工业自动化指南

简介

在现代世界，工业自动化几乎遍及所有领域和经济领域。自动化系统使制造、工程、建筑、发电和其他经济核心流程能够提高效率和生产力。在人工智能（AI）、云计算、大数据、物联网（IoT）等创新技术的推动下，当今的工业自动化正在经历新的重大发展热潮。本指南涵盖了工业自动化的基础知识，包括其主要原理和概念、支持现代自动化的技术解决方案及其在工业环境中的应用。

什么是工业自动化？
为了理解工业自动化及其具体应用，我们首先将自动化定义为一个概念。

自动化定义和含义
“自动化”一词描述了用于减少流程中人为干预的各种技术、方法和工具，使流程更加高效、快速、高效且无差错。自动化几乎存在于我们生活的各个领域，涵盖广泛的应用，从消费工具和家用电器到先进和复杂的系统，为现代运输工具（如飞机和船舶）、工厂甚至银行解决方案提供动力。自动化可以通过多种科学技术和方法来实现，主要是机械、液压、电气和电子、气动和计算机，这些技术和方法通常结合使用。

工业自动化
工业自动化作为一个领域，主要涉及工业过程和机械的自动化。为了实现这一目标，结合使用信息技术、专用设备（逻辑控制器、各种模块等）和机器人来增强制造、质量控制和物料搬运流程。可以肯定地说，如今自动化在各个行业和供应链中无处不在。很难想象任何类型的工厂或生产线不使用任何工业自动化技术和工具。随着新技术能力的不断发展，工业自动化解决方案的应用范围正在迅速扩大。如今，软件工具、机器和机器人被用来执行越来越多的任务，而这些任务在过去是手动完成的或需要人工监督和干预的。

工业自动化的历史
尽管自动化作为一个独立的技术领域在二十世纪才出现，但可以肯定地说它很早就存在了，从人类文明之初就成为提高制造效率的基础。在工业革命之前的几个世纪里，最大的制造商一直在制造专门的机械，以提高生产力和工作精度，超出人类的能力。现代工业自动化技术旨在实现无停机运行、以最少的人为干预实现最高效率，是这种自动化冲动的最高成就。

自动化的黎明（公元前 300 年至公元 1700 年代）
在不把这变成一场无聊的历史讲座的情况下，我们可以说，最早的自动化工具和技术可以追溯到公元前300年，由当时的主要文明如古希腊和波斯发明。

第一次工业革命（1760年至1840年）
但直到19世纪中叶，自动化技术才真正爆发并催生了工业自动化。十七世纪蒸汽机和第一台自驱动机器的发明导致需要发明第一套自动控制系统，例如速度控制装置、温度和压力调节器等。在历史上被称为工业革命（或第一次工业革命）的时期，大约从 1760 年持续到 1840 年，出现了一系列突破性的工业自动化系统和设备。由水力驱动的全自动纺纱厂（发明于 1771 年）、自动织机（1745 年）和对织机进行编程的打孔卡系统（1800 年）、自动面粉厂（1785 年）是工业环境中最早的自动化的一些最著名的例子。二十世纪初工厂电气化的发明和迅速采用，有力地推动了工业自动化的发展。电气化催生了新一代自动化解决方案。例如各种控制和监测系统，以及新的通信手段（长途电话）和信号处理。

第二次工业革命（1871 年和 1914 年）
1871 年至 1914 年间作为第二次工业革命载入史册，其标志是电力、电报网络和铁路在全球范围内的广泛采用。这些因素的结合使我们的生产力和经济增长达到了新的水平。作为机械化之后进化的第二步，“自动化”一词本身是由美国汽车工业创造并最初普及的。许多创新的工业自动化产品和工具（例如反馈控制器）在 20 世纪 30 年代问世并主要在汽车制造商中开始流行。福特是该领域的先驱之一，于 1947 年建立了自动化部门作为其运营的一部分。

