自動化是上世紀六七十年代開始推廣，并持續(xù)發(fā)展至今的技術與產業(yè)體系。在實踐過程中，業(yè)界的參與者也在不斷的對自動化的特點進行總結，并從不同視角出發(fā)，給出各自的解讀。在最終用戶層面，自動化是一套可以使機器與生產系統(tǒng)自行運轉、且可以人為干預執(zhí)行過程的生產工具；在工程師眼中，自動化是一類可感知物理環(huán)境變化，并完成決策與任務執(zhí)行的嵌入式系統(tǒng)，以及一套開發(fā)嵌入式程序的開發(fā)工具；在智能制造體系中，自動化是工業(yè)物聯網、數字孿生、兩化融合的基礎支撐技術，同時也是德國工業(yè)4.0頂層設計體系的重要組成部分。

雖然在特征、應用場景等方面已經達成了廣泛的共識，但至今為止，業(yè)界依然無法對自動化的功能范圍和技術構成，給出明確的界定。造成這一現象的原因，并不在于這項技術中有多么高深的理論，而是因為自動化技術本身，便是一套不斷在演化的體系。

從功能角度講，如今的自動化已經由執(zhí)行簡單重復任務的控制終端，演變?yōu)榫W絡化、智能化的數字系統(tǒng)，而柔性產線、協作機器人、增材制造、過程優(yōu)化等系統(tǒng)的出現，則成為先進自動化技術的典型代表。同時，自動化技術的使用范圍，早也不局限于工廠內的生產環(huán)節(jié)，在能源（發(fā)電、配電、開采）、交通（軌道信號系統(tǒng)）、物流（物流自動化、港口裝備）、建筑（工程機械、樓宇自動化）、醫(yī)療（醫(yī)療設備）等領域廣泛應用，甚至餐飲的廚房自動化、服務機器人等也有了新的陣地。

從技術角度看，自動化也始終不斷在融入新的技術。在感知層面，自動化系統(tǒng)的能力已由傳感器、儀器儀表的集成，擴展到對機器視覺、3D激光成像、標識（二維碼/RFID）等新型感知終端的整合；在網絡層面，自動化的通訊功能也由早期的現場總線、工業(yè)以太網、工業(yè)無線，延伸到了如今的工業(yè)互聯網(TCP/HTTP/TSN/5G)；在軟件層面，自動化則從控制程序的載體，演化為具備邊緣計算、數字孿生等能力的現代軟件系統(tǒng)。新技術的發(fā)展為自動化的進步創(chuàng)造了外部條件，而市場需求的變化，以及來自工程應用的反饋，則是促使自動化不斷迭代升級的原動力?？梢哉f，“自動化是一項因用而生的技術”。

本文將重點從“用”的角度出發(fā)，闡述自動化（軟件工程）技術與產業(yè)的發(fā)展歷程。

控制電路 - 控制系統(tǒng)的早期形態(tài)

圖1 控制電路的開發(fā)流程

在上世紀50，60年代，為了實現汽車的大規(guī)模生產，汽車廠商開始在流水線上引入控制系統(tǒng)。但與那個年代的收音機、計算器類似，控制系統(tǒng)的功能主要是靠電子電路來實現的。

電路工程師是電子電路的主要設計與開發(fā)者，而他們的日常工作主要是：

·在設計階段，根據功能需求，畫出相應的電路圖紙；在圖紙中，會包括各個型號的電路元件，以及它們的布局與連線關系；
·在開發(fā)階段，工程師負責根據圖紙，將一個個元器件安裝到電路板上，并把它們連接在一起；經過上述流程，便形成了一個叫“控制邏輯”的功能單元；
·在驗證階段，工程師需要通過電表的讀數，對各個電路模塊的輸入輸出進行逐一測試，從而確保功能與需求的一致性；
·當出現問題時，就需要對電路進行重新設計與開發(fā)，并重復上述的步驟；

從如今的技術發(fā)展水平去看，控制電路開發(fā)模式的缺點是十分明顯的，一旦元器件布局被固化，功能便無法再進行修改。這就好像是在用毛筆字寫長篇小說，不但費力，而且一旦出錯，就不得不換張紙重新寫。


