成立于1945年的美國的ISA學(xué)會(以前稱為美國儀表學(xué)會，后來改名為國際自動化學(xué)會，簡稱都是ISA)正在開展慶祝成立75周年的各種活動。其中有一項是回顧75年來工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展。
Automation.com的主編Bill Lydon撰文列舉了20項對自動化發(fā)展堪稱里程碑的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明，其中有半導(dǎo)體和摩爾定律、可編程邏輯控制器PLC、分布式控制系統(tǒng)(DCS)架構(gòu)、個人計算機(PC)、人機界面(HMI)、微軟的Windows操作系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫、開放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、ISA-88批量控制標準、ISA-95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標準、IEEE 802.15.4無線短程網(wǎng)規(guī)范促進無線傳感器的發(fā)展、機器視覺和圖像識別、ISA-95 企業(yè)控制系統(tǒng)集成標準B2MML、電子游戲技術(shù)、OPC UA、機器學(xué)習(xí)、工業(yè)4.0創(chuàng)議、數(shù)字孿生、云和邊緣計算，以及協(xié)作機器人。
與此同時還遴選了20個75年來對自動化的發(fā)展起了舉足輕重作用，堪稱自動化巨頭的人物，對他們的貢獻作了簡述。他們是：晶體管發(fā)明家Walter Brattain 和William Shockley；微處理器創(chuàng)新者Federico Faggin；氣-液相色譜分析技術(shù)發(fā)明人A.T. James和 J.P. Martin；PLC之父Dick(Richard) Morley；自適應(yīng)控制之父Karl Astrom,；流程建模的先行者、AspenTech的創(chuàng)建人Larry Evans；Wonderware的創(chuàng)始人 Dennis Morin；工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫之父Patrick Kennedy；Tom Fisher，ISA-88的倡導(dǎo)者；Lynn Craig，ISA-88的倡導(dǎo)者、并深度介入ISA-88和ISA-95；Dennis Brandl，ISA-95的倡導(dǎo)者；IBM PC的實驗室主任BillLowe，對IBM PC問世起了巨大作用；工業(yè)通信協(xié)議的先驅(qū)John Berra，他是三個制造通信協(xié)議HART、FF和OPC的主要開發(fā)者，Emerson Process Management的總裁和Emerson執(zhí)行副總裁；Charlie Cutler，他對先進過程控制APC進行再定義，成功開發(fā)商品化的多變量控制器，動態(tài)矩陣控制Dynamic Matrix Control(DMC)和實時優(yōu)化Real-time Optimization(RTO)；Odo Struger，他是PLC的命名者，同時在IEC 61131-3PLC編程語言標準編制過程中擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色；Ed Hurd 為商品化DCS的誕生發(fā)揮巨大作用，功不可沒。這里這里略去幾個ISA的創(chuàng)建者和組織者。
下面簡述這些堪稱里程碑的自動化技術(shù)。
◆半導(dǎo)體和摩爾定律
從大型計算機到嵌入控制器和傳感器內(nèi)的處理器，如此巨大的計算技術(shù)的進展，全都植根于晶體管的發(fā)明。在1947年，貝爾實驗室的John Bardeen和Walter Brattain因此為人類的科學(xué)技術(shù)進步做出了史無前例的貢獻。無可辯駁的是，晶體管的發(fā)明是集成電路和微處理器開發(fā)成功的基礎(chǔ)。 甚至今天運算能力最強的處理器芯片也是按其中封裝了多少晶體管的數(shù)量來測度的。
一直到1953年才有商品化的第一個低價的小信號PNP結(jié)鍺晶體管問世，型號是CK722，每只價格7.6美元。到1954年Texas Instruments 和另外一家公司合作開發(fā)了第一臺商品化的晶體管收音機Regency TR-1，那時標價為$49.95美元 (大約相當(dāng)于2019年的$476)。
采用晶體管的工業(yè)用電子控制器大約在1950年誕生，此前氣動控制器從上世紀的20和30年代開始應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，幾十年一直這樣在用著，直到晶體管出現(xiàn)后才發(fā)生很大的變化。
固態(tài)電子器件的成本實際上就是以低成本呈現(xiàn)更多功能和更多應(yīng)用的歷史。這可以用經(jīng)過時間檢驗的摩爾定律予以表達。仙童半導(dǎo)體的聯(lián)合創(chuàng)始人和曾任Intel CEO的Gordon Moore，在1965年的論文中首次定義集成電路中元件的數(shù)量每年要翻一番，而且這一增長率將延續(xù)到下一個十年。摩爾定律連續(xù)地推動計算技術(shù)的發(fā)展，這些被商用設(shè)備和工業(yè)設(shè)備的復(fù)雜和小型化所證實。由于高性能的電子器件和處理器的不斷進展，使得更小的體積和更低的價格成為可能，這才造就了物聯(lián)網(wǎng)IoT得以實現(xiàn)和普遍應(yīng)用。
◆可編程邏輯控制器PLC
1970年誕生的第一臺PLC在通用汽車GM投用，對金屬切割、鉆孔、材料處理和裝配等環(huán)節(jié)進行控制。世界上首次推出的PLC的成功表現(xiàn)為兩個方面：一是用計算機來解析過去用繼電器實現(xiàn)的邏輯控制；二是采用梯形圖邏輯編程，使原來的電氣工程技術(shù)人員能在自己原有的技術(shù)基礎(chǔ)上采用計算機編程。
