大数据、物联网技术与自动化技术发展现状和趋势

邓希阳 张子军

[摘    要]随着世界经济一体化进程，企业竞争加剧，市场需求的变化加快，主要国家都制定了基于物联网、大数据、人工智能与对自动化技术的战略目标。新材料、新设备、新技术以及新工艺层出不穷。从数字程序控制技术、PLC设备、物联网等方面探讨计算机技术的发展对自动化发展运用的影响。

[关键词]自动化;数控;大数据;物联网;趋势

[中图分类号]F259.2 [文献标志码]A [文章编号]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 自动化发展变迁

18世纪60年代到19世纪70年代初为第一阶段，随着蒸汽机、电力发明，科学家和工程师发明创造达到了一个高潮，珍妮纺纱机、火车、汽车、飞机等的出现都包含一定的初级自动化控制技术。20世纪中期为第二阶段，单片机的出现，简单计算机得到广泛运用，以数控机床为代表的单机自动化加工设备逐步渗入到工业生产的各个领域。20世纪中后期为第三阶段，计算机技术得到了空前发展，CAD、CAM等各种计算机辅助技术开始用于工程、设计、制造领域，使各种组合机床、组合生产线开始出现，流程线作业、加工成为现实。由于自动生产线的出现，这一阶段的硬件加工设备主要用于产品的大、中批量的生产和加工，比如用于钻、镗等加工的自动生产线，企业的生产开始朝多品种、中小批量方向发展，对自动化技术的要求也越来越高。21世纪随着世界科技和市场经济高速发展，市场经济使资源、资金、生产、加工等再分配，市场环境的变化、用户需求更加多元化，美国学者提出了CIM概念（Computer Integrated Manufacturing，即计算机集成制造），也就是在所有与生产有关的企业部门中集成地用电子进行数据处理，包括在计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助质量管理等信息技术之间的协同工作。网络技术的成熟推广，进一步促进自动化技术的集成，加速了自动控制技术从生产、仓储、管理的综合集成，至今为第四阶段，即工业第三次革命。

2 自动化控制技术与计算机技术应用

自动化技术发展到今天与计算机技术的进步有着密切相关性，计算机技术的进步都会为自动化领域带来重大变革，自动化数控机床就是建立在计算机数控系统基础之上出现的。1938年由香农完成的数据快速运算与传输模式奠定了现代计算机（包括数字控制系統）发展方向，1952年，由麻省理工学院的伺服机构实验室开发第一台数控机床，为计算机技术与数控技术打开了新大门。为了满足高精度、高效率加工复杂零件的需要，到20世纪70年代初期在数控系统中实现了用计算机代替控制装置，计算机数控（CNC）成为主流，这种技术可用计算机完成输入数据的存储、处理和运算等各种控制机能，开创了数控机床的革命性变革。

数控技术的广泛应用不仅给传统制造业带来了革命性变革，促进了建筑、石油、化工、能源等行业的发展，还对促进社会的工业化进程起着重大作用。数控机床的优点包括：对加工对象改变的适应性强，要想在数控机床上加工不同的零件，只需要重新编制数控程序即可;加工精度高，普通级数控机床的加工精度达5 μm，精密级数控机床则达到1～1.5 μm;加工生产率高，由美国生产的Hyper Mach机床进给速度最大为60 m/min，主轴转速为60 000 r/min，加工一个薄壁飞机零件，只需30min就可完成。可编程计算机控制器技术也是推动工业自动化的重要动力。早期的为可编程逻辑控制器（PLC），代替了继电器实现逻辑控制，如今，PLC的功能已远超过了逻辑控制的范围，它采用分时多任务机应用软件的运行平台，实时控制与操作的目标得以实现。1987年国际电工委员会对PLC的定义为一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。PLC的实质就是专用于工业控制的计算机，结构、功能与微型计算机基本相同，主要包括CPU、I/O模块、底座或机架等。

世界上第一台PLC由美国数字设备公司于1969年研制成功，随着计算机技术的更新快速发展迭代，可编程控制器不断完善，20世纪中后期PLC得到快速发展，PLC在数字运算能力、模拟量处理能力等方面得到大幅度提高，其性能、功能已很完善，使用范围也越来越广。它的抗干扰能力增强，使用寿命极大提高，比如由三棱公司生产的F系列PLC，平均无故障时间可高达30万h，极大减少了停机检验时间。运用更加广泛，各种性能PLC的功能单元大量出现，在压力、温度、位移等各种各样的控制场合应用。PLC可编程控制器采用的编程语言是与继电器电路图相似的梯形图语言，这种编程语言能被熟悉继电器、接触器系统的技术人员很快掌握，其数据运算及处理的计算机存储元件都以继电器里的元件命名，只要学会操作PLC的少量开关量逻辑控制指令，就能很方便推广使用。