控制電路不但開發(fā)效率低下，而且也會隨著功能的增加而變得異常復雜。這不但造成了工程師痛苦指數的上升，而且也使眾多工業(yè)企業(yè)在高昂的開發(fā)成本面前，望而卻步；正因為此，那個年代對控制系統(tǒng)的使用，主要還是局限在大型工業(yè)企業(yè)（如通用、波音、美孚）的有限生產環(huán)節(jié)。

為了使控制系統(tǒng)讓更多人“用得起”，以“軟件定義”為主導思想的可編程控制器(Programmable Logic Controller)也隨之產生，而“軟硬分離”則是達成這一目標非常重要的一步：

圖2 早期PLC的硬件架構

·在硬件層面，可編程控制器采用了與現代計算機相似的通用硬件架構，其構成主要由處理器、內存/存儲、通訊模塊、輸入輸出等硬件模塊構成。同時，為了適應工業(yè)現場的物理環(huán)境，控制器還在能耗、耐高(低)溫、防震、IO模塊(用于集成傳感器)等方面進行特殊的設計與定制；

圖3 PLC程序的開發(fā)流程

·在軟件層面，工程師可通過自動化廠商提供的開發(fā)環(huán)境，完成控制程序的開發(fā)與測試；當程序出現錯誤時，用戶只需將更新后的程序重新下載到硬件上，便可輕易地實現軟件功能的更改。同時，為了方便與其它軟件（如人機界面、MES）的集成，控制程序還提供了通訊的接口，并用于過程數據的分發(fā)與控制指令的接收；而且，當需要集成更加豐富的軟件功能時，還可以在控制器上安裝嵌入式操作系統(tǒng)（又稱實時操作系統(tǒng)）。

可編程控制器的推廣，使當時的工業(yè)發(fā)展產生了巨大的改變：

·通過“軟硬分離”，可編程控制器成功取代了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的開發(fā)、驗證與修改流程，并大幅提升了工程師的開發(fā)效率；
·全新的開發(fā)流程，進一步細化了控制系統(tǒng)開發(fā)的分工體系，并誕生出專注于硬件、軟件與工具、以及生產工藝等細分工作的工程師種類；
·開發(fā)模式與分工體系的改變，同時也孕育了自動化這一產業(yè)；而在此過程中崛起的企業(yè)（如西門子、通用、霍尼韋爾、三菱等），也在通過對技術的不斷改良，使產業(yè)不斷的走向成熟；
·自動化產業(yè)在發(fā)展過程中，培養(yǎng)了大批的工程師，而這些工程師又將自動化帶到了工業(yè)最終用戶的各個生產環(huán)節(jié)，并最終實現了社會整體生產效率的提升。

控制系統(tǒng)編程語言 - 面向工程的語言

圖4 控制程序開發(fā)者/開發(fā)環(huán)境/執(zhí)行環(huán)境

自動化系統(tǒng)的開發(fā)，實際上是工程師將“設想”提供給機器，而后由機器進行“理解”，并按照人的意圖執(zhí)行的過程。由于涉及到人與機器的交流，因此也將工程師編寫的代碼（或模型）稱為編程（或建模）語言。

編程（建模）語言不但要考慮到“機器是否能讀懂”這一技術問題，更重要的是照顧到人，這一“設想”提供者，的語言表達習慣。因此，自可編程控制器出現以來，它的編程方式便一直在參照人類的語言表達習慣。

圖5 通用型語言與領域型語言

在設計自動化編程語言之初，研究者發(fā)現，人類語言體系中存在著截然不同的兩種表達方式，它們分別是通用型語言和領域型語言：

·通用型語言（General Purpose）是人類日常生活中最頻繁使用的表達方式，這一類語言主要由一套語法規(guī)則，以及一系列詞匯、語句、段落所構成；而語言的使用者，通常也是采用從左到右，從上到下的順序，表述頭腦中的概念；
·通用語言雖然適用面廣泛，但在數學、物理、化學、工程學等特定領域的運用中，卻暴露出較大的局限性；由于需要闡述更系統(tǒng)化、精確化、抽象化的概念，因此人類便發(fā)明了一系列的符號與圖形，用于表述某一專用領域的概念與知識，而這種表達方式則被稱為領域型語言(Domain Specific)。

