自动化

控制许多大型设施,例如该电气发电站需要最少的人干预。

自动化描述了各种各样的技术,这些技术主要是通过预定决策标准,子过程关系和相关行动以及体现机器中这些预先确定的预定性。通常结合使用的各种手段,包括机械液压气动电气设备计算机,可以实现自动化。复杂的系统,例如现代工厂飞机和船只通常使用所有这些技术的组合。自动化的好处包括节省人工,减少浪费,节省电力成本,储蓄材料成本以及质量,准确性和精度的改善。

自动化包括使用各种设备和控制系统,例如机械工厂锅炉和热处理烤箱中的工艺,打开电话网络转向以及船舶,飞机的稳定以及其他人为干预的其他应用以及其他应用程序和车辆。示例范围从控制锅炉的家用恒温器到具有数以万计的输入测量和输出控制信号的大工业控制系统。自动化也发现了银行业的房屋。它的范围从简单的开关控制到控制复杂性的多变量高级算法。

在最简单类型的自动控制循环中,控制器将过程的测量值与所需的设置值进行比较,并处理所得的误差信号以更改对过程的输入,以使过程保持在其设定点尽管有干扰。这种闭环控制是对系统负面反馈的应用。控制理论的数学基础始于18世纪,并在20世纪迅速发展。在福特建立自动化部门时,该术语是受早期单词自动变量(来自自动机)(来自自动机)的启发的术语。正是在这段时间里,该行业正在迅速采用反馈控制者,这是在1930年代引入的。

世界银行2019年世界银行的世界发展报告表明,技术部门的新行业和工作超过了工人因自动化而流离失所的经济影响。自2010年代以来,美国,英国和法国以及其他国家以及其他国家的民族主义者贸易保护主义民粹主义政治的复兴,被认为是自动化的工作损失下降流动性。

历史

早期历史

Ctesibius的Clepsydra(公元前3世纪)

这是希腊人和阿拉伯人的关注(在公元前300年至公元300年之间),以保持准确的时间。在大约公元前270年的托勒密埃及Ctesibius描述了一个用于水时钟的浮子调节器,一种设备与现代冲洗厕所中的球和公鸡不同。这是最早的反馈控制机制。 14世纪机械时钟的外观使水时钟及其反馈控制系统过时。

波斯人BanūMūsā兄弟在其巧妙的设备(公元850年)中描述了许多自动控制。 Banu Musa Brothers开发了流体的两步水平控制,即不连续的可变结构控制。他们还描述了一个反馈控制器。通过工业革命的反馈控制系统的设计是通过反复试验,以及大量的工程直觉。因此,它更多是一种艺术而不是一门科学。直到19世纪中叶,使用数学(自动控制理论的形式语言)分析了反馈控制系统的稳定性。

离心总督是由克里斯蒂亚·霍根斯(Christiaan Huygens)在17世纪发明的,用于调整磨石之间的差距。

西欧的工业革命

蒸汽机通过控制发动机速度和功率来促进自动化。

引入主要搬运工或自动驱动机器高级谷物厂,炉子,锅炉和蒸汽机为包括温度调节器(1624年发明;参见Cornelius drebbel ),压力调节器(1681),,,为自动控制系统(包括温度调节器发明)创造了新的要求(1681)浮动调节器(1700)和速度控制设备。另一种控制机制用于纳入风车的帆。它在1745年获得了埃德蒙·李(Edmund Lee)的专利。同样在1745年,雅克·德·沃卡森(Jacques de Vaucanson)发明了第一个自动织机。约瑟夫·玛丽·雅克(Joseph Marie Jacquard)在1800年左右,创建了一个打孔卡系统来编程。

1771年,理查德·阿克赖特(Richard Arkwright)发明了由水力驱动的第一个全自动旋转厂,当时被称为水架奥利弗·埃文斯(Oliver Evans)于1785年开发了自动面粉厂,使其成为第一个完全自动化的工业工艺。

飞行员调速器是反馈控制系统的早期示例。速度的提高将使配重向外移动,滑动连接,该连杆往往关闭供应蒸汽的阀门,从而减慢发动机。

1784年,英格兰的Bunce先生使用了一个离心行长,作为模型蒸汽起重机的一部分。瓦特(Watt)的合伙人布尔顿(Boulton)在面粉厂布尔顿(Boulton&Watt)建造一家蒸汽机之后,詹姆斯·瓦特(James Watt)在1788年被詹姆斯·瓦特(James Watt)采用了离心行长。州长实际上无法保持设定的速度;发动机将在负载变化中假设新的恒定速度。州长能够处理较小的变化,例如由于锅炉的热量波动而引起的变化。而且,每当发生速度变化时,都有振荡的趋势。结果,配备了该调速器的发动机不适合需要持续速度的操作,例如棉花旋转。

州长的一些改进,加上蒸汽机上的阀门截止时间的改进,使该发动机适合于19世纪末之前的大多数工业用途。蒸汽机的进步仍领先于热力学和控制理论。直到詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)发表了一篇论文,该论文确立了理解控制理论的理论基础的开始,因此总督受到了相对较少的科学关注。

20世纪

继电器逻辑是带有工厂电气化的,该逻辑接受了1900年至1920年代的快速适应。中央电力站也正在快速增长,新的高压锅炉,蒸汽轮机和电动变电站的运行产生了对仪器和控制措施的巨大需求。中央控制室在1920年代变得很普遍,但直到1930年代初,大多数过程控制就开始了。操作员通常监视由录制器绘制的录制数据的图表。为了进行校正,操作员手动打开或关闭的阀门或打开或关闭开关。控制室还使用颜色编码的灯向工厂的工人发送信号,以手动进行某些更改。

