I. Intelligente Instrumentierung
Innerhalb von Steuerungssystemen dienen Instrumente als grundlegende Komponenten, deren technologischer Fortschritt mit der Entwicklung der Steuerungssystemtechnologie einhergeht. Da die Steuerungstheorie nun in die neue Ära der intelligenten Steuerung vordringt, ist die intelligente Transformation automatisierter Instrumente unumgänglich geworden.
Die intelligente Weiterentwicklung von Instrumenten und Messgeräten ist in erster Linie auf die Entwicklung und Anwendung von Mikroprozessoren und Technologien der künstlichen Intelligenz zurückzuführen. Beispielsweise ermöglicht der Einsatz intelligenter Techniken wie neuronaler Netze, genetischer Algorithmen, evolutionärer Berechnungen und chaotischer Kontrolle, dass Instrumente und Messgeräte eine hohe Geschwindigkeit, hohe Effizienz, Multifunktionalität und verbesserte Flexibilität erreichen. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von Fuzzy-Inferenztechnologie auf der Grundlage von Fuzzy-Regeln, um verschiedene Arten von Fuzzy-Entscheidungen hinsichtlich der mehrdeutigen Beziehungen zwischen Objekten zu treffen. Darüber hinaus bieten softwarebasierte Signalfiltertechniken-wie die Fast-Fourier-Transformation (FFT), die Short{5}}Time-Fourier-Transformation (STFT) und die Wavelet-Transformation-wirksame Mittel zur Vereinfachung der Hardware, zur Verbesserung der Signal-{7}}Rauschverhältnisse und zur Verbesserung der Sensordynamik Eigenschaften. Darüber hinaus nutzen künstliche neuronale Netze leistungsstarke Fähigkeiten, darunter Selbst-Lernen, Selbst-Anpassung, Selbst-Organisation, assoziative Speicherfunktionen und Black-{13}}Box-Mapping-Eigenschaften für nichtlineare komplexe Beziehungen zwischen Eingaben und Ausgaben.
Derzeit ist der schwächste und entwicklungskritischste Sektor im Bereich der intelligenten Technologie Chinas die grundlegende Industrie für Instrumente, Messgeräte und Sensoren. Mit dem rasanten Fortschritt von Wissenschaft und Technologie und dem kontinuierlichen Anstieg des Automatisierungsgrads wird Chinas Instrumentierungsindustrie neue Veränderungen durchmachen und neue Entwicklungen erzielen. Die High-{3}}Ausrichtung von Instrumentierungsprodukten, insbesondere deren Intelligenz, wird zur Hauptrichtung für die zukünftige Entwicklung der Instrumentierungswissenschaft, -technologie und -industrie werden. Intelligente Instrumente und Messgeräte, die auf der Theorie der intelligenten Steuerung basieren, haben in den folgenden Bereichen Fortschritte gemacht:
① Erfahrene Controller
Expertenkontrollsysteme (ECS) stellen einen grundlegenden wissensbasierten Kontrollansatz dar. Diese Systeme fungieren als programmatische Frameworks, die mit umfangreichem Fachwissen und Erfahrung ausgestattet sind. Sie nutzen künstliche Intelligenz und Computertechnologie und führen Überlegungen und Urteile auf der Grundlage des Wissens und der Fachkompetenz eines oder mehrerer Fachexperten durch. Durch die Simulation menschlicher Entscheidungsprozesse durch Experten lösen sie komplexe Probleme, die für optimale Lösungen menschliches Fachwissen erfordern.
② Fuzzy-Controller
Fuzzy-Controller (FC), auch bekannt als Fuzzy-Logic-Controller (FLC), haben aufgrund ihrer Fähigkeit, mit Unsicherheit, Ungenauigkeit und unscharfen Informationen umzugehen, in der industriellen Steuerung weit verbreitete Anwendung gefunden. Sie ermöglichen eine effektive Steuerung von Prozessen, bei denen eine mathematische Modellierung unpraktisch ist, und lösen Probleme, die über herkömmliche Steuerungsmethoden hinausgehen.
③ Neuronaler Netzwerkcontroller
Der Einsatz neuronaler Netze in industriellen Steuerungssystemen verbessert die Informationsverarbeitungsfähigkeiten und steigert die Systemintelligenz. Die neuronale Netzwerksteuerung, abgekürzt als neuronale Steuerung, verwendet neuronale Netzwerktechnologie, um komplexe nichtlineare Objekte zu modellieren. Es fungiert als Regler, führt Optimierungsrechnungen durch, führt Argumentationen durch oder kümmert sich um Fehlerdiagnosen.
Es ist anzumerken, dass es auf dem Gebiet der intelligenten Instrumentierung trotz zahlreicher Veröffentlichungen chinesischer Wissenschaftler zu neuronalen Netzen, Fuzzy-Kontrolle oder chaotischer Kontrolle nach wie vor kaum rigorose, sorgfältige und wirklich innovative Arbeiten und Erfolge gibt. Einige High-End-Instrumente und Messgeräte müssen immer noch aus dem Ausland importiert werden.
II. Vernetzte Steuerungssysteme
Steuerungssysteme im 21. Jahrhundert werden Vernetzung und Steuerung integrieren. Die Forschung zu vernetzten Steuerungssystemen (NCS) ist zu einem der aktuellsten Themen im Automatisierungsbereich geworden. Da Kommunikationsnetzwerke als Kernkomponente in Steuerungssysteme integriert werden, bereichert dies die industriellen Steuerungstechnologien und -methoden erheblich. Es hat erhebliche Änderungen an Automatisierungssystemen und industriellen Steuerungssystemen in Bezug auf Architektur, Steuerungsmethoden und Ansätze für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine mit sich gebracht. Gleichzeitig wurden neue Herausforderungen mit sich gebracht, beispielsweise die Kopplung zwischen Steuerung und Kommunikation, Zeitverzögerungen, Informationsplanungsmethoden, verteilte Steuerungsansätze und Fehlerdiagnose.
