Автоматизация описывает широкий спектр технологий, которые уменьшают вмешательство человека в процессы, в основном за счет предопределения критериев принятия решений, взаимосвязей подпроцессов и связанных с ними действий, а также воплощения этих предопределений в машинах. [1] [2] Автоматизация достигается с помощью различных средств, включая механические , гидравлические , пневматические , электрические , электронные устройства и компьютеры , обычно в комбинации. Сложные системы, такие как современные заводы , самолеты и корабли, обычно используют комбинации всех этих методов. Преимущество автоматизации включает в себя экономию труда, сокращение отходов, экономию затрат на электроэнергию , экономию материальных затрат, а также повышение качества, точности и аккуратности.
Автоматизация включает в себя использование различного оборудования и систем управления , таких как машины , процессы на заводах , котлы [3] и термические печи , включение телефонных сетей , рулевое управление и стабилизация кораблей, самолетов и других приложений и транспортных средств с уменьшенными вмешательство человека. [4] Примеры варьируются от бытового термостата , управляющего котлом, до крупной промышленной системы управления с десятками тысяч входных измерений и выходных управляющих сигналов. Автоматизация также нашла применение в банковской сфере. С точки зрения сложности управления он может варьироваться от простого двухпозиционного управления до многопараметрических алгоритмов высокого уровня.
В простейшем типе контура автоматического управления контроллер сравнивает измеренное значение процесса с желаемым заданным значением и обрабатывает полученный сигнал ошибки, чтобы изменить некоторые входные данные процесса таким образом, чтобы процесс оставался в заданном значении. несмотря на волнения. Это управление с обратной связью представляет собой применение отрицательной обратной связи к системе. Математическая основа теории управления была заложена в 18 веке и быстро развивалась в 20 веке. Термин «автоматизация» , вдохновленный более ранним словом «автоматический» (происходящим от «автомат» ), не широко использовался до 1947 года, когда Форд основал отдел автоматизации. [5] Именно в это время промышленность быстро внедряла контроллеры с обратной связью , которые были представлены в 1930-х годах. [6]
В «Докладе Всемирного банка о мировом развитии за 2019 год» приводятся доказательства того, что новые отрасли и рабочие места в технологическом секторе перевешивают экономические последствия увольнения рабочих в результате автоматизации. [7] Потеря рабочих мест и нисходящая мобильность, виной которой является автоматизация, были названы одним из многих факторов возрождения националистической , протекционистской и популистской политики в США, Великобритании и Франции, а также в других странах с 2010-х годов. [8] [9] [10] [11] [12]
Греки и арабы (в период между примерно 300 г. до н. э. и примерно 1200 г. н. э.) были озабочены точным отслеживанием времени. В Птолемеевском Египте , около 270 г. до н.э., Ктесибий описал поплавковый регулятор для водяных часов , устройство, мало чем отличающееся от шара и крана в современном туалете со смывом. Это был самый ранний механизм с управлением по обратной связи. [13] Появление механических часов в 14 веке сделало водяные часы и их систему управления с обратной связью устаревшими.
Персидские братья Бану Муса в своей « Книге изобретательных устройств » (850 г. н.э.) описали ряд автоматических средств управления. [14] Двухступенчатый контроль уровня жидкостей, форма прерывистого контроля переменной структуры , был разработан братьями Бану Муса. [15] Они также описали контроллер с обратной связью . [16] [17] Проектирование систем управления с обратной связью вплоть до промышленной революции осуществлялось методом проб и ошибок, а также с большим количеством инженерной интуиции. Лишь в середине XIX века устойчивость систем управления с обратной связью была проанализирована с использованием математики, формального языка теории автоматического управления. [ нужна цитата ]
Центробежный регулятор был изобретен Христианом Гюйгенсом в семнадцатом веке и использовался для регулировки зазора между жерновами . [18] [19] [20]
Внедрение первичных двигателей или машин с автоматическим приводом, усовершенствованных зерновых мельниц, печей, котлов и парового двигателя , создало новые требования к системам автоматического управления, включая регуляторы температуры (изобретены в 1624 году; см. Корнелиус Дреббель ), регуляторы давления (1681 год), поплавковые регуляторы (1700) и устройства регулирования скорости . Другой механизм управления использовался для палатки парусов ветряных мельниц. Он был запатентован Эдмундом Ли в 1745 году. [21] Также в 1745 году Жак де Вокансон изобрел первый автоматический ткацкий станок. Около 1800 года Жозеф Мари Жаккар создал систему перфокарт для программирования ткацких станков. [22]
В 1771 году Ричард Аркрайт изобрел первую полностью автоматизированную прядильную фабрику с приводом от воды, известную в то время как водяная рама . [23] Автоматическая мельница была разработана Оливером Эвансом в 1785 году, что сделало ее первым полностью автоматизированным промышленным процессом. [24] [25]
Центробежный регулятор был использован г-ном Бансом из Англии в 1784 году как часть модели парового крана . [26] [27] Центробежный регулятор был принят Джеймсом Уоттом для использования в паровом двигателе в 1788 году после того, как партнер Ватта Бултон увидел один на мельнице, которую строила компания Boulton & Watt . [21] Губернатор фактически не мог удерживать заданную скорость; двигатель примет новую постоянную скорость в ответ на изменения нагрузки. Регулятор был в состоянии справиться с небольшими изменениями, например, вызванными колебаниями тепловой нагрузки на котел. Кроме того, при изменении скорости наблюдалась тенденция к колебаниям. Как следствие, двигатели, оснащенные этим регулятором, не подходили для операций, требующих постоянной скорости, например, для прядения хлопка. [21]
Несколько усовершенствований регулятора, а также улучшение момента закрытия клапанов парового двигателя сделали двигатель пригодным для большинства промышленных применений до конца XIX века. Достижения в области паровых двигателей значительно опережали науку, как термодинамику, так и теорию управления. [21] Губернатору уделялось относительно мало научного внимания, пока Джеймс Клерк Максвелл не опубликовал статью, которая заложила начало теоретической основы для понимания теории управления.