1920年代的电子放大器的开发对于长途电话很重要,需要更高的信噪比,这是通过消除反馈噪声来解决的。此和其他电话应用程序有助于控制理论。在1940年代和1950年代,德国数学家IrmgardFlügge-Lotz开发了不连续自动控制的理论,该理论在第二次世界大战期间发现了对消防系统和飞机导航系统的军事应用。

能够在1930年代开始引入的控制器,能够响应于设定点而不是on-On-Off Control的偏差而进行计算的更改。控制器允许制造商继续展示生产力提高,以抵消工厂电气化的影响下降。

1920年代的电气化大大提高了工厂的生产率。美国制造生产率的增长从1919 - 29年的5.2%下降到1929 - 41年的2.76%/年。亚历山大·菲尔德(Alexander Field)指出,从1929年到1933年,在非医疗工具上的支出显著增加,此后保持强劲。

第一次世界大战和第二次世界大战在大众传播信号处理领域取得了重大进步。自动控制的其他关键进展包括微分方程稳定理论系统理论(1938),频域分析(1940),船舶控制(1950)和随机分析(1941)。

从1958年开始,出现了基于连线编程逻辑控制器的固态数字逻辑模块(可编程逻辑控制器的前身[PLC])的各种系统,以取代工业控制系统中用于过程控制和自动化的工业控制系统,包括早期Telefunken / AEG Logistat, Siemens SimaticPhilips / Mullard / Valvo NorbitBBC Sigmatronic, ACEC Logacec ,Akkord Estacord,Akkord Estacord,Krone Mibakron,Bistat,datapac,datapac,Norlog,Norlog,SSR,SSR或Procontic Systems。

1959年, TexacoArthur Port Refinery成为第一个使用数字控制的化学厂。随着计算机硬件的价格下跌,工厂转换为数字控制的转换开始迅速传播。

重要的应用

自动电话总机于1892年与拨号电话一起引入。到1929年,贝尔系统的31.9%是自动的。自动电话开关最初使用真空管放大器和电力开关,这些开关消耗了大量电力。通话量最终越来越快,以至于担心电话系统会消耗所有电力生产,促使贝尔实验室开始对晶体管进行研究。

电话交换继电器执行的逻辑是数字计算机的灵感。第一家商业上成功的玻璃瓶吹制机是1905年推出的自动型号。这台由两人工作12小时的机组人员操作的机器可以在24小时内生产17,280瓶,而由2,880瓶装瓶由由一组瓶子制成六个在商店里工作的男人和男孩一天。用机器制作瓶子的成本为每总总计10到12美分,而手动玻璃玻璃玻璃和助手的总费用为1.80美元。

使用控制理论开发了部分电动驱动器。截面电动驱动器用于机器的不同部分,其中必须在各部分之间保持精确的差异。在钢滚动中,金属通过成对的滚筒时会伸长,这必须以更快的速度运行。在制作纸张中,片纸通过分组排列的蒸汽加热干燥时会收缩,必须以较慢的速度运行。分段电动驱动器的第一次应用是在1919年的纸机上。20世纪钢铁行业中最重要的开发项目之一是由ARMCO于1928年开发的连续宽带滚动。

自动化药理学生产

自动化之前,分批制作了许多化学物质。 1930年,随着仪器的广泛使用和新兴控制器的使用,道琼斯化学公司的创始人倡导连续生产

詹姆斯·纳斯米斯(James Nasmyth)在1840年代开发了自动发作的机床,使手动敏捷流离失所,因此可以由男孩和非熟练工人操作。 1950年代,使用打孔纸胶带将机床使用数值控制(NC)自动化。这很快就演变成计算机化的数值控制(CNC)。

如今,在几乎每种类型的制造和组装过程中都实行了广泛的自动化。一些较大的过程包括发电,炼油,化学品,钢厂,塑料,水泥厂,肥料厂,纸浆和造纸厂,汽车和卡车装配,飞机生产,玻璃制造,天然气分离厂,食品和饮料处理,罐头和装瓶以及各种零件的制造。机器人在诸如汽车喷漆之类的危险应用中特别有用。机器人还用于组装电子电路板。汽车焊接是用机器人完成的,并且在管道等应用中使用自动焊工。

空间/计算机时代

随着1957年太空时代的出现,控制设计,尤其是在美国,脱离了古典控制理论的频域技术,并回到了19世纪后期的微分方程技术中,这些方程式在当时被掩盖了领域。在1940年代和1950年代,德国数学家Irmgard Flugge-Lotz开发了不连续自动控制的理论,该理论被广泛用于磁滞控制系统,例如导航系统火力控制系统电子产品。通过Flugge-Lotz和其他人,现代时代的非线性系统时域设计(1961), Navigation (1960),最佳控制估计理论(1962),非线性控制理论(1969),数字控制过滤理论( 1974年) )和个人计算机(1983)。

优点,缺点和限制

自动化在行业中最受欢迎的优势也许是它与更快的生产和更便宜的人工成本相关联。另一个好处可能是它取代了艰苦,身体或单调的工作。此外,在危险环境中发生的任务或否则在人类功能之外的任务可以由机器完成,因为机器甚至在极端温度下或放射性或有毒的大气中也可以运行。它们也可以通过简单的质量检查来维护。但是,目前,并非所有任务都可以自动化,并且某些任务比其他任务更昂贵。在工厂设置中安装机械的初始成本很高,无法维护系统可能会导致产品本身的损失。