圖6 通用編程語言與領域建模語言

與人類語言類似，計算機編程語言也存在通用型(General purpose)和領域型(Domain specific)兩類語言體系；這其中，通用編程語言是目前IT行業(yè)，最為普及的編程手段（如C/C++、JAVA、Python）；然而，在面對某些特定領域時，通用型編程語言同樣也面臨著“表達效率”方面的瓶頸；這時，領域型編程語言（又稱建模語言）的特殊作用也就隨之顯現。

以第一代PLC中推出的梯形圖(Ladder logic diagram)圖形建模語言為例，由于沿襲了早期的控制電路設計方式（電路畫線、元器件符號），因此PLC一經推出，便受到了廣大控制系統(tǒng)工程師群體的好評。

隨后，以歐系廠商為主的自動化廠商，又在梯形圖的基礎上，推出了功能塊(Function block diagram)及順序功能圖（Sequential function chart）兩種圖形化建模語言；功能塊建模方式為自動化系統(tǒng)引入了模塊化、封裝、復用等現代化的軟件開發(fā)理念，而順序功能圖，則幫助工程師，將復雜的工序，分解為一步步相對簡單的任務單元，從而極大的降低了復雜工藝的開發(fā)難度。

由于提供了一系列貼近專業(yè)知識結構的開發(fā)方式，自動化產業(yè)吸引了大批懂工藝、懂機械、懂電氣的技術人才。與此同時，當某項技術的受眾達到一定規(guī)模時，涉及到一致性、工程規(guī)范、教育等一系列因素的標準化工作，也開始顯現出重要的作用；IEC 61131自動化編程規(guī)范，便是在這一時期由國際電工委員會IEC組織牽頭制定，并由PLCOpen組織自發(fā)地負責后續(xù)的標準推廣工作。


設備數量更多、通訊距離更遠、傳輸質量更好，是網絡技術發(fā)展的主線邏輯。以IT網絡為例，當只有兩臺面對面擺放的機器時(電腦或打印機)，一根網線便可建立彼此的通訊；當需要連接幾臺設備時，一臺集線器就可以實現主機間的聯通；而到了企業(yè)網這一規(guī)模后，一套由路由器和網管系統(tǒng)所組成的網絡系統(tǒng)，則成為了標配。

與IT網絡相似，工控系統(tǒng)的網絡發(fā)展同樣遵循這一規(guī)律，不過構成這一網絡的主體， 則由PC機、服務器，變?yōu)榱丝刂破?、感知終端、工控機、觸摸屏等設備。

圖7 早期PLC網絡架構

在自動化發(fā)展早期，PLC主要用于單臺設備的簡單控制，因此所采用的通訊方式也相對簡單：

·PLC主要采用（控制器/IO模塊）一體化的硬件架構，而控制器與現場設備的通訊功能，也主要是靠物理接線的方式實現；在系統(tǒng)運行時，傳感器會將物理信號(電壓/電流)傳輸給PLC的IO模塊，隨后IO模塊會將電信號轉換為CPU識別的數字信號，并交給控制程序進行處理；控制程序完成計算后，會將控制指令發(fā)送給IO，再由IO負責把數字指令轉換為物理信號，反饋給現場的設備；
·PLC與人機界面(顯示屏)的通訊主要采用串口，人機界面通過串口，周期的向PLC發(fā)送數據請求；在接收到請求后，PLC會將現場的過程數據返回給人機界面進行顯示（人機界面向PLC發(fā)送控制指令，也是類似的道理）；同時，串口還可作為PLC編程環(huán)境的程序下載通道，當開發(fā)環(huán)境發(fā)出下載指令時，PLC的管理程序會負責接收編譯好的PLC程序文件。
·串口除了可以與軟件進行通訊外，還可以作為與儀器儀表、RTU等設備進行通訊的媒介，不過此種方式無論在性能與可靠性上，都無法跟工業(yè)總線相提并論，因此適用場景也十分的有限（例如路燈、樓宇的控制）。
圖8 基于工業(yè)總線/以太網的網絡架構

