工业自动化：改变您的业务方式

随着企业希望更有效地生产商品同时降低运营成本，工业自动化在相当长一段时间内一直在上升，这已经不是什么秘密了。 

由于这项技术的不断进步，对自动化的需求从未如此强烈。 

现在，企业几乎在每个行业都在实施自动化设备和设备，以应对当前趋势、安全协议和消费者需求。预计到 2027 年，工业自动化市场将达到 3062 亿美元，可以肯定地说，这些工具不会很快消失。 

什么是工业自动化？ 

简而言之，工业自动化是将计算机化机械、控制系统或其他信息技术集成到您的组织中以取代人工操作的过程。 

工业自动化同时使用硬件和软件来简化各种物理过程。它通常用于大型工厂和仓库等制造环境，以简化生产、组装和材料处理。 

虽然有些人将自动化设备的起源追溯到 17 世纪和 18 世纪，但许多人认为自动化技术在工业领域的首次使用是在 1947 年。那一年，通用汽车公司创建了一个自动化部门，实施机械化控制以加快速度在他们的汽车装配线上生产。不久之后，制造革命和数字革命在 1959 年建成 第一台工业计算机系统时融合在一起。

随着这些突破，当第一批控制系统进入市场时，工业自动化取得了进一步的进步。第一个可编程逻辑控制器 (PLC) 由美国机械工程师迪克莫利于 1968 年开发，前两个分布式控制系统 (DCS) 由霍尼韦尔和横河电机于 1970 年代中期开发。 

控制系统是工业自动化的基础，因为它们管理、监控和指导自动化设备和设备采取某些行动。这些系统由 PLC 和输入和输出设备组成，如压力开关、按钮、阀门、执行器等。 

虽然控制系统由执行自动化过程的所有必要组件组成，但它们必须连接到网络才能相互通信。

控制网络对于工业自动化至关重要，因为它们充当将软件应用程序、控制系统和自动化设备连接到一个通道的桥梁。这个单一通道允许他们安全地通信和传输数据。为了建立强大而安全的连接，这些网络应用了多种通信协议，将控制器和机器同步在一起，使它们能够成功地执行分配的操作。 

除了控制系统和网络，工业自动化的其他常见组件包括：

• 监督控制和数据采集 (SCADA)：处理实时数据以控制和监控工业流程并加快运营。
• 分布式控制系统（DCS）：使用连接到设备的中央监控网络来控制不同的功能。
• 人机界面 (HMI)：一种为人类操作员转换数据的软件应用程序，使他们能够与机器进行交互和通信以改进生产。 
• 可编程逻辑控制器 (PLC)：使用一个微处理器来监控和收集设备和传感器数据、处理信息并根据这些结果触发某些动作。 
• 可编程自动化控制器 (PAC)：与 PLC 类似，但 PAC 使用多个处理器来支持更大的自动化操作和任务。
• 人工神经网络 (ANN)：模拟大脑如何处理数据以识别任何网络模式的计算系统。
• 机器人：执行任务以提高生产速度和质量。

随着工业自动化的不断发展，新设备已成为一种期望，而不是惊喜。凭借大量的高科技设备和机械，工业自动化可用于各种不同的目的。因此，许多企业和行业都可以从将这项技术应用到他们的基础设施中受益。 

谁使用工业自动化？  

随着工业自动化市场现在价值超过 500 亿美元，这项技术继续扩展以实现广泛的功能并应用于众多商业模式。 

由于工业自动化旨在提高生产速度、成本和效率，因此它通常面向较大的公司和工厂。但是，一些中小型企业也可以从这些应用程序中受益。 

工业自动化单枪匹马地改变了企业的运营方式，但更重要的是，它们改变了全球范围内共享信息的方式。 

自动化软件和设备常用于以下行业和流程：

• 制造：产品创建、库存管理、发票履行等。
• 交通：车辆组装、车队管理、自动驾驶汽车、自动驾驶等。
• 采矿：提取和加工、精炼和废物管理、材料处理等。 
• 石油和天然气：钻井、管道监测、压力和流量测量等。
• 钢铁和造纸厂：起重机操作、工厂自动化、造纸厂控制系统等。
• 医疗保健和医药：手术机器人、药品和物资运输、医院管理等。
• 农业和食品服务：作物施肥、种植和浇水、机器人订单准备等。