此外,一些研究似乎表明,工业自动化可能会对操作问题产生不良影响,包括由于系统性损失而导致的工人流离失所,并加重了环境损害;但是,这些发现本质上都是复杂的和有争议的,并且有可能被规避。

自动化的主要优点是:

  • 提高吞吐量或生产率
  • 提高质量
  • 提高可预测性
  • 提高鲁棒性(一致性),过程或产品
  • 产出的一致性提高
  • 降低了人工成本和费用的直接人工成本
  • 减少周期时间
  • 提高准确性
  • 减轻人类单调重复的工作
  • 自动化流程的开发,部署,维护和操作所需的工作 - 通常以“工作”结构
  • 增加人类做其他事情的自由

自动化主要描述了代替人类作用的机器,但它也与机械化,机器替代人工劳动。再加上机械化,扩展人类的能力,以大小,强度,速度,耐力,视觉范围和敏锐度,听力和精度,电磁感应和效应等,等等,优势包括:

  • 减轻人类危险的工作压力和职业伤害(例如,增加重物的扭曲)
  • 将人类从危险环境中删除(例如火灾,空间,火山,核设施,水下等)

自动化的主要缺点是:

  • 高初始成本
  • 没有人类干预的加快产量可能意味着自动化过程有缺陷的缺陷产生的速度更快。
  • 扩大的能力可能意味着系统失败时扩大问题 - 以扩大速度释放危险的毒素,力,能量等。
  • 自动化启动者通常对人类的适应性理解。通常很难预见每种偶然性并在每种情况下都会产生完全预先计划的自动响应。自动化过程中固有的发现可能需要解决意外的迭代才能解决,从而导致意外的成本和延误。
  • 预期就业收入的人可能会受到部署自动化的其他人的严重破坏,而自动化不容易获得。

自动化的悖论

自动化的悖论说,自动化系统效率越有效,人类的贡献就越重要。人类的参与程度较小,但他们的参与变得更加关键。认知心理学家Lisanne Bainbridge在她广泛引用的论文“自动化”中尤其确定了这些问题。如果自动化系统有错误,它将乘以该错误,直到修复或关闭。这是人类操作员进来的地方。这是一个致命的例子,是法国航班447航班,自动化失败使飞行员陷入了他们没有准备的手动状况。

限制

  • 当前的技术无法自动化所有所需的任务。
  • 许多使用自动化的操作都有大量的投资资本,并生产大量产品,使故障极为昂贵且潜在的危险。因此,需要一些人员来确保整个系统正常运行,并保持安全和产品质量。
  • 随着过程越来越自动化,可以节省的劳动力越来越少,或者要获得质量的改进。这是递减回报逻辑函数的一个示例。
  • 随着越来越多的流程变得自动化,剩余的非自动化过程越来越少。这是机会耗尽的一个例子。但是,新的技术范例可能会设定超过先前限制的新限制。

当前限制

目前,人类在工业过程中的许多角色都超出了自动化的范围。人类水平的模式识别语言理解和语言生产能力远远超出了现代机械和计算机系统的功能(但请参见Watson Computer )。需要主观评估或综合复杂感觉数据的任务,例如气味和声音,以及当前需要人类专业知识的高级任务,例如战略计划。在许多情况下,即使可以自动化工业任务的自动化,人类的使用比机械方法更具成本效益。因此,算法管理作为人工劳动的数字化合理化而不是替代的数字化是一种替代技术策略。克服这些障碍是通往后校准经济学的理论上的途径。

社会影响和失业

自动化增加通常会导致工人感到焦虑,因为技术会导致他们的技能或不必要的经验。在工业革命的早期,当蒸汽机等发明使某些工作类别消失时,工人强行抵制了这些变化。例如,卢迪特(Luddites)是英国纺织工人,他们通过销毁它们来抗议编织机器。最近,亚利桑那州钱德勒(Chandler)的一些居民在自动驾驶汽车上削减了轮胎和弯曲的岩石,以抗议汽车对人类安全和工作前景的威胁。

在民意测验中反映出自动化的相对焦虑似乎与该地区或国家有组织劳动力的力量密切相关。例如,虽然皮尤研究中心的一项研究表明,有72%的美国人担心工作场所的自动化,但由于该国仍然强大的力量,瑞典人中有80%的瑞典人将自动化和人工智能(AI )视为一件好事工会和更强大的国家安全网

根据专家Carl Benedikt Frey和Michael Osborne的研究,在美国,目前有47%的工作有可能在2033年完全自动化。此外,工资和教育程度似乎与职业的自动化风险密切相关。即使是高技能的专业工作,例如律师医生工程师记者也有自动化的风险。

对于目前不需要大学学位的职业,例如卡车驾驶,前景尤其令人沮丧。即使在矽谷等高科技走廊中,人们也关注着一个未来,在这种未来中,很大一部分成年人几乎没有机会维持有酬就业。 “在第二个机器时代,埃里克·布林乔夫森(Erik Brynjolfsson)和安德鲁·麦卡菲(Andrew McAfee)认为:“……从来没有更好的时间成为具有特殊技能或正确教育的工人,因为这些人可以使用技术来创造和捕获价值。但是,由于计算机,机器人和其他数字技术以极好的速度获得这些技能和能力的工人,从来没有一个更糟糕的时间成为一个拥有“普通”技能和能力的工人。但是,如果有足够的政治意愿来促进其职位被过时的工人的重学,就不必激发恐慌。

根据《政治经济学杂志》 2020年的一项研究,自动化对就业和工资产生了强大的负面影响:“每千名工人又有一个机器人将就业人口比率降低0.2个百分点和工资,并降低了0.42 %。”

