關(guān)于電氣自動化與數(shù)字化工廠的融合構(gòu)建分析

胡少帝

摘要：本課題的研究中，基于電氣自動化和數(shù)字化工廠進行了分析，針對二者之間的區(qū)別展開了簡單思考。重點分析討論了電氣自動化與數(shù)字化工廠的融合構(gòu)建問題，提出了在數(shù)字化工廠構(gòu)建過程中需要注意的關(guān)鍵點，即數(shù)據(jù)互聯(lián)，設(shè)備互聯(lián)和人機互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：電氣自動化;數(shù)字化工廠;融合

在可以預(yù)見的未來工業(yè)4.0必定會實現(xiàn)，我國要成為制造強國，工業(yè)4.0是必須要追趕的，我國制造業(yè)現(xiàn)在所處的階段還是工業(yè)4.0的初級階段，即數(shù)字化工廠，數(shù)字化工廠是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)，在現(xiàn)代制造領(lǐng)域當中，數(shù)字化工廠是新的熱門應(yīng)用研究領(lǐng)域。

一、電氣自動化與數(shù)字化工廠

隨著電機電力等產(chǎn)品的相繼出現(xiàn)，工業(yè)界誕生了電氣自動化，在電氣自動化領(lǐng)域，早期使用接觸器、繼電器等器件，通過預(yù)先設(shè)定好參數(shù)來實現(xiàn)自動判斷機器的運轉(zhuǎn)狀態(tài)以及邏輯控制。在電子信息技術(shù)和電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，電氣自動化逐步轉(zhuǎn)向新的控制方式，繼電器、接觸器開始被微電子產(chǎn)品取代，目前典型的就是PLC、單片機等，一個典型的電氣自動化控制系統(tǒng)如PLC+變頻器+多臺異步電機的同步控制系統(tǒng)。

如果說第一臺PLC引發(fā)了第三次工業(yè)革命，那么信息物理系統(tǒng)的發(fā)展可能引領(lǐng)第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0。PLC的出現(xiàn)讓自動化工廠成為第三次工業(yè)革命的代表。但在工業(yè)4.0中，自動化工廠則因為信息物理系統(tǒng)的發(fā)展而成為了數(shù)字化工廠的重要基礎(chǔ)。注意數(shù)字工廠不等同于自動化工廠，其中關(guān)鍵性的區(qū)別因素在于人。在電氣自動化領(lǐng)域，工廠會利用電氣自動化來提升生產(chǎn)效率，并降低人力成本，但當生產(chǎn)效率提升沒有多大空間時，人將再次成為一個更為關(guān)鍵的要素，比如在手機制造當中，開發(fā)一條全自動的生產(chǎn)線，至少需要半年，就目前來說，手機制造并沒有實現(xiàn)全自動化。一款手機從設(shè)計到實現(xiàn)量產(chǎn)普遍只需要一個月時間，人在其中還在發(fā)揮巨大作用，生產(chǎn)線上大部分的工作需要依靠人來完成才能保證效率，特別是手機組裝環(huán)節(jié)，幾乎全球所有的手機制造商都不會用機械臂來進行手機組裝，因為若是采用機械臂來組裝，受限于機器智能，生產(chǎn)靈活性不夠，目前并不能實現(xiàn)更高效率的組裝。所以人的生產(chǎn)靈活性在很長一段時間內(nèi)是無法被機器取代的，除非人工智能技術(shù)進入高級狀態(tài)。

