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1、1 先进自动化技术简介 Moore 和 Denning 曾经这样说过，对工业 4.0 的思考建立在电脑技术的不断发展的基础 上。Moore 在 1965 年曾经预测到在半导体晶片中结构元件数量减少的规则，Robert Denning 在 1974 年则发现了结构参数与速度之间的关系（金属-氧化层-半导体场效应晶体管的标度 理论：0.7=l/k） 。 1.计算能力计算能力 将计算能力有目的地应用到生产领域， 可使复杂的新的生产场景变得可操纵， 正如工 业 4.0 所说的那样，可以改进生产应用本身，也就是改进生产管理和控制，以便用更低的 成本在更短的时间内以更高的精确度和更少的能量消耗完成生产。
2、由于世界人口在不断增加， 生活水平日益提高而造成的资源能源紧缺， 实际上以上的应用是现代生产技术最重要最紧迫 的任务之一。 目前，典型的控制程序的工作周期是 1 毫秒，这被认为已经是很快的速度了，然而具有 3 千兆赫脉冲的重要处理器可以使编程控制技术 （SPS） 在 1 微妙时间内加工 1000 行源代码。 这样的计算能力完全不依赖于所选择的程序语言， 这样一来就不需要讨论哪种程序语言最为 合适（为了完整起见必须提到，C 语言或 C+是被编译为更快的代码，然而它们不能够通过 “在线更改” （Online Change）来进行调试，也即它们的运行时间不能被改变。在这种情况 下，传统的所谓的“快速
3、”工作周期可以从 1 毫秒减少到 100 微秒，在未来甚至可能更低。 如今拥有多个独立的计算核心的中央处理器在实际运用时不可避免地需要在考虑到过 程和数据相容性、 时间相容性的实时要求的前提下， 把核心算法以及输入输出数据分配到各 个计算核心中。 巨大的并且持续增长的计算能力实现了复杂的算法与科学方法的结合， 与生产过程相关 的应用的结合则有可能在单一工程环境中被使用。 这种做法结合了快速和高精确度的控制技 术，直接提高了结果的精度和允许误差范围，同时也大大减少了工程的费用，除此之外，在 单一工程环境中所有与生产相关的应用的相互联系允许新的解决方案， 但是这些解决方案在 窄带的分系统中不起作用
4、。 具有高处理能力的中央处理器在用新的“快速”处理软件时，必须保证它能毫不迟疑， 高同步率地与制造过程相连接。这是为了摆脱和缩短生产过程的基础周期。同样的，机器设 备信号的输入和输出能通过工业网络摆脱软件处理的不稳定性和电报传播的不稳定性。 2.过程通信过程通信 使用高处理能力的最佳方式是用制造过程的过程图像完成快速的数据交换。 在过去的几 年里， 自动化技术领域已经建立了现场总线系统。 生产技术领域内的控制软件在许多情况下 可以进行循环工作。 这些技术可以在标准化计算机中进行简单的运用， 控制软件的使用也变 得更加简单、商业上通用的计算机外围设备可以通过以太网联机，因此，以这种方式对进行 周
5、期性工作的、 通过现场总线与外围设备连接的控制系统进行进一步运用， 而不进行其他的 应用。 现场总线系装通常的工作方式是在一次控制系统循环周期内用交流电报进行系统和输 入/输出端之间的数据交换。在过去尤其是在第一代现场总线系统中控制系统的过程图像被 从控制系统循环传送到总线主接口里， 这个总线主接口有自己的中央处理器和存储器。 过程2 图像随后又被传送到当地现场总线节点的通信循环里进行分解， 这些总线节点在当地的通信 循环中可以读取和复制从输入端接收到的输入过程图像以及输出端的输出过程图像 （图 1） 。 （注：TSC：现场总线的通过时间；TI/O：当地 I/O 的更新时间，当地总线和计算机固
6、件的生产周期。 ） 图 1 第一代现场总线的反应流程 站在今天的角度来看， 在传统的第一代现场总线控制系统中， 控制系统与现场总线系统 的周期时间以及控制系统对输入信号的反应时间有着本质上的区别： 系统的反应时间一共持 续 35 个控制周期。反应时间过长会导致在控制系统中央处理器及其过程图像，以及那些 现场总线或当地总线节点的过程图像中的数据传送不同步。 控制系统的三个层面 （中央处理 器、主接口、当地节点）经常在通信过程中有着自己的且相互不同步的程序数据循环。因此 要对在节点的记录任务里的现场总线电报进行加工。 首先必须收到一封完整的电报， 在回答 和发出回信之前先用软件分析这个电报。 要尽