Das Aufkommen dieser neuen Herausforderungen erfordert eine kontinuierliche Innovation der Steuerungsmethoden und -algorithmen in vernetzten Umgebungen. Angetrieben durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Computer-, Kommunikations- und Netzwerktechnologien unterliegen traditionelle Steuerungsbereiche einem beispiellosen Wandel und entwickeln sich hin zu vernetzten Architekturen. Die Steuerungssystemstrukturen haben sich vom anfänglichen CCS (Computer Centralized Control System) zum DCS (Distributed Control System) der zweiten Generation und nun zum vorherrschenden FCS (Fieldbus Control System) weiterentwickelt. Der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsübertragungen großer Datenmengen wie Bilder und Sprachsignale hat die Integration von Industrial Ethernet mit Steuerungsnetzwerken weiter vorangetrieben. Diese Welle vernetzter industrieller Steuerungssysteme umfasst mehrere moderne Technologien-darunter eingebettete Systeme, Multi--Standard-Interkonnektivität industrieller Steuerungsnetzwerke und drahtlose Technologien-und erweitert so den Entwicklungsraum für industrielle Steuerungen und schafft neue Möglichkeiten.
Die Förderung der Industrialisierung durch Informatisierung ist sowohl eine starke Garantie für ein anhaltend schnelles Wirtschaftswachstum als auch ein entscheidendes Mittel zur Transformation traditioneller Industriearchitekturen. Als Vertreter der Informationstechnologie erhöht die Integration der Netzwerktechnologie in industrielle Steuerungssysteme die Fähigkeiten von Steuerungssystemen erheblich. Es transformiert die relativ geschlossenen Unternehmensinformationsmanagementstrukturen bestehender industrieller Steuerungssysteme und passt sich den Anforderungen eines modernen unternehmensweiten Automatisierungsmanagements an. Die Netzwerktechnologie hat die Transformation traditioneller Architekturen industrieller Steuerungssysteme vorangetrieben.
Die Integration von Feldbus, Ethernet, mehreren Verbindungen industrieller Steuerungsnetzwerke, eingebetteter Technologie und drahtloser Kommunikation in industrielle Steuerungsnetzwerke gewährleistet die ursprüngliche Stabilität und Echtzeitanforderungen von Steuerungssystemen und verbessert gleichzeitig die Systemoffenheit und Interoperabilität. Dies verbessert die Anpassungsfähigkeit des Systems an verschiedene Umgebungen. Im heutigen Zeitalter der wirtschaftlichen Globalisierung ermöglicht diese vernetzte Architektur industrieller Steuerungssysteme Unternehmen, sich im beispiellosen Marktwettbewerb zu behaupten. Es beschleunigt die Entwicklung neuer Produkte, senkt die Produktionskosten und verbessert die Informationsdienste, was enorme Entwicklungsperspektiven bietet.
III. Drahtlose industrielle Kommunikation
Ein weiteres heiß diskutiertes Thema im Automatisierungsbereich ist die drahtlose industrielle Kommunikation. Industrielle Steuerungsunternehmen erkennen zunehmend, dass die drahtlose Technologie die Grundlage für den nächsten Technologiesprung bilden wird, indem sie die Anlageneffizienz erheblich steigert und die Benutzersicherheit gewährleistet.
Mit zunehmender Verbreitung der drahtlosen Technologie bieten verschiedene Anbieter eine Reihe von Hardware- und Softwaretechnologien an, um die Integration von Kommunikationsfunktionen in Produkte zu erleichtern. Zu den unterstützten Kommunikationsstandards gehören Bluetooth, Wi-Fi, GPS (Global Positioning System), 5G und WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Beim Hinzufügen drahtloser Konnektivitätsfunktionen kann die Auswahl der geeigneten Chips und der zugehörigen Software jedoch eine große Herausforderung darstellen (vorausgesetzt, die gewählte Implementierung funktioniert ordnungsgemäß und erfüllt die relevanten Validierungsanforderungen). Selbst bei einem realisierbaren Design kann das Versäumnis, Leistung, Stromverbrauch, Kosten und Skalierung zu optimieren, den Markterfolg verhindern. Die modernsten Technologien von heute entsprechen nicht unbedingt den besten Kommunikationsstandards oder entsprechen den Anforderungen der Kunden. Ausgewählte Hardware- und Softwareimplementierungen sollten daher anpassbar sein: Jede neue Produktgeneration sollte nicht von Grund auf neu beginnen müssen.
Der Trend, dass die drahtlose Technologie Einzug in industrielle Anwendungen hält, ist unbestreitbar, insbesondere dort, wo kabelgebundene Lösungen unpraktisch sind. Dies erfordert jedoch eine kontinuierliche Weiterentwicklung der drahtlosen Technologie selbst. Zuverlässigkeit, Kommunikationssicherheit sowie Echtzeitleistung, Kompatibilität und andere Funktionen erfordern weitere Verbesserungen. Folglich wird die industrielle drahtlose Technologie in naher Zukunft eine Erweiterung traditioneller kabelgebundener Lösungen bleiben, wobei die meisten Instrumente und Automatisierungsprodukte über integrierte drahtlose Übertragungsfunktionen verfügen. International steckt die Forschung im Bereich der drahtlosen Technologie noch in den Kinderschuhen, und entsprechende Standards sind in der Entwicklung. Chinesische Forschungseinrichtungen beteiligen sich aktiv an diesem Prozess, der zur Weiterentwicklung der drahtlosen Technologie in Chinas Prozessindustrien beigetragen hat.
Da sich die drahtlose Technologie noch in der Forschungs-, Entwicklungs- und Verfeinerungsphase befindet, ist ihre Funktionalität naturgemäß begrenzt. Darüber hinaus gibt es im Bereich der Automatisierungstechnik keinen allgemein anerkannten und bewährten Funktechnologiestandard, der für Echtzeit-Steuerungsanwendungen ausreichend zuverlässig ist, eine Einschränkung, die sich insbesondere in Szenarien mit sehr kurzen Zykluszeiten deutlich zeigt. Folglich beschränkt sich der aktuelle Anwendungsbereich der drahtlosen Technologie auf die Datenerfassung und -überwachung (SCADA).
