成立于1945年的美國(guó)的ISA學(xué)會(huì)(以前稱(chēng)為美國(guó)儀表學(xué)會(huì)，后來(lái)改名為國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)，簡(jiǎn)稱(chēng)都是ISA)正在開(kāi)展慶祝成立75周年的各種活動(dòng)。其中有一項(xiàng)是回顧75年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。
Automation.com的主編Bill Lydon撰文列舉了20項(xiàng)對(duì)自動(dòng)化發(fā)展堪稱(chēng)里程碑的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明，其中有半導(dǎo)體和摩爾定律、可編程邏輯控制器PLC、分布式控制系統(tǒng)(DCS)架構(gòu)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、人機(jī)界面(HMI)、微軟的Windows操作系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、開(kāi)放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、ISA-88批量控制標(biāo)準(zhǔn)、ISA-95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)規(guī)范促進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳感器的發(fā)展、機(jī)器視覺(jué)和圖像識(shí)別、ISA-95 企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)B2MML、電子游戲技術(shù)、OPC UA、機(jī)器學(xué)習(xí)、工業(yè)4.0創(chuàng)議、數(shù)字孿生、云和邊緣計(jì)算，以及協(xié)作機(jī)器人。
與此同時(shí)還遴選了20個(gè)75年來(lái)對(duì)自動(dòng)化的發(fā)展起了舉足輕重作用，堪稱(chēng)自動(dòng)化巨頭的人物，對(duì)他們的貢獻(xiàn)作了簡(jiǎn)述。他們是：晶體管發(fā)明家Walter Brattain 和William Shockley；微處理器創(chuàng)新者Federico Faggin；氣-液相色譜分析技術(shù)發(fā)明人A.T. James和 J.P. Martin；PLC之父Dick(Richard) Morley；自適應(yīng)控制之父Karl Astrom,；流程建模的先行者、AspenTech的創(chuàng)建人Larry Evans；Wonderware的創(chuàng)始人 Dennis Morin；工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)之父Patrick Kennedy；Tom Fisher，ISA-88的倡導(dǎo)者；Lynn Craig，ISA-88的倡導(dǎo)者、并深度介入ISA-88和ISA-95；Dennis Brandl，ISA-95的倡導(dǎo)者；IBM PC的實(shí)驗(yàn)室主任BillLowe，對(duì)IBM PC問(wèn)世起了巨大作用；工業(yè)通信協(xié)議的先驅(qū)John Berra，他是三個(gè)制造通信協(xié)議HART、FF和OPC的主要開(kāi)發(fā)者，Emerson Process Management的總裁和Emerson執(zhí)行副總裁；Charlie Cutler，他對(duì)先進(jìn)過(guò)程控制APC進(jìn)行再定義，成功開(kāi)發(fā)商品化的多變量控制器，動(dòng)態(tài)矩陣控制Dynamic Matrix Control(DMC)和實(shí)時(shí)優(yōu)化Real-time Optimization(RTO)；Odo Struger，他是PLC的命名者，同時(shí)在IEC 61131-3PLC編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程中擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色；Ed Hurd 為商品化DCS的誕生發(fā)揮巨大作用，功不可沒(méi)。這里這里略去幾個(gè)ISA的創(chuàng)建者和組織者。
下面簡(jiǎn)述這些堪稱(chēng)里程碑的自動(dòng)化技術(shù)。
◆半導(dǎo)體和摩爾定律
從大型計(jì)算機(jī)到嵌入控制器和傳感器內(nèi)的處理器，如此巨大的計(jì)算技術(shù)的進(jìn)展，全都植根于晶體管的發(fā)明。在1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的John Bardeen和Walter Brattain因此為人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步做出了史無(wú)前例的貢獻(xiàn)。無(wú)可辯駁的是，晶體管的發(fā)明是集成電路和微處理器開(kāi)發(fā)成功的基礎(chǔ)。 甚至今天運(yùn)算能力最強(qiáng)的處理器芯片也是按其中封裝了多少晶體管的數(shù)量來(lái)測(cè)度的。
一直到1953年才有商品化的第一個(gè)低價(jià)的小信號(hào)PNP結(jié)鍺晶體管問(wèn)世，型號(hào)是CK722，每只價(jià)格7.6美元。到1954年Texas Instruments 和另外一家公司合作開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商品化的晶體管收音機(jī)Regency TR-1，那時(shí)標(biāo)價(jià)為$49.95美元 (大約相當(dāng)于2019年的$476)。
采用晶體管的工業(yè)用電子控制器大約在1950年誕生，此前氣動(dòng)控制器從上世紀(jì)的20和30年代開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，幾十年一直這樣在用著，直到晶體管出現(xiàn)后才發(fā)生很大的變化。
固態(tài)電子器件的成本實(shí)際上就是以低成本呈現(xiàn)更多功能和更多應(yīng)用的歷史。這可以用經(jīng)過(guò)時(shí)間檢驗(yàn)的摩爾定律予以表達(dá)。仙童半導(dǎo)體的聯(lián)合創(chuàng)始人和曾任Intel CEO的Gordon Moore，在1965年的論文中首次定義集成電路中元件的數(shù)量每年要翻一番，而且這一增長(zhǎng)率將延續(xù)到下一個(gè)十年。摩爾定律連續(xù)地推動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，這些被商用設(shè)備和工業(yè)設(shè)備的復(fù)雜和小型化所證實(shí)。由于高性能的電子器件和處理器的不斷進(jìn)展，使得更小的體積和更低的價(jià)格成為可能，這才造就了物聯(lián)網(wǎng)IoT得以實(shí)現(xiàn)和普遍應(yīng)用。
◆可編程邏輯控制器PLC
1970年誕生的第一臺(tái)PLC在通用汽車(chē)GM投用，對(duì)金屬切割、鉆孔、材料處理和裝配等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。世界上首次推出的PLC的成功表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是用計(jì)算機(jī)來(lái)解析過(guò)去用繼電器實(shí)現(xiàn)的邏輯控制；二是采用梯形圖邏輯編程，使原來(lái)的電氣工程技術(shù)人員能在自己原有的技術(shù)基礎(chǔ)上采用計(jì)算機(jī)編程。
在PLC出現(xiàn)之前需要用大量的繼電器組成控制系統(tǒng)，既占據(jù)很大的空間，其可靠性又依賴(lài)于機(jī)電繼電器的可靠程度；一旦要對(duì)控制系統(tǒng)重新配置，不得不耗費(fèi)許多時(shí)間重新接線(xiàn)。當(dāng)時(shí)Richard Morley是Bedford公司的工程師，他率先創(chuàng)立了最初的設(shè)計(jì)，然后與他的團(tuán)隊(duì)研制了工廠(chǎng)自動(dòng)化和和連續(xù)處理應(yīng)用的固態(tài)的順序邏輯解算器，這是第一臺(tái)實(shí)際可運(yùn)用的可編程邏輯控制器，被命名為Modicon 084，因?yàn)檫@是Bedford公司第84個(gè)項(xiàng)目。1969年11月在得知GM公司的要求后，他們向公司的液壓部門(mén)展示了Modicon 084，獲得GM的青睞。