工业自动化系统的层次结构 

要完全掌握工业自动化的工作原理，首先要了解它是如何在企业中实施的。工业自动化分层金字塔提供了技术和机器如何协同工作以执行操作的简化解释。

工业自动化层次结构分为四层：

• 现场级别
• 控制水平
• 监管层
• 企业级 

每个设备、系统和软件都被归类为这些级别之一，以展示它们如何相互同步以及它们被应用到的业务模型中。

现场级别 

现场级别通常被称为“过程的眼睛和手臂”，是工业自动化层次结构的最低级别，是进行物理动作和机器监控的地方。它由执行器和传感器等现场设备和设备组成： 

• 传感器：温度、压力、光学、接近度、流量计等。
• 执行器：气动、直流 (DC) 电机、流量控制阀、开关等。 

传感器将来自各种过程和设备的实时数据转换为电信号，并将其发送到 PLC 进行持续监控和分析。然后，执行器将这些电信号转换为自动化功能。PLC 使用此数据来决定要采取的控制输出或操作。

控制水平 

控制级别是执行机械操作的工业自动化层次结构的下一个级别。它包括自动化控制器，例如PLC和计算机数控 (CNC) 机器： 

• PLC：由不同的模块组成，如模拟和数字 IO（输入/输出）、中央处理单元 (CPU) 和通信模块。
• 数控机床：铣床、钻床、车床、刳刨机、磨床、等离子切割机等。

PLC 和 CNC 机器从各种传感器获取过程参数，然后根据传感器信号和控制技术指导执行器对特定功能进行编程。 

监管层

作为工业自动化层次结构的上层之一，监管层是设备和监控系统对自动化功能实施更多控制和调整的地方。 

该级别包括HMI、DCS和SCADA 系统等技术： 

• 人机界面（HMI）：该界面为人类工作者提供了过程的可视化描述（包括触摸显示器、开关、键盘、软件开发应用程序等）。
• 分布式控制系统 (DCS)：过程控制系统通过使用局域网 (LAN) 连接相关的传感器、执行器和操作员终端来实现操作自动化。
• 监控和数据采集 (SCADA) 系统： SCADA 系统的功能类似于 DCS，但覆盖更大的地理范围以控制多台机器和站点。SCADA 系统使用 HMI 和过程计算机来运行数据诊断、监视和控制过程。包括监控计算机、远程终端单元 (RTU)、PLC、通信网络等。

HMI、DCS 和 SCADA 技术和设备监控不同的参数、设置产品目标、存档历史数据以及对机器启动和停止时间段进行编程。 

企业级 

企业（信息）层是管理整个系统的工业自动化层次结构的顶层。与其他级别相比，这一层更多地关注商业方面，而不是技术操作。 

大多数企业通常在企业级实施企业资源规划 (ERP) 系统。ERP 使用一套在线应用程序来提供从财务到生产的所有操作的概览。 

由于企业级专注于管理工业自动化系统，因此数据收集对于理解操作至关重要。沟通渠道在分层金字塔上下传递信息，因此企业可以分割这些数据并收集对每个自动化流程的宝贵见解。

数据通过各种通信网络在不同级别传输，例如： 

• 以太网：常用于工厂规划和管理信息交换，可以通过网关连接到其他工业网络。
• 串行通信系统：这是控制器使用的标准系统，应用推荐的标准 (RS) 协议（RS232、RS422、RS845）在自动化系统及其设备之间传输数据。 
• 现场总线：将控制分配给多个现场设备和控制器的非常先进的技术。示例包括 ControlNet、Highway Addressable Remote Transducer (HART)、DeviceNet、Foundation 现场总线、Profibus 等。

使用这些沟通渠道和收集到的见解，企业层面的大部分工作都涉及生产计划、客户和市场分析以及订单和销售。 

除了了解工业自动化的各个级别之外，了解每种类型的自动化系统以及它们之间的区别也很重要。 

工业自动化的类型

随着全球使用无数不同的工业自动化解决方案，这项技术似乎可以处理无穷无尽的任务。虽然这在一定程度上可能是正确的，但工业自动化可以分为四大类。 

这四种主要的工业自动化类型是：

1. 固定（硬）自动化
2. 可编程自动化
3. 灵活（软）自动化
4. 综合自动化 

由于这项技术不是万能的，企业应该评估这四种自动化类型，看看哪种最能满足他们的需求。这些工业自动化类别之间的主要区别在于它们如何操作、集成到基础设施中以及转换某些流程。 

这是一个快速细分，可帮助您了解每个系统的工作原理。 

固定（硬）自动化

固定（硬）自动化是专注于提高生产率的技术和机械。它通常涉及一组重复或固定的序列（因此得名），例如产品组装或加工。 

该设备通常被编程为批量生产特定产品，因此很难改变其功能和产量。尽管存在这种限制，但它是最常见的工业自动化形式之一，因为它提高了整体效率和运行速度，并减少了人为错误、单位成本和劳动力。