数字革命（1947 年至今）
工业自动化领域经历下一个大发展螺旋的另一个值得注意的时期是第三次工业革命，也通常称为数字革命。它始于 20 世纪下半叶，两次世界大战结束后，其标志是从机械和模拟电子系统向数字技术的转变，并由于计算和通信的进步而迅速发展。第三次工业革命是我们仍在经历的时期。在微处理器、集成电路 (IC) 芯片和其他先进计算系统元件的引入的推动下，工业自动化在我们这个时代自然蓬勃发展。移动电话和互联网等通信技术也是现代自动化行业的重要组成部分。

什么是工业4.0？
从自动化历史到现在的转变，给我们带来了第四次工业革命或工业4.0的概念，它与工业自动化有着千丝万缕的联系。据称，工业 4.0 的概念是由德国工程师、经济学家、世界经济论坛创始人克劳斯·施瓦布 (Klaus Schwab) 提出的，它描述了在最新技术创新的整合推动下，工业、技术和流程的快速变化。施瓦布认为向工业 4.0 的转变是工业资本主义的实质性转变，其标志是自动化领域中多种技术的广泛采用。最引人注目和最重要的工业自动化驱动技术领域是人工智能、机器人、大规模机器对机器通信（M2M）、物联网、智能自动化和互连技术等。这些技术创新以及其他更具体的解决方案和方法对工业自动化产生了巨大影响，将整体效率和生产力显着提高到了前所未有的高水平。

机器人技术
作为工业自动化的一个分支，机器人技术是一个快速发展且重要性日益增强的领域，这就是为什么它值得单独说几句话的原因。根据国际机器人联合会的数据，2020年全球有超过300万台工业机器人在运行。这与1997年的70万台工业机器人相比有了巨大的增长。工业自动化中机器人技术的采用率平均每年增长 14%，在 2014 年至 2020 年期间增加了一倍多。如今，机器人被广泛应用于工业自动化应用和流程中，包括焊接、喷漆、装配、物料搬运、包装、码垛、产品检验、测试等。随着最新技术创新（主要是机器视觉、人工智能和边缘计算）工业机器人领域获得了新的发展动力，导致日益复杂和强大的解决方案的出现，能够处理越来越多的以前被认为是不可自动化的任务，因此，由人类来执行。

工业自动化的目的是什么？
工业自动化对于以我们所知的方式运行现代世界至关重要。使用计算机、软件、机器人、先进的机械和控制系统使我们能够以最少的时间和精力运行所有流程，从而不断提高所有工作的生产率。自动化为经济提供动力，使其能够增长并保持竞争力，同时为各种规模的公司提供无价的利益。尽管利用机器、机器人和工业自动化解决方案如何增加价值并让公司达到新的、以前难以想象的效率和生产力水平似乎相当明显，但让我们简要介绍一下工业自动化解决方案的主要优势。它们也是这个市场增长如此迅速的原因。

1、高生产率
工业自动化解决方案能够实现当今的连续大规模生产，使工厂能够 24/7 不间断地运行，并最大限度地减少停机时间。自动化解决方案可加快所有流程、减少装配时间并提高生产率。
2、降低成本
降低成本是实施工业自动化解决方案最显着的商业效益之一。机器人、智能机械和人工智能系统等技术创新的引入有助于不断降低生产成本。这提高了企业资产的价值并使公司获得更多利润。
3、更好的质量和一致性
实施自动化解决方案的另一个宝贵优势是消除人为错误并提高一致性，从而提高产品质量并保持高水平的稳定。手动流程的平均错误率为 1.15%，而工业自动化解决方案的错误率通常低至 0.00001%。
4、更高的安全性
广泛实施工业自动化解决方案的另一个宝贵优势是显着提高工作安全性和员工保护。最大限度地减少人为错误可以减少事故和伤害，同时部署机器人和机器在危险条件下处理任务可以让员工避免风险并防止在工业环境中工作对健康的长期影响。
5、提高灵活性
自动化解决方案还旨在使工业流程和机械更加灵活。对机器人和设备重新编程的能力使组织能够稳健地适应快速变化的市场需求。
6、增加附加值和人力能力
自动化解决方案旨在将员工从重复性、平凡的工作中解放出来，通过让人类专注于更复杂的创造性任务来增加价值。这就是为什么将强大的工业自动化解决方案与专业的人力相结合也会导致人力能力的大幅提高。
7、新水平的数据支持和生产可追溯性
自动化数据收集是自动化的另一个重要组成部分，尤其是工业 4.0 解决方案。能够实时收集和分析各种数据的创新系统提供了全新的可能性。它们使公司能够提高可追溯性、减少浪费并不断优化所有工作流程。
8、实时监控和预测性维护
作为我们要强调的最后一个优势，工业自动化系统的关键功能之一是能够以实时模式连续监控所有过程。得益于现代工业机械中的各种高灵敏度传感器，可以轻松检测和解决生产过程中的问题和错误。这可以降低维护成本，延长设备的生命周期，并最大限度地减少偶发故障。

