引言

在人工成本逐漸提高以及生產(chǎn)制造企業(yè)數(shù)據(jù)化逃顶、自動化杉抑、規(guī)难亚遥化的發(fā)展需求趨勢下，工業(yè) 4.0技術(shù)逐步在生產(chǎn)制造領(lǐng)域發(fā)揮出其不可替代的作用蚀稻。工業(yè) 4.0 基于傳統(tǒng)自動化技術(shù)骗早，不斷整合新興的智能制造設備及生產(chǎn)物流設備，在不同行業(yè)均產(chǎn)生了顯著的效應府塘。以下就某儀表閥門企業(yè)實際案例爪撤，從工業(yè) 4.0 概念入手，結(jié)合電氣技術(shù)應用及多種生產(chǎn)物流設備棚疏，對工業(yè) 4.0 電氣自動化技術(shù)及應用進行介紹网燃。

1 關(guān)于工業(yè) 4.0 的一般介紹

1.1 工業(yè) 4.0 的概念

工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和信息物理系統(tǒng)，推動制造業(yè)向著智能化角度轉(zhuǎn)變继溯，其主要特點是互聯(lián)雄炕、集成、數(shù)據(jù)化需忿、創(chuàng)新诅炉、轉(zhuǎn)型。工業(yè) 4.0 的互聯(lián)主要表現(xiàn)在生產(chǎn)設備之間的互聯(lián)屋厘，設備和產(chǎn)品之間的互聯(lián)涕烧、以及虛擬世界和現(xiàn)實生活的互聯(lián)，構(gòu)成一個完整的互聯(lián)網(wǎng)體系。工業(yè) 4.0 的集成化表現(xiàn)在其將傳感器议纯、嵌入式終端系統(tǒng)父款、智能控制系統(tǒng)、通信設施等通過信息物理系統(tǒng)（CPS,Cyber-Physical Systems）聯(lián)系在一起痹扇， 形成一個智能的網(wǎng)絡系統(tǒng)，將人與人之間溯香、人與設備之間鲫构、設備與設備之間形成一種緊密的聯(lián)系，實現(xiàn)橫向玫坛、縱向以及端口對端口的高度集成结笨。工業(yè) 4.0 的數(shù)據(jù)化主要表現(xiàn)在對產(chǎn)品、設備聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)通過信息物理系統(tǒng)進行錄入傅慈，將數(shù)據(jù)滲透在生產(chǎn)工作的每一個環(huán)節(jié)蹦虏。工業(yè) 4.0 的創(chuàng)新性不僅表現(xiàn)在技術(shù)的創(chuàng)新上，還包括對生產(chǎn)碘淘、服務的創(chuàng)新化變革刮血。工業(yè) 4.0 是一個發(fā)展的概念， 其對產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型有著重要的推動意義惰采，推動工廠由局部智能化向全廠智能化轉(zhuǎn)變颂鞭。

1.2 工業(yè) 4.0 的架構(gòu)

目前，對于工業(yè) 4.0的研究還只是集中在理論層面上栋锣，并沒有確定的模式刑袒。工業(yè) 4.0主要目的是建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務模式，工業(yè) 4.0 的層次架構(gòu)大致可以分為五個階段：企業(yè)層面谍竿、管理層面程悼、操作層面、控制層面和現(xiàn)場層面路影。對每一個層面都有相應的設備诬像，各個層面之間又有著緊密的聯(lián)系，企業(yè)層面主要負責產(chǎn)品的開發(fā)設計闸婴，主要包括企業(yè)資源計劃(ERP, EnterpriseResourcePlanning) 和產(chǎn)品生命周期管理(PLM,ProductLifecycleManagement)颅停；在管理層面，承接了企業(yè)層面的部分功能掠拳，主要工作是執(zhí)行制造癞揉，包括制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng) (MES,Manufacturing ExecutionSystem) 和工廠工程組態(tài)； 操作層面主要由分布式控制系統(tǒng)（DCS, Distributed Control System）和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) (SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 構(gòu)成溺欧， 執(zhí)行的任務由 MES 系統(tǒng)發(fā)出喊熟，控制層面的主要系統(tǒng)是可編程邏輯控制器 (PLC, Programmable Logic Controller) 和 人 機 界 面 （HMI, Human Machine Interface）；現(xiàn)場層面主要是指具體的現(xiàn)場設備。工業(yè) 4.0 背景下的工廠層次一般分為 EPR芥牌、MES烦味、通信、控制壁拉、執(zhí)行五個層次谬俄，對應工業(yè) 4.0 的五個階段。

