工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造下自動(dòng)化技術(shù)研究

張振

（海爾卡奧斯物聯(lián)生態(tài)科技有限公司，山東 青島 266011）

0 引言

工業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展離不開制造業(yè)的支持，與其他國家相比，中國在工廠規(guī)模以及數(shù)量方面始終處于領(lǐng)先水平，但在生產(chǎn)技術(shù)上尤其是在科研水平、創(chuàng)新能力方面略顯不足，不利于生產(chǎn)效率的提高，阻礙我國制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程。但自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展、完善與應(yīng)用，能夠加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型、升級進(jìn)程，從根本上緩解制造業(yè)全球化的壓力，為此，需重視自動(dòng)化技術(shù)的合理運(yùn)用，以科學(xué)的方式融合制造業(yè)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，并建立起清晰的技術(shù)框架，以彌補(bǔ)生產(chǎn)技術(shù)的不足。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造彼此間關(guān)系

站在“表征”的角度對二者進(jìn)行分析，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更傾向于工業(yè)服務(wù)，而智能制造則偏向于工業(yè)制造，始終以個(gè)性化定制、服務(wù)延伸化作為本質(zhì)，以達(dá)到智能制造、智能服務(wù)的目的。現(xiàn)如今，通過打造智慧化工業(yè)平臺，將更為優(yōu)質(zhì)的定制化服務(wù)提供給企業(yè)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的作用是加快企業(yè)“云”智能化制造發(fā)展步伐。

智能制造是我國工業(yè)所確立的首要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而智能化、自動(dòng)化的革新是所有工業(yè)企業(yè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的工作內(nèi)容，科技的發(fā)展與創(chuàng)新加了工業(yè)領(lǐng)域的需求，也間接地提升了大眾所追求的物質(zhì)品質(zhì)，為此，工業(yè)企業(yè)需將工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提上工作日程。對工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了企業(yè)平臺智能化生產(chǎn)，并在技術(shù)的依托下，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同目的，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)朝著精準(zhǔn)對接、服務(wù)延伸、個(gè)性化定制的方向發(fā)展，而智能化技術(shù)也被滲各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。與此同時(shí)，合理布設(shè)傳感器，借助無線通信技術(shù)構(gòu)建云平臺，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)全過程閉環(huán)管控的目的，促使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所具有的工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值得到充分發(fā)揮[1]。

人工智能技術(shù)的發(fā)展可打造出智能化無人工廠，全方位結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能化。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的融合，確保工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)全流程被先進(jìn)技術(shù)所覆蓋，展開生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)采集與分析，并在互聯(lián)網(wǎng)的支撐下，達(dá)到資源配置延伸服務(wù)與協(xié)同合作，而工廠同互聯(lián)網(wǎng)之間的相互結(jié)合，可構(gòu)建出多元化互聯(lián)主體，比如企業(yè)主體，又可將其細(xì)分為工業(yè)服務(wù)、工業(yè)制造等，其主要作用是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)產(chǎn)品。工業(yè)服務(wù)企業(yè)主要工作任務(wù)是對智能產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，完成相應(yīng)的建模后展開全面分析，以此構(gòu)建出用戶服務(wù)的創(chuàng)新型業(yè)態(tài)?；ヂ?lián)網(wǎng)企業(yè)發(fā)揮平臺資源優(yōu)勢，合理配置企業(yè)產(chǎn)品全生命周期；而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主體則體現(xiàn)為智能產(chǎn)品協(xié)作、工業(yè)信息系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模上機(jī)器控制、信息系統(tǒng)的相互連通，創(chuàng)新出用戶服務(wù)模式，為新型傳感設(shè)備運(yùn)行、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供支持[2]。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造下的自動(dòng)化技術(shù)探討

