Основные технологии промышленной автоматизации: Руководство по интеграции 2025 года

В своей простейшей форме промышленная автоматизация - это применение систем управления, которые могут представлять собой компьютер или робот, и информационных технологий для управления различными промышленными процессами и машинами в рамках отрасли вместо человека. Тем не менее, технология промышленной автоматизации включает в себя архитектуру аппаратного и программного обеспечения, которая позволяет этим системам работать независимо.

Это переход от ручного управления к точному и более эффективному контролю процессов. Когда мы говорим о технологии автоматизации, мы имеем в виду комплекс систем, превращающих сырье в готовую продукцию при минимальном вмешательстве человека, и скоординированную систему автоматизированных технологий, обеспечивающих максимальную эффективность, безопасность и последовательность промышленных операций.

Современная экосистема технологий промышленной автоматизации

В промышленности использовалась "пирамида автоматизации" - строгая иерархическая модель, в которой датчики находятся внизу, контроллеры - в середине, а корпоративные системы - наверху. В этой модели поток данных был линейным и, как правило, медленным. К 2025 году эта иерархия изменится на более подвижную структуру.

Мы переходим к современному стеку технологий автоматизации. Эта экосистема фокусируется не на строгих структурных уровнях, а на связности и потоке данных. Исторический разрыв между операционными технологиями (OT - физическое оборудование) и информационными технологиями (IT - системы данных) разрушается. Полевые устройства теперь могут общаться с пограничными вычислительными устройствами или облачными панелями управления, не проходя через традиционные узкие места.

Это изменение - переход от закрытых запатентованных систем к открытым, взаимосвязанным системам. Система способна реагировать и подстраиваться под изменяющиеся условия производства в режиме реального времени, поскольку сигналы и данные передаются по всей сети. Для того чтобы лавировать по этой местности, важно знать основные функциональные уровни, из которых состоит эта система.

Технологии, рассматриваемые в этом руководстве, имеют дорожную карту, как показано ниже:

Полевые технологии: Передовые датчики и приводы

Этот уровень является физическим интерфейсом системы автоматизации. Он собирает данные об окружающей среде и выполняет физические действия. Система управления не имеет необходимых входных данных и не может повлиять на физический процесс без надежной полевой технологии.

Интеллектуальные датчики и сбор данных

В прошлом датчики использовались в качестве дискретных переключателей, которые обозначали простые двоичные состояния, такие как Вкл/Выкл или Присутствует/Не присутствует.

Современное промышленное применение сенсорных технологий переросло в сбор данных. Интеллектуальные датчики, например, использующие такие протоколы, как IO-Link, не просто посылают сигналы, а предоставляют подробные отчеты о состоянии. Например, фотоэлектрический датчик может отправлять диагностическую информацию о загрязнении линзы или уровне сигнала непосредственно на контроллер.

В результате этого сдвига датчики превращаются в активные источники данных, а не в пассивные компоненты. Индуктивные датчики приближения для обнаружения металлических компонентов или фотоэлектрические датчики для подсчета объектов, целостность сигнала является приоритетом. Предпосылкой надежного управления процессом являются точные входные данные. Кроме того, обеспечивая предварительную обработку данных в источнике, эти датчики способствуют вычислениям на границе, снижая задержки и нагрузку на центральные центры обработки данных.

Прецизионные приводы и управление движением

После сбора данных система должна выполнять физические задачи с помощью функции Actuation. Для этого электрические сигналы управления преобразуются в механические движения для приведения в действие конвейерных систем, станков с ЧПУ или оборудования для обработки материалов. Промышленность переходит от базовой пневматической логики к прецизионному управлению движением.

