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工业自动化行业10大热门技术!(一)

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前言
在自动化技术的促进下,工业正在朝着数字化、智能化、网络化与综合集成化的方向发展,制造业的工厂正不断朝着高度一体化、集成化的进程前行。而未来,随着人们应用高端自动化技术的手段越来越成熟,我们能看到更多的可能发生!

1. 仪器仪表智能化

在控制系统中,仪器仪表作为其构成元素,它的技术进展是跟随控制系统技术的发展而发展的。目前,控制理论已发展到智能控制的新阶段,自动化仪器仪表的智能化就成为必然了。

仪器仪表的智能化主要归结于微处理器和人工智能技术的发展与应用。例如运用神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术,使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。再如,运用模糊规则的模糊推理技术,对事物的各种模糊关系进行各种类型的模糊决策。

又如,用软件实现信号滤波,如快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等技术,是简化硬件,提高信噪比,改善传感器动态特性的有效途径;还如,充分利用人工神经网络技术强有力的自学习、自适应、自组织能力,联想、记忆功能以及对非线性复杂关系的输入、输出间的黑箱映射特性等。

当前,我国智能化领域最薄弱、最需要发展的是仪器、仪表、传感器等基础产业。随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高,我国仪器仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。仪器仪表产品的高科技化,特别是智能化,将成为日后仪器仪表科技与产业的发展主流。基于智能控制理论基础的智能仪器仪表目前大致有以下几方面的进展:

① 专家控制器
专家控制系统(expertcontrolsystem,ECS)是典型的基于知识控制系统,它是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。它运用人工智能技术和计算机技术,根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验,进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。

② 模糊控制器
模糊控制器(FC-FuzzyController),也称模糊逻辑控制器(FLC-FuzzyLogicController)。由于模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力,对无法建造数学模型的被控过程能进行有效的控制,能解决一些用常规控制方法不能解决的问题,因而模糊控制在工业控制领域得到了广泛的应用。

③ 神经网络控制器
神经网络在工业控制系统中的应用提高了系统的信息处理能力,提高了系统的智能水平。所谓神经网络控制,简称神经控制,它是指采用神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模,或担当控制器,或优化计算,或进行推理,或故障诊断等工作。

需要注意的是:在仪器仪表的智能化领域,无论是神经元网络、模糊控制或混沌控制,尽管我国学者发表的文章很多,但是,严格细致和自主创新的工作与成果却并不多。一些高端仪器仪表还仍然需要向国外进口。

2. 控制系统网络化

21世纪的控制系统将是网络与控制结合的系统。对网络化控制系统(NetworkedControlSystem,简称NCS)的研究已经成为当前自动化领域中的前沿课题之一。随着通信网络作为一个系统环节嵌入控制系统,这很大地丰富了工业控制技术和手段,使自动化系统与工业控制系统在体系结构、控制方法以及人机协作方法等方面都发生了较大的变化,与此同时也带来了一些新的问题,如控制与通信的耦合、时间延迟、信息调度方法、分布式控制方式与故障疹断等。

这些新问题的出现,使得自动控制理论在网络环境下的控制方法和算法需要不断地创新。随着计算机技术、通信技术和网络技术的不断发展。传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革,开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统),到第二代的DCS(分散控制系统),发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求,又催生了工业以太网与控制网络的结合。这种工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来,从而拓展了工业控制领域的发展空间,带来新的发展机遇。

以信息化带动工业化既是保持国民经济持续快速发展的有力保证,也是传统工业体系结构转型的重要手段。网络技术作为信息技术的代表,其与工业控制系统的结合将极大地提高控制系统的水平,改变现有工业控制系统相对封闭的企业信息管理结构,适应现代企业综合自动化管理的需要。网络技术推动了传统工业控制系统结构的变革。

将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中,在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时,又增强了系统的开放性和互操作性,提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天,这一工业控制系统网络化及其构成模式使得企业能够适应空前激烈的市场竞争,有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务,具有广阔的发展前景。

3. 工业通信无线化

工业通信无线化也是当前自动化领域探讨比较热烈的问题。工业控制企业已经逐步认识到无线技术将是下一个技术腾飞的基础,将能够大大提升工厂效能与保证用户的安全。

随着无线技术日益普及,各家供应商正在提供一系列软硬件技术,协助在产品中增加通信功能。这些技术支持的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS(全球定位系统)、5G以及WiMax(全球微波接入互操作)。

然而,在增加无线连网功能时,芯片及相关软件的选择(假设所选择的实现能正常工作,并满足相关的论证要求)可能极具挑战性。即使做出了一个可行的设计,但如果未优化性能、功耗、成本和规模,则可能不会取得市场上的成功。今天最热门的东西未必是最好的通信标准和客户需要的东西,因此选择的软硬件实现方案应有这样的特点:每个新一代产品都不需要彻底从头开始适应。