隨著應用場景的增多，控制器與現場設備的通訊需求也發(fā)生了改變，因此自動化廠商開始引入基于數字化網絡的通訊技術。

在現場設備通訊方面，由于受限于早期的(控制器/IO)一體化架構，控制系統(tǒng)在與數量更多，距離更遠的設備進行通訊時，開始暴露出明顯的瓶頸。因此，各自動化廠商紛紛推出了自己的現場總線/工業(yè)以太網技術：

·在網絡結構方面，現場總線/工業(yè)以太網將控制系統(tǒng)，分解為由主站控制器及從站IO所組成的分布式架構；當需要增加設備/傳感器的數量時，控制系統(tǒng)可通過在網絡中增加IO模塊的方式，實現系統(tǒng)的“擴容”；同時，由于采用了數字化網絡技術，也使通訊距離、布線方式等方面得到極大的改善；
·在通訊質量方面，網絡的各項指標并未因為控制器/IO模塊的分離而被打折扣；在確定性方面，控制網絡通過調度策略、時鐘同步等機制的引入，確保網絡報文準時、快速的到達；在可靠性方面，控制網絡則通過冗余、防電磁干擾等方式，確保通訊處于長期可用的狀態(tài)。

在IT網絡通訊方面，由于需要與生產管理軟件、第三方控制系統(tǒng)以及工業(yè)研發(fā)軟件進行網絡協同，因此控制器也引入了以太網通訊方面的技術。

硬件層面的問題解決后，還需要解決軟件層面的開發(fā)問題。為了避免工程人員在項目交付階段，陷入到具體瑣碎的編碼環(huán)節(jié)，自動化廠商將網絡通訊，抽象為軟件開發(fā)環(huán)境中模型，從而使工程人員通過簡單的參數化/圖形化配置，快速的搭建出一組控制系統(tǒng)的通訊功能。

自動化融入工業(yè)軟件體系 - 虛擬調試與兩化融合

圖9  與仿真相結合的控制系統(tǒng)開發(fā)流程

工業(yè)研發(fā)類軟件為使用者提供一套虛擬化的環(huán)境，用于對產品和生產工藝的特性與機理進行設計/分析/仿真/驗證，由于減少了在實體樣機上的投入，因此使企業(yè)的研發(fā)效率得到顯著提升。

當在控制程序開發(fā)流程中引入CAE/CAM時，自動化系統(tǒng)的開發(fā)/驗證效率也會得到顯著提升。

在工藝設計階段，設計部門的工程師可通過軟件，對裝備與產線模型的外觀、布局、物理特性進行直觀的設計；配置完成后，使用者可激活軟件的仿真功能，并使程序中的模型“運轉”起來；在仿真的過程中，用戶可透過裝備的運行情況，對現場的運行效果進行直觀的了解。

而在工藝驗證階段，工程師可將開發(fā)完成的自動化程序，與仿真軟件中的“虛擬”設備進行結合（由仿真設備為自動化軟件提供數據），并通過對虛擬生產系統(tǒng)的調試（又稱虛擬調試），預先驗證控制工藝的可行性。

部分CAE/CAM軟件會自帶工藝與算法的開發(fā)功能，例如機床設計軟件中，用于描述刀具運行軌跡的G-Code，還有科學計算軟件中，用于熱力學、空氣動力學求解的機理模型；當在CAE/CAM完成開發(fā)后，這些模型可被導入到自動化系統(tǒng)，并與現場的實際設備、工藝結合使用。

工業(yè)研發(fā)軟件已經成為自動化軟件開發(fā)的加速器，而隨著兩者關系的進一步結合，更多的創(chuàng)新場景也將隨之產生。而這也是為何，依靠自動化起家的一些企業(yè)（如西門子），會在過去十幾年間，對工業(yè)研發(fā)軟件展開瘋狂并購的主要原因。