1.3 工業(yè) 4.0 的應用及發(fā)展

工業(yè) 4.0 主要集中在機械制造和電氣工程領(lǐng)域弃理，在我國的發(fā)展具有明顯的優(yōu)勢贼匾，我國是世界上唯一一個擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類中全部工業(yè)門類的國家，所以挂蹦，我國的工業(yè)體系門類齊全瞪栋、獨立完整，這樣龐大的工業(yè)體系為工業(yè) 4.0 的開展奠定了雄厚的基礎叼叙。隨著我國人口紅利的逐漸消失荷焦，我國迫切需要實現(xiàn)制造業(yè)的全自動化生產(chǎn)，以智能生產(chǎn)為主的工業(yè) 4.0 就成為了我國推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的依托么酪，不僅在大型制造業(yè)企業(yè)中開始開展了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型掌范，一些中小企業(yè)也順應工業(yè) 4.0 的潮流進行產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。以電器自動化為主的企業(yè)在我國如雨后春筍般出現(xiàn)长尼，工業(yè) 4.0 的全自動技術(shù)為傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了技術(shù)支持凿芦，運用智能化技術(shù)實施的生產(chǎn)模式極大地提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)的發(fā)展提供了條件连定，發(fā)展前景一片大好铝框。

2 工業(yè) 4.0 的物流自動化電氣控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.1 PLC 控制在電器自動化中的應用

1） PLC控制系統(tǒng)的特點

PLC 具有以下特點，首先磁携，與傳統(tǒng)的控制器相比褒侧， 其響應速度快，傳統(tǒng)的機械式繼電器主要根據(jù)電磁感應原理運轉(zhuǎn)谊迄，由導線連接闷供，所以，存在著一定的節(jié)點變位時間统诺。但是歪脏，PLC 的運轉(zhuǎn)原理是由內(nèi)部定義的輔助繼電器代替，通過軟件編程進行工作粮呢，以前的導線連接變?yōu)榱藘?nèi)部邏輯關(guān)系婿失，輔助變電器的變?yōu)楣?jié)點時間幾乎可以忽略不計，所以響應迅速啄寡。其次豪硅，PLC 的可靠性很強哩照， 機械式繼電器的節(jié)點在進行變位時，需要斷開再連接懒浮，其對設備的損耗很大飘弧，而且受環(huán)境的影響很大，設備的穩(wěn)定運行受到了很大的影響删广，使得設備的運行成本增加要尚。然而，PLC 的內(nèi)部輔助繼電器抗干擾性強剩知，損耗自然低朽擒，可以使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。此外李晾，PLC 使用方便渔茉，操作簡單育需，其運行編程較為簡單恕且，容易理解， 可以直觀阎揪、形象地對整個系統(tǒng)的運行情況做出描述吩欣， 還可以對整個系統(tǒng)的運行進行監(jiān)督，準確把握系統(tǒng)運轉(zhuǎn)情況海庆，對于出現(xiàn)的問題可以進行實時修改恋瞳，操作簡單方便。應用范圍廣溃蔫，兼容能力強健提，通過與變頻器、觸摸屏等的結(jié)合使用伟叛，形成了完整的運行系統(tǒng)私痹，極大地提高了電氣自動化控制過程中的實用性，可大幅度提升生產(chǎn)效率统刮。

2） PLC系統(tǒng)的運行原理分析

PLC 系統(tǒng)的運行可以大致分為輸入采樣紊遵、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段侥蒙。在輸入采樣階段暗膜，PLC 首先通過對輸入端口的狀態(tài)以及相關(guān)數(shù)據(jù)進行掃描，將掃描結(jié)果輸入到輸入輸出點（I/O鞭衩， Input/Output）映像區(qū)單元学搜，在這一工作過程中，PLC 外部端口出現(xiàn)任何情況都不會對其內(nèi)部數(shù)據(jù)造成破壞论衍，若要保證這一過程的順利進行恒水， 必須對信號狀態(tài)的寬度進行設置，使其大于 PLC 的一個掃描周期。程序執(zhí)行階段姑郊，主要是按照 PLC 設定好的程序進行工作匈惑，執(zhí)行過程是按照從左到右、從上到下的順序進行裂膛，上一階段 I/O 中存儲的信號庇鸭，經(jīng)過 PLC 程序處理，所以紧贪，這一過程中狂嘉，必須保證程序運行的流暢性和合理性，以免出現(xiàn)意外藤该。程序的輸出也是通過 I/O 處理的询蚊，程序執(zhí)行的結(jié)果，直接顯示在 PLC 的終端窗口上里状。