在PLC出現(xiàn)之前需要用大量的繼電器組成控制系統(tǒng)，既占據(jù)很大的空間，其可靠性又依賴于機電繼電器的可靠程度；一旦要對控制系統(tǒng)重新配置，不得不耗費許多時間重新接線。當(dāng)時Richard Morley是Bedford公司的工程師，他率先創(chuàng)立了最初的設(shè)計，然后與他的團隊研制了工廠自動化和和連續(xù)處理應(yīng)用的固態(tài)的順序邏輯解算器，這是第一臺實際可運用的可編程邏輯控制器，被命名為Modicon 084，因為這是Bedford公司第84個項目。1969年11月在得知GM公司的要求后，他們向公司的液壓部門展示了Modicon 084，獲得GM的青睞。
梯形圖邏輯編程極受電氣工程技術(shù)人員歡迎，其優(yōu)點是不言而喻的。
這種由Bedford公司開發(fā)的梯形圖邏輯編程中相關(guān)的符號，來源于電氣工程中描述順序操作功能，這使廣大的電氣工程師和電工能以非常容易理解的方式對計算機進行編程。其發(fā)明人Morley在《Manufacturing System》1992年4月刊撰寫題為“梯形圖邏輯正在逐漸衰弱嗎？”論文中指出：“梯形圖邏輯作為一種控制語言第一次用在硅器件搭建的控制器上，大約在1969年，在Bedford Associates公司。為了支持這個控制語言構(gòu)建了由三個部分組成的硬件平臺，即一臺雙端口的存儲器、一臺邏輯解算器和一臺通用計算機。早期在Modicon公司我們用了退化形式的梯形圖表達。這個語言最大的優(yōu)點能被世界上所有從業(yè)的電氣工程人員理解。之后梯形圖擴展為多個節(jié)點，還附加了一些功能。梯形圖邏輯的功能性和PLC的適用性迅速在所有的工業(yè)中大量采用。”
PLC在控制工業(yè)中廣泛運用，關(guān)鍵在于它對系統(tǒng)進行編程的能力。電磁繼電器構(gòu)成的控制盤不具備同等的能力，一旦控制方案改變，必須對繼電器盤重新接線。而PLC面對控制方案的改變既方便又快速，同時體積也小許多。
在2007年ISA展會上有一個主題為《標準化會扼殺創(chuàng)新嗎？》的圓桌會議上，許多自動化系統(tǒng)的供應(yīng)商都抵制具有互操作性的開放系統(tǒng)。對應(yīng)當(dāng)時會上的抵制，Morley發(fā)聲問道：什么工業(yè)需要開放系統(tǒng)？難道我們要放棄追求，重回以前專用的老路嗎？這振聾發(fā)聵的問話扭轉(zhuǎn)了會上的氣氛?，F(xiàn)在13年過去了，開放系統(tǒng)正在變?yōu)楝F(xiàn)實。Morley作為ISA持有這種前向思維的自動化行業(yè)的輿論家和思想家，對推動工業(yè)自動化的發(fā)展起了巨大的作用。這一情節(jié)來自當(dāng)時參加會議的一個年青工程師深情的回憶。
◆分布式控制系統(tǒng)(DCS)的架構(gòu)
1975年Honeywell TDC 2000問世，開創(chuàng)了商品化DCS的歷程。這是世界第一臺采用微處理器執(zhí)行流程直接數(shù)字控制的裝置，而且作為一個核心組成部分參與了整個系統(tǒng)的配置。在分布式控制器、工作站和其它計算部件之間用數(shù)字通信構(gòu)成一個完整系統(tǒng)的架構(gòu)，這在當(dāng)時確實是革命性的創(chuàng)舉。在TDC 2000之前，基于計算機的流程控制系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集和報警系統(tǒng)，而控制則由氣動回路控制器和獨立的電子PID控制器承當(dāng)。
在70年代的中期日本橫河公司也將稱為Centum的分布式系統(tǒng)投入市場。橫河的Centum和Honeywell的TDC 2000都采用用小型監(jiān)控計算機執(zhí)行對若干個基于微處理器的多回路控制器進行監(jiān)控的概念，而操作站采用按鈕和陰極射線管CRT的顯示器，替代以前的顯示報警盤(annunciator panel)?？刂破髦g的相互連接通過數(shù)據(jù)高速通道(data highway)傳輸來自不同節(jié)點和工作站的數(shù)據(jù)信息。
高速通道或總線作為信號的通道，使控制器可以盡可能地靠近流程和裝置，使控制回路更緊湊，還降低了接線成本。
商品化的DCS的誕生，建立在從上世紀60年代開始的運用計算機技術(shù)對流程工業(yè)進行數(shù)字控制的探索的基礎(chǔ)上。那時主要是采用直接數(shù)字控制的概念，用小型計算機嘗試進行多回路的PID控制。之后開始考慮下一代的控制系統(tǒng)的綜合，也就是設(shè)計其架構(gòu)。當(dāng)時在Honeywell的工業(yè)自動化和控制部門工作的Ed.Hurd接受了第72號任務(wù)，擔(dān)任架構(gòu)設(shè)計，兩年之后這一團隊導(dǎo)致了了TDC 2000成功推出。美國工業(yè)自動化界認為Hurd在促成DCS的架構(gòu)上功不可沒。1976年在美國休斯敦的ISA展會上第一次展出了前所未有的DCS架構(gòu)的產(chǎn)品。TDC 2000一經(jīng)面世就大受歡迎，在5年內(nèi)Honeywell的工業(yè)自動化和控制部門的產(chǎn)值由500萬美元發(fā)展到5億美元，翻了100倍。
此時在大洋彼岸的中國掀起了翻天覆地的變化，開始了改革開放的步伐。在1980年上海的第一屆多國儀器儀表展覽會上TDC 2000現(xiàn)身，引起無數(shù)中國的工業(yè)自動化從業(yè)者一片驚嘆聲。展覽會后這一臺展品被上海煉油廠買下，由上海工業(yè)自動化儀表研究所和上海煉油廠技術(shù)人員組成的團隊，成功將這臺DCS裝置運用到石油催化裂化工段，成為國內(nèi)流程工業(yè)運用DCS的第一個里程碑。
◆人機界面(HMI)