科技的進(jìn)步促使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)產(chǎn)業(yè)得到高速發(fā)展，以智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為根本展開對自動(dòng)化技術(shù)的研究，可將自動(dòng)化技術(shù)細(xì)分為多種類型，即制造系統(tǒng)自動(dòng)化、自動(dòng)化精密加工、自動(dòng)化傳感系統(tǒng)等，而不同類別技術(shù)所表現(xiàn)出的特征也存在較大差異，但始終圍繞四點(diǎn)即智能、安全、高效、經(jīng)濟(jì)[3]。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，可自動(dòng)化監(jiān)控裝置生產(chǎn)、產(chǎn)品運(yùn)行等環(huán)節(jié)，確保制造行業(yè)生產(chǎn)期間能夠得到相應(yīng)技術(shù)參數(shù)的全面控制，當(dāng)檢測到異常時(shí)，可自動(dòng)執(zhí)行報(bào)警、信息處理與保護(hù)工作（圖1）。作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，自動(dòng)化儀器、設(shè)備裝置有著不可忽視的作用，是保障制造設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)，還能從根本上提升設(shè)備整體性能，減少人力運(yùn)維成本，并為工作人員創(chuàng)造良好的工作條件。比如，常應(yīng)用的制造系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)有單機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)控加工機(jī)床技術(shù)等，所列舉的各類技術(shù)均有著獨(dú)特的化學(xué)與物理特性，可特殊處理難以加工的陶瓷、金剛石等物質(zhì)，精細(xì)化到分子或原子單位，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的超精密加工。與此同時(shí)，在精密特殊加工技術(shù)的支撐下，可疊加不同方位的坐標(biāo)方向，打造出三維實(shí)體，在此基礎(chǔ)上，借助三維空間程序?qū)崿F(xiàn)離散、堆積成型。而實(shí)體制造業(yè)則采用三維固體疊加形式，只需在短時(shí)間內(nèi)便能夠達(dá)到技術(shù)成型效果，在這一發(fā)展趨勢下，促使夾層制造、立體蝕刻等多元自動(dòng)化技術(shù)也逐漸被完善。此外，在柔性制造所使用的主機(jī)中，搭建了數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，串聯(lián)起物質(zhì)流與信息流，從而達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)，而這一技術(shù)也逐漸發(fā)展成為現(xiàn)階段制造業(yè)技術(shù)中極具標(biāo)志性的自動(dòng)化技術(shù)的一種[4]。

自動(dòng)化制造技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用，為智能生產(chǎn)方式的進(jìn)一步創(chuàng)新與應(yīng)用提供了更為廣闊的發(fā)展空間。而國家供給側(cè)改革政策的頒布與實(shí)施，為工業(yè)多個(gè)領(lǐng)域如鋼鐵、汽車、紡織等提出更高的創(chuàng)新要求，并在新動(dòng)能轉(zhuǎn)換方面運(yùn)用更為多樣化的制造業(yè)技術(shù)，構(gòu)建出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的制造業(yè)創(chuàng)新平臺。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造彼此間的聯(lián)系較為密切，二者融合的重點(diǎn)為時(shí)刻保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全，基于這一思考，將網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)視為核心、安全當(dāng)作保障，并在工業(yè)智能化技術(shù)的幫助下，為工業(yè)數(shù)據(jù)交換、工業(yè)系統(tǒng)互聯(lián)提供支撐，全過程保障數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)安全。

依托于智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造互聯(lián)網(wǎng)平臺，并將網(wǎng)絡(luò)平臺安全運(yùn)行作為重點(diǎn)，以此加快互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)的融合步伐，推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)朝著生產(chǎn)服務(wù)型有效變革。比如，工業(yè)云平臺的延伸發(fā)展，便可看作在傳統(tǒng)工作平臺上，合理滲入大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)，構(gòu)建出數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)獲取的自動(dòng)化體系，還能執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲、訪問、分析與管理等工作?？茖W(xué)技術(shù)為工業(yè)企業(yè)智能化、生產(chǎn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造有利條件，而在企業(yè)升級過程中，需重視起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的全面建設(shè)，以此大幅增加工業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值。

3 自動(dòng)化系統(tǒng)

3.1 分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

近年來，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常進(jìn)行集中控制，即信息數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)中后，系統(tǒng)便會集中地整理這些信息數(shù)據(jù)，把全部信息數(shù)據(jù)向中央控制室進(jìn)行傳送，再借助中央系統(tǒng)展開計(jì)量，最終借助電纜向不同執(zhí)行現(xiàn)場傳達(dá)具體的指令。伴隨國內(nèi)快速提高的科技發(fā)展水平，我國實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制單元的智能轉(zhuǎn)型，由集中化控制朝著分布式控制的方向不斷變化，這使得系統(tǒng)控制水平大幅提升，推動(dòng)了國內(nèi)工業(yè)智能化、自動(dòng)化系統(tǒng)的快速發(fā)展。