梯形圖邏輯編程極受電氣工程技術(shù)人員歡迎，其優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。
這種由Bedford公司開(kāi)發(fā)的梯形圖邏輯編程中相關(guān)的符號(hào)，來(lái)源于電氣工程中描述順序操作功能，這使廣大的電氣工程師和電工能以非常容易理解的方式對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程。其發(fā)明人Morley在《Manufacturing System》1992年4月刊撰寫(xiě)題為“梯形圖邏輯正在逐漸衰弱嗎？”論文中指出：“梯形圖邏輯作為一種控制語(yǔ)言第一次用在硅器件搭建的控制器上，大約在1969年，在Bedford Associates公司。為了支持這個(gè)控制語(yǔ)言構(gòu)建了由三個(gè)部分組成的硬件平臺(tái)，即一臺(tái)雙端口的存儲(chǔ)器、一臺(tái)邏輯解算器和一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)。早期在Modicon公司我們用了退化形式的梯形圖表達(dá)。這個(gè)語(yǔ)言最大的優(yōu)點(diǎn)能被世界上所有從業(yè)的電氣工程人員理解。之后梯形圖擴(kuò)展為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，還附加了一些功能。梯形圖邏輯的功能性和PLC的適用性迅速在所有的工業(yè)中大量采用?！?/span>
PLC在控制工業(yè)中廣泛運(yùn)用，關(guān)鍵在于它對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程的能力。電磁繼電器構(gòu)成的控制盤(pán)不具備同等的能力，一旦控制方案改變，必須對(duì)繼電器盤(pán)重新接線(xiàn)。而PLC面對(duì)控制方案的改變既方便又快速，同時(shí)體積也小許多。
在2007年ISA展會(huì)上有一個(gè)主題為《標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)扼殺創(chuàng)新嗎？》的圓桌會(huì)議上，許多自動(dòng)化系統(tǒng)的供應(yīng)商都抵制具有互操作性的開(kāi)放系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)會(huì)上的抵制，Morley發(fā)聲問(wèn)道：什么工業(yè)需要開(kāi)放系統(tǒng)？難道我們要放棄追求，重回以前專(zhuān)用的老路嗎？這振聾發(fā)聵的問(wèn)話(huà)扭轉(zhuǎn)了會(huì)上的氣氛?，F(xiàn)在13年過(guò)去了，開(kāi)放系統(tǒng)正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。Morley作為ISA持有這種前向思維的自動(dòng)化行業(yè)的輿論家和思想家，對(duì)推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展起了巨大的作用。這一情節(jié)來(lái)自當(dāng)時(shí)參加會(huì)議的一個(gè)年青工程師深情的回憶。
◆分布式控制系統(tǒng)(DCS)的架構(gòu)
1975年Honeywell TDC 2000問(wèn)世，開(kāi)創(chuàng)了商品化DCS的歷程。這是世界第一臺(tái)采用微處理器執(zhí)行流程直接數(shù)字控制的裝置，而且作為一個(gè)核心組成部分參與了整個(gè)系統(tǒng)的配置。在分布式控制器、工作站和其它計(jì)算部件之間用數(shù)字通信構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)的架構(gòu)，這在當(dāng)時(shí)確實(shí)是革命性的創(chuàng)舉。在TDC 2000之前，基于計(jì)算機(jī)的流程控制系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集和報(bào)警系統(tǒng)，而控制則由氣動(dòng)回路控制器和獨(dú)立的電子PID控制器承當(dāng)。
在70年代的中期日本橫河公司也將稱(chēng)為Centum的分布式系統(tǒng)投入市場(chǎng)。橫河的Centum和Honeywell的TDC 2000都采用用小型監(jiān)控計(jì)算機(jī)執(zhí)行對(duì)若干個(gè)基于微處理器的多回路控制器進(jìn)行監(jiān)控的概念，而操作站采用按鈕和陰極射線(xiàn)管CRT的顯示器，替代以前的顯示報(bào)警盤(pán)(annunciator panel)?？刂破髦g的相互連接通過(guò)數(shù)據(jù)高速通道(data highway)傳輸來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)和工作站的數(shù)據(jù)信息。
高速通道或總線(xiàn)作為信號(hào)的通道，使控制器可以盡可能地靠近流程和裝置，使控制回路更緊湊，還降低了接線(xiàn)成本。
商品化的DCS的誕生，建立在從上世紀(jì)60年代開(kāi)始的運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)流程工業(yè)進(jìn)行數(shù)字控制的探索的基礎(chǔ)上。那時(shí)主要是采用直接數(shù)字控制的概念，用小型計(jì)算機(jī)嘗試進(jìn)行多回路的PID控制。之后開(kāi)始考慮下一代的控制系統(tǒng)的綜合，也就是設(shè)計(jì)其架構(gòu)。當(dāng)時(shí)在Honeywell的工業(yè)自動(dòng)化和控制部門(mén)工作的Ed.Hurd接受了第72號(hào)任務(wù)，擔(dān)任架構(gòu)設(shè)計(jì)，兩年之后這一團(tuán)隊(duì)導(dǎo)致了了TDC 2000成功推出。美國(guó)工業(yè)自動(dòng)化界認(rèn)為Hurd在促成DCS的架構(gòu)上功不可沒(méi)。1976年在美國(guó)休斯敦的ISA展會(huì)上第一次展出了前所未有的DCS架構(gòu)的產(chǎn)品。TDC 2000一經(jīng)面世就大受歡迎，在5年內(nèi)Honeywell的工業(yè)自動(dòng)化和控制部門(mén)的產(chǎn)值由500萬(wàn)美元發(fā)展到5億美元，翻了100倍。
此時(shí)在大洋彼岸的中國(guó)掀起了翻天覆地的變化，開(kāi)始了改革開(kāi)放的步伐。在1980年上海的第一屆多國(guó)儀器儀表展覽會(huì)上TDC 2000現(xiàn)身，引起無(wú)數(shù)中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化從業(yè)者一片驚嘆聲。展覽會(huì)后這一臺(tái)展品被上海煉油廠(chǎng)買(mǎi)下，由上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所和上海煉油廠(chǎng)技術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)，成功將這臺(tái)DCS裝置運(yùn)用到石油催化裂化工段，成為國(guó)內(nèi)流程工業(yè)運(yùn)用DCS的第一個(gè)里程碑。
◆人機(jī)界面(HMI)
人機(jī)界面的發(fā)展始于1975年Honeywell的TDC 2000誕生之時(shí)，從那時(shí)起操作員控制臺(tái)的發(fā)展步伐發(fā)生了顯著的改變。在流程工業(yè)中人機(jī)界面邁入了基于CRT顯示器的時(shí)代，操作人員可以在屏幕上讀取有關(guān)的流程變量，觀(guān)察變量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，還允許他們發(fā)展一種圖像識(shí)別的方法來(lái)分析當(dāng)前的操作運(yùn)行狀態(tài)。不過(guò)那時(shí)的操作員控制臺(tái)是專(zhuān)用的，價(jià)格不菲。直到1985年以后，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和DOS操作系統(tǒng)的逐漸普及，出現(xiàn)了第三方的圖形圖像軟件，涌現(xiàn)了一些以開(kāi)發(fā)圖形顯示的新公司，其中包括Intellution、Iconics和USDATA。1987年Wonderware公司推出了世界第一個(gè)基于微軟Windows的HMI軟件包InTouch，增加了一些附加的性能和對(duì)IT技術(shù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)放接口。這可以說(shuō)是人機(jī)界面的第三個(gè)里程碑。
