伟德体育:运动控制行业技术水平特点及面临的机遇及主要发展趋势

发布时间:2022-09-27 06:48:20 来源:伟德体育平台 作者:伟德体育投注

  a、高可靠性定义:高可靠性是指产品可在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力,通常以平均无故障时间来界定。工业装备能够长期、稳定地可靠运行是用户的最基本要求。现代工业场景下,装备的系统复杂度提升,非确定性因素增加。作为装备的大脑,运动控制系统需在面对各种作业环境和需求变化的情况下,消除整体系统的非确定性,保证装备的长期稳定有效运行。

  b、高可靠性的体现:随着运动控制系统设计更加复杂,软件的可靠性主要体现在其容错能力和代码强健性上,而对于硬件来说,在持续降低系统功耗的同时,提升其在各种严苛环境下(高温高湿、超低温和温度冲击、粉尘油污、腐蚀性气体、金属颗粒物、强电磁干扰等)的抗干扰能力、7×24小时运行环境中抗疲劳强度、抗扰动能力和信号链传递损失与补偿等。

  c、作为智能制造装备的核心基础部件,高可靠性对于运动控制器系统来说是一项基本的核心要求。一方面,在生产过程中需采用经过严格筛选测试的优质元器件,组装过程也应具备严格的质量控制程序,以确保装备长期使用时的高稳定性和高可靠性。另一方面,运行中控制系统的故障源经常来自于各类连接点和运动部件扰动。如何减少连接,强化网络数据传输的实时安全,以更加紧凑的结构实现更加复杂的控制过程,在保证可靠性的同时,还要能够支撑更加复杂的算力需求。

  a、实时性定义:实时性作为运动控制系统的一项重要性能指标,是指事件发生的时间确定性(相对与绝对的确定),以及在此基础上数据处理的精准和快速性,这对设备和任务间的时间同步精度,以及系统中的任务执行效率提出了新的要求。

  b、实时性需要解决在保证运动控制事件的时间确定性情况下系统的冗余安全、复杂网络中信息实时交互、多时钟源协同精准补偿,复杂系统相位控制中的高速信号处理和大型软件的实时性处理等等。

  a、高速高精度是运动控制系统在性能上永恒的追求,面对不同应用场景,高速高精的具体指标有所不同,但总体指标要基于被控对象的模型辨识,对速度和控制精度进行自适应和自优化,取得综合性全局最优。类似木桶效应,一个系统的整体性能取决于最短的木板。

  b、输入激励信号源的运动规划与被控对象响应能力是否匹配,系统各控制环节的同步性,传感反馈的物理分辨率精度,系统模型辨识的线性化能力,机械系统谐振频率和动刚度特征,关键部件热传导与热辐射效应,信号链完整度、扰动频域是否与工作频域重合等,都会制约系统整体高速高精度性能指标的达成,成为最短的那块木板。

  开放性代表系统要为用户打开二次技术开发、工艺快速迭代升级的技术路径,并为用户自身核心竞争力构建提供必要的技术手段。灵活性意指系统要能适应各种复杂工艺要求的能力,既有性能上的深度和功能上的宽度,还要具备多源异构系统的重构便利性。易用性表示系统需具备人机交互的友好、直观、简便,安装调试的简洁、安全,运行维护的可预测、便捷和低成本。在现代智能制造更高精度、效率和制程柔性化的需求下,未来运动控制系统发展的核心需求之一为实现开放性、灵活性、易用性的统一。

  传统机械设备采用的电机和I/O数量有限,往往采用一对一直连的方式连接。直连方式最大的问题在于布线复杂,线缆使用量较大,同时传输信号极易受到干扰。为解决这些问题,各装备或部件厂商纷纷采用高速工业总线连接伺服驱动器及运动控制器,网络化趋势明显。

  采用高速工业总线后,运动控制器、伺服驱动器和I/O模块之间除了常规的控制命令及反馈信息传递外,还可以根据需要实时调节伺服驱动器的各类参数,从而实现更为复杂灵活的控制要求,设备连接的轴数和I/O数量也不断增加。在数字化、智能化发展趋势下,工业总线作为“工业数字血管”的重要性日益凸显。逐渐成长为现代工业体系内一个独立的产业细分领域,并作为智能制造体系的底层核心技术支撑,成为制造大国产业竞争的战略制高点。