Mit zunehmender Zuverlässigkeit wird die drahtlose Technologie jedoch breitere Anwendungsmöglichkeiten finden. Die drahtlose Kommunikation wird in den kommenden Jahren ein rasantes Wachstum erfahren, die kabelgebundene Kommunikation wird sie jedoch nicht ersetzen. Die Stabilität, Zuverlässigkeit und Sicherheit kabelgebundener Systeme bleibt bestehen. Drahtlose Lösungen werden kabelgebundene Lösungen nur dann ersetzen, wenn eine kabelgebundene Implementierung unpraktisch oder unerschwinglich teuer ist. Die organische Integration drahtloser und kabelgebundener Systeme unter Nutzung ihrer jeweiligen Stärken wird neue Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität eröffnen. Nutzen Sie kabelgebundene Kommunikation, wo es sinnvoll ist, und drahtlose Kommunikation, wo es sinnvoll ist. Da sowohl die kabelgebundene als auch die kabellose Kommunikation das TCP/IP-Protokoll unterstützen, können diese beiden Kommunikationsmethoden organisch integriert werden, um ihre jeweiligen Stärken zu nutzen und die Produktivität zu steigern.
IV. Internet der Dinge und Automatisierung
Heutzutage ist das Internet der Dinge (IoT) wohl einer der am häufigsten verwendeten Begriffe in großen Medien und eng mit dem Begriff „Intelligenz“ verbunden. Aus der Perspektive von „Management, Kontrolle und Intelligenz“ haben IoT und industrielle Automatisierung eine gemeinsame Linie. Die industrielle Automatisierung umfasst die Datenerfassung, -übertragung und -berechnung, während das IoT umfassende Erfassung, zuverlässige Übertragung und intelligente Verarbeitung umfasst-die beiden sind grundlegend miteinander verbunden.
IoT legt größeren Wert auf drahtlose Konnektivität, umfangreiche Datenerfassung und intelligente Berechnungen. Die Beziehung zwischen IoT und Automatisierungstechnik ist tiefgreifend miteinander verflochten. Der entscheidende Unterschied liegt in der Konnektivität: „Traditionelle Automatisierungsnetzwerke basieren überwiegend auf kabelgebundenen Verbindungen mit begrenzter Reichweite, während Sensornetzwerke hauptsächlich drahtlose Übertragungswege nutzen, was eine viel umfassendere Konnektivität ermöglicht.“ Aufgrund dieser inhärenten Verbindung ist es für Hersteller industrieller Automatisierung selbstverständlich, Möglichkeiten innerhalb der IoT-Entwicklung zu erkunden.
Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen des IoT gehören: Anwendungen in der industriellen Produktherstellung, -verfolgung, -fortschrittsüberwachung und Qualitätsverfolgung; Anwendungen in Überwachungs-, Verfolgungs- und Fälschungsschutzsystemen für wertvolle Waren und gefährliche Materialien; Anträge auf elektronische Berechtigungsnachweise für große Konferenzen, hochrangige Meetings und wichtige Veranstaltungen; elektronischer Ticketverkauf für stark frequentierte Bereiche bei großen Sportveranstaltungen, Konzerten und Touristenattraktionen (z. B. Shanghai World Expo); IoT-Technologie zur Erhebung von Verkehrsgebühren, automatischer Fernidentifizierung und Verwaltung verschiedener Fahrzeugtypen; IoT-Technologie zur automatischen Identifizierung, Erfassung, Positionierung und Abfrage von Personal innerhalb ausgewiesener Bereiche; IoT-Technologie für vollständige-Prozessrückverfolgbarkeit in Ketten der Tierhaltung und Lebensmittelindustrie; IoT-Technologie in den Bereichen Landwirtschaft, Katastrophenhilfe und Notfallhilfe; IoT-Technologie zur Verwaltung wertvoller und kritischer Vermögenswerte; IoT-Technologie für vollständige Prozessanwendungen in Markenbekleidung; IoT-Technologie für die Bibliotheksverwaltung; Anwendungen der IoT-Technologie im militärischen Schusswaffenmanagement, Personalmanagement, Fahrzeugmanagement, Materialmanagement und Sicherheit/Vertraulichkeit; Anwendungen der IoT-Technologie in der Luftfahrt, Automobilindustrie und anderen Sektoren; Anwendungen der IoT-Technologie im Einzelhandel; Anwendungen der IoT-Technologie in der sozialen Sicherheit; Anwendungen der IoT-Technologie in der Smart-City-Entwicklung; und Nahbereichskommunikationstechnologien: Zigbee-Chips, Zigbee-Kommunikationsmodule, Zigbee-Netzwerke, GPS, RTLS (Real-Time Location Systems), Bluetooth-Technologie, UWB-Technologie (Ultra-Wideband) und Anwendungen; EPC-Netzwerke (Electronic Product Code): EPC-Kennzeichnung, EPC-Middleware, EPC-Server, EPC-Plattformen für den öffentlichen Dienst, EPC-Netzwerke; Sensornetzwerke, mobile Kommunikationsnetzwerke, globale Positionierungsnetzwerke und verwandte Anwendungsnetzwerke; Softwaresysteme zur Business-Intelligence-Analyse usw.
Das „Internet der Dinge“ hat die traditionelle Denkweise, die Infrastruktur physisch von der IT-Infrastruktur trennte, auf den Kopf gestellt. Es verbindet physische Einrichtungen wie Straßen und Gebäude effektiv mit PCs, Mobiltelefonen, Haushaltsgeräten, Transportsystemen und IT-Infrastruktur. Dies ermöglicht eine umfassende Vernetzung zwischen Regierungsverwaltung, Fertigung, Sozialmanagement und dem Privatleben des Einzelnen.
Aus der Perspektive der für das IoT erforderlichen Industriekette umfassen vorgelagerte Technologien und Industrien automatische Steuerung, Informationserfassung und Radiofrequenzidentifikation (RFID), während sich nachgelagerte Technologien und Industrien auf IoT-Anwendungen konzentrieren. Branchenexperten behaupten weiter: „Traditionelle Industrieautomation ist tatsächlich Teil des IoT“ und fordern die Hersteller industrieller Steuerungsautomatisierung auf, die treibende Kraft für die IoT-Implementierung zu werden. Als Konvergenzpunkt von Informatisierung und Automatisierung verfügt das IoT über immense Potenziale und Vorteile. Einige Organisationen haben das Potenzial zur Optimierung von Managementprozessen und Produktionsabläufen deutlich erkannt und erste Erfolge erzielt. Traditionelle Automatisierungsnetzwerke weisen bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit den Sensornetzwerken im IoT auf.