Dennis Morin在1987年創(chuàng)建Wonderware公司，主導(dǎo)開(kāi)發(fā)在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下的人機(jī)界面軟件InTouch，目標(biāo)是讓操作人員能夠方便而有效率地監(jiān)控操作過(guò)程。這一產(chǎn)品的推出標(biāo)志著微軟的工業(yè)軟件革命，為第三方的開(kāi)發(fā)者開(kāi)啟了工業(yè)和流程控制系統(tǒng)的架構(gòu)的轉(zhuǎn)向。在2003年InTouch雜志將Morin列為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展歷史上最有影響的50人中的一員。據(jù)他回憶，開(kāi)發(fā)這種類(lèi)型的軟件的靈感來(lái)自一個(gè)1980年早期的視頻游戲，游戲中允許玩家可用數(shù)字方法構(gòu)建彈子游戲。
◆微軟的Windows
1985年問(wèn)世的微軟Windows操作系統(tǒng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)生意義深遠(yuǎn)的影響。Wonderware首創(chuàng)將InTouch軟件運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)的環(huán)境下，引領(lǐng)了所有的工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商，隨后都一致的采用了這一人機(jī)界面的解決方案。甚至在發(fā)展的初期，流程工業(yè)并不看好這一方案，認(rèn)為并不適合流程工業(yè)的要求，但這一趨勢(shì)還是以?xún)?yōu)秀的性?xún)r(jià)比淘汰了DCS原有的專(zhuān)用操作員控制臺(tái)。
國(guó)內(nèi)在90年代前后在當(dāng)時(shí)的機(jī)械部?jī)x表局籌措下，花大力氣自主開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)的大型DCS，恰好處在這一人機(jī)界面的轉(zhuǎn)型期，這對(duì)此后DCS的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重大影響。由于沒(méi)能抓住技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，仍然抱著專(zhuān)用操作員控制臺(tái)不放，最后沒(méi)能取得完整的成果。這不能不說(shuō)是相當(dāng)大的遺憾。由此反證了Windows操作系統(tǒng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的深遠(yuǎn)影響。
Windows操作系統(tǒng)豐富的操作環(huán)境造就了大量的開(kāi)發(fā)者在很寬泛的應(yīng)用范圍中開(kāi)發(fā)了大量的軟件，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)分析、先進(jìn)控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、批量過(guò)程管理、制造跟蹤，以及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等等。
為了制造和生產(chǎn)取得更統(tǒng)一協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)，Windows操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)工廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)與IT和業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間架起了溝通的橋梁。這一平臺(tái)允許使用者運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的IT工具來(lái)提升分析制造數(shù)據(jù)，并使業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以無(wú)縫地共享生產(chǎn)制造的信息。Windows操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)OPC提供了平臺(tái)，顯著簡(jiǎn)化了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備界面的驅(qū)動(dòng)程序。
◆歷史數(shù)據(jù)庫(kù)
按時(shí)間序列存放歷史數(shù)據(jù)在科學(xué)和工程上取得了大量有價(jià)值的應(yīng)用，隨著歷史數(shù)據(jù)庫(kù)在PC機(jī)上也能付諸使用，促使這類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)在控制和自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。OSIsoft原來(lái)是一個(gè)石油系統(tǒng)的公司，它推出了工廠(chǎng)信息系統(tǒng)，這就是大名鼎鼎簡(jiǎn)稱(chēng)PI的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
Patrick Kennedy在1980年創(chuàng)建這個(gè)公司，稱(chēng)他為歷史數(shù)據(jù)庫(kù)之父也不為過(guò)。如今歷史數(shù)據(jù)庫(kù)在許多類(lèi)型的制造業(yè)和流程工業(yè)成為一種改善生產(chǎn)率、提高效率和收益的重要工具。自動(dòng)化工程師、運(yùn)行操作人員和業(yè)務(wù)人員以許多不同的應(yīng)用方式使用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。立于隨時(shí)間對(duì)連續(xù)數(shù)值的變化進(jìn)行分析，并對(duì)過(guò)程控制加以改善的基本原理，如今歷史數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)嵌入到控制器中以及云端的服務(wù)器中。
Kennedy是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的化工控制系統(tǒng)的注冊(cè)工程師，享有連續(xù)重整催化控制系統(tǒng)的專(zhuān)利。多年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)使他深刻認(rèn)識(shí)到，流程變量的歷史數(shù)據(jù)分析工具對(duì)改善流程的操作運(yùn)行和提高收得率、降低原材料和能源的消耗有著重要的作用，萌發(fā)了開(kāi)發(fā)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的靈感。多年的堅(jiān)持使他終于獲得巨大成功。
◆開(kāi)放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)
將傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器連接在一起的開(kāi)放型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，大大簡(jiǎn)化了控制和自動(dòng)化的應(yīng)用。這標(biāo)志著由不同供應(yīng)商提供的設(shè)備和傳感器可以通過(guò)公用的通信接口構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)時(shí)代的開(kāi)始。隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，開(kāi)放工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)也可以采用商業(yè)化技術(shù)，徹底擺脫了沿著專(zhuān)有化的道路緩慢前行。