人機界面的發(fā)展始于1975年Honeywell的TDC 2000誕生之時，從那時起操作員控制臺的發(fā)展步伐發(fā)生了顯著的改變。在流程工業(yè)中人機界面邁入了基于CRT顯示器的時代，操作人員可以在屏幕上讀取有關(guān)的流程變量，觀察變量隨時間的變化曲線，還允許他們發(fā)展一種圖像識別的方法來分析當(dāng)前的操作運行狀態(tài)。不過那時的操作員控制臺是專用的，價格不菲。直到1985年以后，隨著個人計算機和DOS操作系統(tǒng)的逐漸普及，出現(xiàn)了第三方的圖形圖像軟件，涌現(xiàn)了一些以開發(fā)圖形顯示的新公司，其中包括Intellution、Iconics和USDATA。1987年Wonderware公司推出了世界第一個基于微軟Windows的HMI軟件包InTouch，增加了一些附加的性能和對IT技術(shù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開放接口。這可以說是人機界面的第三個里程碑。
Dennis Morin在1987年創(chuàng)建Wonderware公司，主導(dǎo)開發(fā)在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下的人機界面軟件InTouch，目標是讓操作人員能夠方便而有效率地監(jiān)控操作過程。這一產(chǎn)品的推出標志著微軟的工業(yè)軟件革命，為第三方的開發(fā)者開啟了工業(yè)和流程控制系統(tǒng)的架構(gòu)的轉(zhuǎn)向。在2003年InTouch雜志將Morin列為工業(yè)自動化的發(fā)展歷史上最有影響的50人中的一員。據(jù)他回憶，開發(fā)這種類型的軟件的靈感來自一個1980年早期的視頻游戲，游戲中允許玩家可用數(shù)字方法構(gòu)建彈子游戲。
◆微軟的Windows
1985年問世的微軟Windows操作系統(tǒng)對工業(yè)自動化產(chǎn)生意義深遠的影響。Wonderware首創(chuàng)將InTouch軟件運行在Windows操作系統(tǒng)的環(huán)境下，引領(lǐng)了所有的工業(yè)自動化供應(yīng)商，隨后都一致的采用了這一人機界面的解決方案。甚至在發(fā)展的初期，流程工業(yè)并不看好這一方案，認為并不適合流程工業(yè)的要求，但這一趨勢還是以優(yōu)秀的性價比淘汰了DCS原有的專用操作員控制臺。
國內(nèi)在90年代前后在當(dāng)時的機械部儀表局籌措下，花大力氣自主開發(fā)國內(nèi)的大型DCS，恰好處在這一人機界面的轉(zhuǎn)型期，這對此后DCS的開發(fā)產(chǎn)生重大影響。由于沒能抓住技術(shù)發(fā)展趨勢，仍然抱著專用操作員控制臺不放，最后沒能取得完整的成果。這不能不說是相當(dāng)大的遺憾。由此反證了Windows操作系統(tǒng)對工業(yè)自動化的深遠影響。
Windows操作系統(tǒng)豐富的操作環(huán)境造就了大量的開發(fā)者在很寬泛的應(yīng)用范圍中開發(fā)了大量的軟件，包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析、先進控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、批量過程管理、制造跟蹤，以及歷史數(shù)據(jù)庫等等。
為了制造和生產(chǎn)取得更統(tǒng)一協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)，Windows操作系統(tǒng)在實時工廠運營與IT和業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間架起了溝通的橋梁。這一平臺允許使用者運用標準的IT工具來提升分析制造數(shù)據(jù)，并使業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以無縫地共享生產(chǎn)制造的信息。Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)OPC提供了平臺，顯著簡化了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備界面的驅(qū)動程序。
◆歷史數(shù)據(jù)庫
按時間序列存放歷史數(shù)據(jù)在科學(xué)和工程上取得了大量有價值的應(yīng)用，隨著歷史數(shù)據(jù)庫在PC機上也能付諸使用，促使這類數(shù)據(jù)庫在控制和自動化領(lǐng)域廣泛運用。OSIsoft原來是一個石油系統(tǒng)的公司，它推出了工廠信息系統(tǒng)，這就是大名鼎鼎簡稱PI的歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
Patrick Kennedy在1980年創(chuàng)建這個公司，稱他為歷史數(shù)據(jù)庫之父也不為過。如今歷史數(shù)據(jù)庫在許多類型的制造業(yè)和流程工業(yè)成為一種改善生產(chǎn)率、提高效率和收益的重要工具。自動化工程師、運行操作人員和業(yè)務(wù)人員以許多不同的應(yīng)用方式使用歷史數(shù)據(jù)庫。立于隨時間對連續(xù)數(shù)值的變化進行分析，并對過程控制加以改善的基本原理，如今歷史數(shù)據(jù)庫已經(jīng)嵌入到控制器中以及云端的服務(wù)器中。
Kennedy是一個專業(yè)的化工控制系統(tǒng)的注冊工程師，享有連續(xù)重整催化控制系統(tǒng)的專利。多年的現(xiàn)場經(jīng)驗使他深刻認識到，流程變量的歷史數(shù)據(jù)分析工具對改善流程的操作運行和提高收得率、降低原材料和能源的消耗有著重要的作用，萌發(fā)了開發(fā)歷史數(shù)據(jù)庫的靈感。多年的堅持使他終于獲得巨大成功。
◆開放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)
將傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行器連接在一起的開放型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，大大簡化了控制和自動化的應(yīng)用。這標志著由不同供應(yīng)商提供的設(shè)備和傳感器可以通過公用的通信接口構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)時代的開始。隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進步，開放工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)也可以采用商業(yè)化技術(shù)，徹底擺脫了沿著專有化的道路緩慢前行。
從1979年開始Modbus首次打破堅冰，在RS485標準的基礎(chǔ)上提升通信能力，將多個制造商的設(shè)備連成多播網(wǎng)絡(luò)。標準定義了用于多點串行通信系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的電特性，使得各種設(shè)備諸如PLC、傳感器、儀表、PID控制器、電機驅(qū)動器和其它相關(guān)的設(shè)備都可以連接起來。直到今日Modbus仍在離散制造業(yè)、流程工業(yè)中有一定的應(yīng)用。
從1980年到1990年出現(xiàn)了一系列的現(xiàn)場總線標準，主要有DeviceNet、Profibus、SERCOS、ASi(執(zhí)行器傳感器接口)、FF(基金會現(xiàn)場總線)和HART(高速通信可尋址遠程傳感器)等。HART通信協(xié)議是其中唯一的在數(shù)字信號上疊加了模擬信號4-20mA的數(shù)字、模擬混合的協(xié)議，其最著名的特點就是在一對雙絞線的傳輸線上共享了儀表的電流回路和數(shù)字通信信號。
在開發(fā)開放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的過程中不得不提到Emerson的執(zhí)行副總裁John Berra，他在2002年獲得ISA頒發(fā)的終生成就獎，以表彰他長期專注儀表、系統(tǒng)和自動化社群，并作出重要貢獻。他在開發(fā)三個重要的工業(yè)制造通信協(xié)議HART、FF和OPC中發(fā)揮了很大作用。
無線短程網(wǎng)標準IEEE802.15.4開啟了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
IEEE 802.15.4 低數(shù)據(jù)率無線短程網(wǎng)(low-rate wireless personal area networks ，LR-WPANs)標準和隨后開發(fā)的商用芯片，成為包括ISA 100a 和WirelessHART 在內(nèi)的工業(yè)無線傳感器的標準。IEEE 802.15.4是定義LR-WPAN操作運行的技術(shù)標準。2003年IEEE 802.15工作組開發(fā)了這一標準，并持續(xù)對不住進行維護。
ISA 100.11a (IEC 62734)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準由ISA所開發(fā)，重點是針對流程控制和相關(guān)應(yīng)用的工業(yè)自動化無線系統(tǒng)，即用于現(xiàn)場級的設(shè)備，2009年ISA自動化標準符合研究所成立了ISA 100無線符合研究部門，擁有“ISA 100符合”認證體系，為確?；贗SA 100產(chǎn)品真正符合標準，這是一個獨立的第三方的測試機構(gòu)。WirelessHART(IEC 62591)是基于HART的無線傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專為流程工業(yè)的現(xiàn)場設(shè)備的要求所定義。WirelessHART的一個目標是與現(xiàn)有的與HART兼容的系統(tǒng)和組態(tài)工具反向兼容，以達到將新的無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)存的HART儀表集成的目的。
由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所為主開發(fā)的WIA-PA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已被批準為中國國家標準(GB/T26790.1-2011)和IEC國際標準(IEC 62601)。比較遺憾的是產(chǎn)業(yè)推廣不夠，應(yīng)用面還不夠廣。
◆機器視覺和圖像識別
隨著價格的下降，加之得益于軟件技術(shù)(尤其是圖像識別)的進展而功能和性能更加完善，促使機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用一直在增長。恰當(dāng)組態(tài)和編程的視覺系統(tǒng)消除了人工的誤差、提高了生產(chǎn)能力、質(zhì)量和效益。視覺系統(tǒng)變得具有高度智能，同時在控制自動化系統(tǒng)中靈活應(yīng)用傳感器，擴大了實時控制的輸入范圍。視覺系統(tǒng)已應(yīng)用于質(zhì)量檢查、零件識別、機器人制導(dǎo)、工件輸送流動的機器控制等等。
剛開始應(yīng)用時，常常是將一臺PC機與攝像頭相連接，由PC機完成圖像識別。如今都是將一臺采用IEC61131-3標準編程的PLC和一臺具有圖像識別功能的機器視覺攝像頭集成，并直接裝在機械設(shè)備上。這都是因為計算機SoC芯片和小型化的視頻攝像芯片的急劇發(fā)展的結(jié)果。
◆ISA-88批量控制標準
ISA-88系列標準是專門針對廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)中的批量控制系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)范，在全世界持續(xù)地采用的結(jié)果證明，標準對提高生產(chǎn)率發(fā)揮了顯著的作用。ISA-88著重于實現(xiàn)批量過程控制的設(shè)計策略，描述設(shè)備和步驟可用于軟件的實現(xiàn)和手動的處理。系列標準的第一個標準在1995年被ISA所批準，而后在997年被IEC以IEC61512-1的編號采納。