牛津马丁学校卡尔·本尼迪克特·弗雷(Carl Benedikt Frey)和迈克尔·奥斯本(Michael Osborne)的研究认为,“遵循明确定义的程序可以轻松执行的算法的员工都有流离失所的风险”,在美国,有47%的工作是风险。这项研究于2013年发表,并于2017年发表,预测自动化将使低薪的身体职业受到最大的风险,通过对一群同事的意见进行调查。但是,根据2015年在麦肯锡季刊上发表的一项研究,在大多数情况下,计算机化的影响不是替代员工,而是他们执行的任务的部分自动化。麦肯锡研究的方法被严重批评,因为它们是固有的,并且依靠主观评估。弗雷(Frey)和奥斯本(Osborne)的方法已受到批评,因为缺乏证据,历史意识或可靠的方法论。此外,经济合作与发展组织( OECD )发现,在21个经合组织国家中,有9%的工作是自动的。

奥巴马政府指出,每3个月每3个月,经济中约6%的就业机会被缩小或关闭企业摧毁,而增加了稍大的就业机会”。 1990年至2007年,美国自动化自动化的最新经济学研究发现,当将机器人引入一个行业时,可能会对就业和工资产生负面影响。当每千名工人增加一个机器人时,就业人口比率降低了0.18至0.34个百分点,工资降低了0.25-0.5个百分点。在研究的期间,美国没有很多机器人限制了自动化的影响。但是,预计自动化将三倍(保守估计)或四倍(慷慨估计)导致这些数字变得更高。

基于图卢兹1大学的经济学家吉尔斯·圣波尔(Gilles Saint-Paul)的公式,对非熟练人力资本的需求的需求速度低于对熟练人力资本的需求的速度慢。从长远来看,对于整个社会而言,它导致了廉价的产品,较低的平均工作时间和新的行业成立(即机器人行业,计算机工业,设计行业)。这些新行业为经济提供了许多高薪基于工资技能的就业机会。到2030年,由于自动化消除整个部门的工作,全球劳动力的3%至14%将被迫切换工作类别。尽管失去自动化的工作数量通常被技术进步所获得的工作所抵消,但相同类型的失业不是相同的工作,并且导致下层中间班级失业率增加。这主要发生在美国和发达国家,技术进步有助于对高技能劳动力的需求更高,但对中工资劳动的需求仍在下降。经济学家称这一趋势为“收入两极分化”,其中不熟练的劳动工资被驱逐出境并驱动熟练的劳动力,预计在发达经济体中将继续进行。

由于自动化和技术的指数增长率,失业率正在成为美国的一个问题。根据Kim,Kim和Lee(2017:1)的说法,“ Frey and Osborne在2013年进行的[A]开创性研究预测,美国702个检查职业中有47%在接下来的10次中面临降低的就业率的高风险。 –25年,由于计算机化。”由于许多工作变得过时了,这导致了工作流离失所,因此政府可能是协助普遍基本收入(UBI)计划的解决方案。 UBI将是每月大约1000美元的保证,非税收收入,支付给21岁以上的所有美国公民。UBI将帮助那些流离失所的工作人员从事较少支付且仍然负担得起的工作。这也将使那些受雇的工作可能被自动化和技术所取代的工作,以花在教育和培训新的苛刻就业技能上。但是,UBI应该被视为一种短期解决方案,因为它不能完全解决收入不平等问题,这将因工作流离失所而加剧。

发光制造

灯光制造是一种没有人工工人的生产系统,可以消除人工成本。

当1982年的通用汽车实施人类“失望”制造以“用自动化和机器人替换风险规避风险的官僚机构”时,灯光越来越流行。但是,工厂从未达到完整的“灯光”状态。

灯光的扩展需要:

  • 设备的可靠性
  • 长期机械能力
  • 计划的预防性维护
  • 工作人员的承诺

健康与环境

根据技术,产品或发动机自动化,对环境的自动化成本不同。与以前的发动机相比,有一些自动发动机从地球上消耗更多的能源资源,反之亦然。危险的操作,例如炼油工业化学品的制造以及所有形式的金属工作,始终是自动化的早期竞争者。

车辆的自动化可能会对环境产生重大影响,尽管这种影响的性质可能取决于几个因素是有益的或有害的。由于与人类驱动的车辆相比,自动化车辆陷入事故的可能性要小得多,因此自动驾驶版本不需要当前型号内置的一些预防措施(例如防锁制动器层压玻璃)。删除这些安全功能也将大大减轻车辆的重量,从而增加燃油经济性并减少每英里的排放。自动驾驶汽车在加速和破裂方面也更加精确,这可能导致排放量减少。自动驾驶汽车还可能使用燃油效率的功能,例如可以计算和采用最有效路线的路线映射。尽管有可能减少排放的潜力,但一些研究人员认为,自动驾驶汽车的生产增加可能导致车辆拥有和使用繁荣。如果有足够多的人开始更频繁地驾驶个人车辆,则这种繁荣可能会否定自动驾驶汽车的任何环境利益。

房屋和家用电器的自动化也被认为会影响环境,但这些功能的好处也受到质疑。一项芬兰自动化房屋能源消耗的研究表明,智能房屋可以通过监测房屋不同区域的消费水平来减少能源消耗并调整消费以减少能源泄漏(例如,在活动较低时在夜间自动减少消费)。这项研究与其他研究表明,智能房屋监视和调整消费水平的能力将减少不必要的能源使用情况。但是,新的研究表明,智能住宅可能不如非自动化房屋那样有效。最近的一项研究表明,尽管监视和调整消耗水平确实会降低不必要的能源使用,但此过程需要监视系统,这些系统也需要大量的能量。这项研究表明,运行这些系统所需的能量是如此之多,以至于它否定了系统本身的任何好处,几乎没有生态利益。