Релейная логика была введена вместе с электрификацией заводов , которая претерпела быструю адаптацию с 1900 по 1920-е годы. Центральные электростанции также переживали быстрый рост, а эксплуатация новых котлов высокого давления, паровых турбин и электрических подстанций создала большой спрос на приборы и средства управления. Центральные диспетчерские стали обычным явлением в 1920-х годах, но уже в начале 1930-х годов большая часть средств управления процессами была включена-выключена. Операторы обычно отслеживали диаграммы, составленные самописцами, которые отображали данные с приборов. Чтобы внести исправления, операторы вручную открывали или закрывали клапаны или включали или выключали переключатели. В диспетчерских также использовалось освещение с цветовой кодировкой, чтобы посылать работникам завода сигналы о необходимости внесения определенных изменений вручную. [28]
Разработка электронного усилителя в 1920-х годах, которая была важна для междугородной телефонии, потребовала более высокого отношения сигнал/шум, что было решено за счет шумоподавления с отрицательной обратной связью. Это и другие приложения телефонии внесли свой вклад в теорию управления. В 1940-х и 1950-х годах немецкий математик Ирмгард Флюгге-Лотц разработала теорию прерывистого автоматического управления, которая нашла военное применение во время Второй мировой войны для систем управления огнем и систем навигации самолетов . [6]
Контроллеры, которые могли вносить расчетные изменения в ответ на отклонения от заданного значения, а не на двухпозиционное управление, начали внедряться в 1930-х годах. Контроллеры позволили производству продолжать демонстрировать рост производительности, чтобы компенсировать снижающееся влияние электрификации заводов. [29]
Производительность фабрик значительно возросла за счет электрификации в 1920-х годах. Рост производительности обрабатывающей промышленности США упал с 5,2% в год в 1919–29 годах до 2,76% в год в 1929–41 годах. Александр Филд отмечает, что расходы на немедицинские инструменты значительно увеличились с 1929 по 1933 год и после этого оставались высокими. [29]
Первая и Вторая мировые войны ознаменовали значительный прогресс в области массовой коммуникации и обработки сигналов . Другие ключевые достижения в области автоматического управления включают дифференциальные уравнения , теорию устойчивости и теорию систем (1938 г.), анализ частотной области (1940 г.), управление кораблем (1950 г.) и стохастический анализ (1941 г.).
Начиная с 1958 года, на замену электромеханической релейной логики в промышленных системах управления появились различные системы на основе твердотельных [30] [31] цифровых логических модулей для проводных программируемых логических контроллеров (предшественников программируемых логических контроллеров [ПЛК]). для управления процессами и автоматизации, включая ранние версии Telefunken / AEG Logistat, Siemens Simatic , Philips / Mullard /Valvo Norbit , BBC Sigmatronic, ACEC Logacec , Akkord Estacord, Krone Mibakron, Bistat, Datapac, Norlog, SSR или Проконтические системы. [30] [32] [33 ] [34] [35] [36]
В 1959 году нефтеперерабатывающий завод в Порт-Артуре компании Texaco стал первым химическим заводом, применившим цифровое управление . [37] Перевод заводов на цифровое управление начал быстро распространяться в 1970-х годах, когда цены на компьютерное оборудование упали.
Автоматический телефонный коммутатор был введен в 1892 году вместе с телефонами с набором номера. К 1929 году 31,9% системы Bell были автоматическими. [38] : 158 В автоматической телефонной коммутации первоначально использовались ламповые усилители и электромеханические переключатели, которые потребляли большое количество электроэнергии. В конечном итоге объем звонков вырос настолько быстро, что возникли опасения, что телефонная система поглотит всю производимую электроэнергию, что побудило Bell Labs начать исследования транзистора . [39]
Логика, реализуемая телефонными реле, послужила источником вдохновения для создания цифрового компьютера. Первой коммерчески успешной машиной для выдувания стеклянных бутылок была автоматическая модель, представленная в 1905 году . бригада из шести мужчин и мальчиков работает в магазине целый день. Стоимость изготовления бутылок на машине составляла от 10 до 12 центов за брутто по сравнению с 1,80 доллара за брутто у стеклодувов и помощников вручную.
Секционные электроприводы были разработаны с использованием теории управления. Секционные электроприводы используются на разных секциях машины, где между секциями необходимо поддерживать точный дифференциал. При прокатке стали металл удлиняется по мере прохождения через пары роликов, которые должны двигаться со все более возрастающими скоростями. При изготовлении бумаги лист сжимается при прохождении через паровую сушку, расположенную в группах, которые должны двигаться с последовательно более низкой скоростью. Первое применение секционного электропривода было на бумагоделательной машине в 1919 году. [41] Одним из наиболее важных достижений в сталелитейной промышленности в 20-м веке была непрерывная прокатка широкой полосы, разработанная компанией Armco в 1928 году. [42]
До автоматизации многие химикаты производились партиями. В 1930 году, с широким распространением инструментов и появлением контроллеров, основатель Dow Chemical Co. выступал за непрерывное производство . [43]
Автоматические станки, которые заменили ловкость рук, чтобы ими могли управлять мальчики и неквалифицированные рабочие, были разработаны Джеймсом Нэсмитом в 1840-х годах. [44] В 1950-х годах станки были автоматизированы с помощью числового программного управления (ЧПУ) с использованием перфоленты. Вскоре это превратилось в компьютеризированное числовое управление (ЧПУ).
Сегодня обширная автоматизация практикуется практически во всех типах производственных и сборочных процессов. Некоторые из более крупных процессов включают производство электроэнергии, нефтепереработку, химическую промышленность, сталелитейные заводы, производство пластмасс, цементные заводы, заводы по производству удобрений, целлюлозно-бумажные заводы, сборку автомобилей и грузовиков, производство самолетов, производство стекла, заводы по разделению природного газа, продукты питания и напитки. обработка, консервирование и розлив, а также производство различных видов деталей. Роботы особенно полезны в таких опасных сферах, как окраска автомобилей распылением. Роботы также используются для сборки электронных плат. Сварка в автомобилестроении выполняется роботами, а автоматические сварочные аппараты используются в таких областях, как трубопроводы.
С наступлением космической эры в 1957 году проектирование средств управления, особенно в Соединенных Штатах, отвернулось от методов классической теории управления в частотной области и обратилось к методам дифференциальных уравнений конца XIX века, которые были сформулированы в то время. домен. В 1940-х и 1950-х годах немецкий математик Ирмгард Флюгге-Лотц разработала теорию прерывистого автоматического управления, которая стала широко использоваться в системах гистерезисного управления , таких как навигационные системы , системы управления огнем и электроника . Благодаря Флюгге-Лотцу и другим в современную эпоху появилось проектирование нелинейных систем во временной области (1961 г.), навигация (1960 г.), теория оптимального управления и оценки (1962 г.), теория нелинейного управления (1969 г.), теория цифрового управления и фильтрации (1974 г.). ) и персональный компьютер (1983).
Пожалуй, наиболее упоминаемым преимуществом автоматизации в промышленности является то, что она связана с более быстрым производством и более низкими затратами на рабочую силу. Еще одним преимуществом может быть то, что он заменяет тяжелую, физическую или монотонную работу. [45] Кроме того, машины могут выполнять задачи, которые выполняются в опасных средах или иным образом выходят за рамки человеческих возможностей, поскольку машины могут работать даже при экстремальных температурах или в радиоактивных или токсичных атмосферах. Их также можно обслуживать с помощью простых проверок качества. Однако на данный момент не все задачи можно автоматизировать, а некоторые задачи автоматизировать дороже, чем другие. Первоначальные затраты на установку оборудования на заводе высоки, а отказ от обслуживания системы может привести к потере самого продукта.