圖10 自動化與生產管理系統(tǒng)的協同關系

與此同時，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的使用，使生產過程中的資源組織、調度與管理水平得到了顯著提升；而作為生產資源重要組成部分的裝備與產線，自然也被納入到生產管理的業(yè)務范疇。隨著生產管理功能的不斷完善，MES與自動化系統(tǒng)間的協同關系也變得更為緊密。

這意味著，工業(yè)現場的設備故障信息可與設備管理系統(tǒng)、人力管理系統(tǒng)進行組合，形成設備維修與保養(yǎng)的工作流程；而設備能力信息可為排產系統(tǒng)提供信息，而排產系統(tǒng)產生的工作計劃，也會被同步到給自動化系統(tǒng)，并轉化為具體的設備執(zhí)行指令。

自動化進一步放開手腳，在倉儲自動化系統(tǒng)的產品庫存信息，可幫助庫存管理系統(tǒng)，判斷物料是否需要補充；在質檢過程中產生的質量信息，自動化設備可為質量管理系統(tǒng)的質量報告，提供數據基礎；而能耗信息的采集，可幫助能源管理系統(tǒng)提供數據支持。

這意味著自動化與軟件系統(tǒng)，已經緊密地結合在一起。

數字孿生：需要一種編排語言

圖11 數字模型語言

說到數字孿生，目前尚未產生一套統(tǒng)一的定義，但從應用的角度講，可以將數字孿生理解為，一種虛實映射的方法，一門編排數字空間的語言，以及一項融合多專業(yè)工程與應用的技術手段。

虛實映射是將（包括人的知識在內的）物理世界的事物，映射到虛擬空間，并進行分析決策，而后反饋回物理世界的過程。事實上，早在計算機出現之前，“虛擬空間”的應用便已經存在。以軍事沙盤為例，指揮官會將士兵、裝備、地圖等實體模型布置在沙盤上，用于展示軍力的部署情況；同時，沙盤上也會擺放各種形狀的紙片模型，用于代表參謀們的分析過程，以及軍官下達指令。

在以上的示例中，無論是實體模型（士兵、裝備等），還是邏輯模型（紙片），都可以被平等地布置在相同的“虛擬空間”中，并實現相互的融合。

隨著計算機技術的普及，“數字化虛擬空間”開始逐步發(fā)展成型，而模型這一作為虛實映射的工具，也變身成為數字世界中的數字化模型(即數字孿生)；當把數字模型“擺放”到計算機這一信息空間更大、計算能力更強、網絡化程度更高的“數字化沙盤”上時，物理信息系統(tǒng)這一虛實融合的“數字虛擬空間”也就隨之產生。

雖然被遷移到了數字空間，但模型的基本用法并未發(fā)生本質改變。

模型的第一類用法被稱為仿真（或模擬），即通過現有的狀態(tài)，推演出下一階段即將發(fā)生的事情；因此，無論是在沙盤上的戰(zhàn)況推演，或是工業(yè)研發(fā)軟件中，對裝備行為的模擬，都屬于仿真的范疇。

模型的第二類用法被稱為控制，即根據現場的情況做出分析，并將決策反饋給執(zhí)行單位的過程；因此，可以將指揮官在沙盤上進行分析，并進行指令下達的過程，理解為一種控制；而自動化系統(tǒng)對裝備、產線、生產單位的工況感知，以及指令的下達，同樣也是一種控制。

模型的其它用法還包括管理（如進行資源的規(guī)劃與調配如生產管理系統(tǒng)）以及洞察等。同時，將上述幾類模型結合使用使用時，還可以構造出更復雜的應用場景。   

模型不但是一種虛實映射的方法，而且由于背后所隱含的符號學含義，模型還被視為是一門語言。而當從語言的視角看待模型時，它便成為了一種編排虛擬空間的工具，以及作為溝通交流的媒介。

還是以沙盤為例，指揮官在會議上對各種不同含義模型（士兵，裝備，計劃）的擺放，實際上就是對沙盤這一“虛擬空間”的編排過程；而當沙盤被布置好，并就沙盤上的模型展開討論時，模型就成為了各方進行交流的中間媒介。