• Сервосистемы: Эти системы обеспечивают замкнутую обратную связь по положению, скорости и крутящему моменту, позволяя промышленным роботам или столам позиционирования достигать высокой повторяемости.
• Продвинутая пневматика: Современные пневматические системы оснащены электроникой для динамического управления давлением, что позволяет манипулировать хрупкими материалами без их повреждения.
• Робототехника: От тяжелых промышленных роботов, поднимающих тонны, до роботов, работающих вместе с людьми, - эти системы автоматизируют повторяющиеся задачи на сборочных линиях. Эта технология может заменить ручной труд в опасных условиях.

Точность этих приводов прямо пропорциональна качеству продукции. Несоответствие приводов электрическим системам может привести к ошибкам в обработке, неэффективному уплотнению или дефектам сборки.

Технологии управления: Логика и обработка сигналов

Архитектура автоматизации вращается вокруг уровня управления. Он получает необработанные полевые данные, выполняет запрограммированную логику и посылает команды исполнительным механизмам. Этот уровень необходим для обеспечения безопасности операций и эффективности производства.

Эволюция программируемых логических контроллеров (ПЛК)

ПЛК по-прежнему является стандартом программируемой автоматизации и дискретного управления. Тем не менее, требования к логическим контроллерам в 2025 году совершенно иные, чем к старым моделям.

Современные ПЛК ориентированы на скорость обработки данных и модульность аппаратного обеспечения. Они должны быть способны выполнять сложные логические операции за микросекунды, чтобы не отставать от быстрых упаковочных или сборочных линий в производственном секторе. Модульность позволяет встраивать коммуникационные карты или модули ввода-вывода для расширения систем автоматизации без необходимости замены всего оборудования. Однако качество электропитания является единственным фактором, определяющим надежность этих систем управления.

• Стабильность напряжения: Временное падение напряжения может привести к перезагрузке ПЛК, что вызовет простои в производственных процессах и потерю данных. Качественные источники питания оснащены функцией плавного пуска. Эта технология эффективно устраняет входные импульсные токи переменного тока при запуске, устраняя электрическую нагрузку на чувствительные нагрузки, такие как главные платы ПЛК.
• Глобальная Совместимость & Компактность: Для того чтобы соответствовать международным стандартам интеллектуального производства, необходимы блоки питания с широким диапазоном входного напряжения переменного тока 100-240 В. Это позволяет машиностроителям стандартизировать конструкцию шкафов управления для международных рынков. Кроме того, более компактные компоненты управления позволяют устанавливать больше устройств на 35-миллиметровую DIN-рейку, максимально увеличивая пространство шкафа управления.
• Защита и целостность сигнала: Электромагнитные помехи (ЭМП) могут влиять на логические сигналы в шкафу управления. Промышленные источники питания для систем управления, оснащенные встроенными фильтрами электромагнитных помех, необходимы для того, чтобы помехи, создаваемые мощными устройствами, не влияли на логику управления. Также имеется встроенная защита от короткого замыкания и перегрузки, что означает, что источник питания автоматически отключается в случае неисправности и автоматически подключается снова, обеспечивая продолжение производственного процесса с минимальными затратами на техническое обслуживание.

Высокопроизводительный процессор не может корректно работать без стабильного питания. Промышленные источники питания и реле являются критически важной инфраструктурой для ПЛК. Промышленные источники питания OMCH разработаны для обеспечения надежной работы. Наши устройства поддерживают широкий входной сигнал 100-240 В для глобальной совместимости и оснащены встроенными фильтрами EMI для защиты чувствительной логики ПЛК от помех. Благодаря функции плавного пуска для предотвращения импульсных токов и быстрой реакции на переходные процессы, они поддерживают стабильное напряжение при колебаниях. Все эти средства защиты, включая защиту от короткого замыкания, упакованы в компактный корпус, который позволяет максимально использовать место на DIN-рейке, обеспечивая бесперебойную работу вашей автоматики.

Архитектура распределенных систем управления (DCS)

В то время как ПЛК оптимизированы для высокоскоростного дискретного управления, Распределенные системы управления (DCS) предназначены для управления сложными процессами.