3） PLC在自動系統(tǒng)中的應用

PLC 可以應用于控制開關(guān)因震、順序控制、閉環(huán)控制以及自動切換控制等領(lǐng)域鳞编，在控制開關(guān)中的應用主要是為了降低觸電事故的發(fā)生頻率汁蝶，使整個控制系統(tǒng)的電路連接更為簡潔快速，提高了整個系統(tǒng)的安全性论悴。在順序控制環(huán)節(jié)中掖棉，PLC 系統(tǒng)可以對電器設備的運轉(zhuǎn)順序進行調(diào)整，使得能源消耗降低膀估，進而提升設備的控制質(zhì)量與效率幔亥。在閉環(huán)控制中，可以進行遠程操控察纯，降低對地理環(huán)境的受制程度帕棉，在自動化閉環(huán)系統(tǒng)中使用 PLC 可以使自身系統(tǒng)得到很大的完善，增強自身穩(wěn)定性和安全性捐寥。在自動切換控制中的應用笤昨，主要涉及電源切換，運用PLC 系統(tǒng)可以最大限度地保證電路的穩(wěn)定性握恳，提高系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的安全性瞒窒。

2.2 自動化總線標準 / 過程現(xiàn)場總線

1） Pro?net的分類

Pro?net 主要可以分為三種通信方式，即網(wǎng)絡通訊協(xié)議(TCP/IP, Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 標準化通信乡洼，實時通信（RT）和同步實時通信（IRT）崇裁。第一種方式只提供基礎的通信，是通過面向安全連接和傳輸通道在本地和分布式網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行交換扛焊。第二種方式是對第一種方式的優(yōu)化波耗，這種方式可以極大地減少數(shù)據(jù)在通信站里的處理時間脊腺。第三種方式可以滿足運動控制的告訴通信需求，使得系統(tǒng)的響應能夠及時穩(wěn)定的傳到接收處休敛。

2） Pro?net的通信介質(zhì)與速率

對于 Pro?net 和 Pro?bus 兩者都可以將銅和光纖作為通信介質(zhì)茉园，Pro?net 還可以將無線作為額外的介質(zhì)， 兩種方式相比史糕，Pro?net 的傳輸效率更快汁讹。

3） Pro?net的使用與運行情況

相比而言，Pro?net 優(yōu)勢更多锤知，但是兩者的實時性都很好棋裳，Pro?bus 的總線上只有一個主站系統(tǒng)，多主站會對系統(tǒng)運轉(zhuǎn)造成影響贩纵，然而 Pro?net 可以進行多主站系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)凭协，而且不會對 I/O 的響應時間造成影響。

2.3 傳感器 / 執(zhí)行器接口系統(tǒng)的應用

1） AS-i系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運轉(zhuǎn)原理

AS-i 系統(tǒng)是屬于設備級的總線系統(tǒng)懒叛，是一種極為簡單的兩線制網(wǎng)絡丸冕，主要由主站、AS-i 電源單元和節(jié)點- 從站組成芍瑞，主站主要是用于與上位控制器進行連接晨仑， AS-i 電源單元主要用于向子設備進行供電褐墅，從站主要是指連接到 AS-i 上的節(jié)點拆檬，可以在最大范圍內(nèi)安裝盡可能多的從站。主要用于與主站的連接與信息的傳輸妥凳。

2） AS-i系統(tǒng)的優(yōu)勢

AS-i 總線具有節(jié)約電纜以及施工量的優(yōu)點竟贯，作為總線進行信號的傳輸可以極大地節(jié)約連接電纜和安裝費用，還可以進行自動安裝逝钥，對故障進行分析屑那，自動檢測然后進行修復，極大地節(jié)約了系統(tǒng)安裝和故障排除的時間艘款，提高了效率持际，節(jié)省了成本。此外哗咆，AS-i 不需要進行撥線和連接端子搂物，所以，可以很方便地將傳感器 / 執(zhí)行器連接到系統(tǒng)上读铁。AS-i 的傳輸效率很快囱蕴，主站與從站之間采用串行雙向數(shù)字通信，可以在極短時間內(nèi)進行信息的傳輸砂两。功能可靠以及系統(tǒng)開放也是 AS-i 系統(tǒng)的優(yōu)勢朋堪。

