工业自动化——智能制造的发展与趋势

工业自动化——智能制造的发展与趋势

摘要：本文综述工业自动化背景下智能制造工艺流程中所使用的各种技术，包括PLC技术、ERP系统技术、MES系统技术、大数据技术和物流设备等，从原材料的智能供给、智能化的制造加工过程和最终成品的仓储物流等过程分析工业自动化技术在智能制造中的应用，并对各种技术应用的优劣势加以分析，目的在于为工业自动化技术的发展提供参考。

关键词：工业自动化；智能制造；物流；PLC

引言

工业对于国家而言是基石产业，随着我国科学技术水平不断进步，工业生产的市场规模和能力也在不断扩大，而“互联网+”时代的到来为工业发展提供了自动化技术，极大提高工业生产效率与质量，基于智能控制技术的工业自动化逐渐成为国内工业生产主流。从原材料供应到制造加工再到成品存储和物流，都被工业自动化技术逐步渗入，提高生产水平的同时，也存在一些问题。在未来，工业自动化技术会进一步得到增强，诸如人工智能、云计算会和工业生产制造结合起来，并且智能制造会在国内得到大范围推广，将我国的工业生产水平推上新的台阶。

1.智能制造概述

智能制造指的是一种由人工智能和智能设备共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人工智能和机器的协作，最终取代人类在制造过程中的脑力劳动和体力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。智能制造在现代化工业生产中具有重要地位，诸如新能源汽车产业、电子零部件产业、通信设备产业和机械加工产业都已经逐步进行智能制造技术更换，将传统的生产线技术升级为智能制造生产技术，以提高工业生产的准确性、效率，降低人工成本，实现制造企业高质量发展。 在工业生产中，智能制造技术将生产过程透明化，可视化，利用人工智能制等前沿技术，将生产过程中的资源消耗、投入产出情况等以数据形式呈现在制造企业管理者眼前，从而让管理者可以根据这些数据制定更加合理的经营战略，达到提质增效，降低企业生产成本的目的。工业自动化就是基于智能制造实现的现代化工业生产方式，其技术主要包括ERP、MES、PLC、云计算、大数据以及各种智能物流设备，涵盖工业生产制造、智能仓储、运输智能管控全过程，全面完成从传统工厂到数字化工厂的蜕变，极大地提高了工生产效率与产品质量。

2.原料智能供给

原料是工业生产的起点，原材料投入生产，得到最终产品是工业生产不变模式。在工业自动化背景下，原材料的供给与智能制造技术联系起来，形成了新型的原料智能供给技术。主要包含MRP技术和ERP系统技术。

2.1MRP系统

MRP即物资需求计划，指的是在工业生产过程中，根据工业生产流程，将每个环节所需要的每一种原材料作为单独管理对象，然后根据顾客下单数量和预测市场量分别下达物料计划的制造企业内部物资管理方法。MRP技术通俗来讲就是根据订单数量决定原材料投入数量和时间，从而在最大程度上利用企业生产资源，减少原材料浪费，避免库存堆积。MRP技术需要将产品生产制造的过程详细划分，并且确定出组件生产的先后顺序，对于主体结构，可以先行生产，而对于添加件，则根据顾客订单数量决定生产时间，即前置时间。MRP技术还依赖于BOM（Bill

of material，材料清单），这是产品在设计之初就会随之诞生的重要内容。接下来以某品牌太阳眼镜的生产分析MRP方法在原料智能供给中的应用。

一副太阳眼镜的生产材料清单包括眼镜框、镜片、镜架和脚丝。表1是太阳镜生产过程中各个工序和零部件的前置时间情况：

表

从表1可以发现，在MRP中，产品的完成度越高，其前置时间越短，因为既成品无法用作其他途径生产，而完成度低的产品，其作为原材料可以投入到其他产品生产中，比如脚丝，既可以用于生产太阳眼镜，又可以生产普通的近视眼镜，所以前置时间较长。

1 太阳镜生产工序及前置时间

工件号 工序 最低阶码 前置时间 在库量

A太阳镜包装 0 1 5

B太阳镜产品 1 1 40

C镜片安装 2 2 0 D脚丝安装 2 3 50

根据厂商的总生产计划，A产品的生产周期为八个工期，其中，第2、5、8三期需要分别出货40、50和50单位，而C在第一期有100单位的在途量，D在第二期有50单位的在途量，综合这些信息，利用MRP方法，得出最终该企业生产太阳镜的MRP数据为：

来源/期数 1 2 3 4 5 6 7 8

A 自制 35

50

50

B 自制

45

50

C 采购 15 100

50 100

D 采购

90 根据MRP表格，就可以得到该企业应该在第三期投入90单位的D用于生产，在第一、二、四、五期分别投入15/100/50/100单位的C用于生产。根据MRP方法得到的原材料投入计划，与原材料自动投放设备结合起来，就得到了MRP原料智能供给技术，依靠此技术，可以通过计算机计算出各个生产时期原料的供给数量，然后控制原料供应设备，自动供给原料。再将该技术进一步智能化， 即将MRP计算过程也赋予智能化，生产管理者只需要输入订单数量和预测生产数量，计算机就可以自动得到MRP计划，然后自动完成原料供给，实现高效的原料智能供给。