Более того, некоторые исследования, похоже, указывают на то, что промышленная автоматизация может иметь негативные последствия, выходящие за рамки эксплуатационных проблем, включая увольнение рабочих из-за системной потери рабочих мест и усугубленного экологического ущерба; однако эти выводы носят запутанный и противоречивый характер, и их потенциально можно обойти. [46]
Основными преимуществами автоматизации являются:
Автоматизация в первую очередь описывает машины, заменяющие действия человека, но она также слабо связана с механизацией, машинами, заменяющими человеческий труд. В сочетании с механизацией, расширяющей возможности человека с точки зрения размера, силы, скорости, выносливости, дальности и остроты зрения, частоты и точности слуха, электромагнитного зондирования и воздействия и т. д., преимущества включают в себя: [48]
Основными недостатками автоматизации являются:
Парадокс автоматизации заключается в том, что чем эффективнее автоматизированная система, тем важнее человеческий вклад операторов. Люди менее вовлечены, но их участие становится более важным. Лисанн Бейнбридж , когнитивный психолог, обозначила эти проблемы, в частности, в своей широко цитируемой статье «Ирония автоматизации». [49] Если в автоматизированной системе есть ошибка, она будет умножать эту ошибку, пока она не будет исправлена или отключена. Именно здесь на помощь приходят люди-операторы. [50] Фатальным примером этого стал рейс 447 авиакомпании Air France , где сбой в автоматизации поставил пилотов в ситуацию ручного управления, к которой они не были готовы. [51]
Многие роли человека в промышленных процессах в настоящее время выходят за рамки автоматизации. Распознавание образов на человеческом уровне , понимание языка и способность воспроизводить речь значительно превосходят возможности современных механических и компьютерных систем (но см. компьютер Watson ). Задачи, требующие субъективной оценки или синтеза сложных сенсорных данных, таких как запахи и звуки, а также задачи высокого уровня, такие как стратегическое планирование, в настоящее время требуют человеческого опыта. Во многих случаях использование людей более рентабельно , чем механические подходы, даже там, где возможна автоматизация промышленных задач. Таким образом, альтернативной технологической стратегией стало алгоритмическое управление как цифровая рационализация человеческого труда, а не его замещение. [53] Преодоление этих препятствий – теоретический путь к экономике постдефицита . [54]
Рост автоматизации часто заставляет работников беспокоиться о потере работы, поскольку технологии делают их навыки или опыт ненужными. В начале промышленной революции , когда такие изобретения, как паровой двигатель, сделали некоторые категории рабочих мест расходными материалами, рабочие яростно сопротивлялись этим изменениям. Луддиты , например, были английскими текстильщиками , которые протестовали против внедрения ткацких станков , уничтожая их. [55] Совсем недавно некоторые жители Чандлера, штат Аризона , порезали шины и забросали камнями беспилотный автомобиль в знак протеста против предполагаемой угрозы безопасности людей и перспектив трудоустройства. [56]
Относительное беспокойство по поводу автоматизации, отраженное в опросах общественного мнения, похоже, тесно коррелирует с силой организованного труда в этом регионе или стране. Например, в то время как исследование Pew Research Center показало, что 72% американцев обеспокоены ростом автоматизации на рабочих местах, 80% шведов считают автоматизацию и искусственный интеллект (ИИ) хорошей вещью из-за все еще мощного экономического роста в стране. профсоюзы и более надежная национальная система защиты . [57]
Согласно исследованию экспертов Карла Бенедикта Фрея и Майкла Осборна , в США к 2033 году 47% всех нынешних рабочих мест могут быть полностью автоматизированы . Более того, заработная плата и уровень образования, по-видимому, сильно отрицательно коррелируют с риском автоматизации профессии. [58] Даже высококвалифицированные профессиональные профессии, такие как юрист , врач , инженер , журналист, подвергаются риску автоматизации. [59]
Перспективы особенно мрачны для профессий, которые в настоящее время не требуют университетского образования, таких как вождение грузовика. [60] Даже в таких высокотехнологичных коридорах, как Силиконовая долина , распространяется беспокойство по поводу будущего, в котором у значительного процента взрослых будет мало шансов на сохранение оплачиваемой работы. [61] «В книге «Второй век машин» Эрик Бриньолфссон и Эндрю Макафи утверждают, что «… никогда не было лучшего времени для того, чтобы стать работником со специальными навыками или правильным образованием, потому что эти люди могут использовать технологии для создания и фиксации ценности». . Однако никогда не было худшего времени для того, чтобы быть работником, предлагающим только «обычные» навыки и способности, потому что компьютеры, роботы и другие цифровые технологии приобретают эти навыки и способности с необычайной скоростью » . Однако в Швеции полагают, что переход к более автоматизированному будущему не должен вызывать паники, если будет достаточная политическая воля для содействия переподготовке работников, чьи должности устаревают.
Согласно исследованию 2020 года, опубликованному в Журнале политической экономии , автоматизация оказывает сильное негативное воздействие на занятость и заработную плату: «Еще один робот на тысячу работников снижает соотношение занятости к численности населения на 0,2 процентных пункта, а заработную плату — на 0,42%. [63]
Исследование Карла Бенедикта Фрея и Майкла Осборна из Оксфордской школы Мартина показало, что сотрудники, выполняющие «задачи в соответствии с четко определенными процедурами, которые можно легко выполнить с помощью сложных алгоритмов», подвергаются риску увольнения, а 47% рабочих мест в США находились под угрозой увольнения. риск. Исследование, выпущенное в виде рабочего документа в 2013 году и опубликованное в 2017 году, прогнозировало, что автоматизация поставит под наибольшую угрозу низкооплачиваемые физические профессии, основываясь на опросе группы коллег на предмет их мнения. [64] Однако, согласно исследованию, опубликованному в McKinsey Quarterly [65] в 2015 году, влияние компьютеризации в большинстве случаев заключается не в замене сотрудников, а в автоматизации части задач, которые они выполняют. [66] Методология исследования McKinsey подверглась резкой критике за непрозрачность и основанность на субъективных оценках. [67] Методология Фрея и Осборна подвергалась критике как недостающая доказательств, исторической осведомленности или заслуживающей доверия методологии. [68] [69] Кроме того, Организация экономического сотрудничества и развития ( ОЭСР ) обнаружила, что в 21 стране ОЭСР 9% рабочих мест можно автоматизировать. [70]
Администрация Обамы отметила , что каждые 3 месяца «около 6 процентов рабочих мест в экономике уничтожаются из-за сокращения или закрытия предприятий, в то время как добавляется несколько больший процент рабочих мест». [71] Недавнее экономическое исследование автоматизации, проведенное Массачусетским технологическим институтом в США с 1990 по 2007 год, показало, что внедрение роботов в промышленность может оказать негативное влияние на занятость и заработную плату. Когда на тысячу рабочих добавляется один робот, соотношение занятости и численности населения снижается на 0,18–0,34 процента, а заработная плата снижается на 0,25–0,5 процентных пункта. В течение изучаемого периода времени в экономике США было не так много роботов, что ограничивало влияние автоматизации. Однако ожидается, что уровень автоматизации увеличится втрое (по консервативной оценке) или в четыре раза (щедрая оценка), что приведет к существенному увеличению этих цифр. [72]