可转换和周转时间

自动化的另一个重大转变是对制造过程灵活性和可转换性的需求增加。制造商越来越多地要求能够轻松从制造产品A转换为制造产品B,而不必完全重建生产线。灵活性和分布式过程导致引入具有自然功能导航的自动导向车辆

数字电子也有帮助。以前的基于模拟的仪器被数字当量取代,数字当量可以更准确,更灵活,并为更复杂的配置参数化和操作提供了更大的范围。这伴随着现场总线革命,该革命提供了在控制系统和场级仪器之间进行交流的网络(即单一电缆),从而消除了硬线。

离散的制造厂快速采用了这些技术。较长的植物生命周期的更保守的过程行业的采用较慢,基于模拟的测量和控制仍然占主导地位。工业以太网在工厂地面的日益增长的使用正在进一步推动这些趋势,从而使制造厂能够通过互联网在企业中更加紧密地集成到企业中。全球竞争还增加了对可重构制造系统的需求。

自动化工具

工程师现在可以对自动设备进行数值控制。结果是迅速扩展的应用和人类活动范围。现在,计算机辅助技术(或CAX)是用于创建复杂系统的数学和组织工具的基础。 CAX的著名示例包括计算机辅助设计(CAD软件)和计算机辅助制造(CAM软件)。 CAX启用的产品的设计,分析和制造对行业有益。

信息技术以及工业机械流程可以帮助控制系统的设计,实施和监视。工业控制系统的一个示例是可编程逻辑控制器(PLC)。 PLC是专门的硬计算机,通常用于使(物理)传感器和事件的输入流与输出流到执行器和事件同步。

网站上的自动在线助理,具有增强人类计算机互动的头像

人机界面(HMI)或计算机人界面(CHI)通常被称为人机接口,通常被用来与PLC和其他计算机进行通信。通过HMI监视和控制的服务人员可以通过不同的名称调用。在工业过程和制造环境中,它们被称为操作员或类似的东西。在锅炉房屋和中央公用事业部门,它们被称为固定工程师

存在不同类型的自动化工具:

主机仿真软件(HSS)是一种常用的测试工具,用于测试设备软件。 HSS用于测试有关工厂自动化标准(超时,响应时间,处理时间)的设备性能。

认知自动化

作为AI的子集,认知自动化是通过认知计算实现的新兴自动化属。它的主要关注点是由构造非结构化数据组成的文书任务和工作流程的自动化。认知自动化依赖于多个学科:自然语言处理实时计算机器学习算法大数据分析基于证据的学习

根据德勤(Deloitte)的说法,认知自动化可以“以快速的速度和相当大的规模”复制人类任务和判断。这样的任务包括:

最近和新兴申请

自动化功率生产

诸如太阳能电池板风力涡轮机和其他可再生能源之类的技术 - 与智能电网微电网电池存储相结合 - 可以自动产生电源。

农业生产

许多农业运营都使用机械和设备自动化,以改善其诊断,决策和/或表现。农业自动化可以减轻农业工作的繁琐,提高农业运营的及时性和精度,提高生产力和资源利用效率,建立韧性,并提高食品质量和安全性。提高的生产力可以释放劳动力,从而使农业家庭在其他地方花费更多的时间。

农业的技术发展导致逐步转移到数字设备和机器人技术。使用发动机动力的机械化可以自动化农业运营(例如耕作和挤奶)的性能。借助数字自动化技术,也有可能自动化农业运营的诊断和决策。例如,自动裁剪机器人可以收获和种子作物,而无人机可以收集信息以帮助自动化输入应用程序。精密农业经常采用这种自动化技术

近年来,电动机械化总体上有所增加。撒哈拉以南非洲是唯一在过去几十年中采用电动机械化的地区。

尽管缺乏关于采用的证据,但越来越多地使用自动化技术来管理牲畜。近年来,全球自动挤奶系统的销售额有所增加,但在北欧可能大多采用,在低收入和中等收入国家可能几乎不存在。牛和家禽的自动喂养机也存在,但是有关其采用趋势和驱动因素的数据和证据同样稀少。

零售

许多超市甚至较小的商店都在迅速引入自我检查系统,以减少雇用结帐工人的需求。截至2017年,在美国,零售业拥有1,590万名员工(在劳动力中大约有九分之一的美国人)。在全球范围内,根据欧亚大陆集团的研究,估计有1.92亿工人可能会受到自动化的影响。

日本的软饮料机器,一个自动零售的例子

在线购物可以被视为一种自动零售形式,因为付款和结帐是通过自动在线交易处理系统,在线零售会计的份额从2011年的5.1%跃升至2016年的8.3%。但是,三分之二的书籍,音乐和电影现在在线购买。此外,自动化和在线购物可以减少购物中心的需求和零售业的需求,零售店目前估计占所有商业物业的31%或约70亿平方英尺(6.5亿平方米)。近年来,亚马逊在网上购物中获得了大部分增长,占2016年在线零售增长的一半。就像亚马逊使用KIVA系统所应用的那样。

饮食

库卡工业机器人在面包店用于粮食生产

食品零售业已开始将自动化应用于订购过程;麦当劳已经在其许多餐厅推出了触摸屏订购和支付系统,从而减少了对收银员的需求。德克萨斯大学奥斯汀分校推出了全自动咖啡馆零售地点。一些咖啡馆和餐馆利用移动和平板电脑的“应用程序”来使订购过程通过客户在设备上订购和付款的效率更高。一些餐厅使用传送带系统自动提供给客户桌的食品。有时使用机器人来替换等待人员