3） AS-i在物流工作中的應用

AS-i 技術(shù)應用于各行各業(yè)橘疚，且其應用范圍很廣泛， 從汽車制造到圖書出版盹扮、無線電遠程通信胶僵、絕緣材料制造、木材加工字拒、煙草行業(yè)以及泥煤提煉都有 AS-i 系統(tǒng)的應用猿悔，主要在于 AS-i 系統(tǒng)的靈活以及總通信模式。

3西部某閥門制造企業(yè)工業(yè) 4.0 實施案例及關(guān)鍵技術(shù)應用

2017 年捧贺，西部某閥門生產(chǎn)企業(yè)率先引進工業(yè) 4.0 的生產(chǎn)理念角葱，利用仿真軟件實現(xiàn)模擬排產(chǎn)排程，最優(yōu)化每周生產(chǎn)計劃任務座泳，結(jié)合上位控制系統(tǒng)惠昔、MES 系統(tǒng)、倉儲控制系統(tǒng)（WCS挑势，Warehouse Control System）及多種自動化生產(chǎn)物流設備（見圖 1）镇防，實現(xiàn)加工制造自動化 , 生產(chǎn)設備網(wǎng)絡化 , 過程管理數(shù)字化 , 計劃調(diào)度的智能化 , 在中國同類生產(chǎn)行業(yè) , 率先全面實現(xiàn)了智能控制閥數(shù)字化工廠，取得了很大的經(jīng)濟及社會效益潮饱。

圖 1 該企業(yè)控制 - 信息 - 上位管理系統(tǒng)層次關(guān)系

3.1 物料控制系統(tǒng)的應用

MFC/WCS 系統(tǒng)是一種管理控制系統(tǒng)来氧， 是介于倉庫管理系統(tǒng) (WMS,WarehouseManagementSystem) 和PLC之間的系統(tǒng)，它與 WMS系統(tǒng)進行信息交互香拉，接收WMS的信號指令啦扬，然后將其發(fā)送給 PLC系統(tǒng)，從而使得生產(chǎn)系統(tǒng)做出相應的反映凫碌。將 PLC系統(tǒng)上的狀態(tài)及數(shù)據(jù)反映在界面上扑毡，還可以為 PLC系統(tǒng)和產(chǎn)線提供手動調(diào)試口。其主要功能是接收任務盛险、指令下發(fā)瞄摊、狀態(tài)監(jiān)督、故障判斷颅婴，對人機交互進行異常處理颈缆、任務模式管理、系統(tǒng)策略優(yōu)化以及執(zhí)行報告汗钳。

3.2 SCADA 系統(tǒng)的應用

SCADA 主要是指監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集梧货，綜合利用計算機技術(shù)、控制技術(shù)涕留、通信與網(wǎng)絡技術(shù)褂反，對測控點的過程設備進行數(shù)據(jù)的采集，對生產(chǎn)過程實施全面實時的監(jiān)控唁返，然后為安全生產(chǎn)娇仙、調(diào)度丹叨、管理提供完整的數(shù)據(jù)及技術(shù)手段。設備監(jiān)督系統(tǒng)主要用于對組態(tài)現(xiàn)場的設備界面進行監(jiān)督尾贮，對現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)進行顯示洁乏，對現(xiàn)場設備運行故障進行報警，對歷史故障進行統(tǒng)計查詢怔巷，對設備的啟停進行控制倍试，還包括對設備運行參數(shù)的設置。SCADA 系統(tǒng)主要應用于測控點十分分散蛋哭、分布范圍廣的生產(chǎn)過程和設備的監(jiān)控县习。