V. Cloud Computing und Automatisierung
Argonne National Laboratory
Cloud Computing stellt die Weiterentwicklung der verteilten Verarbeitung, der Parallelverarbeitung und des Grid Computing-oder vielmehr die kommerzielle Umsetzung dieser Informatikkonzepte dar. Sein Kern liegt in der Speicherung und Berechnung großer Datenmengen, mit besonderem Schwerpunkt auf Virtualisierungstechnologie. Im Wesentlichen ist Cloud Computing ein internetbasiertes Supercomputing-Modell, das riesige Ressourcen verbindet, um Benutzern vielfältige IT-Dienste bereitzustellen.
Beispielsweise wird das Cloud-Computing-Modell erhebliche Veränderungen in der Automatisierungssoftwarebranche mit sich bringen. Zu den wichtigsten Änderungen gehören:
① Architekturen von Automatisierungssystemen werden flexibler und verteilte Architekturen werden auf größere Maßstäbe ausgeweitet.
In modernen großen industriellen Automatisierungs- und Informatisierungsprojekten werden die Systeme immer komplexer und umfangreicher. Bestehende Netzwerk- und Systemarchitekturen sind nicht mehr in der Lage, diese Herausforderungen effektiv zu bewältigen. Das revolutionäre Konzept des Cloud Computing hat die starren Architekturrahmen, die traditionell in Automatisierungssystemen zu finden sind, grundlegend abgebaut. Innerhalb von Cloud-Computing-Systemen laufen Automatisierungs- und Informatisierungssysteme nicht mehr ausschließlich auf einem einzigen festen Computer. Stattdessen agieren sie im gesamten Netzwerk, einschließlich des Internets, und nutzen das Netzwerk als Ganzes, um Systemressourcen zuzuweisen und verschiedene Funktionen auszuführen.
② Analyse und Verarbeitung umfangreicher Informationen werden zu Standardfunktionen von Automatisierungssoftware.
In modernen großen Automatisierungsprojekten wächst das Volumen der Automatisierungs- und Informationsdaten weiterhin exponentiell und es ist keine Übertreibung, es als „riesig“ zu bezeichnen. Folglich konzentrieren sich die Datenbanktypen, Datenspeichermodelle und Datenlese-/Abfragemuster, die derzeit in Automatisierungssoftware verwendet werden, alle auf die genaue und zeitnahe Verarbeitung großer Datenmengen. Der Umgang mit umfangreichen Informationen ist zu einem der Engpässe geworden, die die Entwicklung von Automatisierungssoftware behindern.
Im Cloud-Computing-Zeitalter können Benutzer die Rechenleistung verschiedener Hardwareplattformen und Netzwerke über verschiedene Ebenen hinweg nutzen. Sie können problemlos Dienste (SaaS), Plattformen (PaaS) und Computerhardware/Netzwerkressourcen (IaaS) innerhalb der „Cloud“ nutzen und dabei die Computing-Funktionen öffentlicher Netzwerke vollständig integrieren. Dies ermöglicht die Analyse und Verarbeitung umfangreicher Automatisierungs- und Informationsdaten, erfüllt die Anforderungen großer Anwendungssysteme und ermöglicht gleichzeitig die Steuerung komplexer Automatisierungs- und Informationssysteme.
③ Vollständige Transformation der technischen Entwicklungsmodelle.
Im Cloud-Computing-Zeitalter ist die Entwicklung technischer Projekte nicht mehr auf einzelne Computer beschränkt. Das SaaS-Modell ermöglicht Benutzern die direkte Nutzung von Software auf den Servern von Automatisierungssoftwareanbietern über das Internet. Der Entwicklungsprozess findet innerhalb des Cloud-Computing-Netzwerks statt und nach Abschluss wird ein direkt ausführbares Engineering-Projekt generiert.
④ Transformation der Servicemodelle von Softwareanbietern und Reduzierung der Wartungskosten.
Das Cloud-Computing-Modell reduziert auch die Servicekosten für Softwareanbieter. Bisher mussten Anbieter technischen Support und Wartung für Automatisierungssoftware bereitstellen, die in verschiedenen Hardware- und Softwareumgebungen ausgeführt wird. Im Cloud-Zeitalter müssen sie nur eine einzige Softwareinstanz auf ihren Servern verwalten.
⑤ Reduziert die Hardwareanforderungen für Automatisierungssysteme und erhöht den Branchenstatus von Software.
Ob Private Clouds auf Basis interner Unternehmensnetzwerke oder Hybrid Clouds mit externer Konnektivität, beide zielen auf die dynamische Zuteilung von Rechenressourcen ab. Dies ermöglicht einen reibungsloseren und stabileren Systembetrieb und reduziert die Hardwareanforderungen erheblich, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen. Es ist allgemein anerkannt, dass Software in aktuellen Automatisierungssystemen als „Seele“ dient, jedoch einen relativ geringen Wert hat und nur 5–10 % der Gesamtkosten ausmacht. Im Cloud-Computing-Zeitalter werden der Wert und die Bedeutung von Software in der Automatisierungsbranche erheblich zunehmen, da die Anforderungen an die Hardware sinken und die Anforderungen an die Software immer strenger werden.
⑥ Neue Technologien und Produktphilosophien werden zum Kern des Wettbewerbs.
Zweifellos wird das Cloud-Computing-Modell tiefgreifende Veränderungen in der Automatisierungssoftwarebranche mit sich bringen. Wie navigiert man durch die Trends in der IT-Entwicklung? Wie entwickelt man Automatisierungssoftware der nächsten -Generation auf Basis von Cloud Computing? Wie kann die Kompatibilität älterer Automatisierungssoftwareversionen mit Cloud-Plattformen sichergestellt werden? Wie kann man traditionelle Automatisierungstechniksysteme auf cloudbasierte-basierte Systeme upgraden? Diese werden für Industrieunternehmen zu vorrangigen Überlegungen werden. Mit der Weiterentwicklung der Cloud-Computing-Technologie und den Bemühungen des Automatisierungssektors wird Chinas Entwicklung von Automatisierungssystemen, die „Cloud Computing“ nutzen, rasch voranschreiten. Dies ist auch ein Thema, dem die chinesische Automatisierungsindustrie große Aufmerksamkeit widmen sollte.