7、可能好地利用不断提高的处理能力来实现自动化目标， 那一个没有信息缓冲 （甚至 是同步进行）和带有更理想的网络带宽(Bandbreite)的现场总线连接是一个理想的选择。以 太网控制自动化技术是一个现场总线系统， 它坚定地执行高级网络带宽和普遍的同步性原则。 除了普遍的同步性，现场总线电报会在没有延迟或缓存的情况下被加工：类似的规定（循环 控制，每一个控制周期就有一个现场总线周期）在其他的控制系统中也可以找到，这些系统 拥有一个反应时间为两个控制周期的以太网控制自动化技术(见图 2)。 3 图 2 现场总线系统反应流程 现代的中央处理器在处理计算任务时还需要额外增加一些时间来管理内部资源， 比如
8、管 理缓存，代码，内部数据总线，图像单位等。现场总线的电报在控制系统循环的最后并不一 定会被传输， 传送数据内容也不一定会受到评估。 所以在这种信号的接受依赖于控制系统循 环过程的开始或结束以及电报是否到达的系统里， 从输入和输出端口接收和输出信号具有一 定的波动性。 这种波动幅度可能会使扫描时间略有改变， 而这种改变在数字调整器中会对参 数范围造成很大影响是。 比较有利的一点是， 在特定的时间里输入和输出信号可以不受控制系统循环和通信循环 波动的影响。这样还有另外一个好处，就是当没有通信事故时，信号能够被接收和发出。 如果把两个控制系统周期的反应时间作为通常的反应时间， 并把这个反应时间用于
9、信号 输出上，那么就有可能产生特殊的副作用，即控制系统的抽样方差将完全被消除。 首先，用于接收端接收数据的触发器（锁存器，数字模拟器）不是由电报而是由现场设 备的同步时间基数启动，或者不断通过触发行为，比如不断增长的信号侧面启动，并执行时 间标志上的信号。 第一个电报在几微秒之后将已经完成转化的数字化的输入端数值和时间坐 标传送到中央处理器。中央处理器通过算法加工处数据，第二个电报在 50 微妙的计算时间 之后把加工结果通过输出端传输到目标设备， 目标设备将对接收到的输出端信息进行转化并 立刻或者在预先设定的输出时间内发出。 以这种方式把控制系统的最佳反应时间降到了不足 100 微妙， 而且能
10、在计划的 200 毫秒 内为任意一个输入端信号制造出一个同步的输出端信号。 3.自动化技术的新阶层自动化技术的新阶层 通过先进的通信技术， 多核标准中央处理器的处理能力能够在不受资源和现场总线电报 传输延迟的影响下以最快的方式实现和生产流程的连接。 在时间上， 通过采取控制系统信号 输入/输出的去耦合装置战略，以及不断发展高处理能力的控制系统，为使传统自动化技术 下的机械制造质量有显著提高。这样一来，产品的允许误差减小，生产过程的能源和资源消 耗量也相应减少。 通过使用自动化技术， 使生产质量和速度达到新的高度， 是未来自动化系统的焦点所在， 伴随着信息技术性能方面的推动力持续发展， 可以通过
11、创新自动化技术在质量， 能量能源消 耗方面改进设备，而不是发展次要的优势，如灵活化制造和快速工艺。 对于简单的生产来说，高处理能力自动化的一个优势，就是节省时间：控制系统的更快 速反应时间缩短了机器从一个生产步骤到下一个生产步骤的等待时间， 为此， 控制系统能够 检测到上一个生产步骤结束的信息和通过设置一个新的输出数值来引导下一个生产步骤。 在未来，测量技术，状态监测，预防性维护，视觉，仿真，建模以及许多生产技术的其 他特殊过程会在高处理能力的控制系统中被处理， 这些生产过程如今大部分在生产环境中的 附加系统中实现，并且还需要花费很高的费用去实现它们与自动化系统的融合。 此外，组织生产的新任务是在信息物理系统中运用生产智能联动装置，结合加工，存储 以及生产过程中的每个单一组件的数据通信等，这是需进一步讨论的问题。