2.2ERP系统技术

ERP 系统是建立在MRP技术之上的企业资源计划，不仅涵盖原料需求计划，还包含企业的人力资源、库存、现金流等。ERP系统将企业的资源信息整合到一个系统上，便于企业管理层实时掌握企业的资源储备情况，并且做出适当的管理决策，ERP系统相比起MRP系统虽然在功能上更加丰富，但是企业原材料也属于企业资源的一部分，所以仍旧能够发挥MRP系统的功能，实现原料智能供给。原料智能供给技术在现代工业自动化中处于重要地位和先决位置，因为原材料是工业生产的基础，实现原料智能供给，就能够在很大程度上降低工业生产的成本，减少原料浪费和库存过多的问题。ERP系统不仅仅应用在企业的原料智能供给中，也适用于物流管理和生产制造管理，都能够发挥出显著的作用。

3.智能制造加工

工业自动化过程中，在产品加工制造时使用的智能化技术更加丰富，主要原因是产品生产加工的流程一般较为复杂，并且不同产品生产制造技术不同，所以为了满足更加多元化的生产需求，研发出许多智能制造加工技术，其中PLC技术、MES技术和大数据技术是使用较为普遍的三种技术方法。

3.1PLC技术

PLC即可编程逻辑控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算底层控制系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC技术的应用是智能制造加工的重要内容，PLC本身并不具备智能化能力，但是其强大的控制能力和可编程能力，使其在工业自动化中扮演着重要角色，很多自动化控制都是以PLC技术为控制系统，通过PLC控制器，计算机算法就可以实现对生产过程中的控制管理，达到自动化控制的目的。

以某制药企业的数控加药系统为例，分析PLC技术在智能制造中的应用。

首先，下图1是数控恒压加药系统的示意图：

（图1）

（图2）

PLC技术主要应用在对恒压电磁阀和加药电磁阀的控制上，上图2为该加药系统的硬件设备图。

可以看到，在该加药系统中设置了多个PLC节点和控制器，目的在于对加药系统实现高精度控制，因为对于制药企业，药品的量添加过多会引发非常严重的后果，所以智能加药系统必须对药物添加控制得足够精确，以保障药品生产的安全和质量。而在该加药系统中，数据打包技术也是一个关键内容，需要利用数据打包技术实现数据传输，其具体的工作流程为：①在PLC将位数据传输到连续的位继电器，②将位继电器数据传输到D寄存器。③寄存器将数据传输到计算机上，④在计算机上利用Bitset函数对打包数据进行位设置或者利用Bit函数读位。上述是将PLC数据打包发送到计算机上的流程，而实际PLC应用过程中还需要计算机将数据打包传回到PLC控制器，所以还有一个类似的方向流程，与该流程大致相同。 PLC技术在数控加药系统中的应用就是通过传感器将信息转化传递给PLC，然后利用PLC系统实现数据的打包传输，之后计算机根据其算法，将处理数据反向传递给PLC控制器，从而实现对加药系统的控制，该加药系统可以实现高度智能化和自动化，通常情况下不需要人工干预操控加药，依靠传感器、PLC、计算机和电磁阀就可以实现加药。PLC技术在工业自动化的智能制造中具有重要作用，是智能化实现的中间零件，也正是因为PLC技术，所以智能制造才得以快速发展。

3.2MES 系统

MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。MES系统是综合性的企业生产管理系统，其侧重点在于企业的生产过程，对于实现生产精细化管理和智能制造都具有积极作用。。

以华润双鹤的MES系统为例，华润双鹤MES系统的设计思路是建立一整套符合国际标准、能及时处理和传递生产相关的信息，包括全厂工艺及数据采集与监控SCADA系统，能源管理系统，物料管理系统，生产管理系统，及与集团ERP系统接口的系统。它能使生产相关人员明确工作任务，及时了解和解决生产中存在的问题，实现产品的批次跟踪、实现生产的透明管理，提高产品质量，精确产品成本，增强企业生产环节的核心竞争力。同时，把ERP系统与新建的生产自动化系统有机地集成在一起，使信息化系统更加完整。

3.3大数据技术

大数据是“互联网+”时代三大核心技术之一，大数据在工业自动化中的应用程度也是三大技术中最深入的。大数据对于智能制造的作用可以分为两个层面。

第一，发掘用户需求，帮助改良产品。大数据最大的作用就是能够搜集到市场上大量消费群体的消费习惯和需求，并且对其进行分析归类，这对于工业自动化的生产具有指导作用。伴随着我国经济的发展，工业产品市场上供应厂家不断增加，产品同质性升高，想要提高企业竞争力，最好的办法就是深度发掘消费者的需求偏好，实现对消费者的个性化定制，以满足其需求，吸引市场上其他的消费者，而这就是大数据所能够做到的，所以大数据可以帮助制造企业发掘顾客需求，改进产品设计。

第二，对智能制造加工过程进行管理。大数据技术应用到生产过程中，主要用途便是对生产加工过程进行管理，利用大数据技术，分析智能制造过程的设备参数，原材料消耗量、产品质量，产品数量等，并且根据企业的生产计划，科学合理的调配各种资源、严格把控生产制造的每个环节，最大限度的提高企业的经济效益。

4.智能仓储物流系统

智能仓储物流系统是智能制造不可或缺的部分， 因为在智能制造整个过程中，所有物料的存储、管理、配送都离不开智能仓储物流系统，它是企业提高生产效率的有力保障，是实现数字化工厂的关键环节。