VI. Automatisierung in der CO2-armen Wirtschaft
Die Automatisierung in der kohlenstoffarmen Wirtschaft ist ein weitreichendes und wichtiges Thema. Wir veranschaulichen dies am Beispiel der Prozessindustrie. Die Prozessindustrie umfasst Sektoren wie Petrochemie, Raffination, Chemie, Metallurgie, Pharmazeutik, Baustoffe, Leichtindustrie, Papierherstellung, Bergbau, Umweltschutz und Energieerzeugung{3}, die in der Volkswirtschaft Chinas eine dominierende Stellung einnehmen. Diese Sektoren spielen eine wichtige wirtschaftliche Rolle, da der jährliche Produktionswert der Unternehmen der chinesischen Prozessindustrie 66 % des gesamten jährlichen Produktionswerts aller Industrieunternehmen im ganzen Land ausmacht.
Der Entwicklungsstand der Prozessindustrien wirkt sich direkt auf die wirtschaftliche Grundlage des Landes aus. Als riesiger Sektor mit einer wichtigen Stellung dient die Prozessindustrie als entscheidender Grundpfeiler für das nationale Wirtschaftswachstum und ist ein wesentlicher Bestandteil des verarbeitenden Gewerbes. Sie zeichnen sich durch kontinuierliche oder intermittierende Material- und Energieströme aus und produzieren überwiegend Waren in großen Mengen.
Zu den primären Produktions- und Verarbeitungsmethoden in der Prozessindustrie gehören chemische Reaktionen, Trennung und Mischung. Im Zeitalter der Wissensökonomie des 21. Jahrhunderts werden die Prozessindustrien -als traditionelle Fertigungssektoren- wichtige Säulen der wirtschaftlichen Entwicklung bleiben. Diese Branchen sind sowohl große Energie- und Rohstoffproduzenten als auch bedeutende Energieverbraucher, weshalb Energieeinsparung, Verbrauchsreduzierung und Emissionskontrolle von entscheidender Bedeutung sind. Zu den allgemeinen Mängeln in diesen Sektoren gehören hoher Energieverbrauch, starke Umweltverschmutzung, schlechte Produktqualität, veraltete Produktionsprozesse, niedrige Automatisierungsgrade, schwache Managementpraktiken, geringe Informationsintegration und insgesamt unzureichende Wettbewerbsfähigkeit. Die Industrie stellt den größten Sektor der chinesischen Wirtschaft dar und ist außerdem der Hauptverbraucher von Energie und Ressourcen sowie der Hauptverursacher der Umweltverschmutzung. Folglich sind die Prozessindustrien zum Hauptziel für Verbesserungen geworden, insbesondere in sechs Hauptsektoren: Erdölraffinierung, Chemie, Stahl, Energieerzeugung, Nichteisenmetalle und Baumaterialien. Auf diese Sektoren entfallen fast 70 % des industriellen Energieverbrauchs des Landes.
Experten behaupten: Erstens war es schon immer ein Schlüsselgeheimnis für erfolgreiche Innovationen in allen Sektoren, sich auf neue Probleme und trendgesteuerte Branchen zu konzentrieren! Aufkommende Probleme beziehen sich auf große Herausforderungen, die besondere Aufmerksamkeit für die zukünftige menschliche gesellschaftliche Entwicklung erfordern; „Trendgetriebene“ Branchen bezeichnen Projekte mit immensem Zukunftspotenzial.
Was sind also die größten Herausforderungen, die besondere Aufmerksamkeit für die zukünftige menschliche und gesellschaftliche Entwicklung und für Projekte mit immensem Zukunftspotenzial erfordern? Ein solcher Bereich sind zweifellos Projekte, die der „kohlenstoffarmen Wirtschaft“ und „kohlenstoffarmen Technologien“ dienen! Die „kohlenstoffarme Wirtschaft“ ist zu einer wichtigen strategischen Entscheidung für Forschungseinrichtungen und Unternehmen geworden. Mit anderen Worten: Die energische Förderung der Entwicklung der „kohlenstoffarmen Wirtschaft“ sichert unweigerlich die Innovationsinitiative für Forschungsprojekte und Marktentwicklung. Derzeit beschleunigt die Weltwirtschaft ihren Übergang zu einer „kohlenstoffarmen Wirtschaft“, was zahlreiche neue Wirtschaftswachstumspunkte hervorgebracht hat. Die „kohlenstoffarme Wirtschaft“ wird der Eckpfeiler der künftigen nationalen und unternehmerischen Wettbewerbsfähigkeit sein. Intelligente Unternehmen zeichnen sich dadurch aus, dass sie Chancen nutzen, Produktionsmethoden umgestalten und die Führung übernehmen{10}und Passivität in Proaktivität umwandeln. Sie nutzen Paradigmenwechsel in der gesellschaftlichen Entwicklung als Motoren für beschleunigtes Wachstum und streben danach, die Vorreiterrolle in der kohlenstoffarmen Wirtschaft zu übernehmen.
Bei der Formulierung von Unternehmensentwicklungsstrategien sollten Unternehmen darüber nachdenken, wie sie eine „kohlenstoffarme Strategie“ etablieren und danach streben können, im Einklang mit nationalen Trends für nachhaltige Entwicklung zu wachsen. Wie der renommierte Management-Guru Peter Drucker bekanntlich sagte: „Niemand kann Veränderungen kontrollieren, aber jeder kann ihnen zuvorkommen!“ Chinas Prozessindustrien müssen sich dieses Prinzip zu eigen machen und danach streben, immer einen Schritt voraus zu sein. Die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen ist ein nationales Gebot, eine historische Mission und eine Verpflichtung für Prozessunternehmen. Die Umsetzung einer „kohlenstoffarmen Wirtschaft“ stellt für diese Branchen eine wichtige Aufgabe dar.