從1979年開(kāi)始Modbus首次打破堅(jiān)冰，在RS485標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提升通信能力，將多個(gè)制造商的設(shè)備連成多播網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)定義了用于多點(diǎn)串行通信系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的電特性，使得各種設(shè)備諸如PLC、傳感器、儀表、PID控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和其它相關(guān)的設(shè)備都可以連接起來(lái)。直到今日Modbus仍在離散制造業(yè)、流程工業(yè)中有一定的應(yīng)用。
從1980年到1990年出現(xiàn)了一系列的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，主要有DeviceNet、Profibus、SERCOS、ASi(執(zhí)行器傳感器接口)、FF(基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn))和HART(高速通信可尋址遠(yuǎn)程傳感器)等。HART通信協(xié)議是其中唯一的在數(shù)字信號(hào)上疊加了模擬信號(hào)4-20mA的數(shù)字、模擬混合的協(xié)議，其最著名的特點(diǎn)就是在一對(duì)雙絞線(xiàn)的傳輸線(xiàn)上共享了儀表的電流回路和數(shù)字通信信號(hào)。
在開(kāi)發(fā)開(kāi)放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中不得不提到Emerson的執(zhí)行副總裁John Berra，他在2002年獲得ISA頒發(fā)的終生成就獎(jiǎng)，以表彰他長(zhǎng)期專(zhuān)注儀表、系統(tǒng)和自動(dòng)化社群，并作出重要貢獻(xiàn)。他在開(kāi)發(fā)三個(gè)重要的工業(yè)制造通信協(xié)議HART、FF和OPC中發(fā)揮了很大作用。
無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4開(kāi)啟了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
IEEE 802.15.4 低數(shù)據(jù)率無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)(low-rate wireless personal area networks ，LR-WPANs)標(biāo)準(zhǔn)和隨后開(kāi)發(fā)的商用芯片，成為包括ISA 100a 和WirelessHART 在內(nèi)的工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4是定義LR-WPAN操作運(yùn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2003年IEEE 802.15工作組開(kāi)發(fā)了這一標(biāo)準(zhǔn)，并持續(xù)對(duì)不住進(jìn)行維護(hù)。
ISA 100.11a (IEC 62734)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由ISA所開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)是針對(duì)流程控制和相關(guān)應(yīng)用的工業(yè)自動(dòng)化無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，即用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的設(shè)備，2009年ISA自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)符合研究所成立了ISA 100無(wú)線(xiàn)符合研究部門(mén)，擁有“ISA 100符合”認(rèn)證體系，為確?；贗SA 100產(chǎn)品真正符合標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)獨(dú)立的第三方的測(cè)試機(jī)構(gòu)。WirelessHART(IEC 62591)是基于HART的無(wú)線(xiàn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專(zhuān)為流程工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的要求所定義。WirelessHART的一個(gè)目標(biāo)是與現(xiàn)有的與HART兼容的系統(tǒng)和組態(tài)工具反向兼容，以達(dá)到將新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)存的HART儀表集成的目的。
由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為主開(kāi)發(fā)的WIA-PA無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已被批準(zhǔn)為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T26790.1-2011)和IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC 62601)。比較遺憾的是產(chǎn)業(yè)推廣不夠，應(yīng)用面還不夠廣。
◆機(jī)器視覺(jué)和圖像識(shí)別
隨著價(jià)格的下降，加之得益于軟件技術(shù)(尤其是圖像識(shí)別)的進(jìn)展而功能和性能更加完善，促使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用一直在增長(zhǎng)。恰當(dāng)組態(tài)和編程的視覺(jué)系統(tǒng)消除了人工的誤差、提高了生產(chǎn)能力、質(zhì)量和效益。視覺(jué)系統(tǒng)變得具有高度智能，同時(shí)在控制自動(dòng)化系統(tǒng)中靈活應(yīng)用傳感器，擴(kuò)大了實(shí)時(shí)控制的輸入范圍。視覺(jué)系統(tǒng)已應(yīng)用于質(zhì)量檢查、零件識(shí)別、機(jī)器人制導(dǎo)、工件輸送流動(dòng)的機(jī)器控制等等。
剛開(kāi)始應(yīng)用時(shí)，常常是將一臺(tái)PC機(jī)與攝像頭相連接，由PC機(jī)完成圖像識(shí)別。如今都是將一臺(tái)采用IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程的PLC和一臺(tái)具有圖像識(shí)別功能的機(jī)器視覺(jué)攝像頭集成，并直接裝在機(jī)械設(shè)備上。這都是因?yàn)橛?jì)算機(jī)SoC芯片和小型化的視頻攝像芯片的急劇發(fā)展的結(jié)果。
◆ISA-88批量控制標(biāo)準(zhǔn)
ISA-88系列標(biāo)準(zhǔn)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)中的批量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)范，在全世界持續(xù)地采用的結(jié)果證明，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提高生產(chǎn)率發(fā)揮了顯著的作用。ISA-88著重于實(shí)現(xiàn)批量過(guò)程控制的設(shè)計(jì)策略，描述設(shè)備和步驟可用于軟件的實(shí)現(xiàn)和手動(dòng)的處理。系列標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在1995年被ISA所批準(zhǔn)，而后在997年被IEC以IEC61512-1的編號(hào)采納。