不同类型的工业自动化
显然，整理和理解所有这些相互关联的技术并不容易。让我们通过按类型组织工业自动化领域来开始这一旅程。对工业自动化系统进行分类的最常见和最通用的方法之一是基于它们的应用方式。

固定（硬）自动化
固定自动化通常也称为硬自动化或刚性自动化，描述了最持久且特定于应用的工业自动化系统，这些系统通常设计用于执行单个流程、任务或一组任务，并且不能执行单个流程、任务或一组任务。很容易适应其他应用。一旦实施固定的自动化解决方案，对其进行配置或修改其处理流程的方式将具有挑战性。这就是为什么固定工业自动化系统通常用于大规模生产和连续流系统，以自动化各种重复的非变化过程。

可编程自动化
可编程自动化描述了工业自动化解决方案领域，它可以执行多种功能，并且可以通过在系统中输入计算机代码来传递命令进行控制。可编程自动化组件的设计比固定工具更具可调节性，广泛应用于各行业，但如今最常见的是专注于批量生产商品的制造业务。可编程自动化解决方案允许根据每个特定产品的要求定制和调整制造设备。

灵活（软）自动化
柔性自动化，有时也称为软自动化，包括计算机控制的工业自动化系统和软件解决方案，旨在互连、调整控制和测量各种机器和设备以及人类工人的操作顺序。

可编程自动化和灵活自动化有什么区别？
如果最后两个类别看起来与您相似，令人困惑，这是因为它们确实如此。灵活自动化在很多方面都是可编程自动化的延伸。这两种类型之间的区别本质上在于它们提供的灵活性程度。可编程自动化产品通常被设计为批量生产同类商品或执行一系列低变化任务的方式。灵活的自动化系统对于不同类型的任务和要求更具通用性和可调整性，因此得名。

综合自动化
集成自动化，也称为完全集成自动化，本质上描述了工业自动化系统发展的下一步。集成自动化包括旨在集中和进一步自动化工具的利用和流程管理的解决方案，以实现最大程度的优化并最大限度地减少人工参与的需要。

工业控制系统
工业控制系统 (ICS) 是工业自动化的基础技术之一。
工业控制系统再次成为一个广泛的技术领域，包含许多控制系统和相关软件工具，用于自动化和管理各种工业过程。控制系统的规模和复杂性各不相同，从相当简单的控制器到全面的 SCADA 系统，能够跨技术层和地理位置管理制造和其他工业流程。让我们了解一下工业控制系统的一些最常见的类型和组件。

SCADA系统
监控和数据采集 (SCADA) 是复杂工业自动化控制系统的一个术语，该系统使用计算机、图形用户界面和网络数据通信等组件的组合来提供高水平的自动化控制和过程监控。我们将在本文后面更详细地讨论 SCADA 系统。

可编程逻辑控制器 (PLC)
可编程逻辑控制器是各种尺寸的模块化设备，包括具有适当数量（从数十到数百甚至数千）输入和输出（I/O）的微处理器。它们用于在一个网络中互连不同类型的工业解决方案，从而实现工业机械和过程的自动控制和监控。