建造

构造中的自动化是方法,过程和系统的组合,可以在施工活动中获得更大的机器自主权。施工自动化可能具有多个目标,包括但不限于减少工作场所伤害,减少活动完成时间以及协助质量控制质量保证

矿业

自动化的采矿涉及从采矿过程中消除人工。采矿业目前正在向自动化过渡。目前,它仍然需要大量的人力资本,尤其是在第三世界劳动力成本较低的情况下,因此通过自动化提高效率的动力较小。

视频监控

国防高级研究计划局( DARPA )在1997年至1999年之间开始了自动化视觉监视和监测(VSAM)计划的研究和开发,以及1998年至2002年的机载视频监视(AVS)计划(AVS)计划。视觉社区正在进行的努力,以开发完全自动的跟踪监视系统。自动化视频监视在繁忙的环境中实时监视人员和车辆。现有的自动监视系统基于它们主要设计的环境,即观察,即室内,室外或空降,自动化系统可以处理的传感器数量以及传感器的迁移率,即固定相机与移动相机。监视系统的目的是记录给定区域中对象的属性和轨迹,在发生特定事件时发出警告或通知指定当局。

公路系统

随着对安全性和流动性的需求不断增长,技术可能性增加了,对自动化的兴趣已经增长。为了加快全自动车辆和高速公路的开发和引入,美国国会在1991年《智能运输系统》 (ITS)和示范项目中授权超过6.5亿美元,并在1991年《模式地表运输效率法》 (ISTEA)中授权。国会在ISTEA立法:

运输部长应开发自动化的高速公路和车辆原型。这种发展应包括对人为因素的研究,以确保人机关系的成功。该计划的目的是在1997年设有第一个完全自动化的高速公路道路或自动化测试轨道。该系统应容纳在新机动车和现有的机动车中安装设备。

完全自动化通常定义为不需要驾驶员的控制或非常有限的控制;这种自动化将通过车辆和沿车道的传感器,计算机和通信系统的组合来实现。从理论上讲,完全自动化的驾驶将允许更紧密的车辆间距和更高的速度,这可以在额外的道路建设在物理上是不可能的,政治上不可接受或过于昂贵的地方增强交通能力。自动控制也可能通过减少驾驶员错误的机会来提高道路安全,这会导致大量机动车撞车。其他潜在的好处包括改善的空气质量(由于交通流量提高),燃油经济性的增加以及与自动高速公路系统有关的研究和开发过程中产生的衍生技术。

废物管理

自动侧装载机操作

自动化的废物收集卡车阻止了尽可能多的工人以及减轻提供服务所需的劳动水平。

业务流程

业务流程自动化(BPA)是复杂业务流程的技术自动化。它可以帮助简化业务,以简化,实现数字化转型,提高服务质量,提高服务交付或包含成本。 BPA包括整合应用程序,重组劳动资源并在整个组织中使用软件应用程序。机器人过程自动化(RPA;或用于自引导RPA 2.0的RPAAI)是BPA内的新兴领域,并使用AI。 BPA可以在许多业务领域实施,包括营销,销售和工作流程。

家庭自动化(也称为DOMOTICS )指出了一种新兴的习惯,即住宅住宅中家庭用具和功能的自动化增加,尤其是通过电子方式,这些方式允许过去几十年来不可行,过于昂贵或根本无法实现。使用家庭自动化解决方案的使用量增加了反映人们对这种自动化解决方案的依赖性的增加。但是,通过这些自动化解决方案增加的舒适感是非常了不起的。

实验室

Automated laboratory instrument
自动实验室仪器

自动化对于许多科学和临床应用至关重要。因此,自动化已在实验室中广泛使用。从1980年起,完全自动化的实验室就已经在工作。但是,由于其高成本,自动化并未在实验室中普遍存在。这可能会随着将低成本设备与标准实验室设备集成的能力而改变。自动采样器是实验室自动化中使用的常见设备。

物流自动化

物流自动化是计算机软件或自动化机械的应用,以提高物流操作的效率。通常,这是指仓库配送中心内的运营,其供应链工程系统和企业资源计划系统承担了更广泛的任务。

工业自动化

工业自动化主要涉及制造质量控制材料处理过程的自动化。工业流程的通用控制器包括可编程逻辑控制器独立I/O模块和计算机。工业自动化是通过使用机械化设备和逻辑编程命令来替换人类的动作和手动命令响应活动。一种趋势是增加对机器视觉的使用来提供自动检查和机器人指导功能,另一个是机器人使用的持续增加。工业自动化仅在行业中需要。

工业过程中的能源效率已成为更高的优先事项。像Infineon Technologies这样的半导体公司正在提供8位微型控制器应用程序,例如在电机控制通用泵,风扇和EBIKES中发现,以降低能耗并提高效率。

工业自动化与行业4.0

工业自动化的兴起直接与“第四次工业革命”有关,该革命现在以工业4.0而闻名。源自德国的行业4.0涵盖了许多设备,概念和机器,以及工业互联网(IIOT)的进步。 “物联网是通过虚拟表示中互联网中各种物理对象的无缝集成”。这些新的革命进步以全新的光线引起了人们对自动化的关注,并展示了它增长的方法,以提高机械和制造设施的生产率和效率。行业4.0与IIOT和软件/硬件合作,以(通过通信技术)添加增强功能并改善制造过程的方式连接。现在,使用这些新技术可以创造更智能,更安全和更先进的制造业。它打开了一个比以前更可靠,一致和高效的制造平台。 SCADA等系统的实施是当今工业自动化中发生的软件的示例。 SCADA是一种监督数据收集软件,只是工业自动化中使用的众多软件之一。行业4.0涵盖了制造业的许多领域,随着时间的流逝,将继续这样做。