從分布式系統(tǒng)的特征來看，第一，該系統(tǒng)具有較多的組成單元、輸出內(nèi)容與輸入內(nèi)容；第二，該系統(tǒng)具有廣闊的分布范圍；第三，該系統(tǒng)能夠使信息、質(zhì)量、能量彼此聯(lián)通；第四，建立系統(tǒng)模型難度大，存在多種條件制約。從分布式系統(tǒng)的構(gòu)成來看，主要包括變送器、傳感器、PLC以及DCS等。

3.2 CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步中，各國學(xué)者逐漸增加了對CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重視。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以往的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、控制模式發(fā)生了巨大變化，開始滲透到電子、計(jì)算、通信等諸多領(lǐng)域。基于自動(dòng)化技術(shù)，需要將物理系統(tǒng)當(dāng)作基礎(chǔ)來構(gòu)建信息處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開展信息數(shù)據(jù)的優(yōu)化、記錄、收集、傳送等工作，增強(qiáng)系統(tǒng)控制能力。與此同時(shí)，應(yīng)借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對物理系統(tǒng)功能進(jìn)行改善和優(yōu)化，讓CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在環(huán)保和節(jié)能的前提下運(yùn)行。除此之外，應(yīng)增強(qiáng)CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部件、構(gòu)件的自動(dòng)化水平，主要包括控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等，讓該系統(tǒng)運(yùn)行的整體能力得到加強(qiáng)，促進(jìn)我國工業(yè)朝著智能化的方向不斷發(fā)展。

從CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特征來看，第一，信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了充分耦合。其中，各個(gè)時(shí)空粒度會為計(jì)算技術(shù)提供有效的支持，物理對象則會制約通信技術(shù)。第二，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。在系統(tǒng)中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的并存成為可能，這讓QoS需求得到了充分滿足，合理地配置網(wǎng)絡(luò)資源，增加了CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性。第三，信息數(shù)據(jù)量龐大。物理系統(tǒng)和信息技術(shù)相互結(jié)合時(shí)，能夠形成龐大的數(shù)據(jù)信息，從而將有效的科學(xué)依據(jù)提供給CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第四，分布式控制、計(jì)算與感知。運(yùn)行物理系統(tǒng)嵌入設(shè)備時(shí)，能夠出現(xiàn)多域耦合，產(chǎn)生一種控制單一模式，這能夠使系統(tǒng)運(yùn)行需求得到滿足。第五，安全性要求。CSP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在使用過程中需要增加對安全性的重視，確保安全意識貫穿物理設(shè)備、信息技術(shù)的應(yīng)用始終。

3.3 制造和協(xié)調(diào)智能網(wǎng)絡(luò)

研發(fā)工作促進(jìn)了自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步，為工業(yè)制造的智能化奠定了良好的基礎(chǔ)，促進(jìn)了多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化技術(shù)推廣。在我國，智能網(wǎng)絡(luò)制造領(lǐng)域主要包括激光制造、3D打印、網(wǎng)絡(luò)制造協(xié)同、智能機(jī)器人研發(fā)、關(guān)鍵部件制造等。而智能網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域主要有光電子集成、光電子器件、新型網(wǎng)絡(luò)、寬帶通信、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等。

4 自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展前景分析

當(dāng)前，不論是站在理論角度還是基于工業(yè)企業(yè)實(shí)踐視角，展開對智能制造實(shí)現(xiàn)途徑的綜合討論，均會面臨相同的問題，即網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)的連接問題，如果不加以正視與處理，便無法有效解決后續(xù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中存在的問題。未來互聯(lián)類型企業(yè)的發(fā)展主要應(yīng)對的難題是互聯(lián)網(wǎng)中互聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜性特點(diǎn)，對此，要求工業(yè)制造企業(yè)適當(dāng)放棄以往所使用的IT系統(tǒng)、OT系統(tǒng)，合理、全面整合企業(yè)本身所具有的商業(yè)能力、用戶服務(wù)、設(shè)計(jì)能力，以此為依據(jù)，打造出極具復(fù)雜化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的全覆蓋。而工廠生產(chǎn)期間，需有效融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備端到端IP的相互連接，在技術(shù)的支撐下，促使所運(yùn)行的制造系統(tǒng)內(nèi)部含有的數(shù)據(jù)信息彼此間交互協(xié)同，以此擴(kuò)大數(shù)據(jù)涉及范圍面[5]。