3.3 射頻識別技術(shù)及其應用

RFID 讀寫器主要用于對懸掛鏈輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部位進行作業(yè)指令，當帶有 RFID 標簽的小車經(jīng)過讀寫器時谆趾，可以根據(jù)標簽內(nèi)容做出作業(yè)指令躁愿，將小車送到目的地，也可以對小車寫入特定的內(nèi)容沪蓬，可通過識別信息對整個輸送過程進行跟蹤以及追溯彤钟。RFID 技術(shù)無需識別系統(tǒng)與特定目標建立機械或光學接觸，就可以實現(xiàn)快速讀寫跷叉、非可視的識別逸雹、移動識別、多目標識別云挟、定位以及長期的跟蹤管理梆砸，讀取速度快，讀取信息準確可靠植锉。

3.4 懸掛運輸系統(tǒng)

懸掛運輸系統(tǒng)是指以連接安裝件將特制的軌道吊掛在空中骡榨，運行在軌道內(nèi)的滑車來實現(xiàn)物料的運輸和移動爹舱。一般來說奕截，懸掛運輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，性能較穩(wěn)定皿遏，使用起來可靠方便噪境，廣泛應用于飛機制造、汽車丧忍、家用電器半泪、服裝、煙草等各行各業(yè)的流水線作業(yè)中参挨。其標準組建包括軌道效勺、連接安裝件、滑車等亮蜓，這些裝備在投入運作前必須確保其質(zhì)量嘉容，以保證物資運輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性架独，為企業(yè)的高效運轉(zhuǎn)提供保障。

3.5 自動導引運輸車系統(tǒng)

AGV 系統(tǒng)是指裝有電饿呢、磁脖旱、聲、光等導引傳感裝置介蛉，能夠根據(jù)指示進行自動行走的小車或叉車萌庆，可以根據(jù)實際情況進行移動，還具有視頻監(jiān)控的功能币旧。AGV 的運輸效率很高践险，還具有節(jié)能環(huán)保無公害的優(yōu)勢，AGV 系統(tǒng)可以實現(xiàn)柔性運輸吹菱，使用非常靈活捏境，在許多領(lǐng)域都有應用。AGV 導引傳感器是 AGV 能夠精確完成指引的基石毁葱，常見的電磁導引方式有電磁導引垫言、紅外導引、磁帶導引倾剿、 全球定位系 統(tǒng)（GPS筷频，Global PositioningSystem）導引等。AGV 驅(qū)動電機使其運動的基石前痘，運動的穩(wěn)定性和響應的及時性是衡量驅(qū)動電機質(zhì)量的主要標志涯馆。AGV 涉及的方面較多，包括對硬件電路設計的兼容性以及軟件控制算法的優(yōu)化性等崎爽，在實際運用中俺埋， 應該根據(jù)具體的情況進行合理的選擇。

3.6 堆垛機系統(tǒng)

自動化立體倉庫在現(xiàn)代物流企業(yè)和現(xiàn)代化制造產(chǎn)業(yè)中有著很廣泛的應用摹撰，堆垛機是自動化立體倉庫的執(zhí)行機構(gòu)俄脂，貨物的出庫進庫都需要通過堆垛機來完成。堆垛機的運行模式有自動和手動兩種行翘，手動模式是通過操作不同的按鈕來完成相吭，可以實現(xiàn)對無貨倉位的送貨操作， 也可以實現(xiàn)對有貨倉位的取貨操作领末。自動運行模式可以通過上位機或操作人員實現(xiàn)單循環(huán)或連續(xù)操作郊拄，在進行運作時，堆垛機的行走運動電機和升降運動電機可以同時運轉(zhuǎn)痘涧，加快運行速度楚陶，提高工作效率。對于堆垛機的控制主要是由伺服電機進行定位纤壁，程序設計中控制系統(tǒng)設計采用表指令來對立體化倉庫進行貨物的進出控制左刽， 其可靠性很高剪撬，不需要安裝物料檢測傳感器。

4 結(jié)語

關(guān)于工業(yè) 4.0, 其電氣自動化技術(shù)包含的內(nèi)容范圍很廣泛悠反，對其的研究應該從不同的技術(shù)出發(fā)残黑，進行全面綜合的探討，才能在其應用上有著準確的把握斋否，關(guān)于物流自動化架構(gòu)的應用梨水，在我國的各大企業(yè)中都發(fā)揮著重要作用，在促進企業(yè)快速高效運轉(zhuǎn)上茵臭，工業(yè) 4.0 功不可沒疫诽， 以 PLC 為基礎，通過 Pro?net/Pro?bus 為架構(gòu)的電氣架構(gòu)技術(shù)在物流方面的應用是很廣泛的旦委。

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