ISA-88位批量控制提供了一致性的系列標(biāo)準(zhǔn)和名詞術(shù)語(yǔ)，定義了物理模型、規(guī)程和配方。標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)廣泛的需求，包括建立批量控制的通用模型、在通信發(fā)生困難時(shí)如何表達(dá)用戶(hù)要求的常用措施、批量自動(dòng)化供應(yīng)商之間的集成，以及簡(jiǎn)化批量控制的配置。如今ISA-88已經(jīng)成為溝通批量生產(chǎn)從產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間到企業(yè)管理系統(tǒng)一切所有方面的工具性的手段。
Tom Fisher長(zhǎng)期在批量控制的企業(yè)擔(dān)任過(guò)程工程師，積累了豐富的批量控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。是他創(chuàng)建ISA-88專(zhuān)委會(huì)，為批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化制定了開(kāi)發(fā)的目標(biāo)、方法和路線(xiàn)圖。他還是IEC的SC65A的批量控制工作組的領(lǐng)導(dǎo)人，世界批量論壇(World Batch Focus)的主席。他培養(yǎng)了一代批量過(guò)程控制的工程師。
深度介入ISA-88和ISA-95的還有Lynn Craig，為此做出了重大貢獻(xiàn)。他同樣也是長(zhǎng)期在流程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)和批量控制現(xiàn)場(chǎng)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程工程師，還有極高的系統(tǒng)思維素養(yǎng)。
◆ISA-95控制系統(tǒng)集成
企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)闡述了從傳感器到企業(yè)管理系統(tǒng)之間的接口內(nèi)容，目前在全世界被廣泛采用。工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0中有一個(gè)維度就采用了ISA-95的分層結(jié)構(gòu)。ISA-95增進(jìn)了接口名詞術(shù)語(yǔ)的統(tǒng)一和一致性，減少了在將這些界面付諸實(shí)踐時(shí)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了成本和出錯(cuò)因素。標(biāo)準(zhǔn)還有助于減少新產(chǎn)品投入生產(chǎn)時(shí)所花費(fèi)的工作量。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還提供了一致性的名詞術(shù)語(yǔ)和對(duì)象模型，這對(duì)于供應(yīng)商和制造商之間的交流和通信是基礎(chǔ)性的。由于有助于定義企業(yè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的邊界，ISA-95 模型清晰闡明了應(yīng)用程序的功能性以及如何來(lái)使用這些信息。
在美國(guó)，ISA-95又被稱(chēng)為ANSI/ISA-95，這是因?yàn)槊绹?guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究院在1976年就認(rèn)定ISA為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)制定單位。IEC采納ISA-95為國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，編號(hào)為IEC62264。
◆ISA-95企業(yè)-控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)B2MML
繼ISA-95在全球范圍內(nèi)被很大范圍內(nèi)的工業(yè)行業(yè)所接受，最新的發(fā)展是業(yè)務(wù)至制造的標(biāo)記語(yǔ)言(Business to Manufacturing Markup Language,B2MML)建立了企業(yè)計(jì)算、云計(jì)算、IoT和工業(yè)4.0的兼容性。通過(guò)提供名詞術(shù)語(yǔ)和目標(biāo)模型的一致性，以及IT與OT的溝通，B2MML進(jìn)一步提升了ISA-95的附加價(jià)值。B2MML用XML模式的標(biāo)準(zhǔn)集合來(lái)表達(dá)ISA-95(IEC/ISO 62264)的數(shù)據(jù)模型，用3W的XML模式語(yǔ)言(XSD)編制XML模式的標(biāo)準(zhǔn)集合。
B2MML是ISA-95和IEC62264標(biāo)準(zhǔn)的XML的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)。MESA(制造企業(yè)解決方案聯(lián)盟)把B2MML用作事實(shí)上的接口標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)交換ISA-95所定義的內(nèi)容。B2MML還與OPC UA合作，用其作為框架為制造企業(yè)提供信息安全和可靠的架構(gòu)。
◆電子游戲技術(shù)
游戲機(jī)產(chǎn)業(yè)正在推動(dòng)計(jì)算技術(shù)的外部包裝，這也是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用青睞的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。原來(lái)為了發(fā)展視頻游戲的產(chǎn)業(yè)，目前正在影響著云計(jì)算、人工智能、數(shù)據(jù)科學(xué)，以及自動(dòng)駕駛的運(yùn)載工具。龐大的游戲機(jī)行產(chǎn)業(yè)的體量在2018年超過(guò)了1250億美元，這使得其在技術(shù)性能大幅提升的同時(shí)還能顯著地降成本下降。視頻游戲工業(yè)的硬件和軟件正在越來(lái)越多地引導(dǎo)著工業(yè)自動(dòng)化的技術(shù)和業(yè)務(wù)用例。尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)和用戶(hù)界面正在以創(chuàng)造性的方式被引入工業(yè)自動(dòng)化，例如虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡。
工業(yè)和流程自動(dòng)化工業(yè)積極采納商用技術(shù)提高自身的應(yīng)用水平，已經(jīng)有許多年頭了，這一主流的趨向?yàn)閷?shí)際的應(yīng)用創(chuàng)造了巨大的價(jià)值。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR正加速進(jìn)入日常生活，被用于從移動(dòng)游戲到重工業(yè)等方方面面。這些創(chuàng)新的技術(shù)可在項(xiàng)目的每一個(gè)階段都起到支持輔助的作用，包括從設(shè)計(jì)、虛擬調(diào)試、生產(chǎn)裝置的開(kāi)車(chē)啟動(dòng)、故障定位和排除，以及質(zhì)量控制。下面列舉一些應(yīng)用這些技術(shù)獲得一定收益的例子：
①機(jī)器和過(guò)程的仿真，包括虛擬調(diào)試、在安裝實(shí)際設(shè)備之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和瓶頸等等，都能夠做到節(jié)省金錢(qián)和時(shí)間。
②智能眼鏡具有立即查看手冊(cè)、操作指令視頻和其它有關(guān)的材料，這有助于現(xiàn)場(chǎng)排除故障的工作人員查找問(wèn)題。通過(guò)通信工具與處在遠(yuǎn)程的專(zhuān)家聯(lián)系，取得他們的指導(dǎo)幫助。這對(duì)改善生產(chǎn)的正常進(jìn)行有重要價(jià)值。
③培訓(xùn)仿真器為剛?cè)肼毜难b置操作人員提供高效學(xué)習(xí)的手段。例如有許多的報(bào)道描述為被培訓(xùn)的人員創(chuàng)建一種石化工廠(chǎng)的環(huán)境，并給予他們的一些挑戰(zhàn)性問(wèn)題，使他們了解如何應(yīng)對(duì)具有危險(xiǎn)性的突發(fā)事件，并進(jìn)行正確的操作。
