1. 科技自動(dòng)化是建設(shè)智慧工廠的一類基礎(chǔ)使能技術(shù)
2011年，伴隨著科技自動(dòng)化聯(lián)盟的成立，我們對(duì)科技自動(dòng)化做出了如下定義：科技自動(dòng)化是集成了最新科技成果的自動(dòng)化，是面向科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和先進(jìn)制造業(yè)的自動(dòng)化?？梢钥闯觯萍甲詣?dòng)化代表了最先進(jìn)的、前沿的自動(dòng)化技術(shù)，也是與時(shí)俱進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，其內(nèi)涵和外延不斷隨著時(shí)代的發(fā)展而得到豐富和擴(kuò)展?？萍甲詣?dòng)化也被視為科技創(chuàng)新和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、建設(shè)智慧工廠的一類基礎(chǔ)使能技術(shù)。
2. 當(dāng)前和未來(lái)的先進(jìn)制造都更加依靠自動(dòng)化、ICT和智能技術(shù)的融合發(fā)展
近年來(lái)，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如CPS、數(shù)字化孿生體、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、5G等;他們催生了制造業(yè)不斷出現(xiàn)新模式，如工業(yè)4.0、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。新一代ICT技術(shù)和智能化技術(shù)，也早早被我們識(shí)別為與科技自動(dòng)化并列的建設(shè)智慧工廠的使能技術(shù)，三者融合發(fā)展將奠定制造業(yè)邁向未來(lái)的技術(shù)基礎(chǔ)，這一點(diǎn)毫不懷疑。問(wèn)題是，新一代ICT和智能化技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的交互結(jié)果會(huì)如何?是自動(dòng)化被顛覆得體無(wú)完膚還是自動(dòng)化吸收最新技術(shù)成果之后變得更靈活和強(qiáng)大呢?
3. 自動(dòng)化不僅不會(huì)被顛覆，反而會(huì)吸收ICT和智能技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)自我革新
A. 從自動(dòng)化金字塔到自動(dòng)化頂梁柱的變遷(自動(dòng)化+ICT)
結(jié)論是很明顯的，那就是自動(dòng)化一定會(huì)向我們定義的那樣，充分吸收ICT和智能技術(shù)以后破繭重生，實(shí)現(xiàn)自我革新。以工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的變遷為例，最近看到彭瑜老師的一篇文章，引用了Belden公司高級(jí)架構(gòu)師Rene Hummen于2017年初在一篇博客文章中描繪的圖形，指著名的自動(dòng)化金字塔將轉(zhuǎn)變?yōu)樗^的自動(dòng)化頂梁柱(From the Automation Pyramid to the Automation Pillar )。其核心觀點(diǎn)是隨著TSN等寬帶實(shí)時(shí)通信技術(shù)的日趨成熟，自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)將從傳統(tǒng)的按照功能性嚴(yán)格分層、在水平方向上連接交互、但在垂直方向上礙于通信能力的短缺交互不暢的金字塔，轉(zhuǎn)變?yōu)楦娱_放、柔性，支持垂直集成和充分利用云端強(qiáng)大計(jì)算資源的頂梁柱結(jié)構(gòu)，以更好地支持如預(yù)測(cè)性維護(hù)和大數(shù)據(jù)分析等新商業(yè)模式的發(fā)展。在新的TSN通信技術(shù)的賦能下，自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵組件PLC將發(fā)生分化，一部分下沉與現(xiàn)場(chǎng)I/O結(jié)合變成分布式控制單元(DCU)，一部分將上移到云端化身為虛擬PLC;自動(dòng)化軟件如SCADA/MES/ERP/BI將充分融入工廠骨干中樞(本地自動(dòng)化云);現(xiàn)場(chǎng)I/O和工廠骨干中樞之間保持強(qiáng)大的連接性，并與外部公有云保持安全連接。