在自動化工廠當中，如果需要更新產(chǎn)品或者是材料，處在管理位置上的人需要通過分析產(chǎn)品的實際情況后才能確定停止生產(chǎn)，此時工廠內(nèi)部需要設(shè)計、生產(chǎn)、采購等部門進行協(xié)調(diào)溝通，但這種協(xié)調(diào)溝通往往會出問題。數(shù)字化工廠解決了不同部門直接的協(xié)調(diào)溝通會問題，即把各部門間的溝通協(xié)調(diào)放在一個統(tǒng)一的平臺上，只需要在平臺上更改一個數(shù)據(jù)，整個工廠就可以通過集成在平臺上的互聯(lián)互通的系統(tǒng)來實現(xiàn)自動更新，并調(diào)整出新的生產(chǎn)方案。因此從上述分析中可知發(fā)展數(shù)字化工廠，需要自動化，也需要人，在數(shù)字化工廠當中人和機器之間是互助的關(guān)系，人在其中扮演著重要的管理的角色。

二、電氣自動化與數(shù)字化工廠的融合構(gòu)建

（一）數(shù)字化工廠的本質(zhì)

綜合上文的簡單分析，在數(shù)字化工廠的構(gòu)建當中實際上是要打通工廠內(nèi)部各個部門之間存在的信息孤島問題，實現(xiàn)互通互聯(lián)。

電氣自動化是數(shù)字化工廠的一個重要基礎(chǔ)，但自動化生產(chǎn)設(shè)備在目前來說并不能取代整個工廠當中的人，因為人可以利用機器來完成一些目前機器無法完成的事，比如設(shè)計。在工業(yè)4.0中，實際也并不特別重視電氣自動化程度，主要重視的是管理水平。因此，在數(shù)字化工廠的構(gòu)建當中數(shù)字化管理才是核心。要實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化，目前有很多解決方案，但是數(shù)字化管理難度卻很高，關(guān)鍵一點在于如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。

在數(shù)字化工廠階段，要解決數(shù)據(jù)交互的問題。數(shù)字化工廠的高級階段，即智能工廠，其概念是一個分散的、具備一定智能化的生產(chǎn)設(shè)備在實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互后，形成的高度智能化有機體。其突出了虛擬世界和物理世界的融合。即人在虛擬的數(shù)字世界當中工作，然后通過虛擬世界來影響現(xiàn)實世界的自動化設(shè)備進行生產(chǎn)制造。

通過數(shù)字化工廠的構(gòu)建可以讓企業(yè)當中的人更加地專注于設(shè)計、開發(fā)研究、協(xié)調(diào)管理等需要人工事項，而不需要去關(guān)注簡單的重復(fù)性工作，如搬運物料，投料下料等等，這些自動化就可以完成。人工事項方面因為在生產(chǎn)制造過程當中需要解決很多方面的問題，所以需要利用數(shù)據(jù)分析和布置在生產(chǎn)車間的嵌入式固件（執(zhí)行專用功能且被內(nèi)部計算機控制的設(shè)備，如智能化傳感器、智能控制器等）來提供可操作的技術(shù)，減少人工事項的復(fù)雜性，進而獲得更高的質(zhì)量和更快的決策。且將戰(zhàn)略、流程、工具以及專門的知識進行融合，簡化并且加快實現(xiàn)最佳的管理。

（二）數(shù)字化工廠的框架

一個典型的數(shù)字化工廠，其數(shù)字化平臺框架包括ERP、PLM、MES、LOG、AUTO五個部分。這五個部分幾乎涵蓋一個工廠的所有環(huán)節(jié)，其中MES是數(shù)字化工廠的核心，這個部分涵蓋生產(chǎn)計劃與調(diào)整、設(shè)備管理、生產(chǎn)執(zhí)行、智能制造等等。

當ERP系統(tǒng)收到訂單以后，通過數(shù)據(jù)交互來實現(xiàn)訂單的分發(fā)，MES系統(tǒng)則自動進行生產(chǎn)安排，包括通知采購、財務(wù)、人力資源等部門進行協(xié)同作業(yè)。整個生產(chǎn)包括后期的出廠發(fā)貨都由MES來統(tǒng)一管理，自動完成，在這個過程當中PLM、LOG、AUTO等系統(tǒng)需要進行配合。