Согласно формуле Жиля Сен-Поля , экономиста из Университета Тулузы-1 , спрос на неквалифицированный человеческий капитал снижается медленнее, чем увеличивается спрос на квалифицированный человеческий капитал. [73] В долгосрочной перспективе и для общества в целом это привело к удешевлению продукции, снижению средней продолжительности рабочего времени и формированию новых отраслей (например, робототехники, компьютерной индустрии, индустрии дизайна). Эти новые отрасли предоставляют экономике множество высокооплачиваемых рабочих мест, требующих квалификации. К 2030 году от 3 до 14 процентов мировой рабочей силы будут вынуждены сменить категорию должностей из-за автоматизации, которая приведет к сокращению рабочих мест во всем секторе. Хотя количество рабочих мест, потерянных из-за автоматизации, часто компенсируется рабочими местами, полученными благодаря технологическому прогрессу, один и тот же тип потери рабочих мест не является тем же самым, который был заменен и который приводит к увеличению безработицы среди представителей нижнего среднего класса. Это происходит в основном в США и развитых странах, где технологические достижения способствуют повышению спроса на высококвалифицированную рабочую силу, но спрос на рабочую силу со средней заработной платой продолжает падать. Экономисты называют эту тенденцию «поляризацией доходов», когда заработная плата неквалифицированной рабочей силы снижается, а квалифицированная рабочая сила увеличивается, и, по прогнозам, эта тенденция сохранится в развитых странах. [74]
Безработица становится проблемой в США из-за экспоненциального роста автоматизации и технологий. По словам Кима, Кима и Ли (2017:1), «[плодотворное исследование, проведенное Фреем и Осборном в 2013 году, предсказало, что 47% из 702 исследованных профессий в США столкнулись с высоким риском снижения уровня занятости в течение следующих 10 лет». –25 лет в результате компьютеризации». Поскольку многие рабочие места устаревают, что приводит к сокращению рабочих мест, одним из возможных решений могла бы стать поддержка правительством программы всеобщего базового дохода (UBD). UBI будет гарантированным, не облагаемым налогом доходом в размере около 1000 долларов в месяц, выплачиваемым всем гражданам США старше 21 года. UBI поможет тем, кто был перемещен, устроиться на работу, на которой платят меньше денег, но которые при этом позволяют себе выжить. Это также даст тем, кто занят на должностях, которые, вероятно, будут заменены автоматизацией и технологиями, дополнительные деньги, которые можно будет потратить на образование и обучение новым востребованным навыкам трудоустройства. UBI, однако, следует рассматривать как краткосрочное решение, поскольку он не полностью решает проблему неравенства доходов, которая будет усугубляться перемещением рабочих мест.
Производство без освещения — это производственная система без участия человека, позволяющая исключить затраты на рабочую силу.
Популярность производства светильников в США возросла, когда компания General Motors в 1982 году внедрила производство без участия людей, чтобы «заменить бюрократию, не склонную к риску, автоматизацией и роботами». Однако завод так и не достиг статуса полного отключения света. [75]
Для расширения производства светильников необходимо: [76]
Затраты на автоматизацию окружающей среды различаются в зависимости от автоматизированной технологии, продукта или механизма. Существуют автоматизированные двигатели, которые потребляют больше энергоресурсов Земли по сравнению с предыдущими двигателями и наоборот. [ нужна цитация ] Опасные операции, такие как нефтепереработка , производство промышленных химикатов и все виды металлообработки , всегда были первыми претендентами на автоматизацию. [ сомнительно ] [ нужна ссылка ]
Автоматизация транспортных средств может оказать существенное воздействие на окружающую среду, хотя характер этого воздействия может быть полезным или вредным в зависимости от нескольких факторов. Поскольку автоматизированные транспортные средства гораздо реже попадают в аварии по сравнению с транспортными средствами, управляемыми человеком, некоторые меры предосторожности, встроенные в современные модели (такие как антиблокировочная система тормозов или многослойное стекло ), не потребуются для беспилотных версий. Удаление этих функций безопасности также позволит значительно снизить вес автомобиля, тем самым увеличив экономию топлива и снизив выбросы на милю. Беспилотные автомобили также более точно определяют ускорение и торможение, и это может способствовать снижению выбросов. Беспилотные автомобили также потенциально могут использовать функции экономии топлива, такие как картографирование маршрутов, которые могут рассчитывать и выбирать наиболее эффективные маршруты. Несмотря на этот потенциал сокращения выбросов, некоторые исследователи предполагают, что увеличение производства беспилотных автомобилей может привести к буму владения и использования транспортных средств. Этот бум потенциально может свести на нет любые экологические преимущества беспилотных автомобилей, если достаточно большое количество людей начнет чаще водить личный транспорт. [77]
Считается, что автоматизация домов и бытовой техники также влияет на окружающую среду, но преимущества этих функций также подвергаются сомнению. Исследование энергопотребления автоматизированных домов в Финляндии показало, что умные дома могут снизить потребление энергии за счет мониторинга уровней потребления в различных частях дома и корректировки потребления для уменьшения утечек энергии (например, автоматическое снижение потребления в ночное время, когда активность низкая). Это исследование, как и другие, показало, что способность умного дома контролировать и регулировать уровни потребления позволит сократить ненужное потребление энергии. Однако новые исследования показывают, что умные дома могут быть не такими эффективными, как неавтоматизированные дома. Более недавнее исследование показало, что, хотя мониторинг и корректировка уровней потребления действительно уменьшают ненужное потребление энергии, этот процесс требует систем мониторинга, которые также потребляют значительное количество энергии. Это исследование показало, что энергия, необходимая для работы этих систем, настолько велика, что сводит на нет любые преимущества самих систем, что приводит к практически полному отсутствию экологической выгоды. [78]
Еще одним важным сдвигом в автоматизации является возросший спрос на гибкость и конвертируемость производственных процессов . Производители все чаще требуют возможности легко переключаться с производства продукта А на производство продукта Б без необходимости полной перестройки производственных линий . Гибкость и распределенные процессы привели к внедрению автоматизированных управляемых транспортных средств с навигацией по природным объектам.
Цифровая электроника тоже помогла. Бывшие аналоговые приборы были заменены цифровыми эквивалентами, которые могут быть более точными и гибкими и предлагать больше возможностей для более сложной конфигурации , параметризации и эксплуатации. Это сопровождалось революцией в области полевых шин , которая обеспечила сетевые (т.е. по одному кабелю) средства связи между системами управления и приборами полевого уровня, устраняя необходимость в жесткой проводке.