同樣的情形也發(fā)生在自動(dòng)化軟件領(lǐng)域。本期科技自動(dòng)化2.0專欄將發(fā)表彭瑜老師的特約文章《軟件定義運(yùn)動(dòng)控制的方法》。文章指出，早在十多年前，PLCopen組織就在IEC61131-3自動(dòng)化編程國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，定義了運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，該規(guī)范逐漸被業(yè)界接受，成為涵蓋PLC通用運(yùn)動(dòng)控制、CNC控制和機(jī)器人控制的事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范的實(shí)質(zhì)性意義是將運(yùn)動(dòng)控制硬件與軟件隔離，通過(guò)對(duì)硬件的功能性及其接口進(jìn)行抽象和封裝，從而將復(fù)雜的機(jī)械裝備運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)解耦為對(duì)基礎(chǔ)硬件的虛擬化及其API和運(yùn)動(dòng)控制軟件兩部分。這一天才般的想法，今天看來(lái)，就是對(duì)當(dāng)今如日中天的軟件定義一切(SDX)概念在機(jī)械裝備運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的完美應(yīng)用和詮釋?？梢?jiàn)，自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)先者或先行者早已掌握了信息通信技術(shù)包括軟件工程技術(shù)的精髓，并成功用于實(shí)踐。如今PLCopen組織仍然十分活躍，與其他工業(yè)技術(shù)組織共同推動(dòng)著諸如OPC-UA行業(yè)規(guī)范、工業(yè)安全與信息安全技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展。
B. 新一代自動(dòng)化控制器與自動(dòng)化金三角(自動(dòng)化+智能)
再舉一例，談?wù)勛詣?dòng)化如何吸收IT和智能化技術(shù)從而發(fā)展出新一代自動(dòng)化控制器甚至新一代自動(dòng)化產(chǎn)品品類。大家都知道，德國(guó)菲尼克斯公司幾年前推出了PLCnext自動(dòng)化平臺(tái)，其核心理念是充分吸收IT技術(shù)和智能化技術(shù)。通過(guò)重新設(shè)計(jì)開放的硬件平臺(tái)和自動(dòng)化軟件平臺(tái)，在功能性方面則通過(guò)PLCnext的app store上不斷發(fā)布自有的以及大量第三方的app，從而使用戶可以按需下載和配置自己的控制軟件，不斷加強(qiáng)該公司自動(dòng)化生態(tài)系統(tǒng)。在菲尼克斯高級(jí)技術(shù)專家杜品圣博士今年2月份的文章《自動(dòng)控制系統(tǒng)是智能制造的“雞蛋”還是“石頭”》中，開宗明義地指出：“要真正做到IT融合OT，更好發(fā)揮人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)等的作用，最主要的是控制系統(tǒng)不僅要與過(guò)去一樣處理控制數(shù)據(jù)(即實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù))，同時(shí)對(duì)于大量的生產(chǎn)管理，產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)(非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))也有分析、歸納和總結(jié)的處理能力。同時(shí)PLC控制器一定要整合人工智能的功能。自動(dòng)化控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的根本，它是事物發(fā)展變化的內(nèi)因，而IT技術(shù)的應(yīng)用則是條件?！?/FONT>
我非常欣賞杜博士的上述觀點(diǎn)，然而在具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑上，有著不同的發(fā)展思路。2018年8月，我曾經(jīng)在智慧工廠雜志卷首語(yǔ)上發(fā)表了一篇小文《淺談智能化機(jī)器的“金三角”》，后來(lái)又在2019年6月和10月連續(xù)發(fā)表了幾篇文章繼續(xù)深化討論金三角的概念。在首篇文章中，我談到：“傳統(tǒng)的機(jī)器自動(dòng)化解決方案中的兩大主角：控制器(Controller)和驅(qū)動(dòng)器(Driver)，在智能制造/工業(yè)4.0時(shí)代會(huì)遇到主要是來(lái)自數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)!諸如更多的傳感器、更多的數(shù)據(jù)、更加本地化的分析需求、預(yù)測(cè)性維護(hù)/健康管理、功能安全/信息安全、多樣化的通信需求、云端鏈接能力等等。