◆OPC UA
采用面向服務(wù)架構(gòu)(SoA)的OPC UA為工業(yè)自動(dòng)化與最新的計(jì)算和IoT技術(shù)架設(shè)了溝通的橋梁。建立在面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)之上，使它提供的高質(zhì)量而且前后相關(guān)、上下相關(guān)的數(shù)據(jù)。OPC UA是一種統(tǒng)一的技術(shù)，OPC基金會(huì)的成員涵蓋自動(dòng)化、PLC、DCS、傳感器、工業(yè)軟件、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)以及云服務(wù)有關(guān)的組織和單位。目前它已成為IT和OT集成融合的一種關(guān)鍵技術(shù)。
OPC UA可用于任何一種操作系統(tǒng)，包括Windows、Linux、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和專(zhuān)用操作系統(tǒng)。與現(xiàn)代的軟件實(shí)踐保持一致，OPC UA已處于開(kāi)源狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)源托管網(wǎng)站GitHub可供公眾使用。
OPC UA正在成為一種統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，為來(lái)自許多工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行高效率且效果良好的通信和交換。OPC基金會(huì)與不同的標(biāo)準(zhǔn)化組織共同努力建立了許多標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，這就是所謂的伙伴規(guī)范，或者叫做配套規(guī)范，從而達(dá)到從傳感器到企業(yè)的互操作性，而無(wú)需經(jīng)過(guò)軟件層面對(duì)完全不同的或異構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)譯和規(guī)范化。
◆機(jī)器學(xué)習(xí)
機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)是人工智能一個(gè)分支，建立在系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的概念之上，通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識(shí)別，或以最小的人工干預(yù)進(jìn)行決策。機(jī)器學(xué)習(xí)正在加速應(yīng)用于高性能低成本的硬件、低成本的數(shù)據(jù)采集、開(kāi)源框架的大型程序庫(kù)和軟件模塊等方面，通過(guò)這些應(yīng)用使機(jī)器學(xué)習(xí)在很大的范圍內(nèi)獲得推廣應(yīng)用。ML運(yùn)用算法和統(tǒng)計(jì)模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)未來(lái)的性能，無(wú)需為執(zhí)行任務(wù)專(zhuān)門(mén)按要求明確的編程。
機(jī)器學(xué)習(xí)的迭代體很重要，因?yàn)橐坏┬碌臄?shù)據(jù)輸入模型，就會(huì)自動(dòng)從先前的計(jì)算中去適應(yīng)和學(xué)習(xí)，產(chǎn)生可靠、可重復(fù)的決策和結(jié)果?，F(xiàn)今對(duì)大數(shù)據(jù)自動(dòng)應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算重復(fù)進(jìn)行高性能、低成本的計(jì)算，正在推動(dòng)ML的應(yīng)用，例如：汽車(chē)的自動(dòng)駕駛、馬遜(Amazon)和Netflix在線(xiàn)推薦、欺詐檢測(cè)。
過(guò)去機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用必須從頭構(gòu)建，現(xiàn)在最新的解決方案可在公共開(kāi)源的框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)(例如TensorFlow、PyTorch、Sclikit-learn)，這樣使之可能快速地建立應(yīng)用。
運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)維護(hù)通過(guò)消除可能產(chǎn)生重大隱患的非計(jì)劃事件，避免造成生產(chǎn)線(xiàn)的停車(chē)事故，達(dá)到保證長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障的運(yùn)轉(zhuǎn)。采用監(jiān)控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)檢查模型和規(guī)則系統(tǒng)(benchmarking against models and rules system)可預(yù)測(cè)問(wèn)題，同時(shí)提醒維護(hù)人員在發(fā)生一連串問(wèn)題造成大的故障之前進(jìn)行修復(fù)維護(hù)。另外在設(shè)備若干特定的部位加裝嵌入微處理器的傳感器，用來(lái)分析即將發(fā)生的問(wèn)題，并發(fā)出需要加緊維護(hù)的報(bào)警信號(hào)。為了改善機(jī)器和過(guò)程的性能，機(jī)器學(xué)習(xí)也可以在閉環(huán)自動(dòng)化控制中的策略環(huán)節(jié)運(yùn)用。
◆工業(yè)4.0的倡議
工業(yè)4.0的重點(diǎn)在于應(yīng)用一系列的新技術(shù)建立高效的自行管理的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IoT和開(kāi)放的軟件和通信標(biāo)準(zhǔn)，將傳感器、控制器、人、機(jī)器、設(shè)備、物流系統(tǒng)以及產(chǎn)品統(tǒng)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接通信和協(xié)同。德國(guó)的工業(yè)4.0的遠(yuǎn)景規(guī)劃的思想對(duì)全世界長(zhǎng)生了很大的影響，成為其他國(guó)家規(guī)劃工業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的樣板和參照模型。這其中包括“中國(guó)制造2025”、日本的“工業(yè)價(jià)值鏈倡議”、印度制造和美國(guó)的智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟SMLC(Smart Manufacturing Leadership Coalition)。
工業(yè)4.0的核心理念是自動(dòng)化系統(tǒng)必須采用開(kāi)源的、由多個(gè)供應(yīng)商提供、具有互操作性的軟件應(yīng)用和通信標(biāo)準(zhǔn)，類(lèi)似于在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信已經(jīng)采用的理念。工業(yè)4.0表述中所確認(rèn)的現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括ISA-88批量制造標(biāo)準(zhǔn)、ISA-95企業(yè)和控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)、OPC UA、IEC61131-3，以及PLCopen國(guó)際組織的相關(guān)規(guī)范。
