关于电气自动化与数字化工厂的融合构建分析

胡少帝

摘要：本课题的研究中，基于电气自动化和数字化工厂进行了分析，针对二者之间的区别展开了简单思考。重点分析讨论了电气自动化与数字化工厂的融合构建问题，提出了在数字化工厂构建过程中需要注意的关键点，即数据互联，设备互联和人机互联。

关键词：电气自动化;数字化工厂;融合

在可以预见的未来工业4.0必定会实现，我国要成为制造强国，工业4.0是必须要追赶的，我国制造业现在所处的阶段还是工业4.0的初级阶段，即数字化工厂，数字化工厂是工业4.0的基础，在现代制造领域当中，数字化工厂是新的热门应用研究领域。

一、电气自动化与数字化工厂

随着电机电力等产品的相继出现，工业界诞生了电气自动化，在电气自动化领域，早期使用接触器、继电器等器件，通过预先设定好参数来实现自动判断机器的运转状态以及逻辑控制。在电子信息技术和电力技术的不断发展中，电气自动化逐步转向新的控制方式，继电器、接触器开始被微电子产品取代，目前典型的就是PLC、单片机等，一个典型的电气自动化控制系统如PLC+变频器+多台异步电机的同步控制系统。

如果说第一台PLC引发了第三次工业革命，那么信息物理系统的发展可能引领第四次工业革命，即工业4.0。PLC的出现让自动化工厂成为第三次工业革命的代表。但在工业4.0中，自动化工厂则因为信息物理系统的发展而成为了数字化工厂的重要基础。注意数字工厂不等同于自动化工厂，其中关键性的区别因素在于人。在电气自动化领域，工厂会利用电气自动化来提升生产效率，并降低人力成本，但当生产效率提升没有多大空间时，人将再次成为一个更为关键的要素，比如在手机制造当中，开发一条全自动的生产线，至少需要半年，就目前来说，手机制造并没有实现全自动化。一款手机从设计到实现量产普遍只需要一个月时间，人在其中还在发挥巨大作用，生产线上大部分的工作需要依靠人来完成才能保证效率，特别是手机组装环节，几乎全球所有的手机制造商都不会用机械臂来进行手机组装，因为若是采用机械臂来组装，受限于机器智能，生产灵活性不够，目前并不能实现更高效率的组装。所以人的生产灵活性在很长一段时间内是无法被机器取代的，除非人工智能技术进入高级状态。

在自动化工厂当中，如果需要更新产品或者是材料，处在管理位置上的人需要通过分析产品的实际情况后才能确定停止生产，此时工厂内部需要设计、生产、采购等部门进行协调沟通，但这种协调沟通往往会出问题。数字化工厂解决了不同部门直接的协调沟通会问题，即把各部门间的沟通协调放在一个统一的平台上，只需要在平台上更改一个数据，整个工厂就可以通过集成在平台上的互联互通的系统来实现自动更新，并调整出新的生产方案。因此从上述分析中可知发展数字化工厂，需要自动化，也需要人，在数字化工厂当中人和机器之间是互助的关系，人在其中扮演着重要的管理的角色。

二、电气自动化与数字化工厂的融合构建

（一）数字化工厂的本质

综合上文的简单分析，在数字化工厂的构建当中实际上是要打通工厂内部各个部门之间存在的信息孤岛问题，实现互通互联。

电气自动化是数字化工厂的一个重要基础，但自动化生产设备在目前来说并不能取代整个工厂当中的人，因为人可以利用机器来完成一些目前机器无法完成的事，比如设计。在工业4.0中，实际也并不特别重视电气自动化程度，主要重视的是管理水平。因此，在数字化工厂的构建当中数字化管理才是核心。要实现生产线的自动化，目前有很多解决方案，但是数字化管理难度却很高，关键一点在于如何实现数据互通互联。

在数字化工厂阶段，要解决数据交互的问题。数字化工厂的高级阶段，即智能工厂，其概念是一个分散的、具备一定智能化的生产设备在实现数据交互后，形成的高度智能化有机体。其突出了虚拟世界和物理世界的融合。即人在虚拟的数字世界当中工作，然后通过虚拟世界来影响现实世界的自动化设备进行生产制造。