ISA-88位批量控制提供了一致性的系列標準和名詞術(shù)語，定義了物理模型、規(guī)程和配方。標準針對廣泛的需求，包括建立批量控制的通用模型、在通信發(fā)生困難時如何表達用戶要求的常用措施、批量自動化供應(yīng)商之間的集成，以及簡化批量控制的配置。如今ISA-88已經(jīng)成為溝通批量生產(chǎn)從產(chǎn)線、車間到企業(yè)管理系統(tǒng)一切所有方面的工具性的手段。
Tom Fisher長期在批量控制的企業(yè)擔(dān)任過程工程師，積累了豐富的批量控制和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的經(jīng)驗。是他創(chuàng)建ISA-88專委會，為批量生產(chǎn)的標準化制定了開發(fā)的目標、方法和路線圖。他還是IEC的SC65A的批量控制工作組的領(lǐng)導(dǎo)人，世界批量論壇(World Batch Focus)的主席。他培養(yǎng)了一代批量過程控制的工程師。
深度介入ISA-88和ISA-95的還有Lynn Craig，為此做出了重大貢獻。他同樣也是長期在流程自動化現(xiàn)場和批量控制現(xiàn)場積累了豐富經(jīng)驗的過程工程師，還有極高的系統(tǒng)思維素養(yǎng)。
◆ISA-95控制系統(tǒng)集成
企業(yè)控制系統(tǒng)集成標準闡述了從傳感器到企業(yè)管理系統(tǒng)之間的接口內(nèi)容，目前在全世界被廣泛采用。工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0中有一個維度就采用了ISA-95的分層結(jié)構(gòu)。ISA-95增進了接口名詞術(shù)語的統(tǒng)一和一致性，減少了在將這些界面付諸實踐時可能帶來的風(fēng)險，降低了成本和出錯因素。標準還有助于減少新產(chǎn)品投入生產(chǎn)時所花費的工作量。這個標準還提供了一致性的名詞術(shù)語和對象模型，這對于供應(yīng)商和制造商之間的交流和通信是基礎(chǔ)性的。由于有助于定義企業(yè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的邊界，ISA-95 模型清晰闡明了應(yīng)用程序的功能性以及如何來使用這些信息。
在美國，ISA-95又被稱為ANSI/ISA-95，這是因為美國的國家標準研究院在1976年就認定ISA為美國國家標準的一個制定單位。IEC采納ISA-95為國際工業(yè)標準，編號為IEC62264。
◆ISA-95企業(yè)-控制系統(tǒng)集成標準B2MML
繼ISA-95在全球范圍內(nèi)被很大范圍內(nèi)的工業(yè)行業(yè)所接受，最新的發(fā)展是業(yè)務(wù)至制造的標記語言(Business to Manufacturing Markup Language,B2MML)建立了企業(yè)計算、云計算、IoT和工業(yè)4.0的兼容性。通過提供名詞術(shù)語和目標模型的一致性，以及IT與OT的溝通，B2MML進一步提升了ISA-95的附加價值。B2MML用XML模式的標準集合來表達ISA-95(IEC/ISO 62264)的數(shù)據(jù)模型，用3W的XML模式語言(XSD)編制XML模式的標準集合。
B2MML是ISA-95和IEC62264標準的XML的開源實現(xiàn)。MESA(制造企業(yè)解決方案聯(lián)盟)把B2MML用作事實上的接口標準，來交換ISA-95所定義的內(nèi)容。B2MML還與OPC UA合作，用其作為框架為制造企業(yè)提供信息安全和可靠的架構(gòu)。
◆電子游戲技術(shù)
游戲機產(chǎn)業(yè)正在推動計算技術(shù)的外部包裝，這也是工業(yè)自動化應(yīng)用青睞的一個優(yōu)點。原來為了發(fā)展視頻游戲的產(chǎn)業(yè)，目前正在影響著云計算、人工智能、數(shù)據(jù)科學(xué)，以及自動駕駛的運載工具。龐大的游戲機行產(chǎn)業(yè)的體量在2018年超過了1250億美元，這使得其在技術(shù)性能大幅提升的同時還能顯著地降成本下降。視頻游戲工業(yè)的硬件和軟件正在越來越多地引導(dǎo)著工業(yè)自動化的技術(shù)和業(yè)務(wù)用例。尤其是虛擬現(xiàn)實平臺和用戶界面正在以創(chuàng)造性的方式被引入工業(yè)自動化，例如虛擬現(xiàn)實眼鏡。
工業(yè)和流程自動化工業(yè)積極采納商用技術(shù)提高自身的應(yīng)用水平，已經(jīng)有許多年頭了，這一主流的趨向為實際的應(yīng)用創(chuàng)造了巨大的價值。增強現(xiàn)實AR正加速進入日常生活，被用于從移動游戲到重工業(yè)等方方面面。這些創(chuàng)新的技術(shù)可在項目的每一個階段都起到支持輔助的作用，包括從設(shè)計、虛擬調(diào)試、生產(chǎn)裝置的開車啟動、故障定位和排除，以及質(zhì)量控制。下面列舉一些應(yīng)用這些技術(shù)獲得一定收益的例子：
①機器和過程的仿真，包括虛擬調(diào)試、在安裝實際設(shè)備之前發(fā)現(xiàn)問題和瓶頸等等，都能夠做到節(jié)省金錢和時間。
②智能眼鏡具有立即查看手冊、操作指令視頻和其它有關(guān)的材料，這有助于現(xiàn)場排除故障的工作人員查找問題。通過通信工具與處在遠程的專家聯(lián)系，取得他們的指導(dǎo)幫助。這對改善生產(chǎn)的正常進行有重要價值。
③培訓(xùn)仿真器為剛?cè)肼毜难b置操作人員提供高效學(xué)習(xí)的手段。例如有許多的報道描述為被培訓(xùn)的人員創(chuàng)建一種石化工廠的環(huán)境，并給予他們的一些挑戰(zhàn)性問題，使他們了解如何應(yīng)對具有危險性的突發(fā)事件，并進行正確的操作。