3 21世纪大数据、物联技术对自动化控制技术推动与变革

进入21世纪，世界处在一个数据爆发的时代，超级计算机、移动互联网和物联网技术以超出人门想象的速度快速增长，全球数据呈指数级增长，“信息时代”“大数据时代”已然到来。世界各国对大数据的关注度日益提高，大数据与传统产业的深度融合和创新应用，带动各行各业各信息化、网络化、智能化发展，加速产业升级换代，提升产业竞争力、国家安全防护能力，变革教育和科研模式。2009年美国国家科学技术委员会（NSTC）发布了《开发数据的威力》报告，2016年美国政府发布《联邦大数据研发战略计划》，2014年德国政府推出《2014—2017年数字议程》，2012年澳大利亚政府发布《澳大利亚公共服务信息与通信技术战略2012—2015》。我国政府紧紧抓住大数据驱动的战略发展机遇，并于2015年先后发布了“互联网+”行动计划、《促进大数据发展纲要》、《大数据产业发展规划（2016—2020年）》等指导性文件，强调加快大数据、云计算、物联网应用，以新技术、新业态、新模式，推动传统产业生产、管理和营销变革，全面提升我国从制造大国到制造强国、技术跟跑到技术引领转型速度。随着各国将创新驱动提到国家发展层面，新技术的不断涌现，工业以太网、物联网的兼容性和开放性越来越强，计算机技术在计算、储存、分析的能力上更加高效可靠，促进了自动化系统将信息层、控制层和设备层更加紧密、有效联系起来，自动化控制系统进入具有自我分析、改进、约束、诊断的全过程全自动化阶段。

网络技术的发展在自动化控制系统中扮演着十分重要的角色，现代制造业的最新研究结果表明，网络技术应用使企业的生产控制系统发生巨大变化，同时对企业的运营和管理方式产生深远影响，充分实现资源共享、按需分配，业务创新驱动十分明显，对应对环境变化，节约资源，实现碳中和、碳达标的目标实现有着重要意义。通过数据建模，根据不同行业、专业领域确定相应算法，通过传感器与感知技术，采取生产、经营过程业务数据，经过网络技术传到计算中心，计算中心清洗、去除大量无关和不重要数据后，对数据进行分析，将结果分发、反馈，进行闭环管理，实现过程调整和自动化控制，强调闭环管理，及时修正参数，从而提高生产精度、按需生产、及时调整的全自动化过程，促进了各专业之间、生产与决策层、专业与客户间的高效沟通，进一步支撑协同体系构建，实现人、设备、数据实时双向互联。从而提高设备全方位、全命周期、全生产过程的自动管理水平。21世紀无线高速传输、光纤高速大容量传输使互联网和物联网技术应用长足发展，为互联网与物联网实时、可靠性高、高速信号传输等奠定基础，通过“环形以太网冗余”技术实现多网段间的冗余连接，保证网络的正常可靠运行。网络安全方面，①国家法律、制度、规范的建立;②MOCN共享精细防御，包括基于安全策略协同按需防护，基于策略验证的用户面分级防护，包括多运用商PKI认证、软硬件资源动态共享的安全隔离、“分层递进”的网络安全基线;③业务承载安全通管控，接入与互通关键节点的多层管控、软硬切片的动态承载安全、端到端业务的灵活放通和动态管控;④企业内部物理隔离、反向隔离及随机动态密钥认证管理。通过打造一张立体网络安全防护网，确保自动化控制系统避免网络攻击造成损失。

当今，基于大数据、物联网的自动化控制技术在各行各业中都深入广泛应用，美国通用电气公司（GE）基于其研发的互联网分析平台Predix，将各种工业资产设备和供应商互联并接入云端，每天监测和分析1 000万传感器的5 000万数据，通过数据分析并提供资产性能管理（AMP）和运营优化服务。2021年德国博世（BOSCH）集团公司基于领先的大数据、物联网与精密的自动化控制技术，建成全球首座全自动化5 nm工艺制程的圆晶工厂，5 nm圆晶产品效率和优良率得到极大提升。中国海尔公司发布具有自主知识产权平台COSMO，支持大规模开放、互联、可视的自动化智能制造工厂，在全国建成8座基于COSMO平台工厂。我国制造业重点领域创新成果接连涌现，规模以上工业生产设备数字化率、关键设备自动化数控化率、数字化设备联网率到2020年分别达到49.9%、52.1%和43.5%，“天眼”探空、“神舟”飞天、“天问”登火星、大飞机首飞、万米载人深潜展示了制造业向高精尖迈进。受计算机控制和管理的柔性制造系统，可自动地切换工件和道具，控制程序编制修改更加便捷，具有灵活性、高效率等优点，极大提高了生产过程的自动化程度，使自动化系统应用更方便高效，适应性更强。

4 结束语

随着计算机技术新成果的不断涌现，机器学习（人工智能）功能不断进步，自动化系统工程正朝着更加智能化、便利化的方向发展。世界各国在大数据、网络技术、云计算、自动化控制创新竞争的新跑道上制定了发展战略，以政府主导，科研机构支撑，教育机构人才储备，大型公司开发实施，小型科技公司补充的创新格局。在这个信息时代，科学习技大变革、大发展，智能自动化控制时代到来，需要多学科、多行业、多部门协同创新发展，在新的赛道上谁掌握了核心技术，谁就赢得了信息革命和第三次工业革命的未来，赢得经济发展的主动权。

参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2019.

[2] 林子雨.大数据技术原理与应用：概念、存储、处理、分析与应用[M].北京：人民邮电出版社，2015.