于是我們看到了基于PC的控制器以強(qiáng)大的計(jì)算能力突破了邏輯控制+運(yùn)動(dòng)控制+順序控制的經(jīng)典范疇，向全面滿足智能化要求大步邁進(jìn);我們也看到增加了邊緣計(jì)算能力的PLC橫空出世，不斷刷新著人們對(duì)PLC的認(rèn)識(shí)。今后，毫不夸張地說(shuō)，所有的控制器(PLC/NC/MC/RC/PAC等)都將擁有一定的數(shù)據(jù)處理和分析能力，所有的驅(qū)動(dòng)器也將如此。但畢竟現(xiàn)代控制器的軟硬件架構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的架構(gòu)從本質(zhì)上不適應(yīng)數(shù)據(jù)密集的、以人工智能為特色的高階算法。這里我索性提出一個(gè)新的產(chǎn)品概念，機(jī)器分析預(yù)測(cè)器(Analyzer & Predictor)。他將獨(dú)立于控制器和驅(qū)動(dòng)器，專門設(shè)計(jì)用來(lái)完成視覺(jué)處理、多傳感器融合、邊緣計(jì)算、預(yù)測(cè)性維護(hù)、協(xié)議解析、安全加密和通信接口等任務(wù)，上面跑的不是PLC邏輯算法和運(yùn)動(dòng)控制算法，而是更多基于AI的數(shù)據(jù)密集型算法。在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和算力方面都和控制器、驅(qū)動(dòng)器有著顯著的不同。這樣的一個(gè)產(chǎn)品以分析和預(yù)測(cè)見(jiàn)長(zhǎng)，將和機(jī)器控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一起構(gòu)成智能機(jī)器人的金三角。期待這樣的一類新產(chǎn)品在不久的將來(lái)躍入眼簾，從此我們不僅基于控制器和驅(qū)動(dòng)器談機(jī)器自動(dòng)化解決方案，更要談?dòng)辛朔治鲱A(yù)測(cè)器之后，機(jī)器智能化解決方案的新面貌?！邦A(yù)測(cè)-決策-執(zhí)行，是為機(jī)器智能化的“金三角”。
4. 未來(lái)制造對(duì)科技自動(dòng)化的新要求
以上所談聚焦在科技自動(dòng)化如何吸收ICT和人工智能技術(shù)，通過(guò)主動(dòng)突破和創(chuàng)新，不斷滿足當(dāng)今和未來(lái)一段時(shí)間智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的要求。如果我們把眼光更加放長(zhǎng)遠(yuǎn)，看看制造業(yè)的未來(lái)將會(huì)是怎樣的場(chǎng)景，會(huì)幫助我們更好識(shí)別科技自動(dòng)化將要面臨的需求和變革的方向。幾天前易能立方微信公眾號(hào)轉(zhuǎn)載了署名Ben Wang的原刊登于英文Engineering雜志2018年7月號(hào)的文章《制造業(yè)的未來(lái)——一個(gè)新視角》。文章對(duì)未來(lái)制造業(yè)發(fā)展面臨的四個(gè)重要挑戰(zhàn)進(jìn)行了剖析，其中一個(gè)論及對(duì)未來(lái)制造業(yè)的重新定義，指出完成這項(xiàng)任務(wù)的主要障礙是新穎的制造工藝、創(chuàng)新的材料和顛覆性的商業(yè)模式對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)認(rèn)知帶來(lái)的沖擊。對(duì)于用材料、制造和商業(yè)模式這樣的三維視角來(lái)界定新制造與傳統(tǒng)制造的邊界，我個(gè)人高度認(rèn)同，這里暫且不談。對(duì)于科技自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)而言，更加具有啟示意義的是，作者認(rèn)識(shí)到未來(lái)制造業(yè)的關(guān)鍵詞是“混合”， 它具有人 類與機(jī)器人協(xié)作、增材制造與減材制造結(jié)合、金屬材料與復(fù)合材料并用以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與物理系統(tǒng)融合等特點(diǎn)。過(guò)去對(duì)于單一系統(tǒng)的研究固然重要，今后對(duì)于系統(tǒng)之間的交互和平衡關(guān)系的研究同等甚至更加重要，也就是說(shuō)對(duì)于多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的超系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律的研究更加重要，這里面既有技術(shù)的、也有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的分析?？