无线技术进入工业领域的趋势是毋庸置疑的,特别是在有线无法使用的场合,更显得无线具有优势。但是这要求无线技术本身性能的完善,可靠性、通信的确定性与实时性、兼容性等性能有待加强。所以,在近期,工业无线技术仍将是传统有线技术的延伸,大多数仪表以及自动化产品会嵌入无线传输的功能。国际上对于无线技术的研究还处于起步阶段,相关的标准也在制订之中,我国的科研机构也参与其中,这在一定程度上推动了无线技术在我国流程工业的发展。

由于无线技术尚处于研发与不断完善的阶段,功能毕竟有限。而且在自动化技术领域,还没有公认的且证实的在实时控制中应用较为可靠的无线技术标准,在工作循环时间很短的情况下,这表现得尤为突出。所以,目前无线技术的应用范围只能局限在数据的采集与监控方面(SCADA)。

但随着可靠性的增强,无线技术将会有更广范围的应用。无线通讯将在未来的若干年快速地增长,但无线并不会替代有线通讯。有线具有稳定、可靠和安全性并不会消失,无线只有在有线不方便实现或成本高的地方去替代有线方案。如果无线与有线有机地结合起来,双方发挥各自的优势,将为增长生产率提供新的方案。

在适宜有线通讯的地方使用有线通讯,在适宜无线通讯的地方使用无线通讯,由于有线和无线通讯都支持TCP/IP协议,这两种通讯方式能够有机地结合在一起,发挥各自特长,并能够提高生产效率。

4. 物联网与自动化

当今,物联网可谓是在各大媒体出镜率最高、而且与“智能”联系密切的名词之一。从“管理、控制、智能”的角度来看,其实物联网与工业自动化是一脉相承的,工业自动化包含采集、传输、计算等环节,而物联网是全面感知、可靠传递、智慧处理,两者是相通的。

物联网只是更加强调无线、海量采访、智能计算。物联网与自动化技术是有着十分密切地联系的。两者的区别是:“传统的自动化网络多是通过有线网络来实现,网络连接范围较窄,而在传感网络中,无线网络成为主要的传输路径,且连接的范围更加广泛。”一脉相承的天性,让工业自动化厂商寻机物联网的发展是顺其自然的事情。

物联网的应用领域,诸如:物联网技术在物流、供应链、仓储的管理系统的应用;物联网技术在工业制品生产、追踪、进度监管、质量追踪等方面的应用;物联网技术在贵重商品、危险品的监管、追踪和防伪应用系统;物联网技术在大型会议、高层会议以及重要会议的电子证件、大型赛事、演唱会、景区等人员快递流通区的电子门票(如:上海世博会)的应用;物联网技术在交通收费、各类型车辆的远距离自动识别和管理的应用;物联网技术在区域内的人员自动识别、记录、定位以及查询的应用;物联网技术在动物、食品行业链的全流程追溯应用;农业、救灾与抢险等方面的各个领域都会用到物联网;物联网技术在贵重资产和重要资产的管理的应用;物联网技术在品牌服饰的全流程的应用;物联网技术在图书领域的应用;物联网技术在军队枪械管理、人员管理、车辆管理、物资管理、安全保密等领域的应用;物联网技术在航空、汽车等领域的应用;物联网技术在零售业的应用;物联网技术在社会安全领域的应用;物联网技术在智能城市领域的应用;以及短距离通讯技术:zigbee芯片、zigbee通讯模块、zigbee网络、GPS、RTLS实时定位系统、蓝牙技术、UWB(超宽带)技术及应用;EPC(产品电子码)网络:EPC贴标、EPC中间件、EPC服务器、EPC公共服务平台,EPC网络;传感网络、移动通讯网、全球定位网络等相关应用网络、商业智能分析软件系统等等。

“物联网”颠覆了人类之前物理基础设施和IT基础设施截然分开的传统思维,将公路、建筑物等物理设施与个人电脑、手机、家电、交通设施、IT设施有效的联系在一起,使得政府管理、生产制造、社会管理,以及人们的个人生活全面实现互联互通。

从物联网需要的产业链的角度看,物联网所需要的自动控制、信息传感、射频识别等属于其上游技术和产业,而下游则是物联网的应用问题。有行业专家更认为:“传统工业自动化领域其实是物联网的一部分。”号召工控自动化厂商成为物联网真正落地的推手。物联网作为信息化和自动化的结合点,具有无限放大的潜力和优势,有些单位敏锐地觉察到了物联网在管理流程和生产过程优化方面的潜力,并取得了初步的成果。传统的自动化网络与物联网中的传感网络十分相似。

5. 云计算与自动化

云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展,或者说是这些计算机科学概念的商业实现。它的核心是海量数据的存储和计算,特别强调虚拟化技术的应用。简言之,云计算就是一种依托internet的超级计算模型,将巨大的资源联系在一起为用户提供各种IT服务。

例如,云计算模式将来带来自动化软件行业的巨大变革。主要有:
① 自动化系统的架构将更加灵活,分布式架构将扩展到更大范围。
现代的大型工业自动化和信息化项目中,系统变得日益庞大和复杂,现有的网络和系统体系架构已经无法从容应对这些挑战。云计算这一革命性理念的提出,彻底打破了自动化系统中原来的僵化的体系结构。在云计算的系统中,自动化和信息化系统并不是简单运行在某一台固定的计算机上,而是运行于包括Internet在内的整个网络之上,基于整个网络来分配系统的资源及实现各种功能。