工业机器人技术

Large automated milling machines inside a big warehouse-style lab room
自动铣床

工业机器人技术是工业自动化领域的子分支,可帮助各种制造过程。这样的制造过程包括加工,焊接,绘画,组装和材料处理,仅举几例。工业机器人使用各种机械,电气和软件系统来允许高精度,准确性和速度远远超过任何人类绩效。第二次世界大战后不久,工业机器人的诞生就出现了,因为美国看到了一种更快地生产工业和消费品的方法。伺服器,数字逻辑和固态电子设备使工程师能够建立更好,更快的系统,并且随着时间的流逝,这些系统得到了改进并修订,以至於单个机器人每天能够每天24小时运行,而几乎没有维护。在1997年,使用了70万个工业机器人,近年来,该数字在2017年增加到180万,使用机器人的AI也用于创建自动标签解决方案,使用机器人臂作为自动标签涂抹器,并且AI用于学习并检测要标记的产品。

可编程逻辑控制器

工业自动化将可编程逻辑控制器纳入制造过程。可编程逻辑控制器(PLC)使用处理系统,该系统允许使用简单编程的输入和输出的控制变化。 PLC使用可编程内存,存储指令和功能,例如逻辑,测序,时机,计数等。使用基于逻辑的语言,PLC可以接收各种输入并返回各种逻辑输出,输入设备是传感器PLC与计算机相似,而输出设备是电动机,阀等。但是,尽管计算计算以进行计算,但PLC是针对控制任务和在工业环境中使用的。它们是建造的,以便仅需要基于逻辑的基本编程知识并处理振动,高温,湿度和噪音。 PLC提供的最大优势是它们的灵活性。使用相同的基本控制器,PLC可以操作一系列不同的控制系统。 PLC使得不需要重新连接一个系统以更改控制系统。这种灵活性为复杂和多样化的控制系统提供了成本效益的系统。

PLC的范围从与处理器整体不可分录的外壳中的小型“建筑砖”设备,到具有数千个I/O的大型机架的模块化设备,这些设备经常与其他PLC和其他PLC和其他PLC联网SCADA系统。

它们可以设计用于多种数字和模拟输入(I/O),延长温度范围,对电噪声的免疫力以及对振动和影响的抵抗力的多种布置。控制机器操作的程序通常存储在电池支持的或非易失性内存中。

PLC来自美国汽车行业。在PLC之前,用于制造汽车的控制,测序和安全互锁逻辑主要由继电器凸轮计时器鼓序器和专用的闭环控制器组成。由于这些可能在数百甚至数千个中数字,因此更新此类设施的年度模型更改的过程非常耗时且昂贵,因为电工需要单独重新连接继电器以改变其操作特征。

当数字计算机可用时,可以作为通用的可编程设备,很快就将它们用于控制工业过程中的顺序和组合逻辑。但是,这些早期的计算机需要专业的程序员和严格的操作环境控制,以进行温度,清洁度和功率质量。为了应对这些挑战,PLC是具有多个关键属性的。它可以容忍车间的环境,它将以易于扩展的方式支持离散的(比特)输入和输出,它不需要多年的培训即可使用,并且可以监视其操作。由于许多工业流程都有毫秒响应时间很容易解决的时间尺度,因此现代(快速,小,可靠)的电子产品极大地促进了建筑可靠的控制器,并且可以将性能换成可靠性。

代理辅助自动化

代理辅助自动化是指呼叫中心代理使用以处理客户查询的自动化。代理辅助自动化的关键好处是合规性和防错误性。有时,代理人没有得到完全训练,或者他们忘记或忽略了过程中的关键步骤。自动化的使用确保每次都应该在呼叫上发生的事情实际上会发生什么。有两种基本类型:桌面自动化和自动化语音解决方案。

桌面自动化是指软件编程,这使呼叫中心代理更容易在多个桌面工具上工作。自动化将将输入的信息输入一个工具,并将其填充在其他工具中,因此不必输入一次以上。

自动化的语音解决方案使代理商可以保留在线,而披露和其他重要信息则以预先录制的音频文件的形式向客户提供。这些自动化语音解决方案的专门应用程序使代理商可以处理信用卡,而无需看到或听到信用卡号CVV代码

控制

开环和闭环

机电计时器通常用于纯粹基于定时序列的开环控制,而没有该过程的反馈

从根本上讲,控制循环有两种类型:开环控制(前馈)和闭环控制(反馈)。

在开环控制中,控制器的控制动作独立于“过程输出”(或“受控过程变量”)。一个很好的例子是仅由计时器控制的中央供暖锅炉,因此无论建筑物的温度如何,都可以持续施加恒定时间。控制动作是打开/关闭锅炉,但受控变量应为建筑温度,而是因为这是对锅炉的开环控制,这不会对温度进行闭环控制。

在闭环控制中,控制器的控制动作取决于过程输出。在锅炉类比的情况下,这将包括一个恒温器来监视建筑物温度,从而向后馈电信号,以确保控制器在恒温器上的温度设置下维护建筑物。因此,闭环控制器具有反馈回路,该反馈循环可确保控制器采取控制操作,以使过程输出与“参考输入”或“设置点”相同。因此,闭环控制器也称为反馈控制器。