ПЛК предназначены для высокоскоростного дискретного управления, а распределенные системы управления (DCS) - для управления сложными технологическими процессами.

В других отраслях, таких как нефтепереработка или химическая обработка, использование одного контроллера представляет большую опасность. Архитектура DCS помогает преодолеть эту проблему, распределяя функции управления между многими процессорами на предприятии. Избыточность - характерная черта DCS. В случае выхода из строя одного процессора или модуля в дело вступает резервная система, и процесс не прерывается и становится безопасным.

Технологии подключения: Промышленные протоколы и IIoT

Одной из самых серьезных проблем промышленной автоматизации является совместимость, или способность устройств различных производителей взаимодействовать друг с другом. Стандарты упаковки, передачи и приема данных определяются технологиями подключения. Это направлено на устранение изоляции данных, обеспечение беспрепятственного потока данных и создание действительно открытых систем.

Существует два основных типа коммуникационных протоколов, используемых в промышленности. Протоколы Fieldbus (например, Profibus и Modbus) - это стандарты последовательной связи, отличающиеся своей прочностью и простотой, которые подходят для передачи небольших пакетов данных на большие расстояния. Современным стандартом является промышленный Ethernet (например, Ethernet/IP, Profinet и EtherCAT). Эти промышленные протоколы используют стандартные кабели Ethernet, но применяют детерминированные методы, чтобы гарантировать получение данных в течение определенного времени.

Соединение основано на мощном физическом уровне. Мосты обеспечиваются шлюзами и пограничными устройствами, которые преобразуют устаревшие сигналы в современные протоколы промышленного Интернета вещей (IIoT), такие как OPC UA и MQTT, для интеграции с облаком. Такая интеграция IIoT является основой "умных" фабрик. Чтобы обеспечить постоянную работоспособность этих коммуникационных узлов, инфраструктура электропитания, лежащая в их основе, должна быть стабильной даже при наличии электрических шумов и колебаний, характерных для промышленной среды.

Технологии диспетчеризации: Визуализация и SCADA

Контрольные технологии - это интерфейс между автоматизированной системой и операторами-людьми, который преобразует двоичные данные в визуализацию действий.

Этот интерфейс начинается с человеко-машинного интерфейса (HMI). ЧМИ обеспечивает локальное управление и мониторинг. Он позволяет операторам отправлять команды (например, запуск партии) и получать обратную связь (например, сигналы тревоги или отчеты о состоянии). Хороший дизайн HMI ориентирован на ситуационную осведомленность, где визуальные индикаторы используются для скорейшего обнаружения аномалий, минимизируя время вмешательства человека и избегая ошибок.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) обеспечивает глобальный обзор на уровне всего предприятия. В отличие от HMI, который обычно связан с одной машиной, системы SCADA объединяют данные нескольких ПЛК для вычисления показателей мониторинга в реальном времени, таких как общая эффективность оборудования (OEE) и другие KPI. Новые веб-системы SCADA становятся стандартом, предоставляя приборные панели, которые можно отслеживать и управлять ими удаленно. Главная ценность - скорость принятия решений, т. е. обнаружение узких мест в производстве в режиме реального времени для поддержания заданной производительности.

Новые тенденции: Интеграция ИИ и граничные вычисления

Передовые технологии совершенствуют существующие стеки автоматизации, предоставляя возможность быстрее принимать решения и эффективнее анализировать данные.

Машинное обучение (ML) и искусственный интеллект (AI) меняют принципы работы систем. По сравнению с традиционным статическим программированием, машинное обучение связано с алгоритмами, которые учатся на основе данных, чтобы со временем становиться лучше без необходимости объяснять, что делать. Эта способность меняет три важных аспекта:

• Контроль качества: Системы технического зрения на основе ML учатся различать приемлемые и дефектные детали с высочайшей точностью, выявляя микроскопические дефекты, которые стандартные датчики могут пропустить.
• Предсказание Техническое обслуживание: Анализируя исторические данные, такие как вибрация двигателя или температурные тренды, модели ML могут предсказывать отказы оборудования за несколько недель до их возникновения, что позволяет принимать упреждающие меры. Это огромный скачок для непрерывного совершенствования и сокращения времени непредвиденных простоев.
• Процесс Оптимизация: Интеллектуальные алгоритмы анализируют данные о производственном процессе в режиме реального времени, чтобы настроить параметры, максимизируя выход продукции, оптимизируя потребление энергии и сокращая время выполнения заказа.