Дискретные производственные предприятия быстро внедрили эти технологии. Более консервативные перерабатывающие отрасли с более длительным жизненным циклом оборудования внедряются медленнее, и аналоговые измерения и контроль по-прежнему доминируют. Растущее использование Industrial Ethernet в заводских цехах еще больше развивает эти тенденции, позволяя производственным предприятиям более тесно интегрироваться в предприятие, при необходимости через Интернет. Глобальная конкуренция также увеличила спрос на реконфигурируемые производственные системы . [79]
Инженеры теперь могут иметь числовой контроль над автоматизированными устройствами. Результатом стал быстро расширяющийся спектр применений и человеческой деятельности. Компьютерные технологии (или CAx) сегодня служат основой математических и организационных инструментов, используемых для создания сложных систем. Яркие примеры CAx включают автоматизированное проектирование (программное обеспечение CAD) и автоматизированное производство (программное обеспечение CAM). Улучшенное проектирование, анализ и производство продуктов, обеспечиваемое CAx, принесло пользу промышленности. [80]
Информационные технологии вместе с промышленным оборудованием и процессами могут помочь в проектировании, внедрении и мониторинге систем управления. Одним из примеров промышленной системы управления является программируемый логический контроллер (ПЛК). ПЛК — это специализированные защищенные компьютеры, которые часто используются для синхронизации потока входных данных от (физических) датчиков и событий с потоком выходных данных на исполнительные механизмы и события. [81]
Человеко-машинные интерфейсы (HMI) или компьютерные человеко-машинные интерфейсы (CHI), ранее известные как человеко-машинные интерфейсы , обычно используются для связи с ПЛК и другими компьютерами. Обслуживающий персонал, осуществляющий мониторинг и управление через HMI, может называться по-разному. В промышленных процессах и на производстве их называют операторами или что-то в этом роде. В котельных и центральных коммунальных хозяйствах их называют стационарными инженерами . [82]
Существуют различные типы инструментов автоматизации:
Программное обеспечение для моделирования хоста (HSS) — это широко используемый инструмент тестирования, который используется для тестирования программного обеспечения оборудования. HSS используется для проверки производительности оборудования в соответствии со стандартами промышленной автоматизации (тайм-ауты, время отклика, время обработки). [83]
Когнитивная автоматизация, как разновидность искусственного интеллекта, представляет собой новый вид автоматизации, обеспечиваемый когнитивными вычислениями . Его основная задача — автоматизация канцелярских задач и рабочих процессов, связанных со структурированием неструктурированных данных . [84] Когнитивная автоматизация опирается на несколько дисциплин: обработку естественного языка , вычисления в реальном времени , алгоритмы машинного обучения , анализ больших данных и обучение, основанное на фактических данных . [85]
По мнению Deloitte , когнитивная автоматизация позволяет воспроизводить человеческие задачи и суждения «с высокой скоростью и в значительных масштабах». [86] К таким задачам относятся:
Системы автоматизированного проектирования (САПР) с искусственным интеллектом могут использовать преобразование текста в 3D, изображения в 3D и видео в 3D для автоматизации 3D-моделирования . [87] Библиотеки Ai CAD также могут быть разработаны с использованием связанных открытых данных схем и диаграмм . [88] Помощники САПР на основе искусственного интеллекта используются в качестве инструментов, помогающих оптимизировать рабочий процесс. [89]
Такие технологии, как солнечные панели , ветряные турбины и другие возобновляемые источники энергии, а также интеллектуальные сети , микросети и аккумуляторные батареи , могут автоматизировать производство электроэнергии.
Многие сельскохозяйственные операции автоматизированы с помощью машин и оборудования для улучшения их диагностики, принятия решений и/или производительности. Автоматизация сельского хозяйства может облегчить тяжелую сельскохозяйственную работу, улучшить своевременность и точность сельскохозяйственных операций, повысить производительность и эффективность использования ресурсов, повысить устойчивость, а также улучшить качество и безопасность продуктов питания. [90] Повышение производительности может высвободить рабочую силу, позволяя сельскохозяйственным домохозяйствам проводить больше времени в другом месте. [91]
Технологическая эволюция в сельском хозяйстве привела к постепенному переходу к цифровому оборудованию и робототехнике. [90] Моторизованная механизация с использованием мощности двигателя автоматизирует выполнение сельскохозяйственных операций, таких как вспашка и доение. [92] Благодаря технологиям цифровой автоматизации также становится возможным автоматизировать диагностику и принятие решений в сельскохозяйственных операциях. [90] Например, автономные сельскохозяйственные роботы могут собирать и сеять урожай, а дроны могут собирать информацию для автоматизации ввода данных. [91] В точном земледелии часто используются такие технологии автоматизации [91]
В последние годы моторизованная механизация в целом возросла. [93] Африка к югу от Сахары — единственный регион, где внедрение моторизованной механизации застопорилось за последние десятилетия. [94] [91]
Технологии автоматизации все чаще используются для управления домашним скотом, хотя свидетельств их внедрения недостаточно. За последние годы глобальные продажи автоматических доильных систем увеличились [95] , но распространение, скорее всего, происходит в основном в Северной Европе [96] и, вероятно, почти отсутствует в странах с низким и средним уровнем дохода. [97] [91] Автоматизированные кормораздатчики для коров и птицы также существуют, но данные и доказательства относительно тенденций и движущих сил их внедрения также скудны. [91] [93]
Многие супермаркеты и даже небольшие магазины быстро внедряют системы самообслуживания, что снижает потребность в найме кассиров. По состоянию на 2017 год в США в сфере розничной торговли занято 15,9 миллиона человек (около 1 из 9 работающих американцев). По данным исследования Eurasia Group , во всем мире от автоматизации могут пострадать около 192 миллионов работников . [98]
Интернет-покупки можно рассматривать как форму автоматизированной розничной торговли, поскольку оплата и оформление заказа осуществляются через автоматизированную систему обработки онлайн-транзакций , при этом доля учета онлайн-торговли подскочила с 5,1% в 2011 году до 8,3% в 2016 году . - Трети книг, музыки и фильмов сейчас покупаются онлайн. Кроме того, автоматизация и онлайн-покупки могут снизить спрос на торговые центры и торговую недвижимость, на которую в настоящее время, по оценкам, в США приходится 31% всей коммерческой недвижимости или около 7 миллиардов квадратных футов (650 миллионов квадратных метров). В последние годы Amazon добилась большей части роста онлайн-покупок, на долю которой приходится половина роста онлайн-торговли в 2016 году. [98] Другие формы автоматизации также могут быть неотъемлемой частью онлайн-покупок, например, развертывание автоматизированных складская робототехника, такая как та, что применяется Amazon с использованием Kiva Systems .
Розничная торговля продуктами питания начала автоматизировать процесс заказа; McDonald's внедрил системы заказа и оплаты с сенсорными экранами во многих своих ресторанах, что сократило потребность в большом количестве сотрудников-кассиров. [99] Техасский университет в Остине внедрил полностью автоматизированные точки розничной торговли кафе. [100] Некоторые кафе и рестораны используют « приложения » для мобильных устройств и планшетов, чтобы сделать процесс заказа более эффективным, поскольку клиенты делают заказ и оплачивают его на своем устройстве. [101] Некоторые рестораны имеют автоматизированную доставку еды к столам клиентов с помощью ленточного конвейера . Иногда для замены обслуживающего персонала используются роботы . [102]
Автоматизация в строительстве — это совокупность методов, процессов и систем, которые обеспечивают большую автономность машин в строительной деятельности. Автоматизация строительства может преследовать несколько целей, включая, помимо прочего, снижение травматизма на рабочих местах , сокращение времени выполнения работ, а также помощь в контроле и обеспечении качества . [103]
Автоматизированная добыча предполагает удаление человеческого труда из процесса добычи . [104] Горнодобывающая промышленность в настоящее время находится на этапе перехода к автоматизации. В настоящее время для этого все еще может потребоваться большой объем человеческого капитала , особенно в странах третьего мира , где затраты на рабочую силу низкие, поэтому меньше стимулов для повышения эффективности за счет автоматизации.
Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов ( DARPA ) начало исследования и разработку программы автоматизированного визуального наблюдения и мониторинга (VSAM) в период с 1997 по 1999 год, а также программ воздушного видеонаблюдения (AVS) с 1998 по 2002 год. В настоящее время в сообществе специалистов по зрению предпринимаются усилия по разработке полностью автоматизированной системы отслеживания и наблюдения . Автоматизированное видеонаблюдение отслеживает людей и транспортные средства в режиме реального времени в оживленной среде. Существующие автоматизированные системы наблюдения основаны на среде, для наблюдения за которой они в первую очередь предназначены, т. е. в помещении, на улице или в воздухе, количестве датчиков, с которыми может работать автоматизированная система, и мобильности датчиков, т. е. стационарная камера или мобильная камера. Целью системы наблюдения является запись свойств и траекторий движения объектов в заданной зоне, выдача предупреждений или уведомление уполномоченных органов в случае возникновения тех или иных событий. [105]
Поскольку требования к безопасности и мобильности выросли, а технологические возможности увеличились, интерес к автоматизации вырос. Стремясь ускорить разработку и внедрение полностью автоматизированных транспортных средств и автомагистралей, Конгресс США выделил более 650 миллионов долларов в течение шести лет на интеллектуальные транспортные системы (ИТС) и демонстрационные проекты в Законе об эффективности интермодального наземного транспорта (ISTEA) 1991 года. Конгресс постановил в АЭСТ, что: [106]
[T] Министр транспорта должен разработать автоматизированную автомагистраль и прототип транспортного средства, на основе которых можно будет разработать будущие полностью автоматизированные интеллектуальные системы «автомобиль-автомагистраль». Такая разработка должна включать исследование человеческого фактора для обеспечения успеха взаимоотношений человека и машины. Целью этой программы является ввод в эксплуатацию первой полностью автоматизированной автомагистрали или автоматизированного испытательного полигона к 1997 году. Эта система позволит устанавливать оборудование на новые и существующие автомобили.
Полная автоматизация обычно определяется как не требующая контроля или очень ограниченного контроля со стороны водителя; такая автоматизация будет осуществляться за счет сочетания датчиков, компьютеров и систем связи в транспортных средствах и вдоль дорог. Полностью автоматизированное вождение теоретически позволит сократить расстояние между транспортными средствами и увеличить скорость, что может повысить пропускную способность в местах, где строительство дополнительных дорог физически невозможно, политически неприемлемо или непомерно дорого. Автоматизированное управление также может повысить безопасность дорожного движения, уменьшая вероятность ошибок водителя, которые являются причиной значительной доли дорожно-транспортных происшествий. Другие потенциальные выгоды включают улучшение качества воздуха (в результате более эффективных транспортных потоков), повышение экономии топлива и побочные технологии, созданные в ходе исследований и разработок, связанных с автоматизированными дорожными системами. [107]
Автоматизированные грузовики для сбора мусора устраняют необходимость в большом количестве рабочих, а также снижают уровень рабочей силы, необходимой для предоставления услуг. [108]
Автоматизация бизнес-процессов (BPA) — это автоматизация сложных бизнес-процессов с помощью технологий . [109] Это может помочь упростить бизнес, добиться цифровой трансформации , повысить качество обслуживания , улучшить предоставление услуг или сдержать расходы. BPA состоит из интеграции приложений, реструктуризации трудовых ресурсов и использования программных приложений во всей организации. Роботизированная автоматизация процессов (RPA; или RPAAI для самоуправляемого RPA 2.0) — это новая область в BPA, в которой используется искусственный интеллект. BPA могут быть реализованы в ряде областей бизнеса, включая маркетинг, продажи и рабочий процесс.
Домашняя автоматизация (также называемая домашней автоматикой ) обозначает новую практику увеличения автоматизации бытовой техники и функций в жилых домах, особенно с помощью электронных средств, которые позволяют делать вещи, которые в последние десятилетия были непрактичными, слишком дорогими или просто невозможными. Рост использования решений домашней автоматизации изменился, отражая растущую зависимость людей от таких решений автоматизации. Однако повышенный комфорт, который достигается благодаря этим решениям автоматизации, просто поразителен. [110]
Автоматизация необходима для многих научных и клинических приложений. [111] Поэтому в лабораториях широко применяется автоматизация. Уже с 1980 года уже работают полностью автоматизированные лаборатории. [112] Однако автоматизация не получила широкого распространения в лабораториях из-за своей высокой стоимости. Ситуация может измениться с появлением возможности интеграции недорогих устройств со стандартным лабораторным оборудованием. [113] [114] Автосамплеры — это распространенные устройства, используемые в автоматизации лабораторий.
Автоматизация логистики — это применение компьютерного программного обеспечения или автоматизированного оборудования для повышения эффективности логистических операций. Обычно это относится к операциям на складе или распределительном центре , где более широкие задачи решаются системами проектирования цепочек поставок и системами планирования ресурсов предприятия .
Промышленная автоматизация связана в первую очередь с автоматизацией процессов производства , контроля качества и обработки материалов . Контроллеры общего назначения для промышленных процессов включают программируемые логические контроллеры , автономные модули ввода-вывода и компьютеры. Промышленная автоматизация предполагает замену действий человека и ручной командно-ответной деятельности с использованием механизированного оборудования и команд логического программирования. Одной тенденцией является более широкое использование машинного зрения [115] для обеспечения функций автоматического контроля и управления роботами, другой — продолжающийся рост использования роботов. Промышленная автоматизация просто необходима на производствах.