依托于IP互聯(lián)，可實(shí)時(shí)、全過程采集、匯總工業(yè)生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的各類數(shù)據(jù)信息，而工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議能夠合理分配現(xiàn)場IP地址，并展開對數(shù)據(jù)信息的全面控制，達(dá)到IP流量貢獻(xiàn)傳送的目的。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用扁平化管理形式，可從根本上減少數(shù)據(jù)傳送層級，為工業(yè)數(shù)據(jù)甚至是IT系統(tǒng)的快速流通開辟新路徑。此外，還需將這一管理方式合理應(yīng)用于傳統(tǒng)現(xiàn)場與車間級、控制級等復(fù)雜分層轉(zhuǎn)變中，實(shí)現(xiàn)對各層級的全方位管控，再借助多元無線技術(shù)，賦予制造工廠信息采集與傳送的基本功能，以保證信息全面性、完整性、可靠性。重視工業(yè)場景無線技術(shù)的合理運(yùn)用，有助于工業(yè)生產(chǎn)期間電磁信道干擾、低功耗、安全可靠性等問題的有效解決。

依托于5G技術(shù)，打造出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，并在技術(shù)以及直觀場景的幫助下，構(gòu)建極具可靠性、大連接、低功耗的無線工業(yè)領(lǐng)域，而為從真正意義上滿足柔性生產(chǎn)的需求，需保證組網(wǎng)的靈活性，并展開網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整。借助相應(yīng)的軟件對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定義，使用SDN新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此打破工廠原有的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)剛性組織的局限，并適應(yīng)智能生產(chǎn)線自組織和敏捷部署的要求[6]。

此外，還需有效融合互聯(lián)網(wǎng)與OT系統(tǒng)，站在網(wǎng)絡(luò)層面加以思考，對工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)展開相應(yīng)的優(yōu)化與維護(hù)，并通過連接互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制OT系統(tǒng)的運(yùn)行情況。比如，部分工業(yè)企業(yè)借助i5平臺遠(yuǎn)程監(jiān)管處于不同地理位置的機(jī)床，從根本上滿足實(shí)施控制與同步實(shí)施控制的基本要求，與此同時(shí)，還結(jié)合企業(yè)技術(shù)與運(yùn)營實(shí)際，打造出極具獨(dú)立性的網(wǎng)絡(luò)平面，達(dá)到定制寬帶、提升服務(wù)質(zhì)量的效果，為企業(yè)創(chuàng)設(shè)獨(dú)立鏈路資源VPN，并構(gòu)建出開放性的網(wǎng)絡(luò)可編程系統(tǒng)，在智能化技術(shù)的支撐下，全方位采集工業(yè)產(chǎn)品相關(guān)參與，基于完善數(shù)據(jù)，構(gòu)建出適合工業(yè)企業(yè)自身發(fā)展與應(yīng)用的新產(chǎn)品服務(wù)模式。在此基礎(chǔ)上，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)服務(wù)更深層次的延伸，為生產(chǎn)各環(huán)節(jié)作業(yè)的預(yù)測性維護(hù)提供可靠信息保障，并做到對工業(yè)產(chǎn)品的全方位監(jiān)測與管控，以此擴(kuò)大、延伸工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值鏈。

5 結(jié)語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造的不斷進(jìn)步，推動(dòng)工業(yè)控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的良性、長遠(yuǎn)發(fā)展，而為使工業(yè)企業(yè)深度融合在一起，就需借助大規(guī)模應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。依托于新技術(shù)，搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新體系平臺，打造出工業(yè)云平臺、工業(yè)大數(shù)據(jù)、自動(dòng)化技術(shù)架構(gòu)，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)制造行業(yè)全面創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型。此外，還需積極落實(shí)自主知識產(chǎn)權(quán)工業(yè)控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)等工作，采取產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的有效融合，發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢與價(jià)值，推動(dòng)我國制造業(yè)朝著新的發(fā)展方向邁進(jìn)。