分布式控制系统（DCS）
分布式控制系统 (DCS) 的用途与 PLC 类似，为大型工业设备提供控制、监控和管理。不同之处在于，在 DCS 中，控制器功能和现场连接模块不是集中式的，而是分布在整个系统中。此功能使这些工业自动化解决方案甚至可以覆盖大规模流程，同时还可以轻松地与其他计算机系统连接和设备配置。

人机界面 (HMI)
人机界面是工业自动化控制系统的组成部分，是允许人类与机器、系统和设备交互以及监控过程状态的用户界面或仪表板。

比例积分微分控制器 (PID)
PID 控制是一种驱动系统达到指定位置或水平的方法。比例-积分-微分控制器以特定方式编程，能够使用闭环控制反馈来保持过程的实际输出尽可能接近目标或设定点输出。它们主要用于工业自动化系统，对流量、压力、速度、温度等关键过程变量进行连续调制控制。

可编程自动化控制器 (PAC)
可编程自动化控制器与 PLC 类似，但更复杂。通常，它们具有许多微处理器，可以提高计算能力并允许 PAC 控制多个进程并同时执行各种任务。

离散控制器
离散控制器是最简单的工业自动化控制设备之一。它们主要用于恒温器或定时器等设备中的基本开关控制。

工业自动化的本地系统与云系统
云技术和解决方案的采用越来越广泛。提供云工业自动化软件系统的供应商数量也在快速增长。因此，考虑到能够为组织提供许多好处，组织自然会考虑从本地解决方案转向云交付模型的可能性。由于这两种方法都有其优点和缺点，因此对于寻求实施新自动化系统的公司和组织的决策者来说，做出选择可能是一项非常重要的任务。然而，这一决定在大多数情况下确实会产生长期的影响，特别是对于业务广泛、流程多样的大型组织而言。

什么是SCADA/HMI？
现在，当我们介绍了工业自动化的基础知识时，我们可以更深入地探讨该领域的技术方面，讨论该领域使用的一些最重要的控制解决方案。 SCADA/HMI 是与自动化行业相关的最重要的概念之一。一般来说，SCADA/HMI 是一类广泛的软件架构，用于构建依赖网络数据并具有图形用户界面的工业自动化控制系统，作为向操作员提供性能监视和控制功能的一种方式。

SCADA和HMI有什么区别？
SCADA（监控和数据采集）是各种复杂工业控制系统的术语，这些系统使用计算机、图形用户界面和网络数据通信等组件的组合来提供高水平的自动化控制和过程监控。 HMI（人机界面）本质上是大型工业控制系统（例如 SCADA）的一个组件，SCADA 是一种用户界面或仪表板，允许人类与机器、系统和设备交互，并监控过程的状态。

SCADA 简史
自 20 世纪 60 年代初以来，工业自动化解决方案和过程控制越来越多地由电子系统处理。 SCADA 一词出现于 20 世纪 70 年代中期，描述了自动化控制、数据采集和远程访问各种本地控制模块的通用概念。
第一代 SCADA（整体系统）
工业自动化供应商提供的第一个 SCADA 解决方案基于网络功能非常有限的单片大型机系统。由于无法相互通信，它们被用作物理隔离的独立系统。
第二代SCADA（分布式系统）
第二代 SCADA 出现于 20 世纪 80 年代初，利用了当时出现的一些技术创新。具体来说，第二代 SCADA 解决方案的进步得益于局域网 (LAN) 技术和小型 MTU 计算机。第二代 SCADA 是能够相互通信并允许多个站实时交换数据的分布式系统。它们的尺寸也变得更小，价格也更便宜。
第三代SCADA（网络系统）
20 世纪 80 年代末和 90 年代初网络技术的进一步发展为我们带来了第三代 SCADA 系统。他们扩展了 LAN 网络的集成，使得在多个地理位置建立 SCADA 控制成为可能，多个分布式 SCADA 系统在单个集中式主 SCADA 系统的监督下工作。
第四代SCADA（物联网系统）
最后，第四代即当前一代 SCADA 于 2000 年代问世，采用了工业自动化工程的最新技术进步。具体来说，第四代 SCADA 解决方案利用云计算、物联网和广域网协议，例如互联网协议 (IP)，这些协议由于引入了开放系统架构而可用。这些创新使 SCADA 系统能够通过以太网连接实现不同组件的实时通信、更轻松的维护、高集成度并降低成本。