② 海量信息的分析与处理将成为自动化软件的常规功能。
在现代大型自动化项目中,自动化信息化数据量越来越大,用“海量”形容也并不为过。所以目前自动化软件中所用的数据库类型,数据存储模式和数据的读取、查询模式,各项技术目前都在围绕大量数据的准确、及时处理来进行。海量信息的处理,已经成为制约自动化软件发展的瓶颈之一。

而在云计算时代,用户可以在不同的层面发挥不同硬件平台和网络的计算能力,可以很容易地利用“云”中的服务(SaaS),平台(PaaS)和计算硬件及网络资源(IaaS),充分整合公共网络的计算能力,使得对海量自动化和信息化信息的分析和处理变成现实,满足大规模应用系统的需要,同时也能够实现复杂的自动化信息化系统的控制。

③ 彻底改变工程开发模式。
在云计算时代,工程项目的开发将不再拘泥于单台计算机,SaaS模式使用户可以通过Internet,直接利用自动化软件供应商服务器上的软件进行开发,开发过程在云计算网络中进行,开发完成后,生成可直接运行的工程项目即可。

④ 转变软件供应商的服务模式,降低维护成本。
云计算的模式也将降低软件供应商的服务成本。以往软件供应商需要对运行在各种软硬件环境中的自动化软件进行技术支持与维护,而云计算时代,他们只需要维护本服务器上的一套软件即可。

⑤ 降低自动化系统对硬件的要求,提升软件的行业地位。
无论是基于企业内部网络的私有云,或与外网有一定连接的混合云,都以动态分配系统计算能力为目的,可以使系统的运算进行地更加平缓稳定,从而在不降低运行效率的前提下,极大地降低企业对硬件系统的要求。众所周知,在目前的自动化系统中,软件处于“灵魂”的地位,但价值却相对低廉,只占5%-10%。在云计算时代,系统对硬件的要求降低,而对软件的要求则越来越高,所以软件在自动化行业中的价值比重和重要性,都将有很大提高。

⑥ 新技术与新的产品理念将成为竞争的核心。
毫无疑问,云计算模式将来带来自动化软件行业的巨大变革。如何把握IT发展的潮流趋势?如何开发基于云计算的新一代自动化软件?如何将旧的自动化软件版本兼容于云计算平台?如何将传统的自动化工程系统升级为云计算系统?将成为业内企业考虑的首要问题。相信随着云计算技术的日趋成熟及自动化界的努力,我国利用“云计算”的自动化系统的发展将日新月异。这也是中国自动化界应当注意的问题。

6. 低碳经济自动化

低碳经济自动化是一个广泛而重要的课题。我们以流程工业为例来说明之。流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等在国民经济中占主导地位的行业,我国流程工业企业年产值占全国工业企业年总产值的66%。

流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础。流程工业是一个非常巨大的产业,在产业中占据重要的地位,是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业,是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主,产品多以大批量的形式生产。

流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等。在知识经济时代的21世纪,作为传统工业的流程工业将仍然是经济发展的重要支柱产业。流程工业既是能源、各种原材料的产生者,也是能源的主要消耗者,节能降耗与减排至关重要。这些行业普遍存在能耗大、污染污染严重、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等缺点。工业是我国经济的最大主体,也是耗费能源、资源,产生环境污染的最主要行业。流程工业首当其冲成为了主要目标,尤其在石油加工、化工、钢铁、电力、有色、建材等六大行业,其能源消耗占全国工业能耗的近70%。

专家认为:首先,瞄准新兴问题、瞄准趋势性行业,历来就是各行各业成功创新的重要秘诀!所谓新兴问题就是未来人类社会发展需要重点关注的重大问题;所谓“趋势性”行业,就是未来有巨大远景的项目。

那么,什么是未来人类社会发展需要重点关注的重大问题和未来具有巨大发展远景的项目呢?毫无疑问,其中之一无疑就是服务于“低碳经济”与“低碳技术”的项目!“低碳经济”已经成为科研单位和企业发展的重要战略选择!换而言之,大力促进“低碳经济”的发展,必然能够抢占科研项目和市场开发的创新先机!

现在,世界经济正在加速向“低碳经济”转型,“低碳经济”催生了许多新的经济增长点,“低碳经济”将是未来国家和企业竞争力之所在。聪明的企业善于抓住机遇,转变生产方式,走在前面,将被动变为主动。利用社会发展理念的变革作为企业加速发展的动力。努力抢占“低碳经济”的制高点。

对于企业应当在考虑企业发展的战略时,考虑企业如何制定“低碳战略”,并力求与国家的可持续发展趋势同步增长。国际知名的管理大师彼得?杜拉克有一句名言:“无人能够左右变化,惟有走在变化之前”!中国的流程工业亦应如此,努力走在变化之前!低碳减排是国家的行动,低碳减排是历史的使命,低碳减排是流程工业企业应尽的义务。“低碳”同样是流程企业的重大使命。

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