萍甲詣?dòng)化作為支撐未來(lái)制造至關(guān)重要的使能技術(shù)，必須要很好地適應(yīng)如上這些具有混合特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景，比如如何開發(fā)更好的支持人機(jī)協(xié)作的、有著友好人機(jī)界面、能夠識(shí)別人在閉環(huán)的場(chǎng)景并能做出主動(dòng)調(diào)整的智能自適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng);如何在一套自動(dòng)化軟件之中同時(shí)支持3D打印、機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等不同的控制模式;如何開發(fā)適應(yīng)金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料的混合加工的自動(dòng)化系統(tǒng)，尤其是面向更加具有挑戰(zhàn)性的所謂編材制造(這是大纖維工作組2019年提出的面向未來(lái)制造的從原子開始，跨越分子、纖維、織物、器件、系統(tǒng)和超系統(tǒng)的多層次多尺度創(chuàng)新制造模式);以及自動(dòng)化系統(tǒng)如何支持?jǐn)?shù)字化孿生體和CPS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，確保在賽博系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映射和彼此優(yōu)化迭代?
上述面向未來(lái)的自動(dòng)化需求，都要求自動(dòng)化系統(tǒng)與時(shí)俱進(jìn)，具備感知場(chǎng)景的能力，處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的能力，利用人工智能進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和決策的能力，以及更加精準(zhǔn)、快速、安全的執(zhí)行能力。自動(dòng)化系統(tǒng)還必須很好地滿足綠色節(jié)能、靈活性、伸縮性和適應(yīng)性等要求，因?yàn)槲磥?lái)制造的性能指標(biāo)不僅僅是質(zhì)量、效率、成本和安全，還有敏捷性和可持續(xù)發(fā)展等等。
5. 科技自動(dòng)化內(nèi)涵不斷豐富，外延不斷延伸
科技自動(dòng)化在大約十年前被提出來(lái)的時(shí)候，其內(nèi)涵相對(duì)而言還比較經(jīng)典。底層基礎(chǔ)技術(shù)主要是電子、半導(dǎo)體、通信、軟件等，核心技術(shù)主要是精密傳感、驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人和數(shù)控、高級(jí)控制算法、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、工業(yè)通信等，產(chǎn)品主要包括硬件層面的I/O、傳感器、變送器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制器、人機(jī)界面、通信和電源，軟件層面的自動(dòng)化控制平臺(tái)、SCADA、MES、能源管理系統(tǒng)等。科技自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品根植于整個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域，各自有著十年到幾十年的發(fā)展歷史與傳承，但更強(qiáng)調(diào)其功能、性能方面的先進(jìn)性，以及對(duì)大批量規(guī)模制造之外的先進(jìn)制造模式和研發(fā)創(chuàng)新過(guò)程的支持?？萍甲詣?dòng)化的外延，在技術(shù)層面和ICT技術(shù)、智能化技術(shù)、人因工程、機(jī)電一體化多有交叉;在裝備應(yīng)用層面則幾乎覆蓋了所有的測(cè)量測(cè)試和先進(jìn)制造裝備，也包括很多其他領(lǐng)域的高技術(shù)裝備，不勝枚舉;在行業(yè)應(yīng)用方面則主要是高端裝備制造業(yè)、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)以及尖端科研領(lǐng)域。
近年來(lái)，隨著信息通信技術(shù)和智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展，加上材料、生物、能源等新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命的步伐日益加快，人類社會(huì)已經(jīng)全面步入數(shù)字經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)社會(huì)。自動(dòng)化這個(gè)詞被賦予了新的一些內(nèi)涵，如知識(shí)自動(dòng)化、創(chuàng)新自動(dòng)化等;其外延也不斷擴(kuò)展，與一些新的領(lǐng)域進(jìn)行著交叉，如新材料制造、生物制造等?？