工業(yè)4.0最初是作為德國(guó)在2006年建立的德國(guó)10點(diǎn)高技術(shù)策略計(jì)劃中的一部分。2010年7月14日德國(guó)的內(nèi)閣決定通過(guò)引入高技術(shù)策略2020規(guī)劃繼續(xù)這一策略，著重于選擇具有前瞻性的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制定10到15年的研究創(chuàng)新策略。工業(yè)4.0就是通過(guò)提升計(jì)算技術(shù)、軟件和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)集成工業(yè)、互聯(lián)工業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃。所謂4.0就是指第四次工業(yè)革命。德國(guó)強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)工業(yè)與科學(xué)的合作，推進(jìn)知識(shí)與技能的緊密結(jié)合。工業(yè)4.0的愿景是通過(guò)把人員、機(jī)器、設(shè)備、物流系統(tǒng)和在制工件彼此間直接通信的辦法實(shí)現(xiàn)顯著高的生產(chǎn)率和高效率，以及自管理的生產(chǎn)過(guò)程。其中一個(gè)大目標(biāo)是充分發(fā)揮嵌入式的處理和通信的作用，使得定制生產(chǎn)也具有低成本的規(guī)模制造的效率。制造過(guò)程和物流過(guò)程跨越公司的邊界進(jìn)行智能集成，建能夠成一種更有效率、更靈活的實(shí)施精益制造的生態(tài)系統(tǒng)。
◆數(shù)字孿生
數(shù)字孿生已經(jīng)成為工業(yè)4.0最強(qiáng)有力的概念之一。通過(guò)整個(gè)制造和生產(chǎn)過(guò)程基于模型、實(shí)時(shí)、云回路監(jiān)控、控制和優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字孿生有助于達(dá)到實(shí)時(shí)集成制造的組織實(shí)施。數(shù)字孿生的基本概念是要建立一個(gè)理想的制造操作運(yùn)行和處理的虛擬模型。這個(gè)模型將是實(shí)時(shí)而全面表達(dá)實(shí)際生產(chǎn)狀況的基準(zhǔn)。最廣泛的實(shí)現(xiàn)模型包括所有影響生產(chǎn)的效率和盈利能力的因素，這里涵蓋機(jī)器、過(guò)程、人力資源、原材料的質(zhì)量、訂單流和經(jīng)濟(jì)因素。生產(chǎn)組織可以利用信息的價(jià)值來(lái)識(shí)別和預(yù)測(cè)問(wèn)題所在，使得高效的生產(chǎn)得以維系，而所有可能影響和中斷生產(chǎn)的問(wèn)題，都能在在發(fā)生之前被發(fā)現(xiàn)和解決。
由于運(yùn)用了先進(jìn)的硬件、軟件、傳感器和系統(tǒng)技術(shù)，數(shù)字孿生作為一個(gè)實(shí)際的宏觀(guān)級(jí)別的閉環(huán)控制的杰出實(shí)例就變得可行了。創(chuàng)建數(shù)字孿生的關(guān)鍵部分是需要一個(gè)完整的信息集合，包括根據(jù)建模的要求部署大量而廣泛的傳感器采集實(shí)時(shí)信息。實(shí)際上工業(yè)4.0就是運(yùn)用包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的最新技術(shù)，將制造系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成為一體的廣泛應(yīng)用。
◆云計(jì)算和邊緣計(jì)算
云計(jì)算正在影響著包括工業(yè)自動(dòng)化在內(nèi)的方方面面的應(yīng)用，這是因?yàn)樗峁┝艘子谑褂谩⒂?jì)算和存儲(chǔ)能力出眾，且具有高性能等諸多優(yōu)越性，而所有這些都是在不要求巨大的投資，或者在不要求目前已經(jīng)負(fù)載過(guò)重的自有計(jì)算機(jī)和服務(wù)支持的前提下進(jìn)行的。云計(jì)算和服務(wù)的提供者有像微軟的Azure和亞馬遜的AWS等這樣的公有云，他們有許多各種各樣的軟件工具，例如數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)的軟件工具，這些都可以為廣大的工業(yè)部門(mén)和流程自動(dòng)化裝置所利用，來(lái)解決和應(yīng)付制造、生產(chǎn)和業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)。許多工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用，諸如歷史數(shù)據(jù)、基于狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)測(cè)維護(hù)、資產(chǎn)管理和故障分析等，目前都在運(yùn)用云計(jì)算的方法，已經(jīng)獲得了更好的性?xún)r(jià)比。
云計(jì)算在提升共享資源和規(guī)模經(jīng)濟(jì)性方面類(lèi)似于公用的電網(wǎng)，可以提供幾乎沒(méi)有限制的計(jì)算能力，并且可以按照需要提供數(shù)量巨大的存儲(chǔ)量。另外，邊緣計(jì)算正在變得普遍起來(lái)，這是一種低成本、高性能計(jì)算和通信的部署方法，導(dǎo)致計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盡可能靠近產(chǎn)生數(shù)據(jù)的源頭，這樣來(lái)改善響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)數(shù)據(jù)與其生成源頭的前后關(guān)系和相互關(guān)系，同時(shí)可按要求就地執(zhí)行，而無(wú)需往返云端與就地。在計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的歷史上，處理計(jì)算往往都被放置在遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)邊緣的地方。直到今天還有許多應(yīng)用還在這樣做?，F(xiàn)今的邊緣設(shè)備可以是一臺(tái)小的定位節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，或者是嵌入在傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備中的SoC，具有特別高的性?xún)r(jià)比。將這些邊緣設(shè)備部署在就地，使他們像移動(dòng)的智能手機(jī)一樣具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和不高的成本。
這些計(jì)算設(shè)備可視作為一種平臺(tái)，其中可執(zhí)行許多不同功能的軟件，包括IoT、基于IEC 61131-3的PLC、OPC UA和MQTT，還有與云端的接口、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、HMI以及數(shù)據(jù)分析軟件。ISA-95 從L0到L2的功能和L3的部分功能，再加上新的IoT的分布式計(jì)算模型，都可以在邊緣設(shè)備中執(zhí)行。
將工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)與邊緣設(shè)備連接的方案得到越來(lái)越多的認(rèn)可和接受，今后在開(kāi)放式的系統(tǒng)中會(huì)有較多的應(yīng)用來(lái)取代PLC和DCS控制器。將邊緣設(shè)備部署在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)之中，其通信的功能有助于無(wú)縫地將IT與OT集成。
◆協(xié)作機(jī)器人
協(xié)作機(jī)器人是一種新出現(xiàn)的輕型且價(jià)廉的機(jī)器人，在生產(chǎn)環(huán)境中與工人協(xié)同地工作。這是一種實(shí)現(xiàn)靈活制造的新方式，無(wú)需對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)地和流程進(jìn)行大的改動(dòng)，也不需要很大的投資。協(xié)作機(jī)器人應(yīng)該是本質(zhì)安全的，它們能感知人和其他障礙，并自動(dòng)停下來(lái)，這樣就不會(huì)發(fā)生傷害和損壞的事故。不要求保護(hù)柵欄和保護(hù)籠，既增加了靈活性，又降低了成本。