VII. Automatisierung in der Arbeitssicherheit
Automatisierung in der Arbeitssicherheit ist in den letzten Jahren zu einem häufig verwendeten Begriff geworden! Dieser Anstieg ist auf das kontinuierliche Auftreten verschiedener Arbeitsunfälle zurückzuführen und führt zu einer steigenden Nachfrage nach Automatisierungstechnologien zur Verbesserung der Sicherheit. Die dringendste Priorität besteht nun darin, fortschrittliche Technologien wie Automatisierung und Informatisierung effizient zu nutzen, um die Sicherheitsstandards am Arbeitsplatz zu erhöhen. Aus diesem Grund hat das Land die Strategie „Wissenschaft und Technologie für Sicherheit“ vorgeschlagen! Die Entwicklung der Sicherheit ist ebenso untrennbar mit der Automatisierung verbunden. Die Sicherheit in der Fertigung kann in mechanische Sicherheit und Prozesssicherheit unterteilt werden.
Maschinensicherheit dient in erster Linie dem Schutz des Personals und hat große Aufmerksamkeit erhalten. Sicherheitsschalter, Sicherheitsknöpfe, Sicherheitstüren und Sicherheitsmatten sind in Fabriken unverzichtbar geworden, begleitet von Produkten wie Sicherheitssensoren, Sicherheits-SPS, Sicherheitsbussen und Sicherheits-Ethernet. Prozesssicherheit sorgt für die Sicherheit von Produktionsprozessen. Heutzutage erwägen viele Automatisierungsanbieter die Bereitstellung von Sicherheitslösungen. Zu einer echten Sicherheitslösung gehört mehr als nur die Lieferung eines oder mehrerer Sicherheitsprodukte; Dabei geht es in erster Linie darum, die Sicherheit der Geräte des Benutzers zu erhöhen. Wie Sicherheitsfunktionen in die Maschinen und Geräte des Benutzers integriert werden können, um die Sicherheit zu verbessern, ohne den Produktionsprozess zu beeinträchtigen, bedarf noch besserer Entwicklung.
Unter Automatisierung versteht man den Prozess, bei dem Maschinen oder Geräte ohne menschliches Eingreifen nach vorgegebenen Programmen oder Anweisungen arbeiten oder sich selbst steuern. Der Einsatz von Automatisierungstechnologie befreit Menschen nicht nur von anstrengender körperlicher Arbeit, bestimmten geistigen Aufgaben und rauen oder gefährlichen Arbeitsumgebungen, sondern erweitert auch die menschlichen Fähigkeiten, steigert die Arbeitsproduktivität erheblich und verbessert die Fähigkeit der Menschheit, die Welt zu verstehen und zu verändern. Daher erreichen Maschinen, Geräte, Systeme oder Prozesse (Produktions- und Managementprozesse) vorgegebene Ziele durch automatisierte Erkennung, Informationsverarbeitung, Analyse und Beurteilung sowie Manipulationskontrolle-alles entsprechend den menschlichen Anforderungen-mit minimaler oder keiner direkten menschlichen Beteiligung. Unter Sicherheitsautomatisierung versteht man die Umsetzung der Strategie „Science and Technology for Safety“ durch Automatisierungstechnik zur Erzielung einer sicheren Produktion. Bei der Anwendung auf bestimmte Branchen nimmt die Sicherheitsautomatisierung unterschiedliche Formen an, wie zum Beispiel: - Sicherheitsproduktionsautomatisierung für Kohlengruben - Sicherheitsproduktionsautomatisierung für Petrochemie - Sicherheitsproduktionsautomatisierung für Chemikalien - Metallurgische Sicherheitsproduktionsautomatisierung - Transportsicherheitsproduktionsautomatisierung - Intelligente Gebäudesicherheitsproduktionsautomatisierung - Sichere Produktionsautomatisierung in anderen Branchen
VIII. Energie-Einsparung und Verbrauch-Automatisierung reduzieren
In den letzten Jahren hat sich „Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung“ zu einem äußerst wichtigen Konzept in der Entwicklung der Automatisierungstechnologie in China entwickelt. „Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und wissenschaftliche Entwicklung“ sind zu strategischen Leitprinzipien für Chinas Wirtschaftswachstum geworden.
Schätzungen zufolge verbraucht China 4,3-mal mehr Energie als die Vereinigten Staaten und 11,5-mal mehr als Japan, um jeden Dollar BIP zu erwirtschaften. Chinas Energienutzungsrate beträgt nur 26,9 % des US-Niveaus und 11,5 % des japanischen Niveaus. Dies zeigt, dass der Energieverbrauch einen erheblichen Teil der Produktkosten chinesischer Unternehmen ausmacht, und verdeutlicht gleichzeitig das enorme Potenzial für Energieeinsparungen innerhalb dieser Unternehmen. Die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Produkte durch Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung ist durchaus machbar.
Als Träger und Medium des technologischen Wandels dient die Ausrüstungsindustrie als grundlegender „mittelorientierter“ Sektor. Seine Produkte-Produktionsanlagen für alle Branchen-bilden das Fundament der grundlegenden Infrastruktur. Chinas Geräteherstellungssektor zeichnet sich durch ein breites Spektrum, vielfältige Kategorien, einen hohen technologischen Inhalt und starke Verbindungen zu anderen Branchen aus und hat sich im Laufe der Jahre zu einem umfassenden Industriesystem mit beträchtlicher Größe und technologischer Raffinesse entwickelt und ist zu einer wichtigen Säule der Volkswirtschaft geworden. Energieeinsparung und Verbesserung der Energienutzungseffizienz sind nicht nur langfristige Strategien zur Sicherstellung normaler Produktionsabläufe und zur Erreichung einer gesunden, nachhaltigen Unternehmensentwicklung, sondern auch unvermeidliche Entscheidungen für Unternehmen, sich an Marktanforderungen anzupassen, Kosten zu senken, Gewinne zu steigern, die Umweltleistung zu verbessern und die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. Damit Unternehmen nachhaltiges Wachstum erzielen können, ist die Umsetzung von Energieeinsparungen und Verbrauchsreduzierungen unerlässlich.