數字孿生是存在于"數字化虛擬空間"中的模型，因此我們可以將其理解為一門人與機器、機器與機器的交流語言。在工程設計階段，人會根據自己的設想，將模型編排到數字空間中；之后，計算機會接收工程師創(chuàng)建的工程，并在“理解”模型的含義后，開始完成一系列處理任務；而在計算機運行的過程，各軟件還會以數字模型的內容為基礎，“思考”下一步需完成的任務，并就各模塊間的協同展開“協商”。 

隨著工業(yè)軟件的普及，“數字化虛擬空間”中產生了大量的數字模型；而當把各類模型組織在一起時，跨學科、跨領域的智能制造場景也就隨之產生。然而由于各類模型背后技術與標準的問題，也給系統(tǒng)的集成帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

到本世紀初，自動化技術的應用已經趨于成熟，因此工業(yè)企業(yè)開始考慮，如何將分散的工業(yè)要素（研發(fā)、管理、設備）進行整合，從而使企業(yè)的效率得到進一步的提升；這便是智能制造概念提出的主要背景。

圖12 自動化周邊環(huán)境的變化

除了需求側的變化外，新產品與新技術的出現，也使智能制造概念的落地成為可能：

·工業(yè)研發(fā)類軟件(CAX/EDA)的普及，使產品設計、工藝設計的效率得到顯著提高；
·生產管理系統(tǒng)(MES)的引入開始幫助經營者對生產資源進行全局的分析、計劃與調度；
·諸如激光掃描成像、機器視覺、標識（如條形碼）等感知技術，開始在質檢、生產追溯等領域得以應用；
·計算機性能的提升，以及軟件設計思想的改進，也開始在工業(yè)中體現價值。

隨著技術與市場的外部環(huán)境已經發(fā)生變化，作為在生產系統(tǒng)中承上啟下的環(huán)節(jié)，自動化系統(tǒng)也在發(fā)生改變。

隨著工業(yè)互聯網的發(fā)展，融合新型感知與IT技術，與制度化有了更深的融合。在感知層面，自動化系統(tǒng)對諸多新型感知技術進行了集成。

這涉及到了標識技術: 通過集成條形碼/RFID等標識技術，對產品的類別、位置等信息進行感知；當此類技術與自動化結合時，則可實現倉儲自動化(根據產品位置，執(zhí)行搬運或入庫任務)、柔性加工（根據產品型號，變換加工參數）、柔性運輸（根據產品型號，決定運輸路線）等場景。而在成像/圖像技術方面，可以利用機器視覺、激光成像等感知技術可用于檢測物體的形狀、尺寸、位置等物理特征；視覺系統(tǒng)在與自動化結合后，可實現殘次品篩查與過濾、機器人貨物分揀等功能；而激光成像技術與自動化的組合，則可實現形狀檢測（如用機器人掃描整車），車輛碰撞檢測（如叉車倒車制動）等功能。

在IT技術層面，自動化系統(tǒng)對新型計算機與網絡技術進行了集成。首先是計算技術，通過更強的算力，以及高級算法的引入，實現設備的工況診斷（如震動頻率、噪聲、轉速異常等）；其次是網絡技術: 通過以太網，實現設備的橫向協同（如機械臂為機床上料，裝備故障導致運輸線停止），以及與IT系統(tǒng)的縱向整合（與MES，CAX軟件的集成）。

由于涉及到一系列新技術的集成，因此西方自動化廠商(歐系為主)也在本世紀初，開始對下一代自動化技術的預研工作；而我們目前在市場所見到的高端控制系統(tǒng)（如PC控制器、產線控制器、邊緣計算控制器），也都是那一時期所產出的研發(fā)成果。

無論是研發(fā)、生產或是運營，智能制造給企業(yè)帶來的想象空間都是巨大的。然后，當從規(guī)劃轉為落地階段時，企業(yè)會發(fā)現各種“碎片化”的技術/產品/標準，就像是彼此無法咬合的齒輪，很難被整合在一起。因此在智能制造發(fā)展初期，也出現了大量規(guī)劃“詩和遠方”，實施“眼前茍且”的項目。