關于電氣自動化與數字化工廠的融合構建分析

胡少帝

摘要：本課題的研究中，基于電氣自動化和數字化工廠進行了分析，針對二者之間的區別展開了簡單思考。重點分析討論了電氣自動化與數字化工廠的融合構建問題，提出了在數字化工廠構建過程中需要注意的關鍵點，即數據互聯，設備互聯和人機互聯。

關鍵詞：電氣自動化;數字化工廠;融合

在可以預見的未來工業4.0必定會實現，我國要成為制造強國，工業4.0是必須要追趕的，我國制造業現在所處的階段還是工業4.0的初級階段，即數字化工廠，數字化工廠是工業4.0的基礎，在現代制造領域當中，數字化工廠是新的熱門應用研究領域。

一、電氣自動化與數字化工廠

隨著電機電力等產品的相繼出現，工業界誕生了電氣自動化，在電氣自動化領域，早期使用接觸器、繼電器等器件，通過預先設定好參數來實現自動判斷機器的運轉狀態以及邏輯控制。在電子信息技術和電力技術的不斷發展中，電氣自動化逐步轉向新的控制方式，繼電器、接觸器開始被微電子產品取代，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如PLC+變頻器+多臺異步電機的同步控制系統。

如果說第一臺PLC引發了第三次工業革命，那么信息物理系統的發展可能引領第四次工業革命，即工業4.0。PLC的出現讓自動化工廠成為第三次工業革命的代表。但在工業4.0中，自動化工廠則因為信息物理系統的發展而成為了數字化工廠的重要基礎。注意數字工廠不等同于自動化工廠，其中關鍵性的區別因素在于人。在電氣自動化領域，工廠會利用電氣自動化來提升生產效率，并降低人力成本，但當生產效率提升沒有多大空間時，人將再次成為一個更為關鍵的要素，比如在手機制造當中，開發一條全自動的生產線，至少需要半年，就目前來說，手機制造并沒有實現全自動化。一款手機從設計到實現量產普遍只需要一個月時間，人在其中還在發揮巨大作用，生產線上大部分的工作需要依靠人來完成才能保證效率，特別是手機組裝環節，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，生產靈活性不夠，目前并不能實現更高效率的組裝。所以人的生產靈活性在很長一段時間內是無法被機器取代的，除非人工智能技術進入高級狀態。

在自動化工廠當中，如果需要更新產品或者是材料，處在管理位置上的人需要通過分析產品的實際情況后才能確定停止生產，此時工廠內部需要設計、生產、采購等部門進行協調溝通，但這種協調溝通往往會出問題。數字化工廠解決了不同部門直接的協調溝通會問題，即把各部門間的溝通協調放在一個統一的平臺上，只需要在平臺上更改一個數據，整個工廠就可以通過集成在平臺上的互聯互通的系統來實現自動更新，并調整出新的生產方案。因此從上述分析中可知發展數字化工廠，需要自動化，也需要人，在數字化工廠當中人和機器之間是互助的關系，人在其中扮演著重要的管理的角色。

二、電氣自動化與數字化工廠的融合構建

（一）數字化工廠的本質

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

電氣自動化是數字化工廠的一個重要基礎，但自動化生產設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，比如設計。在工業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，在數字化工廠的構建當中數字化管理才是核心。要實現生產線的自動化，目前有很多解決方案，但是數字化管理難度卻很高，關鍵一點在于如何實現數據互通互聯。

在數字化工廠階段，要解決數據交互的問題。數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設備在實現數據交互后，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。即人在虛擬的數字世界當中工作，然后通過虛擬世界來影響現實世界的自動化設備進行生產制造。

通過數字化工廠的構建可以讓企業當中的人更加地專注于設計、開發研究、協調管理等需要人工事項，而不需要去關注簡單的重復性工作，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制造過程當中需要解決很多方面的問題，所以需要利用數據分析和布置在生產車間的嵌入式固件（執行專用功能且被內部計算機控制的設備，如智能化傳感器、智能控制器等）來提供可操作的技術，減少人工事項的復雜性，進而獲得更高的質量和更快的決策。且將戰略、流程、工具以及專門的知識進行融合，簡化并且加快實現最佳的管理。

（二）數字化工廠的框架

一個典型的數字化工廠，其數字化平臺框架包括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節，其中MES是數字化工廠的核心，這個部分涵蓋生產計劃與調整、設備管理、生產執行、智能制造等等。

當ERP系統收到訂單以后，通過數據交互來實現訂單的分發，MES系統則自動進行生產安排，包括通知采購、財務、人力資源等部門進行協同作業。整個生產包括后期的出廠發貨都由MES來統一管理，自動完成，在這個過程當中PLM、LOG、AUTO等系統需要進行配合。

在傳統的生產制造企業中，產品生產小批量多樣化，生產計劃混亂，臨時插單變更，人員的變動多，生產績效難以把控，生產線多而雜，產品需要更新就可能進行換線生產，產能并沒有實現最大化的利用，品質管控難度大，生產過程很難去追溯。MES將生產資訊進行整合，實現電子工單派送，任務派工，自動包工，下發電子作業指導，與品質管控聯動，人員生產績效自動上報，自動進行設備狀態檢測故障診斷，遍布于工廠內的電子看板使生產過程透明化。

（三）研發生產二合一

依托上文給出的數字化工廠框架，研發生產二合一實際是數字化工廠比較基礎的一種應用。在傳統的企業當中研發部門和生產部門是分開的，研發只關注產品的設計開發，生產部門只關注把研發部門實現產品設計方案。數字化工廠實現了研發生產二合一，對企業來講是一種巨大進步。典型研發生產二合一，如西門子工業自動化產品成都生產研發基地所走的道路。在研發生產二合一這條道路中，本質上就是要實現數據互通，來滿足研發生產二合一的要求。在解決數據互聯互通方面，物聯網技術可提供技術支撐。

利用物聯網來實現設備互聯、數據互聯、人機互聯。

在數字化工廠中，很關鍵的一點是網絡，要實現數據信息的共享或者說要實現設計、生產、采購之間的互通有無，網絡最為關鍵。而物聯網是網絡發展的高級形態，其本質是要實現萬物互聯。

進一步看數字工廠的運作形式，本質也是要利用網絡來構建一個虛擬世界，人和機器通過虛擬世界來實現交互，那么人和物如何來實現在虛擬世界的交互，筆者認為關鍵在于給物品賦予一個電子標簽。比如要實現物料的自動管理，那么就需要給倉庫內存儲的每一個物料一個專門的電子標簽，這個標簽是物聯網的基礎，沒有這個標簽基本上就不能實現萬物互聯。有了電子標簽后，就可以利用傳感器技術、RFID技術等對物料進行標識，上層識別設備通過網絡對物品屬性進行讀取，并轉換為合適的數據格式進行傳輸，當然技術是在進步的，隨著5G時代的到來，芯片技術、能量技術等的進步，大范圍地實現萬物互聯即將成為現實。

數字平臺的相關系統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，只有將所有的物聯設備都進行“標簽”化后，才可以完成對工廠現場的基礎性快速無感識別和精準管理。

結束語：

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

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