不斷涌現(xiàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)（人工智能）功能不斷進(jìn)步，自動化系統(tǒng)工程正朝著更加智能化、便利化的方向發(fā)展。世界各國在大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算、自動化控制創(chuàng)新競爭的新跑道上制定了發(fā)展戰(zhàn)略，以政府主導(dǎo)，科研機(jī)構(gòu)支撐，教育機(jī)構(gòu)人才儲備，大型公司開發(fā)實施，小型科技公司補充的創(chuàng)新格局。在這個信息時代，科學(xué)習(xí)技大變革、大發(fā)展，智能自動化控制時代到來，需要多學(xué)科、多行業(yè)、多部門協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展，在新的賽道上誰掌握了核心技術(shù)，誰就贏得了信息革命和第三次工業(yè)革命的未來，贏得經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動權(quán)。

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