什么是SCADA Historian（SCADA历史记录系统）？
SCADA Historian（SCADA历史记录系统）是与SCADA系统相关的基本概念之一，有时也被称为过程历史记录系统。过程历史记录系统是一项负责从SCADA系统的各个组件中聚合的数据进行收集和存储的服务。历史记录系统是一种重要的监控和分析工具，允许工业设施的操作人员和利益相关者访问来自所有自动化系统的数据。历史记录系统通常还包括报告功能，帮助用户生成自动或手动的报告。历史记录系统最早是在1980年代下半叶为SCADA和其他工业自动化系统开发的。最初，它们主要用于满足工艺制造领域的需求，如石油和天然气、化学、制药、管道和炼油等行业。然而，如今，过程历史记录系统被广泛应用于各个行业，成为性能监控、监督控制、分析和质量保证的重要工具。它们使工业设施经理和利益相关者，以及工程师、数据科学家和各种机械操作员能够访问从各种自动化系统和传感器收集的数据。收集到的数据可用于性能监控、过程跟踪或业务分析。现代历史记录系统通常还包括与已收集数据的利用相关的其他功能，例如报告功能，允许用户生成自动或手动的报告。

数据库和历史记录系统有什么区别？从上面的解释中您可能可以看出，历史记录系统非常类似于用于存储所有系统数据（例如 SQL）的本地数据库。然而，Historian 不仅仅是一个数据库，因为它不仅收集原始数据，还处理数据并将其组织成报告。然而，话虽如此，典型的 SCADA Historian 本质上是一个经过广泛定制的时间序列数据库，以满足工业自动化的需求。时间序列是对单个主题在不同时间点收集并按时间顺序组织的观察结果的集合。时间序列数据库广泛应用于各个行业，SCADA 中的过程历史数据库是自动化领域中特定时间序列数据应用的示例之一。

SCADA报警是什么？
报警处理是工业自动化环境中 SCADA 系统实施的另一个重要方面，值得一提。报警是在满足某些警报条件时发送的消息或通知，以通知操作人员。报警是SCADA系统最重要的功能之一。报警事件的条件可以是显式的（触发报警的特定规则），也可以是隐式的（SCADA系统自动监控各种参数并在异常情况下激活报警）。报警事件可能有很大差异，从日常维护和定期周期通知到紧急情况。在大多数情况下，报警事件由操作员监控，由操作员决定是否应保持活动状态。 SCADA 系统报警还具有不同的报警指示器，从 SCADA 监控屏幕上的简单闪烁区域到用于紧急报警的报警器。

什么是PLC？
另一个重要的工业自动化技术组件是PLC（可编程逻辑控制器）。可编程逻辑控制器或简称可编程控制器是模块化工业计算机，用于控制各种自动化过程、机器、机器人设备以及基本上任何需要可靠性和控制的活动。根据具体需求，PLC 可以有各种尺寸。它们通常包括具有适当数量的输入和输出 (I/O) 的微处理器，数量从数十到数百甚至数千不等。 I/O 用于在一个网络中互连其他组件，例如其他 PLC 和 SCADA 系统。

什么是工业物联网 (IIoT)？
物联网 (IoT) 描述了嵌入传感器、软件和其他自动化技术的不同类型的计算设备，这些设备允许它们相互连接并与外部系统交换数据。作为工业 4.0/5.0 最关键的组成部分之一，物联网在现代工业自动化系统中也发挥着重要作用。事实上，有一个单独的术语来描述物联网技术在工业自动化中的应用：工业物联网（IIoT）。 IIoT 是指物联网在工业自动化解决方案中的扩展使用，描述了连接在一起的传感器、机器、机器人设备和其他仪器的生态系统，与内部和外部软件自动化系统进行通信和交换数据。如今，工业物联网已广泛应用于各行各业，通过结合推动新一代工业自动化的创新技术，提高生产力、效率和分析能力。