◆OPC UA
采用面向服務(wù)架構(gòu)(SoA)的OPC UA為工業(yè)自動化與最新的計算和IoT技術(shù)架設(shè)了溝通的橋梁。建立在面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)之上，使它提供的高質(zhì)量而且前后相關(guān)、上下相關(guān)的數(shù)據(jù)。OPC UA是一種統(tǒng)一的技術(shù)，OPC基金會的成員涵蓋自動化、PLC、DCS、傳感器、工業(yè)軟件、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)以及云服務(wù)有關(guān)的組織和單位。目前它已成為IT和OT集成融合的一種關(guān)鍵技術(shù)。
OPC UA可用于任何一種操作系統(tǒng)，包括Windows、Linux、實時操作系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)。與現(xiàn)代的軟件實踐保持一致，OPC UA已處于開源狀態(tài)，通過開源托管網(wǎng)站GitHub可供公眾使用。
OPC UA正在成為一種統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，為來自許多工業(yè)自動化專業(yè)的數(shù)據(jù)和信息進行高效率且效果良好的通信和交換。OPC基金會與不同的標準化組織共同努力建立了許多標準化的信息模型，這就是所謂的伙伴規(guī)范，或者叫做配套規(guī)范，從而達到從傳感器到企業(yè)的互操作性，而無需經(jīng)過軟件層面對完全不同的或異構(gòu)的系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)譯和規(guī)范化。
◆機器學(xué)習(xí)
機器學(xué)習(xí)(ML)是人工智能一個分支，建立在系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的概念之上，通過數(shù)據(jù)進行圖像識別，或以最小的人工干預(yù)進行決策。機器學(xué)習(xí)正在加速應(yīng)用于高性能低成本的硬件、低成本的數(shù)據(jù)采集、開源框架的大型程序庫和軟件模塊等方面，通過這些應(yīng)用使機器學(xué)習(xí)在很大的范圍內(nèi)獲得推廣應(yīng)用。ML運用算法和統(tǒng)計模型來分析和預(yù)測未來的性能，無需為執(zhí)行任務(wù)專門按要求明確的編程。
機器學(xué)習(xí)的迭代體很重要，因為一旦新的數(shù)據(jù)輸入模型，就會自動從先前的計算中去適應(yīng)和學(xué)習(xí)，產(chǎn)生可靠、可重復(fù)的決策和結(jié)果?，F(xiàn)今對大數(shù)據(jù)自動應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算重復(fù)進行高性能、低成本的計算，正在推動ML的應(yīng)用，例如：汽車的自動駕駛、馬遜(Amazon)和Netflix在線推薦、欺詐檢測。
過去機器學(xué)習(xí)的應(yīng)用必須從頭構(gòu)建，現(xiàn)在最新的解決方案可在公共開源的框架內(nèi)實現(xiàn)(例如TensorFlow、PyTorch、Sclikit-learn)，這樣使之可能快速地建立應(yīng)用。
運用機器學(xué)習(xí)的預(yù)測維護通過消除可能產(chǎn)生重大隱患的非計劃事件，避免造成生產(chǎn)線的停車事故，達到保證長時間無故障的運轉(zhuǎn)。采用監(jiān)控設(shè)備和標準檢查模型和規(guī)則系統(tǒng)(benchmarking against models and rules system)可預(yù)測問題，同時提醒維護人員在發(fā)生一連串問題造成大的故障之前進行修復(fù)維護。另外在設(shè)備若干特定的部位加裝嵌入微處理器的傳感器，用來分析即將發(fā)生的問題，并發(fā)出需要加緊維護的報警信號。為了改善機器和過程的性能，機器學(xué)習(xí)也可以在閉環(huán)自動化控制中的策略環(huán)節(jié)運用。
◆工業(yè)4.0的倡議
工業(yè)4.0的重點在于應(yīng)用一系列的新技術(shù)建立高效的自行管理的生產(chǎn)過程，通過運用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IoT和開放的軟件和通信標準，將傳感器、控制器、人、機器、設(shè)備、物流系統(tǒng)以及產(chǎn)品統(tǒng)統(tǒng)實現(xiàn)直接通信和協(xié)同。德國的工業(yè)4.0的遠景規(guī)劃的思想對全世界長生了很大的影響，成為其他國家規(guī)劃工業(yè)長遠發(fā)展的樣板和參照模型。這其中包括“中國制造2025”、日本的“工業(yè)價值鏈倡議”、印度制造和美國的智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟SMLC(Smart Manufacturing Leadership Coalition)。
工業(yè)4.0的核心理念是自動化系統(tǒng)必須采用開源的、由多個供應(yīng)商提供、具有互操作性的軟件應(yīng)用和通信標準，類似于在計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信已經(jīng)采用的理念。工業(yè)4.0表述中所確認的現(xiàn)有的工業(yè)標準包括ISA-88批量制造標準、ISA-95企業(yè)和控制系統(tǒng)集成標準、OPC UA、IEC61131-3，以及PLCopen國際組織的相關(guān)規(guī)范。
