Автоматизация подразумевает интеграцию станков и оборудования в полностью автоматическую, а в некоторых случаях саморегулирующуюся систему. Передовые страны приступили к автоматизации промышленности в начале 1950-х годов. Зародившись, как концепция производства, сегодня автоматизация означает много больше, чем координация функционирования ряда станков и оборудования. В настоящее время она осуществляется на всех уровнях предпринимательства и производства. Вряд ли найдется вид деятельности — социальной или экономической, не подверженный в той или иной степени внедрению автоматически управляемых устройств или систем. Перечень направлений автоматизации чрезвычайно широкий включает, например, запуск и автоматическое пилотирование летательных аппаратов, производство автомобилей, управление движением транспорта и его маршрутизацию, медицинскую диагностику, игру в шахматы и автоматическое обновление банковского баланса в соответствии с указаниями, поступающими от компьютера, который может находиться на расстоянии во много километров.  

С технической точки зрения, автоматизация может рассматриваться как последний этап промышленной революции. Первый этап этой революции можно было бы охарактеризовать словом «механизация»: ключевым фактором на этом этапе было использование механизмов и машин вместо мускулов. На протяжении одного столетия доля физического труда человека и животных в промышленности и сельском хозяйстве снизилась с 90% до примерно 10%. Маловероятно, что автоматизация изменит это соотношение, потому что большинство людей больше не служат в качестве вьючных животных или простых источников энергии. Все чаще люди управляют механической силой и энергией и действуют как связующее звено между механизированными операциями, в которых автоматизация осуществила и еще будет осуществлять разительные перемены.  

Усилия по автоматизации некоторых операций поточного и мелкосерийного производств начались с разработки станков с числовым программным управлением. Числовое управление с помощью предварительно запрограммированных перфолент заменило настраиваемые вручную кулачки и храповики, которые до той поры управляли работой станков. С появлением миникомпьютеров стало возможным прямое цифровое управление (ПЦУ). ПЦУ представляет собой централизованное управление с помощью компьютера группой станков и обеспечивает работу небольших автоматизированных систем механической обработки. Когда в середине 1970-х годов стали доступны микропроцессоры, появилось компьютерное числовое управление, что позволило создать станки, которые управлялись отдельным микропроцессором, допускавшим перепрограммирование, и оказались экономически эффективными. В 1960-х годах стали доступны роботы — перепрограммируемые многофункциональные манипуляторы. Роботы позволяют обеспечить полную автоматизацию, особенно в таких видах деятельности, которые являются опасными или требуют точности и высокой степени повторяемости операции. Эти технологии привели к значительным успехам в области обработки материалов, что, в свою очередь, послужило важным фактором в развитии автоматизации складского хозяйства.  

Успехи в информационной технологии, особенно в интерактивной графике, связи, системах управления базами данных и в прикладном программном обеспечении, позволили развить два важных направления — проектирование с помощью компьютеров (САПР) и производство с помощью компьютеров (АСУП). Соответствующие системы открывают перспективу значительного повышения эффективности инженерно-технического и промышленного труда.  

Будущее автоматизации. Хотя трудно прогнозировать возможное влияние автоматизации на промышленность и сферу обслуживания, одно кажется несомненным: тенденция создания и распространения автоматизированных систем сохранится, чтобы разрабатывать узлы и компоненты, а за тем их согласовывать и строить автоматическую систему, предпочтение будет отдано разработке самой системы. Конкретные области технологии, а также различных технических дисциплин, которые развиваются по отдельности, будут сближаться.  

При современной скорости изменений трудно, если вообще возможно, предсказать, что произойдет в бли­жайшие 10 лет, не говоря уже о столетии или тысячеле тии. Новые открытия и разработки могут изменить сце нарий так же радикально, как сделали это за последние 10...20 лет микропроцессоры и Internet. Так, к 2003 г. должна завершиться реализация рассчитанной на 20 лет — международной программы составления детальных ге нетических карт, которая позволит установить 50...100 тыс. генов человека. Это и подобные ему масштабные исследования могут внести существенные изменения в наши фундаментальные представления о мире в самом начале нового тысячелетия.  

Принято считать, что развитие технологии определяют 3 закона:  

1. Закон Мура, сформулированный Гордоном Муром из компании Intel в начале 70-х гг. гласит, что произво дительность микросхем удваивается каждые 18 месяцев. Вследствие этого быстродействие компьютеров возрастает, и стоимость единицы вычислительной мощности уменьшается вдвое за тот же срок.  

2. Закон Гилдера, предложенный Джорджем Гилдером — плодовитым автором и пророком новой технической эры — утверждает, что общая пропускная способность систем связи каждый год увеличивается втрое. Новые разработки свидетельствуют, что увеличение пропускной способности будет продолжаться в соответствии с этим законом.  