協(xié)作機(jī)器人特別吸引中小型企業(yè)的投資，這類(lèi)機(jī)器人的編程過(guò)程也很簡(jiǎn)單，不要求編程的老手。這類(lèi)機(jī)器人可以仿照使用案例編程，或者用類(lèi)似于游戲的方法編程。大多數(shù)任務(wù)不用熟練的編程人員，只要簡(jiǎn)單地移動(dòng)機(jī)器臂和末梢執(zhí)行器，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教操作，機(jī)器人便將這些運(yùn)動(dòng)動(dòng)作記憶下來(lái)，程序就此創(chuàng)建。這就是所謂的大眾化電腦“所見(jiàn)即所得”編程的物理形式。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是憑藉直覺(jué)獲得編程的結(jié)果。簡(jiǎn)化編程意味著協(xié)作機(jī)器人不必聘用專(zhuān)業(yè)工程師便可部署。
這一類(lèi)新型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)類(lèi)似于在PC機(jī)問(wèn)世以后如何擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。剛開(kāi)始計(jì)算機(jī)很貴，只能放置在專(zhuān)用的房間由軟件專(zhuān)家來(lái)編程，寫(xiě)出在一般人看來(lái)是很神秘的代碼。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的成本很高，應(yīng)用面不廣。直到PC機(jī)導(dǎo)入之后，盡管它的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)不如大型計(jì)算機(jī)和小型計(jì)算機(jī)，但它價(jià)格低，又靈活，才使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用面大為擴(kuò)展，人們得以在很寬泛的范圍內(nèi)應(yīng)用計(jì)算機(jī)去解決許許多多的問(wèn)題。這一因素再加上簡(jiǎn)化了編程，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了革命性的變化。
這些新型的協(xié)作機(jī)器人不能抓起一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但可以完成大量不同種類(lèi)的任務(wù)，能承受負(fù)載一般在10-30公斤。協(xié)作機(jī)器人可以完美地替代操作工完成重復(fù)的、平常的和有危險(xiǎn)的任務(wù)。操作工不再被迫在機(jī)器前站立幾個(gè)小時(shí)干那些乏味的工作，或者在有危險(xiǎn)的環(huán)境下工作。這既提高了生產(chǎn)效率，又提高了工作質(zhì)量，而操作工也從繁復(fù)的勞動(dòng)中解放出來(lái)，去干那些要求熟練技工才能完成的任務(wù)。
協(xié)作機(jī)器人是增長(zhǎng)最快的自動(dòng)化部門(mén)，根據(jù)美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)RIA的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，到2025年協(xié)作機(jī)器人將在工業(yè)機(jī)器人中的份額躍居到34%。將協(xié)作機(jī)器人與視頻系統(tǒng)、圖像識(shí)別和人工智能結(jié)合起來(lái)，可以完美重復(fù)人工的制造的過(guò)程，這一進(jìn)展相當(dāng)令人興奮。
協(xié)作機(jī)器人大大降低了自動(dòng)化的壁壘，有相當(dāng)大的范圍內(nèi)的用戶(hù)，特別是中小型企業(yè)用戶(hù)，即使缺乏高度熟練的自動(dòng)化人才，也能夠采用和駕馭協(xié)作機(jī)器人。而協(xié)作機(jī)器人的靈活性使得過(guò)去難以采用的許多自動(dòng)化功能現(xiàn)在都變得容易解決了。由于編程簡(jiǎn)易方便，一臺(tái)協(xié)作機(jī)器人可以完成許多不同的任務(wù)，所以特別適合按訂單要求制造的生產(chǎn)過(guò)程。
◆先進(jìn)過(guò)程控制發(fā)展的推動(dòng)者
在流程工業(yè)中鼎鼎大名的美國(guó)Aspen公司是Larry Evans創(chuàng)建的。他原是麻省理工學(xué)院化工系的教授，也是ASPEN項(xiàng)目的主要研究者。這個(gè)項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)第三代的流程建模仿真系統(tǒng)，用于在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面評(píng)估合成燃料的過(guò)程。1981年在這個(gè)項(xiàng)目完成之后他和項(xiàng)目中7個(gè)關(guān)鍵的成員創(chuàng)建了Aspen Technology公司，從MIT取得該技術(shù)的應(yīng)用許可，并進(jìn)一步對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、支持和商業(yè)化。作為AspenTech的CEO，在接下去的多年中他擴(kuò)展和深化了該技術(shù)，使得建模仿真技術(shù)成為可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)應(yīng)用的相互補(bǔ)充的產(chǎn)品。公司也由10個(gè)人發(fā)展成為上市的公司。
Charlie Cutter原來(lái)是美國(guó)國(guó)家工程院的成員，他發(fā)明了高度成功的多變量控制器，并完成了了其商業(yè)化的進(jìn)程，成為重新定義先進(jìn)過(guò)程控制(APC)的首創(chuàng)者。他是化工工程師出身，長(zhǎng)期在殼牌石油公司工作。他所構(gòu)思并付諸實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法，為石油化工工業(yè)節(jié)省了成百萬(wàn)上千萬(wàn)美元的開(kāi)銷(xiāo)。1984年他創(chuàng)建了DMC公司，即動(dòng)態(tài)矩陣控制公司。以后有成立了第二家名為Cutler Technology Corporation的公司，運(yùn)用動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)和實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO)技術(shù)，在當(dāng)代的石油天然氣工業(yè)的控制工程應(yīng)用中居于有競(jìng)爭(zhēng)力的前沿位置。2000年因?qū)π乱活?lèi)的先進(jìn)過(guò)程控制的貢獻(xiàn)被遴選為美國(guó)國(guó)家工程院院士。
Karl ?str?m是瑞典的控制理論家，他對(duì)控制理論、控制工程、計(jì)算機(jī)控制和自適應(yīng)控制都做出很大貢獻(xiàn)，常被人稱(chēng)為自適應(yīng)之父。在1965年他提出了在信息不完全的情況下馬爾可夫決策過(guò)程(MDP)的框架，導(dǎo)致產(chǎn)生了部分可觀(guān)察馬爾可夫決策過(guò)程(POMDP)的概念。POMDP模型是一種智能體決策過(guò)程，假定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程有一個(gè)馬爾可夫決策過(guò)程，但是智能體不可直接觀(guān)察到底層狀態(tài)。取而代之的是必須基于一個(gè)觀(guān)察集合和觀(guān)察的概率以及底層的MDP，維持在可能狀態(tài)集合傷的概率分布。POMDP框架足夠?yàn)楦鞣N各樣的實(shí)時(shí)世界的序貫決策過(guò)程建模。其應(yīng)用包括機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題、機(jī)器維護(hù)和存在不確定因素下的總體規(guī)劃。Leslie P. Kaelbling和Michael L. Littman將此理論推廣并適應(yīng)于解決人工智能問(wèn)題和自動(dòng)規(guī)劃。
作者：彭瑜，教授級(jí)高工，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院技術(shù)顧問(wèn)，PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席，工信部智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)工作組專(zhuān)家，國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進(jìn)組專(zhuān)家咨詢(xún)組專(zhuān)家