工業(yè)4.0最初是作為德國在2006年建立的德國10點高技術(shù)策略計劃中的一部分。2010年7月14日德國的內(nèi)閣決定通過引入高技術(shù)策略2020規(guī)劃繼續(xù)這一策略，著重于選擇具有前瞻性的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制定10到15年的研究創(chuàng)新策略。工業(yè)4.0就是通過提升計算技術(shù)、軟件和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)集成工業(yè)、互聯(lián)工業(yè)的遠景規(guī)劃。所謂4.0就是指第四次工業(yè)革命。德國強調(diào)加強工業(yè)與科學(xué)的合作，推進知識與技能的緊密結(jié)合。工業(yè)4.0的愿景是通過把人員、機器、設(shè)備、物流系統(tǒng)和在制工件彼此間直接通信的辦法實現(xiàn)顯著高的生產(chǎn)率和高效率，以及自管理的生產(chǎn)過程。其中一個大目標是充分發(fā)揮嵌入式的處理和通信的作用，使得定制生產(chǎn)也具有低成本的規(guī)模制造的效率。制造過程和物流過程跨越公司的邊界進行智能集成，建能夠成一種更有效率、更靈活的實施精益制造的生態(tài)系統(tǒng)。
◆數(shù)字孿生
數(shù)字孿生已經(jīng)成為工業(yè)4.0最強有力的概念之一。通過整個制造和生產(chǎn)過程基于模型、實時、云回路監(jiān)控、控制和優(yōu)化的實現(xiàn)，數(shù)字孿生有助于達到實時集成制造的組織實施。數(shù)字孿生的基本概念是要建立一個理想的制造操作運行和處理的虛擬模型。這個模型將是實時而全面表達實際生產(chǎn)狀況的基準。最廣泛的實現(xiàn)模型包括所有影響生產(chǎn)的效率和盈利能力的因素，這里涵蓋機器、過程、人力資源、原材料的質(zhì)量、訂單流和經(jīng)濟因素。生產(chǎn)組織可以利用信息的價值來識別和預(yù)測問題所在，使得高效的生產(chǎn)得以維系，而所有可能影響和中斷生產(chǎn)的問題，都能在在發(fā)生之前被發(fā)現(xiàn)和解決。
由于運用了先進的硬件、軟件、傳感器和系統(tǒng)技術(shù)，數(shù)字孿生作為一個實際的宏觀級別的閉環(huán)控制的杰出實例就變得可行了。創(chuàng)建數(shù)字孿生的關(guān)鍵部分是需要一個完整的信息集合，包括根據(jù)建模的要求部署大量而廣泛的傳感器采集實時信息。實際上工業(yè)4.0就是運用包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的最新技術(shù)，將制造系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成為一體的廣泛應(yīng)用。
◆云計算和邊緣計算
云計算正在影響著包括工業(yè)自動化在內(nèi)的方方面面的應(yīng)用，這是因為它提供了易于使用、計算和存儲能力出眾，且具有高性能等諸多優(yōu)越性，而所有這些都是在不要求巨大的投資，或者在不要求目前已經(jīng)負載過重的自有計算機和服務(wù)支持的前提下進行的。云計算和服務(wù)的提供者有像微軟的Azure和亞馬遜的AWS等這樣的公有云，他們有許多各種各樣的軟件工具，例如數(shù)據(jù)分析和預(yù)測的軟件工具，這些都可以為廣大的工業(yè)部門和流程自動化裝置所利用，來解決和應(yīng)付制造、生產(chǎn)和業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)。許多工業(yè)自動化的應(yīng)用，諸如歷史數(shù)據(jù)、基于狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)測維護、資產(chǎn)管理和故障分析等，目前都在運用云計算的方法，已經(jīng)獲得了更好的性價比。
云計算在提升共享資源和規(guī)模經(jīng)濟性方面類似于公用的電網(wǎng)，可以提供幾乎沒有限制的計算能力，并且可以按照需要提供數(shù)量巨大的存儲量。另外，邊緣計算正在變得普遍起來，這是一種低成本、高性能計算和通信的部署方法，導(dǎo)致計算和數(shù)據(jù)存儲盡可能靠近產(chǎn)生數(shù)據(jù)的源頭，這樣來改善響應(yīng)時間，增強數(shù)據(jù)與其生成源頭的前后關(guān)系和相互關(guān)系，同時可按要求就地執(zhí)行，而無需往返云端與就地。在計算機和工業(yè)自動化應(yīng)用的歷史上，處理計算往往都被放置在遠離網(wǎng)絡(luò)邊緣的地方。直到今天還有許多應(yīng)用還在這樣做?，F(xiàn)今的邊緣設(shè)備可以是一臺小的定位節(jié)點的計算機，或者是嵌入在傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備中的SoC，具有特別高的性價比。將這些邊緣設(shè)備部署在就地，使他們像移動的智能手機一樣具有強大的計算能力和不高的成本。
這些計算設(shè)備可視作為一種平臺，其中可執(zhí)行許多不同功能的軟件，包括IoT、基于IEC 61131-3的PLC、OPC UA和MQTT，還有與云端的接口、時序數(shù)據(jù)庫、HMI以及數(shù)據(jù)分析軟件。ISA-95 從L0到L2的功能和L3的部分功能，再加上新的IoT的分布式計算模型，都可以在邊緣設(shè)備中執(zhí)行。
將工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)與邊緣設(shè)備連接的方案得到越來越多的認可和接受，今后在開放式的系統(tǒng)中會有較多的應(yīng)用來取代PLC和DCS控制器。將邊緣設(shè)備部署在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)之中，其通信的功能有助于無縫地將IT與OT集成。
◆協(xié)作機器人