萍甲詣?dòng)化作為自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)極為重要的具有引領(lǐng)性的前沿分支，也必然發(fā)生著巨大的變化，不斷產(chǎn)生新的技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用。如前面提到的帶IoT能力的智能傳感器、分布式控制單元、帶有邊緣智能的控制器、基于AI的分析預(yù)測(cè)器、帶預(yù)測(cè)性維護(hù)能力的數(shù)字化電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、軟件定義的面向功能集成和工藝集成的新自動(dòng)化平臺(tái)等。科技自動(dòng)化軟件、硬件和相應(yīng)的CPS系統(tǒng)必將繼續(xù)成為實(shí)現(xiàn)智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和未來(lái)先進(jìn)制造模式的最重要基礎(chǔ)設(shè)施和使能手段。
6. 科技自動(dòng)化文章出版計(jì)劃
進(jìn)入2020年，新冠疫情在全球范圍內(nèi)的大爆發(fā)給本就遍布沖突和挑戰(zhàn)的全球經(jīng)濟(jì)、政治秩序帶來(lái)了巨大的沖擊，讓這個(gè)世界更加充滿不確定性。對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，全球范圍內(nèi)的供應(yīng)鏈重構(gòu)、產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)和價(jià)值鏈重構(gòu)也將為自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)帶來(lái)前所未有之變局，促使我們每一個(gè)從業(yè)者放慢腳步并駐足思考?？萍甲詣?dòng)化聯(lián)盟的專家團(tuán)隊(duì)借此機(jī)會(huì)欲重新解讀科技自動(dòng)化是什么、為什么、怎么做和向何處去的問(wèn)題，特以此文作序，引入聯(lián)盟首席專家彭瑜老師關(guān)于軟件定義運(yùn)動(dòng)控制的重磅文章。接下來(lái)，我們會(huì)利用聯(lián)盟微信公眾號(hào)和智慧工廠雜志平臺(tái)，以半個(gè)月一期的節(jié)奏，連續(xù)刊載系列原創(chuàng)文章，話題將覆蓋科技自動(dòng)化核心技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)、元件/系統(tǒng)產(chǎn)品和解決方案、工業(yè)軟件和工業(yè)通信、功能安全和信息安全、邊緣計(jì)算和分布式控制系統(tǒng)、人工智能和大數(shù)據(jù)、數(shù)字化孿生體和CPS等方面。這項(xiàng)工作預(yù)計(jì)持續(xù)到今年年底。
科技自動(dòng)化即將走完自己的第一個(gè)十年，值此特殊時(shí)刻，讓我們回首過(guò)去、凝望當(dāng)下、并共同展望未來(lái)吧!
作者簡(jiǎn)介：
王健，男，清華大學(xué)電機(jī)系電機(jī)及其控制專業(yè)86級(jí)本科，電力電子技術(shù)專業(yè)91級(jí)碩士。
中國(guó)科技自動(dòng)化聯(lián)盟秘書長(zhǎng)，智慧工廠研究院院長(zhǎng)。“中國(guó)智慧工廠1.0”概念的提出者和主要推動(dòng)者之一，主導(dǎo)智慧工廠1.0體系、框架、標(biāo)準(zhǔn)的制定。是德國(guó)工業(yè)4.0和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)國(guó)內(nèi)最早的傳播者和研究者之一。主導(dǎo)或參與制定數(shù)十項(xiàng)控制電機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、電磁兼容、機(jī)械電氣安全、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等方面的國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
具備工業(yè)自動(dòng)化，尤其是電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域逾20年工作經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，致力于機(jī)器人、智能制造裝備乃至整個(gè)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)路徑和制造業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)域的研究。
（轉(zhuǎn)載）