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，產(chǎn)品生產(chǎn)小批量多樣化，生產(chǎn)計劃混亂，臨時插單變更，人員的變動多，生產(chǎn)績效難以把控，生產(chǎn)線多而雜，產(chǎn)品需要更新就可能進行換線生產(chǎn)，產(chǎn)能并沒有實現(xiàn)最大化的利用，品質(zhì)管控難度大，生產(chǎn)過程很難去追溯。MES將生產(chǎn)資訊進行整合，實現(xiàn)電子工單派送，任務(wù)派工，自動包工，下發(fā)電子作業(yè)指導(dǎo)，與品質(zhì)管控聯(lián)動，人員生產(chǎn)績效自動上報，自動進行設(shè)備狀態(tài)檢測故障診斷，遍布于工廠內(nèi)的電子看板使生產(chǎn)過程透明化。

（三）研發(fā)生產(chǎn)二合一

依托上文給出的數(shù)字化工廠框架，研發(fā)生產(chǎn)二合一實際是數(shù)字化工廠比較基礎(chǔ)的一種應(yīng)用。在傳統(tǒng)的企業(yè)當中研發(fā)部門和生產(chǎn)部門是分開的，研發(fā)只關(guān)注產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，生產(chǎn)部門只關(guān)注把研發(fā)部門實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計方案。數(shù)字化工廠實現(xiàn)了研發(fā)生產(chǎn)二合一，對企業(yè)來講是一種巨大進步。典型研發(fā)生產(chǎn)二合一，如西門子工業(yè)自動化產(chǎn)品成都生產(chǎn)研發(fā)基地所走的道路。在研發(fā)生產(chǎn)二合一這條道路中，本質(zhì)上就是要實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，來滿足研發(fā)生產(chǎn)二合一的要求。在解決數(shù)據(jù)互聯(lián)互通方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可提供技術(shù)支撐。

利用物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)互聯(lián)、人機互聯(lián)。

在數(shù)字化工廠中，很關(guān)鍵的一點是網(wǎng)絡(luò)，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享或者說要實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、采購之間的互通有無，網(wǎng)絡(luò)最為關(guān)鍵。而物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的高級形態(tài)，其本質(zhì)是要實現(xiàn)萬物互聯(lián)。

進一步看數(shù)字工廠的運作形式，本質(zhì)也是要利用網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建一個虛擬世界，人和機器通過虛擬世界來實現(xiàn)交互，那么人和物如何來實現(xiàn)在虛擬世界的交互，筆者認為關(guān)鍵在于給物品賦予一個電子標簽。比如要實現(xiàn)物料的自動管理，那么就需要給倉庫內(nèi)存儲的每一個物料一個專門的電子標簽，這個標簽是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，沒有這個標簽基本上就不能實現(xiàn)萬物互聯(lián)。有了電子標簽后，就可以利用傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)等對物料進行標識，上層識別設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)對物品屬性進行讀取，并轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)據(jù)格式進行傳輸，當然技術(shù)是在進步的，隨著5G時代的到來，芯片技術(shù)、能量技術(shù)等的進步，大范圍地實現(xiàn)萬物互聯(lián)即將成為現(xiàn)實。

數(shù)字平臺的相關(guān)系統(tǒng)對信息接收并進行處理，完成對物料的自動識別與管理。由此可見，工業(yè)級別的標識解析是后期我們必須去實際解決的部分，只有將所有的物聯(lián)設(shè)備都進行“標簽”化后，才可以完成對工廠現(xiàn)場的基礎(chǔ)性快速無感識別和精準管理。

結(jié)束語：

綜上所述，數(shù)字化工廠本質(zhì)上是實現(xiàn)管理上的自動化，是利用數(shù)字技術(shù)來影響自動化生產(chǎn)制造，在數(shù)字化工廠的構(gòu)建當中電氣自動化是很重要的一個基礎(chǔ)，但電氣自動化則更多地作為執(zhí)行單元存在。在本文的研究當中對此進行了討論，希望可以為數(shù)字化工廠的構(gòu)建提供一些參考意見。

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