Im Laufe der Zeit werden die Aufgaben der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung immer anspruchsvoller und die Kontrollziele werden immer strenger. Mit der Einführung dieser Ziele werden höhere Anforderungen an Industriebetriebe gestellt. Die proaktive Einführung fortschrittlicher Technologien zur-Einsparung und Reduzierung des Verbrauchs- sowie die Implementierung wissenschaftlicher Managementkonzepte, -modelle und -prozesse sind entscheidende Wege für Unternehmen, um diese Ziele zu erreichen. Durch die Förderung und Anwendung neuer Technologien, Prozesse, Materialien und Methoden auf der Grundlage technologischer Innovationen können ineffiziente Geräte und Produktgruppen mit hohem{5}}Energieverbrauch-schrittweise aus der Produktion genommen werden, was eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung spielt. Die Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung durch High-{8}Innovationen voranzutreiben, ist ein wesentlicher Schritt für die Ausrüstungsindustrie. Dies liegt daran, dass moderne Hochtechnologien die Entwicklung dieses Sektors tiefgreifend und umfassend beeinflussen. Die Weiterentwicklung moderner Hochtechnologien stellt höhere, neuere und bessere Anforderungen an die Ausrüstungsindustrie. High-{12}}Unterstützung ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil der Bemühungen zur „Energieeinsparung und -verbrauchsreduzierung“ im Geräteherstellungssektor.
Beispielsweise sind die Energieeffizienz von Motoren, die Prozessoptimierung, die Umwandlung von Abfall-in-Ressourcen, die Nutzung von Abwärme, die Unternehmenstransformation und die Einführung neuer Energien untrennbar mit der Automatisierungstechnologie verbunden.
IX. Entwicklung industrieller Steuerungssoftware
Die Weiterentwicklung industrieller Steuerungssoftware ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Automatisierungstechnik. Seit den 1990er Jahren hat IBM durch die sukzessive Übernahme von Middleware-Anbietern Middleware zum Kern der IT-Architektur von Unternehmen gemacht und dabei nach und nach die entscheidende Bedeutung und zentrale Rolle der Software hervorgehoben. Anschließend erwarb IBM renommierte Softwareunternehmen wie Lotus und DB2. Neben der Hardware begann auch die Software voranzuschreiten. Im Jahr 2004 verkaufte IBM sein PC-Geschäft an Lenovo-ein Schritt, der das Ende des goldenen Zeitalters der Hardware und den Beginn der aufstrebenden Ära der Software einläutete.
Innerhalb der industriellen Steuerung stellt die Hardware-Softwareisierung einen Schlüsseltrend dar, der durch das Aufkommen eingebetteter Soft-SPS veranschaulicht wird. Derzeit ist auf dem Markt die neueste CoDeSys V3.4-Software (eine eingebettete System-Soft-SPS auf Basis der CoDeSys-Plattform) verfügbar, die von der deutschen Firma 3S Software entwickelt wurde. Es vertritt das Konzept der „offenen, rekonfigurierbaren Automatisierung“, bei dem die „Wiederverwendbarkeit“ im Mittelpunkt steht. Diese Software arbeitet in einer IEC 61131-Entwicklungsumgebung und unterstützt mehrere Standardsprachen für die industrielle Automatisierung, darunter Kontaktplanlogik, Flussdiagramme, Blockdiagramme und die erweiterte ST-Sprache.
Die Wiederverwendung von Software stellt eine Methodik und Theorie innerhalb der Computersoftwareentwicklung dar und dient im Wesentlichen als Lösung zur Eliminierung überflüssiger Anstrengungen bei der Softwareentwicklung. Es stellt einen bewährten Ansatz zur Verbesserung der Produktivität und Produktqualität bei der Softwareentwicklung dar. Bei der Wiederverwendung von Software werden vorhandene Software und ihre effektiven Komponenten genutzt, um neue Software oder Systeme zu erstellen und so Entwicklungszeit und Wartungskosten zu reduzieren. Es gilt als entscheidende Technologie zur Verbesserung der Softwareproduktivität und -qualität.
Schlüsselfaktoren (sowohl technische als auch nicht{0}}technische) für die Wiederverwendung von Software umfassen hauptsächlich sieben Aspekte: Softwarekomponententechnologie, Softwarearchitektur, Domänenentwicklung, Software-Reengineering, offene Komponentenprozesse, CASE-Technologie (Computer-Aided Software Engineering) und verschiedene nicht{2}}technische Faktoren. Zu den Vorteilen der Software-Wiederverwendung gehören: (1) Höhere Produktivität (und daraus resultierende Kostensenkung); (2) Verbesserte Softwarequalität. (Fehler können schneller behoben werden); (3) Eine angemessene Nutzung der Software-Wiederverwendung verbessert die Wartbarkeit des Systems.
Neben den Vorteilen der Wiederverwendung von Software bietet die CoDeSys-Software auch eine rekonfigurierbare Fertigung. Bei der rekonfigurierbaren Fertigung handelt es sich um einen Prozess, der die Verwaltung und Kontrolle der Neukonfiguration des Fertigungssystems steuert. Es ermöglicht Fertigungssystemen, effektiv auf sich ändernde Umgebungen zu reagieren. Rekonfigurierbarkeit bezieht sich auf ein System, dessen Hardwaremodule und/oder Softwaremodule die Systemarchitektur und Algorithmen basierend auf sich ändernden Datenflüssen oder Kontrollflüssen neu konfigurieren (oder zurücksetzen) können. Dies umfasst: organisatorische Rekonfigurierbarkeit, Rekonfigurierbarkeit von Geschäftsprozessen, Produktrekonfigurierbarkeit, Rekonfigurierbarkeit von Fertigungsverarbeitungssystemen und rekonfigurierbare Informationsplattformen.
Der wichtigste Vorteil rekonfigurierbarer Systeme ist ihre Fähigkeit, ihre Architektur an spezifische Anwendungsanforderungen anzupassen. Angesichts des sich ständig verändernden Marktes stellt die Frage, wie Fertigungssysteme in die Lage versetzt werden können, schnell und wirtschaftlich auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren, eine große Herausforderung für die heutige Fertigungsindustrie dar. Herkömmliche mechanisierte, automatisierte Produktionslinien bieten Größenvorteile für die Serienproduktion, sind jedoch nicht flexibel genug, um auf Marktveränderungen zu reagieren. Obwohl flexible Fertigungssysteme die Produktprototyping- und Produktionszyklen verkürzen können, erfordern sie erhebliche Investitionen mit langen Amortisationszeiten. Folglich besteht ein dringender Bedarf an einem neuen Fertigungsparadigma, das die Vorteile der Massenproduktion mit einer schnellen Anpassungsfähigkeit an dynamische, sich verändernde Fertigungsumgebungen verbindet und gleichzeitig die vorhandenen Fertigungsressourcen voll ausschöpft. In diesem Zusammenhang stellt das kürzlich vorgeschlagene rekonfigurierbare Fertigungssystem eine wirksame Lösung zur Erfüllung dieser Anforderungen dar.