  在新的工业体系中,工业数据成为制造业的“血液”,居于核心位置。以工业数据为脉络,整个智能制造逻辑重构为数据产生(工业现场)、数据传输、数据管理与价值发掘几个环节。从制造效率及工业大数据安全可靠角度看,制造业领域必须完整实现从现场总线到工业现场网络全互联的技术升级。

  我国运动控制产业根植于中国制造。一方面,深入实施制造强国战略,加强产业基础能力建设是我国发展的战略制高点;另一方面,中国拥有全球最完整的制造业产业链,最丰富的工艺业态和最庞大的消费群体。这两点决定了中国智能制造,以及其核心基础环节的运动控制产业将实现长期较快的高质量发展,且中长期看将整体达到乃至引领全球竞争力水平,这是行业发展面临的长期机遇。

  运动控制产业是典型的人才与技术密集型行业,这既是行业竞争壁垒,也是最大的发展挑战:

  一方面,运动控制融合了软件算法、电子、通信、光学、机械等多学科交叉的技术和人才,且需要长期深入工业一线应用场景进行不断的知识反馈、经验吸收和技术迭代,是基础研究和应用实践紧密结合的高竞争壁垒领域。

  另一方面,随着产品和工艺装备的精密度与复杂性的进一步提高,技术综合程度不断增加,以及生产工艺过程日益成为一个各工序紧密联系着的有机整体,现代智能制造对产业技术人才提出了更高的挑战。当前智能制造产业的高技能人才尤其是高端复合型人才紧缺严重,而高技能人才培养时间长,难度大,行业高素质人才的紧缺一定程度上制约了整个行业的发展,亟需打造真正有效的产学研培育模式,满足产业人才的迫切需求。

  (1)全球科技和产业竞争聚焦制造业,智能制造成为全球主要工业国家的重点发展方向,智能制造产业拥有广阔的市场空间和发展前景

  随着全球新一轮科技革命和产业变革深入发展,新一代信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等不断突破,并与先进制造技术加速融合,为制造业高端化、智能化、绿色化发展提供了历史机遇。同时,国际环境日趋复杂,全球科技和产业竞争更趋激烈,大国战略博弈进一步聚焦制造业,美国“先进制造业领导力战略”、德国“国家工业战略2030”、日本“社会5.0”和欧盟“工业5.0”等以重振制造业为核心的发展战略,均以智能制造为主要抓手,力图抢占全球制造业新一轮竞争制高点。

  (2)随着劳动力成本的上升、人口红利的减弱,我国制造业转型升级的需求迫切,“机器替代人”已成为必然的发展方向,运动控制及智能制造产业的发展有着长期的内在驱动力

  我国经济发展已进入速度变化、结构优化和动力转换的新常态。资源环境约束不断强化,劳动力等生产要素成本正在上升,主要依靠资源要素投入、规模扩张的粗放发展模式已难以为继,提质增效已成为经济发展的主要目标。

  在后疫情经济发展环境下,我国乃至世界范围内的车间级设备数控化、自动化、智能化、无人化改造需求益发旺盛。制造业智能化转型升级将催生机器视觉、先进运动控制器、高精度伺服系统、高性能减速器、工业软件、工业互联网络技术等先进制造底层性、基础性技术的深度应用。运动控制系统作为智能制造的核心关键环节,具有持续快速发展的长期内在驱动力。

  (3)除传统制造业转型升级需求外,我国以半导体、新能源、机器人、3C电子等为代表的新兴制造需求快速增加,运动控制及智能制造的应用领域不断扩大,进一步推动了行业发展

  我国已经在新能源汽车、光伏、集成电路、通信设备、高端显示器件、航空航天等高端制造领域形成具备一定竞争力的产业集群,产生对国产高端装备和基础核心技术的广泛应用场景。同时,传统基础制造业如纺织、印刷、物流、冶金等也在市场化规律下形成特色化产业集聚,并在全面人工替代、高速同步控制、分布式控制、传统工艺数字化提炼等领域形成广泛的智能化提升需求。