Рост промышленной автоматизации напрямую связан с « Четвертой промышленной революцией », которая сейчас более известна как Индустрия 4.0. Зародившаяся в Германии, Индустрия 4.0 включает в себя множество устройств, концепций и машин [116] , а также развитие промышленного Интернета вещей (IIoT). « Интернет вещей — это бесшовная интеграция разнообразных физических объектов в Интернете посредством виртуального представления». [117] Эти новые революционные достижения привлекли внимание к миру автоматизации в совершенно новом свете и показали пути его развития для повышения производительности и эффективности машин и производственных предприятий. Индустрия 4.0 работает с IIoT и программным/аппаратным обеспечением таким образом, чтобы (посредством коммуникационных технологий ) добавлять усовершенствования и улучшать производственные процессы. Благодаря этим новым технологиям теперь возможно создать более разумное, безопасное и передовое производство. Это открывает производственную платформу, которая становится более надежной, последовательной и эффективной, чем раньше. Внедрение таких систем, как SCADA , является примером программного обеспечения, которое сегодня используется в промышленной автоматизации. SCADA — это программное обеспечение для сбора данных, одно из многих, используемых в промышленной автоматизации. [118] Индустрия 4.0 широко охватывает многие области производства и будет продолжать это делать с течением времени. [116]
Промышленная робототехника — это отрасль промышленной автоматизации, которая помогает в различных производственных процессах. Такие производственные процессы включают механическую обработку, сварку, покраску, сборку и обработку материалов, и это лишь некоторые из них. [119] Промышленные роботы используют различные механические, электрические и программные системы, обеспечивающие высокую точность, аккуратность и скорость, которые намного превосходят любые возможности человека. Рождение промышленных роботов произошло вскоре после Второй мировой войны, когда США увидели необходимость в более быстром способе производства промышленных и потребительских товаров. [120] Сервоприводы, цифровая логика и полупроводниковая электроника позволили инженерам создавать более совершенные и быстрые системы, и со временем эти системы были улучшены и переработаны до такой степени, что один робот способен работать 24 часа в сутки практически без обслуживания. В 1997 году использовалось 700 000 промышленных роботов, а в 2017 году их число выросло до 1,8 миллиона [121] . В последние годы искусственный интеллект и робототехника также используются при создании решений для автоматической маркировки, используя роботизированные руки в качестве автоматического аппликатора этикеток и ИИ для обучения и обнаружения продуктов, подлежащих маркировке. [122]
Промышленная автоматизация включает в производственный процесс программируемые логические контроллеры. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) используют систему обработки, которая позволяет изменять управление входами и выходами с помощью простого программирования. ПЛК используют программируемую память, хранящую инструкции и функции, такие как логика, последовательность, синхронизация, счет и т. д. Используя логический язык, ПЛК может получать различные входные данные и возвращать различные логические выходные данные, причем устройствами ввода являются датчики. устройствами вывода являются двигатели, клапаны и т. д. ПЛК похожи на компьютеры, однако, хотя компьютеры оптимизированы для вычислений, ПЛК оптимизированы для задач управления и использования в промышленных средах. Они сконструированы таким образом, что требуются только базовые знания логического программирования и выдерживают вибрацию, высокие температуры, влажность и шум. Самым большим преимуществом ПЛК является их гибкость. Используя одни и те же базовые контроллеры, ПЛК может управлять множеством различных систем управления. ПЛК избавляют от необходимости перемонтировать систему для изменения системы управления. Эта гибкость приводит к созданию экономически эффективной системы для сложных и разнообразных систем управления. [123]
ПЛК могут варьироваться от небольших «кирпичиков» с десятками входов/выходов в корпусе, интегрированном с процессором, до больших модульных устройств, монтируемых в стойку, с количеством тысяч входов/выходов, которые часто подключаются по сети к другим ПЛК и СКАДА- системы.
Они могут быть разработаны для различных схем цифровых и аналоговых входов и выходов (I/O), расширенного температурного диапазона, невосприимчивости к электрическим шумам , а также устойчивости к вибрации и ударам. Программы управления работой машины обычно хранятся в энергонезависимой или резервной памяти .
Именно в автомобильной промышленности США родился ПЛК. До появления ПЛК логика управления, последовательности и защитной блокировки в производстве автомобилей в основном состояла из реле , кулачковых таймеров , барабанных секвенсоров и специализированных контроллеров с обратной связью. Поскольку их число могло исчисляться сотнями или даже тысячами, процесс обновления таких средств для ежегодной смены модели был очень трудоемким и дорогостоящим, поскольку электрикам приходилось индивидуально переподключать реле для изменения их рабочих характеристик.
Когда стали доступны цифровые компьютеры, являющиеся программируемыми устройствами общего назначения, они вскоре стали применяться для управления последовательной и комбинаторной логикой в промышленных процессах. Однако для этих первых компьютеров требовались специалисты-программисты и строгий контроль окружающей среды в отношении температуры, чистоты и качества электроэнергии. Для решения этих задач был разработан ПЛК с несколькими ключевыми характеристиками. Он будет работать в цеховой среде, будет поддерживать дискретный (битовый) ввод и вывод с возможностью легкого расширения, для его использования не потребуются годы обучения, и он позволит контролировать его работу. Поскольку многие промышленные процессы имеют временные рамки, которые легко решить с помощью миллисекунд времени отклика, современная (быстрая, маленькая, надежная) электроника значительно облегчает создание надежных контроллеров, а производительность можно пожертвовать надежностью. [124]
Автоматизация с помощью агента — это автоматизация, используемая агентами колл-центра для обработки запросов клиентов. Ключевым преимуществом автоматизации с помощью агентов является соблюдение требований и защита от ошибок. Агенты иногда не полностью обучены или забывают или игнорируют ключевые этапы процесса. Использование автоматизации гарантирует, что то, что должно произойти во время разговора, действительно происходит каждый раз. Существует два основных типа: автоматизация рабочего стола и автоматизированные голосовые решения.
Автоматизация рабочего стола — это программирование программного обеспечения , которое упрощает работу агента колл-центра с несколькими инструментами рабочего стола. Автоматизация будет брать информацию, введенную в один инструмент, и распространять ее на другие, поэтому ее, например, не придется вводить более одного раза.
Автоматизированные голосовые решения позволяют агентам оставаться на линии, в то время как раскрытие информации и другая важная информация предоставляется клиентам в виде предварительно записанных аудиофайлов. Специализированные приложения этих автоматизированных голосовых решений позволяют агентам обрабатывать кредитные карты, даже не видя и не слыша ни номеров кредитных карт , ни кодов CVV . [125]
По сути, существует два типа контура управления: управление с разомкнутым контуром (прямая связь) и управление с обратной связью (обратная связь).
При управлении с разомкнутым контуром управляющее действие контроллера не зависит от «выходного сигнала процесса» (или «управляемой переменной процесса»). Хорошим примером этого является котел центрального отопления, управляемый только таймером, поэтому тепло подается в течение постоянного времени, независимо от температуры в здании. Управляющим действием является включение/выключение котла, но регулируемой переменной должна быть температура здания, а не так, потому что это разомкнутое управление котлом, которое не дает замкнутого управления температурой.
При управлении с обратной связью управляющее действие контроллера зависит от выходного сигнала процесса. В случае аналогии с котлом это будет включать термостат для контроля температуры в здании и, таким образом, подавать обратный сигнал, чтобы гарантировать, что контроллер поддерживает в здании температуру, установленную на термостате. Таким образом, контроллер с замкнутым контуром имеет контур обратной связи, который гарантирует, что контроллер осуществляет управляющее воздействие, чтобы получить выходной сигнал процесса, такой же, как «заданный вход» или «заданное значение». По этой причине контроллеры с обратной связью также называют контроллерами с обратной связью. [126]
Согласно определению Британского института стандартов, система управления с замкнутым контуром — это «система управления, имеющая обратную связь мониторинга, при этом сигнал отклонения, формируемый в результате этой обратной связи, используется для управления действием конечного элемента управления таким образом, чтобы стремятся свести отклонение к нулю». [127]
Так же; « Система управления с обратной связью — это система, которая имеет тенденцию поддерживать заданную связь одной системной переменной с другой путем сравнения функций этих переменных и использования разницы в качестве средства управления». [128]Одним из простейших видов управления является двухпозиционное управление. Примером может служить термостат, используемый в бытовых приборах, которые либо размыкают, либо замыкают электрический контакт. (Термостаты изначально разрабатывались как настоящие механизмы управления с обратной связью, а не как обычный термостат для бытовых приборов.)
Последовательное управление, при котором выполняется запрограммированная последовательность дискретных операций, часто основанная на системной логике, включающей состояния системы. Система управления лифтом является примером последовательного управления.