3. Закон Меткалфа, приписываемый создателю Ethernet и основателю компании 3COM, устанавливает, что ценность сети пропорциональна квадрату числа уз лов. Вследствие этого по мере расширения сети цен­ность нахождения в ней растет экспоненциально, тогда как удельные затраты на одного пользователя остаются неизменными или даже снижаются.  

Курцвайль (Kurzweil R. The age of Spiritual Machines. Viking Penguin, 1999) экстраполировал закон Мура и предсказал появление к 2030 г. машин, интеллект которых будет превосходить человеческий. Но сам Гордон Мур прогнозирует неприменимость к интегральным микросхемам названного его именем закона приблизительно после 2017 г., кoгда их размеры станут соизмеримыми с размерами атома.  

Однако Lucent недавно объявил о возможности располагать множество транзисторов вертикально в кристалле кремния. Это означает, что вместо закона квадрата мы получаем закон куба, что обеспечивает обусловленное удвоение производительности в течение ближайших 20 лет, прежде чем будет, достигнут предел по всем трем измерениям. На передний край неизбежно выйдут и другие технологии, такие как биочипы и нанотехнологии, действующие подобно закону Мура.  

Курцвайль предсказывает, что уже в ближайшем десятилетии многие люди станут обладателями пары сотен компьютеров, вшитых в их одежду. Можно ожидать, что примерно за тот же промежуток времени практически все промышленные входные/выходные устройства и процессоры будут иметь существенно расширенный встроенный интеллект.  

Сегодня, когда группы «неразумных» сенсоров связаны с теми или иными промышленными процессорами (ПЭВМ, ПЛК, РСУ), интеллект является, главным образом, прерогативой этого центрального процессора. По мере существенного снижения стоимости вычислительных мощностей встроенные процессоры буду проникать практически во все устройства ввода-вывода (УВВ) данных, превращая их в интеллектуальные. Каждое интеллектуальное устройство (датчик, исполнительное устройство, устройство измерения или управления) сможет накапливать, хранить и выдавать информацию о том, где и кем оно было изготовлено, приобретено и установлено, о рабочих характеристиках, спецификациях, инструкциях по эксплуатации и ремонту, результатах диагностики, наличии запасных частей, возможностях замены и т.д. Идеология «интеллектуальных устройств» станет частью практически любой продукции в сфере промышленной автоматики.  

Интеллект открывает новые возможности для диагностики: не только после отказа, но и прогнозирующей, и консультативной (т.е. с выдачей указаний по техобслуживанию). Знание того, что отказ определенного элемента системы возможен в ближайшем будущем очень полезно.  

Важную роль в диагностике систем (в отличие от диагностики отдельных устройств) играет моделирование крупных событий, таких как отказы турбины электростанции или атомного реактора, с расчетом механизмов реагирования. Отказы такого типа гораздо проще диагностировать не путем вычислений на большом центральном компьютере, а с помощью методов, предполагающих моделирование отказов и распознавание образов по откликам нескольких тысяч интеллектуальных точек ввода-вывода сложной адаптивной системы.  

В ближайшие несколько лет персональные компьютеры (промышленные и встроенные эквиваленты ПЭВМ) придут на смену промышленным логическим контроллерам (ПЛК) в подавляющем большинстве приложений, главным образом из-за возможностей программирования на более высоком уровне и меньших затратах на подсоединение к ПЭВМ. ПЛК будут служить для выработки управляющих сигналов для механизмов и в качестве коммуникационных процессоров ввода-вывода для сетей нижнего уровня. Большие распределенные системы управления (РСУ), в свою очередь, уступят место интеллектуальным полевым системам ввода—вывода.  

В ближайшее десятилетие подтвердится неадекватность централизованных, иерархических структур управления и отомрет полностью детерминированное управление. Требования к программному обеспечению, (ПО) старых централизованных систем управления (СУ) становятся все более обременительными и, фактически, плохо контролируемыми. Сегодня на заводе или технологической установке имеется несколько тысяч сенсоров, трансмиттеров, самописцев, дисплеев, контроллеров, исполнительных устройств, клапанов и т.д. Становится очевидным, что иерархическая, детерминированная архитектура уже неспособна, поддерживать системы, в которых число позиций контроля и управления превышает 50... 100 тыс. (на многих крупных предприятиях этот предел уже превышен).  

Ожидается переход от традиционного процедурного управления к децентрализованным системам с выработкой управлений на основе правил. Когда все точки ввода-вывода (ВВ) станут интеллектуальными и взаимосвязанными, управления будут передаваться локально по интеллектуальным каналам между равноправными сенсорами и исполнительными устройствами без вмешательства со стороны внешнего центрального процессора. Помимо повышения эффективности локального управления растущая «связанность» децентрализованных СУ вводит в действие закон Меткалфа (об экспоненциальном росте эффективности) и новую науку о сложности СУ. В результате появляется абсолютно новый тип систем: сложные адаптивные системы (complex adaptive systems) — САС.  