根据英国标准机构的封闭环控制系统的定义是“具有监视反馈的控制系统,由于使用此反馈而形成的偏差信号,用于控制最终控制元件的作用,以此倾向于将偏差降低到零。”

同样地; “反馈控制系统是一个系统,它倾向于通过比较这些变量的函数并使用差异作为控制手段来维持一个系统变量与另一个系统的规定关系。”

离散控制(开/关)

最简单的控制类型之一是开关控制。一个例子是用于家庭电器上的恒温器,该家用电器打开或关闭电气接触。 (恒温器最初是作为真正的反馈控制机制开发的,而不是开关的常见家用设备恒温器。)

序列控制,其中执行离散操作的编程序列,通常基于涉及系统状态的系统逻辑。电梯控制系统是序列控制的一个示例。

PID控制器

反馈循环中PID控制器的框图,其中r( t )是所需的过程值或“设定点”,而y( t )是测量的过程值

比例 - 综合 - 衍生控制器(PID控制器)是一种在工业控制系统中广泛使用的控制环反馈机制控制器)。

在PID循环中,控制器连续计算错误值由于所需的设定点和测量过程变量之间的差异,并根据比例积分衍生术语(有时为pid )分别使用校正,从而将其名称列为控制器类型。

理论的理解和应用程序可以追溯到1920年代,并且几乎在所有模拟控制系统中实施;最初是在机械控制器中,然后使用离散的电子设备,然后在工业过程计算机中进行。

顺序控制和逻辑序列或系统状态控制

顺序控制可以是固定序列,也可以是逻辑上的序列,该序列将根据各种系统状态执行不同的操作。可调节但其他固定序列的一个示例是草坪洒水器上的计时器。

状态是指系统的使用或序列方案中可能发生的各种条件。一个示例是电梯,该电梯使用基于系统状态的逻辑来对其状态和操作员输入执行某些操作。例如,如果操作员按下地板n按钮,则系统将根据电梯停止还是移动,上下响应,上下响应,或者门是打开或关闭的,以及其他条件。

顺序控制的早期开发是继电器逻辑,通过该逻辑,电继电器会接触到对设备启动或中断功率的电触点。继电器首先在电报网络中用于控制其他设备之前,例如启动和停止工业大小的电动机或打开和关闭电磁阀阀。将继电器用于控制目的允许事件驱动的控件,其中可以响应外部事件而从顺序中触发动作。与刚性的单序凸轮计时器相比,它们的响应更灵活。更复杂的示例涉及维护诸如秋千桥控制仪的设备的安全序列,在该设备可以移动桥梁之前,需要将锁螺栓脱离,并且直到安全门已经关闭,才能释放锁螺栓。

在某些工厂中,继电器和凸轮计时器的总数可以纳入数百甚至数千个。需要早期的编程技术和语言来使这样的系统易于管理,这是第一个是梯子逻辑,其中相互联系的继电器的图与梯子的梯级相似。后来,设计了称为可编程逻辑控制器的特殊计算机,以用一个更容易重新编程的单元替换这些硬件集合。

在典型的硬接线电机启动和停止电路(称为控制电路)中,电动机是通过按下激活一对电气继电器的“启动”或“运行”按钮来开始的。触点中的“锁定”继电器锁定在释放按钮时保持控制电路通电。 (开始按钮是一个通常打开的触点,停止按钮是一个通常封闭的触点。)另一个继电器为开关提供动力,该开关为主机启动器开关(三相工业功率的三组触点)提供动力电路。大型电动机使用高压并体验高刷子电流,使速度在建立和破坏接触中很重要。这对于手动开关的人员和财产可能是危险的。起始电路中的“锁定”触点和电动机的主要电源触点由各自的电磁体固定,直到按下“停止”或“关闭”按钮,从而使继电器中的锁定锁定为止。

该状态图显示了如何将UML用于设计只能打开和关闭的门系统。

通常将互锁添加到控制电路中。假设该示例中的电动机是对润滑至关重要的动力机械。在这种情况下,可以添加一个互锁,以确保在电动机启动之前运行油泵。计时器,限制开关和电动眼是对照电路中的其他常见元素。

螺线管阀被广泛用于压缩空气液压液,用于在机械组件上为执行器供电。虽然电动机用于提供连续的旋转运动,但执行器通常是间歇性地为机械组件创建有限运动范围的更好选择按下。

计算机控制

计算机可以同时执行顺序控制和反馈控制,通常一台计算机在工业应用中都可以执行。可编程逻辑控制器(PLC)是一种特殊用途的微处理器,它取代了许多硬件组件,例如中继逻辑– Type系统中使用的计时器和鼓序器。通用过程控制计算机越来越多地替换了独立控制器,一台计算机能够执行数百个控制器的操作。流程控制计算机可以从PLC,工具和控制器网络处理数据,以实现对许多单个变量的典型(PID)控制,或者在某些情况下,使用多个输入和数学操纵来实现复杂的控制算法。他们还可以分析数据并为运营商创建实时图形显示,并为操作员,工程师和管理人员运行报告。

自动柜员机(ATM)的控制是一个交互过程的一个示例,其中计算机将根据从网络数据库中检索到的信息对用户选择进行逻辑衍生的响应。 ATM流程与其他在线交易流程具有相似之处。不同的逻辑响应称为方案。此类过程通常是在用例流程图的帮助下设计的,这些过程指导了软件代码的编写。最早的反馈控制机制是由希腊工程师Ctesibius(公元前285 - 222年)发明的水时钟。

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