  新兴产业的蓬勃发展和传统制造业的转型升级带来的是数万亿级的智能终端市场空间,进而带来的是万亿级的装备制造产业规模和数百亿级的工业装备核心部件市场规模。

  (4)运动控制及智能制造的核心基础技术实现自主可控是国家战略,相关产业将充分受益于国产替代进程

  我国经济社会各领域的发展,要求制造业提供更先进的生产技术水平、高品质的消费产品、自主可控的重大技术装备。从“制造大国”转变为“制造强国”,是我国制造业发展的战略选择。发展先进制造技术,增强制造领域的自主创新能力和整体实力,推进制造质量和产品品牌建设,才能全面提升我国制造业水平。长期以来,我国制造业基础技术研究薄弱已经成为制约制造业发展的主要瓶颈。我国制造业向智能制造发展,必须依靠传感、控制、通信、工业软件等底层基础技术的突破和深度应用。《“十四五”智能制造发展规划》(征求意见稿)明确提出,要加强关键核心技术攻关,攻克智能感知、高性能控制、人机协作、精益管控、供应链协同等共性技术,针对感知、控制、决策、执行等环节的短板弱项,要加强用产学研联合创新,突破一批“卡脖子”基础零部件和装置。

  加强自主可控供给能力是我国智能制造发展的重点任务。《“十四五”智能制造发展规划》(征求意见稿)明确提出,到2025年,我国的供给能力明显增强,智能制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升,国内市场满足率要分别超过70%和50%。因此,在当前的世界政治经济环境下,我国智能制造领域实现自主可控、国产化替代将是长期的发展趋势,运动控制行业作为关键核心环节,将充分受益于国产替代进程。

  (5)运动控制系统是智能制造装备的大脑、工业控制的核心,在智能制造大力推进、传统制造业转型升级、新兴制造需求快速增加以及国产替代等背景下,我国运动控制行业市场规模持续增长

  先进的运动控制系统融合了传感、通信、控制、工业软件、机构优化等多项基础技术,决定了工业现场核心装备及关键工序的数字化、网络化、智能化水平,是高端装备的核心基础部件,也是智能制造落地的关键环节。

  经过多年发展,中国制造业已经实现了全世界最完整的全产业链基础,具有全世界最丰富的工艺业态和供应链群和全世界最庞大的消费群体。运动控制系统融于广泛的“新场景、新服务、新业态”的现代智能制造场景中,呈持续增长的发展趋势。

  (6)“后疫情”时代产业链得到重塑,运动控制系统需要进一步满足智能制造对于精益管理综合能力和全局效益的提升的需求

  中国制造业具备全球最完整的全产业链基础,但过于离散的制造业带来人、财、物和能源的极大浪费。疫情蔓延带来的全球供应链断裂更加剧了全球制造业的离散度和中间消耗,国际制造业产业链分工模式面临调整,区域化全链协作需求对制造产业布局影响明显,产业链需要周期更短、响应更快、灵活性和柔性更强;从消费端来看,国产消费产品正在蓬勃兴起,个性化体验感的创新驱动、高质量供给引领和创造新需求成为必然。

  受消费和供应两端的需求变化拉动,正在重构的制造产业链生态圈将发挥中小制造型企业的灵活性,通过工业互联网与智能化手段拉通企业间的数据流、信息流,实现设备互联互通,节能降耗,提质增效,全面无人化等,设备全生命周期综合投资回报率的计算(一次性投入和综合维护成本)取代固定资产一次性投资回报率的计算成为企业主关注的问题。

  这一系列的变化,在推动整体制造业向精益管理综合能力和全局效益的提升上发展,这是制造业智能化的关键价值,而作为智能制造核心实现路径就是:在制造业关键工艺装备和自动化装备实现国产自主可控的同时,通过运动控制系统的综合能力提升,实现其长期稳定可靠地工作、数据安全与智能地交互、远程故障诊断以及更高能效利用率。

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