Функционирование САС принципиально отличается от функционирования традиционных детерминированных иерархических СУ. Независимые, интеллектуальные, автономные УВВ и управления взаимодействуют, используя механизмы, основанные на правилах (типа "если случилось А, то делать В"). По мере усложнения взаимодействия система реагирует и адаптируется к изменению обстановки и требований. Аналоги генетических алгоритмов устраняют неэффективные операции и стимулируют совершенствование системы.  

САС обладают существенными преимуществами за счет уменьшения объема ПО, более простой и быстрой установки, робастных характеристик, значительно большей гибкости и способности обрабатывать существенно большее количество импульсов от УВВ. Традиционные концепции отказоустойчивости устаревают, поскольку избыточность реализуется непосредственно на уровне ввода-вывода. САС робастны в силу независимости их работы от отказа в одной или даже в нескольких точках. Система приспосабливается к работе в условиях подобного отказа. САС может обеспечить значительно более высокие производственные показатели благодаря своим возможностям самоорганизации и изменения поведения. В ближайшее десятилетие такие системы появятся в области промышленной автоматики и управления.  

Понятие о ПО, как о некоем отдельном, внешнем объекте в ближайшие 10 лет в значительной степени исчезнет. «Математика» просто станет частью соответствующего продукта (в отличие от сегодняшних программно-аппаратных средств). Внешнее ПО понадобится лишь для браузеров — все остальное будет представлять собой Java-апплеты и аналогичные клиентские задачи, запускаемые серверами при соединении или объектами, постоянно находящимися внутри продуктов.  

Наибольший рост компаний-производителей ПО в последнее время происходил, главным образом, за счет человеко-машинных интерфейсов (ЧМИ) и приложений, обеспечивающих УВВ возможностями управления и отображения. По мнению многих авторов, большинство компаний, выпускающих в настоящее время ЧМИ и ПО для систем управления, будут «подниматься» к системам планирования материальных ресурсов (material resource pianning — MRP) и АСУП (manufacturing execution sys tems — MES), а большинство нынешних функций ПО «спустятся» на уровень встроенных программ и запускаемых самим продуктом апплетов.  

В условиях современных предприятий «островки автоматизации» прошлого неуклонно растворяются по мере подключения практически всего возможного к централизованным сетям. Сегодня имеются сети трех уровней: устройств (нижний), СУ (средний) и предприятия (верхний). Стандарт fieldbus будет вытеснен благодаря появлению нескольких параллельных (или, возможно, перекрывающихся) стандартов, отвечающих нуждам конкретной отрасли промышленности и/или защиты окружающей среды. В качестве стандартов внешнего со единения системы или машины будут использоваться промышленные расширения Ethernet и TCP/IP. В ближайшие годы мы станем свидетелями продвижения Ethernet на все уровни при качественных (быстродействие и детерминизм) и стоимостных показателях, устраняющих необходимость в поиске альтернатив.  

Коммуникационная инфраструктура быстро развивается в сторону подсоединения всего и вся к Internet не только через высокоскоростные цифровые абонентские линии и кабельные модемы, но и во все большей степени через системы беспроводной связи третьего поколения. В ближайшие год-два кремниевые кристаллы позволят поддерживать беспроводную радиосвязь со скоростью передачи, превышающей ту, которую сегодня мо гут обеспечивать наземные линии связи на основе витой пары, и сравнимой со скоростью передачи по кабелю. Это окажет существенное влияние на промышленные СУ. Беспроводная связь третьего поколения, включающая новую технологию локальных сетей Bluetooth, позволяет просто, эффективно и экономично связать практически все УВВ и сделать их частью архитектуры САС.  

Сдерживающим фактором внедрения беспроводной связи в промышленности является опасность несанкционированного доступа. Эта проблема решается с помощью современных методов криптографии, которые уже широко применяются в банковской и биржевой сферах. Приспособление этих методов для промышленной автоматики станет относительно несложным.  

На сегодняшнем предприятии операторная — все еще центральный узел, вокруг которого вертится весь производственный процесс. Завтра управлять можно будет с помощью портативных беспроводных компьютеров, которые будет носить с собой обслуживающий персонал (как теперь носит мобильные телефоны). Эти персональные цифровые помощники (personal digital assis tants ~ PDA) будут подключаться через Web ко всему не обходимому для работы с тем или иным объектом (документацией по каждому продукту, аппарату, станку), а также общезаводскими службами техобслуживания, диагностики и ремонта.  

Достижения последних лет стали результатом воз действия закона Мура (рост производительности компьютеров) в сочетании с законами Гилдера (расширение пропускной способности) и Меткалфа (возможности связи через Internet). В ближайшее десятилетие это воз действие будет стабильно распространяться в сфере промышленной автоматизации.