工业物联网简史
1968 年可编程逻辑控制器 (PLC) 的发明也催生了工业物联网 (IIoT)。第一个 DCS（分布式控制系统）于 1975 年推出，这是工业自动化和灵活过程控制发展的又一步。 1980 年，以太网的引入和第一批联网机器和设备的诞生推动了智能设备先进网络功能的发展。企业网络和通信解决方案的发展导致物联网这一概念在 20 世纪 90 年代末日益普及。形成当前 IIoT 概念的最后一个要素是 2000 年代初引入的云计算技术。 OPC 统一架构协议于 2006 年推出，无需人工干预或接口即可实现设备、程序和数据源之间的安全远程通信。

什么是物联网网关？
正如我们从前面的章节中了解到的，物联网 (IoT) 是实现第四代 SCADA 系统的关键技术之一，在现代自动化行业中发挥着重要作用。物联网网关是充当边缘系统和云之间中介的物理设备或虚拟平台。物联网网关互连传感器、物联网模块、智能设备、后端平台和云，在设备之间发送通信并过滤数据。他们还拥有允许用户管理物联网网关的数据、安全和通信设置的计算平台。

为什么物联网网关很重要？
尽管根据描述，物联网网关可能看起来与简单的路由器非常相似，它们也是充当各种协议和设备之间的通信器的设备，但实际上它们确实发挥着更大的作用。以下是当今最常见的一些物联网网关应用程序：
启用设备到设备的通信
启用设备到云的通信
转换由不同公司制造或运营的物联网设备之间的通信
数据过滤
数据整合
降低安全风险
边缘智能
现在应该更清楚为什么物联网网关是工业自动化和工业 4.0 企业系统的重要组成部分。物联网网关过滤、引导和收集来自物联网生态系统中所有连接设备和传感器的海量数据。它们在将内部数据传递到云平台之前对其进行处理，并从云端接收返回的信息，将其发送到设备，从而实现工业 IT 基础设施中系统和设备的自主管理。

物联网网关如何工作？
如您所见，物联网网关是相对复杂的设备，具有多种用途。这就是为什么它们也可能彼此截然不同，具体取决于特定物联网网关在工业自动化系统中扮演的角色。让我们从技术角度看一下典型物联网网关的主要组件。
硬件层
物联网网关的硬件层通常包括微处理器或控制器、连接模块（蜂窝、Wi-Fi、蓝牙）和物联网传感器。
通讯协议
根据任务：TCP IP、消息队列遥测传输 (MQTT)、ZigBee、蓝牙、可扩展消息传递和状态协议 (XMPP)。数据分发服务 (DDS)、高级消息队列协议 (AMQP)、OPC UA、Sparkplug、轻量级 M2M (LwM2M)。
操作系统
一般来说，物联网网关可以在任何操作系统上运行，但基于 Linux 的操作系统最常用于工业自动化应用中的这些目的。
设备管理层和配置层
跟踪系统内连接的设备和传感器的所有设置和配置。
安全层
加密、身份验证和其他网络安全相关属性。
数据管理层
控制来自传感器、连接设备和云的数据，包括数据过滤和流量管理。
云连接管理器
实现内部物联网生态系统与云平台的无缝连接。
传感器和模块驱动程序
支持设备与传感器和模块通信的接口。
定制软件应用程序
IoT 网关还可以包括各种定制软件解决方案，旨在实现与组织 IT 基础设施的某些特定部分的高效通信。用户定义应用程序的部署通常通过安装容器运行时来实现，例如 Docker、runC、containerd 和 Windows Containers。

最后
正如您所看到的，现代工业自动化涵盖了一系列概念和技术的组合，用于自动化多个过程，实现不断提高的生产力和效率水平，这对我们的经济至关重要。在本次学习中，我们了解了在当今工业自动化中最为重要的技术和解决方案。然而，需要记住的是，自动化是一个极具动态性的领域，正在经历快速的发展。工业4.0技术的崛起正在改变工业自动化解决方案，那些能够更早采用这些创新的组织将能够获得利益，并在竞争中占据优势。