Цифровые двойники позволяют моделировать эти изменения до их внедрения, что помогает в управлении изменениями. Кроме того, пограничные вычисления дополняют эту технологию, обрабатывая данные у источника. Задержка важна для высокоскоростных приложений, например для систем технического зрения, которые осматривают продукцию с высокой скоростью. Пограничные устройства обрабатывают данные на месте, принимая мгновенные решения по управлению (например, отбраковать дефектную деталь), и отправляют центральным серверам только те сводные данные, которые имеют отношение к делу. Эти технологии заставляют применить мультипликаторы к существующему оборудованию и повышают эффективность системы.

Приспособление автоматизации к потребностям отрасли

Стратегии автоматизации в промышленности должны соответствовать конкретным потребностям производственного процесса и более широкой стратегии цифровой трансформации. Выбор технологического стека в значительной степени зависит от дискретного или непрерывного процесса.

В дискретном производстве (например, в автомобильной промышленности или электронике) производство ведется на дискретных, исчисляемых единицах. Основными целями являются сокращение времени цикла, точность позиционирования и скорость сборки. Высокоскоростные ПЛК, сервоуправление движением и датчики с быстрым откликом - важнейшие решения для автоматизации автомобильного производства. Миллисекунды задержки срабатывания датчиков могут привести к механическим столкновениям или дефектам.

В технологическом производстве (например, химическом, пищевом и производстве напитков) продукт - это непрерывное вещество или рецептура. Цели - постоянство, соблюдение рецептуры и непрерывность работы. Основной упор в технологиях делается на DCS, ПИД-контуры управления и точные аналоговые приборы. Основная угроза - нестабильность процессов; отключение электроэнергии может уничтожить всю производственную партию или создать угрозу безопасности.

Существуют гибридные сценарии, в которых эти два типа пересекаются, например, предприятие, которое получает жидкости (Process) и упаковывает их (Discrete).

Несмотря на архитектурные различия, требования к надежным “компонентам управления” универсальны. Как дискретные, так и технологические системы полагаются на стабильные источники питания и коммутационные компоненты для правильной работы.

Выбор технологий на основе масштабируемости приложений

Выбор технологии автоматизации - это не только приобретение новейшего оборудования, но и согласование сложности технологии с конкретным масштабом и стратегическими целями предприятия. Это стратегическое соответствие имеет решающее значение для снижения затрат и обеспечения высокой рентабельности инвестиций (ROI).

Чтобы принять такое решение, инженерам и лицам, принимающим решения, рекомендуется классифицировать свои потребности в зависимости от масштаба операций:

Тем не менее, существует один принцип, который применим к любой степени автоматизации: Надежность системы определяется самыми базовыми ее элементами. Высокоуровневые функции не могут стать причиной нестабильности оборудования.

Именно здесь OMCH вписывается в вашу стратегию. Наши продукты разработаны в соответствии с высокими международными стандартами, гарантирующими непрерывность работы ваших критически важных систем, что подтверждается полной прозрачностью и отчетами об испытаниях. Кроме того, мы обладаем 38-летним опытом автоматизации в энергетической, автомобильной и новой энергетической отраслях. Эти глубокие знания в данной области позволяют нам создавать продукты, учитывающие специфику отрасли, и предлагать систематические и индивидуальные решения. Независимо от масштаба вашего проекта модернизации или более сложного проекта, сотрудничество с OMCH означает, что ваша автоматизация будет построена на основе качества.