協(xié)作機器人是一種新出現(xiàn)的輕型且價廉的機器人，在生產(chǎn)環(huán)境中與工人協(xié)同地工作。這是一種實現(xiàn)靈活制造的新方式，無需對生產(chǎn)場地和流程進行大的改動，也不需要很大的投資。協(xié)作機器人應(yīng)該是本質(zhì)安全的，它們能感知人和其他障礙，并自動停下來，這樣就不會發(fā)生傷害和損壞的事故。不要求保護柵欄和保護籠，既增加了靈活性，又降低了成本。
協(xié)作機器人特別吸引中小型企業(yè)的投資，這類機器人的編程過程也很簡單，不要求編程的老手。這類機器人可以仿照使用案例編程，或者用類似于游戲的方法編程。大多數(shù)任務(wù)不用熟練的編程人員，只要簡單地移動機器臂和末梢執(zhí)行器，對機器人進行示教操作，機器人便將這些運動動作記憶下來，程序就此創(chuàng)建。這就是所謂的大眾化電腦“所見即所得”編程的物理形式。對于用戶來說，關(guān)鍵是憑藉直覺獲得編程的結(jié)果。簡化編程意味著協(xié)作機器人不必聘用專業(yè)工程師便可部署。
這一類新型機器人的開發(fā)類似于在PC機問世以后如何擴展計算機的應(yīng)用。剛開始計算機很貴，只能放置在專用的房間由軟件專家來編程，寫出在一般人看來是很神秘的代碼。因為實現(xiàn)的成本很高，應(yīng)用面不廣。直到PC機導(dǎo)入之后，盡管它的運算能力和存儲容量遠不如大型計算機和小型計算機，但它價格低，又靈活，才使計算機的應(yīng)用面大為擴展，人們得以在很寬泛的范圍內(nèi)應(yīng)用計算機去解決許許多多的問題。這一因素再加上簡化了編程，導(dǎo)致計算機在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了革命性的變化。
這些新型的協(xié)作機器人不能抓起一臺發(fā)動機，但可以完成大量不同種類的任務(wù)，能承受負載一般在10-30公斤。協(xié)作機器人可以完美地替代操作工完成重復(fù)的、平常的和有危險的任務(wù)。操作工不再被迫在機器前站立幾個小時干那些乏味的工作，或者在有危險的環(huán)境下工作。這既提高了生產(chǎn)效率，又提高了工作質(zhì)量，而操作工也從繁復(fù)的勞動中解放出來，去干那些要求熟練技工才能完成的任務(wù)。
協(xié)作機器人是增長最快的自動化部門，根據(jù)美國機器人工業(yè)協(xié)會RIA的預(yù)測數(shù)據(jù)，到2025年協(xié)作機器人將在工業(yè)機器人中的份額躍居到34%。將協(xié)作機器人與視頻系統(tǒng)、圖像識別和人工智能結(jié)合起來，可以完美重復(fù)人工的制造的過程，這一進展相當(dāng)令人興奮。
協(xié)作機器人大大降低了自動化的壁壘，有相當(dāng)大的范圍內(nèi)的用戶，特別是中小型企業(yè)用戶，即使缺乏高度熟練的自動化人才，也能夠采用和駕馭協(xié)作機器人。而協(xié)作機器人的靈活性使得過去難以采用的許多自動化功能現(xiàn)在都變得容易解決了。由于編程簡易方便，一臺協(xié)作機器人可以完成許多不同的任務(wù)，所以特別適合按訂單要求制造的生產(chǎn)過程。
◆先進過程控制發(fā)展的推動者
在流程工業(yè)中鼎鼎大名的美國Aspen公司是Larry Evans創(chuàng)建的。他原是麻省理工學(xué)院化工系的教授，也是ASPEN項目的主要研究者。這個項目的目的是開發(fā)第三代的流程建模仿真系統(tǒng)，用于在技術(shù)和經(jīng)濟兩方面評估合成燃料的過程。1981年在這個項目完成之后他和項目中7個關(guān)鍵的成員創(chuàng)建了Aspen Technology公司，從MIT取得該技術(shù)的應(yīng)用許可，并進一步對此項技術(shù)進行開發(fā)、支持和商業(yè)化。作為AspenTech的CEO，在接下去的多年中他擴展和深化了該技術(shù)，使得建模仿真技術(shù)成為可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)應(yīng)用的相互補充的產(chǎn)品。公司也由10個人發(fā)展成為上市的公司。
Charlie Cutter原來是美國國家工程院的成員，他發(fā)明了高度成功的多變量控制器，并完成了了其商業(yè)化的進程，成為重新定義先進過程控制(APC)的首創(chuàng)者。他是化工工程師出身，長期在殼牌石油公司工作。他所構(gòu)思并付諸實現(xiàn)的動態(tài)矩陣控制算法，為石油化工工業(yè)節(jié)省了成百萬上千萬美元的開銷。1984年他創(chuàng)建了DMC公司，即動態(tài)矩陣控制公司。以后有成立了第二家名為Cutler Technology Corporation的公司，運用動態(tài)矩陣控制(DMC)和實時優(yōu)化(RTO)技術(shù)，在當(dāng)代的石油天然氣工業(yè)的控制工程應(yīng)用中居于有競爭力的前沿位置。2000年因?qū)π乱活惖南冗M過程控制的貢獻被遴選為美國國家工程院院士。
Karl ?str?m是瑞典的控制理論家，他對控制理論、控制工程、計算機控制和自適應(yīng)控制都做出很大貢獻，常被人稱為自適應(yīng)之父。在1965年他提出了在信息不完全的情況下馬爾可夫決策過程(MDP)的框架，導(dǎo)致產(chǎn)生了部分可觀察馬爾可夫決策過程(POMDP)的概念。POMDP模型是一種智能體決策過程，假定系統(tǒng)的動態(tài)過程有一個馬爾可夫決策過程，但是智能體不可直接觀察到底層狀態(tài)。取而代之的是必須基于一個觀察集合和觀察的概率以及底層的MDP，維持在可能狀態(tài)集合傷的概率分布。POMDP框架足夠為各種各樣的實時世界的序貫決策過程建模。其應(yīng)用包括機器人的導(dǎo)航問題、機器維護和存在不確定因素下的總體規(guī)劃。Leslie P. Kaelbling和Michael L. Littman將此理論推廣并適應(yīng)于解決人工智能問題和自動規(guī)劃。
作者：彭瑜，教授級高工，上海工業(yè)自動化儀表研究院技術(shù)顧問，PLCopen中國組織名譽主席，工信部智能制造標準化體系建設(shè)工作組專家，國家智能制造標準化協(xié)調(diào)推進組專家咨詢組專家