Darüber hinaus stellt das von Siemens empfohlene TIA Portal (博途) eine innovative Engineering-Softwareplattform dar, die von Siemens auf Basis des TIA-Konzepts (Totally Integrated Automation) entwickelt wurde. Es verwaltet alle Automatisierungsaufgaben in einer einzigen Engineering-Konfigurationsumgebung, vereinfacht die Arbeit der Konstrukteure, steigert die Effizienz und senkt die Kosten. Durch die Verwirklichung einer einheitlichen Kommunikation, einer einheitlichen Programmierung und einheitlicher Daten entsteht ein vollständiges, organisch integriertes System. Dies erfüllt die Erwartungen der Branche an eine vollständig integrierte Plattform zur Ausführung von Automatisierungslösungen, die eine zentrale Verwaltung von Produktdesign, mechanischem Design und Automatisierungsdesign in einer einzigen Software-Suite ermöglicht. Folglich gilt es als die intuitivste, effizienteste und zuverlässigste Softwareplattform für Ingenieurtechnologie, die heute verfügbar ist. Diese Entwicklung verdient Aufmerksamkeit im Bereich der industriellen Steuerung.
X. Universalisierung von Simulation und Modellierung
Die vernetzte Modellierungs- und Simulationstechnik stellt einen aktuellen Forschungsschwerpunkt auf diesem Gebiet dar. Sein technischer Umfang und seine Anwendungsmodelle werden zusammen mit den Fortschritten in der Netzwerktechnologie kontinuierlich erweitert und weiterentwickelt. Die rasante Entwicklung der Netzwerk- und Computertechnologien führt uns in die Ära des allgegenwärtigen Computings. Ubiquitous Computing schafft einen Informationsraum, der aus Computer und Kommunikation besteht und mit dem physischen Raum des menschlichen Lebens verschmilzt, um eine intelligente Umgebung zu bilden.
Innerhalb dieses intelligenten Raums können Einzelpersonen jederzeit und überall transparent auf Computer- und Informationsdienste zugreifen. Die vernetzte Modellierungs- und Simulationstechnologie wird sich in Richtung Universalisierung weiterentwickeln. „Universelle Simulationstechnologie“, die Ubiquitous Computing integriert, erreicht die Konvergenz von Informationen und physischen Räumen und katapultiert die moderne Modellierungs- und Simulationsforschung, -entwicklung und -anwendung in eine neue Ära.
Für zukünftige komplexe, heterogene und dynamische Ubiquitous-Computing-Umgebungen weisen Ubiquitous-Simulationssysteme die folgenden grundlegenden Eigenschaften auf:
⑴ Allgegenwärtige Zugänglichkeit:Simulationsressourcen sind allgegenwärtig. Mithilfe der Grid-Technologie ermöglichen Simulationsgrids die serviceorientierte Bereitstellung verschiedener Software- und Hardware-Simulationsressourcen im täglichen Leben. Dies schützt Benutzer vor komplexen, heterogenen Ubiquitous-Computing-Umgebungen, macht Simulationsressourcen universell verfügbar und löst das Problem der „Allgegenwärtigkeit“.
⑵ Jederzeit und überall:Benutzer können an ihrem Arbeitsplatz oder an ihrem Wohnort auf Simulationsdienste zugreifen, ohne an einen speziellen Computer gebunden zu sein. Die Grid-Technologie erweitert Simulationsanwendungsterminals in jeden Winkel des Netzwerks und befreit Benutzer vollständig von zeitlichen und räumlichen Einschränkungen. Jedes vernetzte Gerät kann innerhalb der Grid-Umgebung auf Simulationsressourcen und -dienste zugreifen und erfüllt so die Anforderung für den Zugriff „jederzeit und überall“.
⑶ Adaptiv:Der Simulationsinformationsraum bietet kohärente Simulationsdienste, die sich an sich ändernde Bedingungen anpassen und auf die Benutzerbedürfnisse zugeschnittene Rechenumgebungen bereitstellen.
⑷ Transparent:Benutzer greifen mit minimalem bewussten Aufwand auf Simulationsdienste zu. Die Interaktion ist äußerst natürlich-sogar vom Benutzer unbemerkt-und verkörpert das, was als implizite Interaktion bezeichnet wird.
Durch die Integration allgegenwärtiger Computing-Konzepte und -Technologien in Simulationsgitter werden die neuen Anforderungen allgegenwärtiger Simulationsumgebungen -Mobilität, Anpassungsfähigkeit, Intelligenz und Anwendungsmodelle- effektiv erfüllt, sodass Simulationsinformationsräume adaptive Umgebungen und konsistente Dienste bereitstellen können, die auf die Bedürfnisse der Benutzer zugeschnitten sind. Die konvergierte Technologie von Grid Computing und Ubiquitous Computing-ubiquitäre Simulations-Grid-Technologie-wird sich zu einem neuen Schwerpunkt in der vernetzten Modellierungs- und Simulationsforschung und -anwendungen entwickeln.
Zusammenfassend zeigen die aktuellen Top-Ten-Trends in der Automatisierungstechnik, dass Automatisierungsinnovationen mit mehreren Schlüsselwörtern zusammengefasst werden können: Integration, Kommunikation, Zusammenarbeit, Energieeffizienz, Sicherheit, Standards und Offenheit. Daraus sind auch zahlreiche neue Produkte und Konzepte entstanden. Seit vielen Jahren ist die neue Automatisierung der direkteste Motor für die rasante Entwicklung der Fertigung. Diese Kraft, die unweigerlich von der treibenden Kraft der „Innovation“ angetrieben wird, wird im Zeitalter der intelligenten Fertigung zweifellos brillant glänzen!