Пропорционально-интегрально-производный регулятор (ПИД-регулятор) — это механизм обратной связи контура управления ( регулятор ), широко используемый в промышленных системах управления .
В контуре ПИД-регулятора контроллер непрерывно вычисляет значение ошибки как разницу между желаемым заданным значением и измеренной переменной процесса и применяет коррекцию на основе пропорциональных , интегральных и производных членов соответственно (иногда обозначаемых P , I и D ), которые дайте свое имя типу контроллера.
Теоретическое понимание и применение датируются 1920-ми годами, и они реализованы почти во всех аналоговых системах управления; первоначально в механических контроллерах, затем в использовании дискретной электроники и, наконец, в компьютерах промышленных процессов.
Последовательное управление может быть либо фиксированной последовательностью, либо логическим, которое будет выполнять разные действия в зависимости от различных состояний системы. Примером регулируемой, но в остальном фиксированной последовательности является таймер разбрызгивателя газонов.
Состояния относятся к различным условиям, которые могут возникнуть в сценарии использования или последовательности системы. Примером может служить лифт, который использует логику, основанную на состоянии системы, для выполнения определенных действий в ответ на его состояние и ввод оператора. Например, если оператор нажимает кнопку этажа n, система будет реагировать в зависимости от того, остановлен ли лифт или движется, поднимается или опускается, открыта или закрыта дверь, а также других условий. [129]
Ранним развитием последовательного управления была релейная логика , с помощью которой электрические реле задействуют электрические контакты, которые либо включают, либо отключают питание устройства. Реле сначала использовались в телеграфных сетях, а затем были разработаны для управления другими устройствами, например, при запуске и остановке промышленных электродвигателей или открытии и закрытии электромагнитных клапанов . Использование реле для целей управления позволило управлять событиями, при которых действия могли запускаться вне последовательности в ответ на внешние события. Они были более гибкими в своей реакции, чем жесткие однопоследовательные кулачковые таймеры . Более сложные примеры включали поддержание безопасных последовательностей для таких устройств, как органы управления поворотным мостом, где запирающий засов необходимо было отключить, прежде чем мост можно было переместить, а запорный засов нельзя было отпустить до тех пор, пока защитные ворота уже не были закрыты.
Общее количество реле и кулачковых таймеров на некоторых заводах может исчисляться сотнями или даже тысячами. Чтобы сделать такие системы управляемыми, были необходимы ранние методы и языки программирования , одной из первых была лестничная логика , где диаграммы взаимосвязанных реле напоминали ступеньки лестницы. Позже были разработаны специальные компьютеры, называемые программируемыми логическими контроллерами , чтобы заменить эти наборы аппаратных средств одним, более легко перепрограммируемым блоком.
В типичной проводной схеме запуска и остановки двигателя (называемой схемой управления ) двигатель запускается нажатием кнопки «Пуск» или «Пуск», которая активирует пару электрических реле. Реле блокировки фиксирует контакты, которые поддерживают напряжение в цепи управления при отпускании кнопки. (Кнопка пуска представляет собой нормально разомкнутый контакт, а кнопка остановки — нормально замкнутый контакт.) Другое реле подает питание на переключатель, который питает устройство, которое включает выключатель стартера двигателя (три набора контактов для трехфазного промышленного электропитания) в сети электропитания. силовая цепь. Большие двигатели используют высокое напряжение и испытывают большой пусковой ток, поэтому скорость важна для установления и размыкания контакта. При использовании ручных переключателей это может быть опасно для персонала и имущества. Контакты «блокировки» в цепи запуска и главные силовые контакты двигателя удерживаются в зацеплении соответствующими электромагнитами до тех пор, пока не будет нажата кнопка «стоп» или «выключение», которая обесточивает реле блокировки. [130]
Обычно в схему управления добавляются блокировки . Предположим, что двигатель в приведенном примере приводит в действие оборудование, которое критически нуждается в смазке. В этом случае можно добавить блокировку, чтобы гарантировать, что масляный насос работает до запуска двигателя. Таймеры, концевые выключатели и электрические глаза — другие распространенные элементы в схемах управления.
Электромагнитные клапаны широко используются со сжатым воздухом или гидравлической жидкостью для привода приводов механических компонентов. В то время как двигатели используются для обеспечения непрерывного вращательного движения , приводы обычно являются лучшим выбором для периодического создания ограниченного диапазона движения механического компонента, например, перемещения различных механических рычагов, открытия или закрытия клапанов , подъема тяжелых прижимных роликов, приложения давления к прессы.
Компьютеры могут выполнять как последовательное управление, так и управление с обратной связью, и обычно один компьютер выполняет и то, и другое в промышленном приложении. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) представляют собой тип микропроцессора специального назначения , который заменил многие аппаратные компоненты, такие как таймеры и барабанные секвенсоры, используемые в системах релейного логического типа. Компьютеры общего назначения для управления технологическими процессами все чаще заменяют автономные контроллеры, поскольку один компьютер может выполнять операции сотен контроллеров. Компьютеры управления технологическими процессами могут обрабатывать данные из сети ПЛК, приборов и контроллеров для реализации типичного (например, ПИД) управления многими отдельными переменными или, в некоторых случаях, для реализации сложных алгоритмов управления с использованием нескольких входных данных и математических манипуляций. Они также могут анализировать данные и создавать графические изображения для операторов в реальном времени, а также создавать отчеты для операторов, инженеров и руководства.
Управление банкоматом (АТМ) является примером интерактивного процесса, в котором компьютер выполняет логический ответ на выбор пользователя на основе информации, полученной из сетевой базы данных. Процесс банкомата имеет сходство с другими процессами онлайн-транзакций. Различные логические реакции называются сценариями . Такие процессы обычно разрабатываются с помощью сценариев использования и блок-схем , которые направляют написание программного кода. Самым ранним механизмом управления с обратной связью были водяные часы, изобретенные греческим инженером Ктесибием (285–222 гг. до н.э.).
[…] Еще одним отмеченным моментом было широкое использование малогабаритных
твердотельных
логических устройств
(таких как «
и
», «
или
», «
не
») и
измерительных приборов
(таймеры, усилители и т. д.).
Казалось бы, здесь есть хороший повод для различных производителей стандартизировать практические детали, такие как монтаж, соединения и источники питания, чтобы, скажем,
Siemens
«
Simatic
» был напрямую взаимозаменяем с
Ateliers des Constructions Electronique de Charleroi
«
Logacec
». Telefunken
«Logistat», или
Mullard
«
Norbit
», или «
Combi
-element
».
[…]
Очень немногие профессии будут полностью автоматизированы в ближайшей или среднесрочной перспективе.
Скорее, некоторые действия, скорее всего, будут автоматизированы....
Согласно новому исследованию McKinsey, автоматизация, основанная на технологиях, затронет почти все профессии и может изменить работу.
В эту статью включен текст из бесплатного контента . Лицензия CC BY-SA 3.0 (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из краткого обзора «Состояние продовольствия и сельского хозяйства на 2022 год – Использование автоматизации в сельском хозяйстве для преобразования агропродовольственных систем», ФАО, ФАО.
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Цитаты из Wikiquote
Ресурсы из Викиверситета