尽管由于设置和实施成本高，这种类型的工业自动化是一项昂贵的投资，但从长远来看，它可以为公司节省大量资金。固定自动化对于生产大量物品或使用连续流程的企业特别有利。 

固定自动化的一些常见示例包括汽车装配、化学制造和其他大量材料处理过程，如传送带或传输线。 

可编程自动化

可编程自动化用于涉及装配和加工任务的机器和设备。虽然这种类型的自动化类似于固定自动化，但它的不同之处在于它允许基于电子控制重新配置和重新编程其自动化操作。

可编程自动化通常最适合中到大批量的批量生产，因为可以为每个批次应用或修改新的程序和步骤。尽管可编程自动化允许进行更改，但这可能是一个困难而漫长的过程，因为它需要上传新命令，在某些情况下还需要添加新工具。 

与固定工业系统一样，决定应用可编程自动化的企业必须愿意进行大量初始投资，但随着时间的推移可以节省大量资金。 

可编程自动化的一些常见示例是工业机器人、数控机器以及造纸和钢铁厂。 

灵活（软）自动化 

灵活（软）自动化是可编程工业系统的扩展，但略有不同。虽然灵活的自动化执行许多与可编程系统相同的操作，但其用户可以输入自动和快速的更改，而不是经历漫长的重新配置过程。 

灵活的自动化使用人工操作的集中式计算机来控制和更新生产过程，以及将其机床组合在一起的材料处理系统。 

为了进行更改或重新配置系统，人类操作员将代码安装到计算机中，该代码指示要执行的工作、要遵循的操作顺序、要实施的任何产品调整以及要使用哪些特定工具或设备来执行自动化过程。 

该技术还可以制造各种产品设计和编程机械，以在同一条装配线上承担多项任务。完成后，最终产品将自动转移到下一台机器。 

灵活的自动化通常用于批处理、具有大量设计变化的系统以及中低生产率。一些常见的例子包括自动导引车、多功能数控机床和机器人系统。 

综合自动化 

与其他三个自动化系统相比，集成自动化无需任何人工干预。该技术使用一个控制系统实现整个生产过程的自动化，该控制系统可以管理和同步所有相关的机械、操作和数据。

集成自动化可能涉及许多不同的技术，例如： 

• 数控机床
• 计算机辅助设计 (CAD) 和制造 (CAM)
• 计算机辅助工艺规划
• 计算机辅助生产调度
• 自动化物料搬运系统（机器人）
• 灵活的机器系统
• 自动化起重机和转运系统（输送机）

集成自动化与批处理和连续流处理兼容。该系统用于各种行业，如包装、食品和饮料制造、塑料加工等。 

工业自动化的优缺点

由于其广泛的功能、设备和应用程序，工业自动化已成为企业使用的最通用的工具之一。与任何其他技术一样，采用自动化操作总是有利有弊。

优点 

工业自动化改变了许多人的经营方式。随处可见，有某种形式的自动化设备或装置在执行一项工作。尽管在开始阶段持怀疑态度，但很明显，这项技术对企业及其消费者都非常有益。

与工业自动化相关的一些最常见的优势包括：  

• 更高的投资回报率（投资回报率）：大多数自动化系统允许企业带来大量收入，远远超过其初始投资
• 降低运营成本：减少劳动力、资源使用和能源消耗
• 高级分析：更好的数据准确性、存储和实时收集能力
• 更强的性能、安全性和可靠性：减少和/或消除人为错误
• 更高的生产力和效率：更快的产出和更多的时间让员工专注于其他重要任务
• 提高产品质量和一致性：质量控制检查、自我诊断
• 大幅提高产量：帮助企业保持竞争力
• 减少外包需求：一些自动化系统可以完成多项任务 

缺点

虽然企业可以从实施工业自动化中获得许多回报，但也并非没有缺点。技术设备和设备总会带来一些误差和缺点，因为没有系统是万无一失的。 

与工业自动化相关的一些最常见的缺点包括：  

• 大量初始投资：昂贵的硬件设置和软件实施
• 显着减少或消除人际互动：更多的机器、更少的劳动力和更高的失业率
• 安全漏洞：黑客在攻击方面变得越来越聪明，尤其是在连接互联网的设备和设备上
• 有限的定制选项：统一的流程；改变输出的通用性较低
• 硬件维护和软件更新：需要训练有素的团队 
• 环境危害：一些机械可能会增加污染水平 

企业明智地评估和权衡这些优点和缺点，以决定哪些工业自动化系统适合他们的市场（如果有的话）。 

结论

随着工业自动化市场在未来的显着增长，对自动化设备、软件和设备的需求仍然很高。这项技术已成为全球企业的宝贵资产，尤其是在消费者已经习惯于快速操作的时代。

通过评估哪些软件和硬件将与其基础设施完美匹配、满足当前趋势并产生持久的结果，企业可以在竞争中脱颖而出，并享受工业自动化带来的无与伦比的财务和运营优势。