通过数字化工厂的构建可以让企业当中的人更加地专注于设计、开发研究、协调管理等需要人工事项，而不需要去关注简单的重复性工作，如搬运物料，投料下料等等，这些自动化就可以完成。人工事项方面因为在生产制造过程当中需要解决很多方面的问题，所以需要利用数据分析和布置在生产车间的嵌入式固件（执行专用功能且被内部计算机控制的设备，如智能化传感器、智能控制器等）来提供可操作的技术，减少人工事项的复杂性，进而获得更高的质量和更快的决策。且将战略、流程、工具以及专门的知识进行融合，简化并且加快实现最佳的管理。

（二）数字化工厂的框架

一个典型的数字化工厂，其数字化平台框架包括ERP、PLM、MES、LOG、AUTO五个部分。这五个部分几乎涵盖一个工厂的所有环节，其中MES是数字化工厂的核心，这个部分涵盖生产计划与调整、设备管理、生产执行、智能制造等等。

当ERP系统收到订单以后，通过数据交互来实现订单的分发，MES系统则自动进行生产安排，包括通知采購、财务、人力资源等部门进行协同作业。整个生产包括后期的出厂发货都由MES来统一管理，自动完成，在这个过程当中PLM、LOG、AUTO等系统需要进行配合。

在传统的生产制造企业中，产品生产小批量多样化，生产计划混乱，临时插单变更，人员的变动多，生产绩效难以把控，生产线多而杂，产品需要更新就可能进行换线生产，产能并没有实现最大化的利用，品质管控难度大，生产过程很难去追溯。MES将生产资讯进行整合，实现电子工单派送，任务派工，自动包工，下发电子作业指导，与品质管控联动，人员生产绩效自动上报，自动进行设备状态检测故障诊断，遍布于工厂内的电子看板使生产过程透明化。

（三）研发生产二合一

依托上文给出的数字化工厂框架，研发生产二合一实际是数字化工厂比较基础的一种应用。在传统的企业当中研发部门和生产部门是分开的，研发只关注产品的设计开发，生产部门只关注把研发部门实现产品设计方案。数字化工厂实现了研发生产二合一，对企业来讲是一种巨大进步。典型研发生产二合一，如西门子工业自动化产品成都生产研发基地所走的道路。在研发生产二合一这条道路中，本质上就是要实现数据互通，来满足研发生产二合一的要求。在解决数据互联互通方面，物联网技术可提供技术支撑。

利用物联网来实现设备互联、数据互联、人机互联。

在数字化工厂中，很关键的一点是网络，要实现数据信息的共享或者说要实现设计、生产、采购之间的互通有无，网络最为关键。而物联网是网络发展的高级形态，其本质是要实现万物互联。

进一步看数字工厂的运作形式，本质也是要利用网络来构建一个虚拟世界，人和机器通过虚拟世界来实现交互，那么人和物如何来实现在虚拟世界的交互，笔者认为关键在于给物品赋予一个电子标签。比如要实现物料的自动管理，那么就需要给仓库内存储的每一个物料一个专门的电子标签，这个标签是物联网的基础，没有这个标签基本上就不能实现万物互联。有了电子标签后，就可以利用传感器技术、RFID技术等对物料进行标识，上层识别设备通过网络对物品属性进行读取，并转换为合适的数据格式进行传输，当然技术是在进步的，随着5G时代的到来，芯片技术、能量技术等的进步，大范围地实现万物互联即将成为现实。

数字平台的相关系统对信息接收并进行处理，完成对物料的自动识别与管理。由此可见，工业级别的标识解析是后期我们必须去实际解决的部分，只有将所有的物联设备都进行“标签”化后，才可以完成对工厂现场的基础性快速无感识别和精准管理。

结束语：

综上所述，数字化工厂本质上是实现管理上的自动化，是利用数字技术来影响自动化生产制造，在数字化工厂的构建当中电气自动化是很重要的一个基础，但电气自动化则更多地作为执行单元存在。在本文的研究当中对此进行了讨论，希望可以为数字化工厂的构建提供一些参考意见。

参考文献：

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