仪表与自动化技术在工业4.0时代的角色与前景.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：刘力源（1988），男，汉族，河南安阳人，本科，中级工程师，研究方向为低压电器，自动化，仪表类。-75-仪表与自动化技术在工业 4.0 时代的角色与前景 刘力源1 张少华1 李 娜2 1.河南金数智能科技股份有限公司，河南 郑州 450046 2.安阳钢铁股份有限公司，河南 安阳 455000 摘要：摘要：本文探讨了工业 4.0 时代中，仪表与自动化技术在制造业和工业应用中的角色和前景。通过分析工业 4.0的概念和特点，以及仪表与自动化技术的演进，研究了工业 4.0 对仪表与自动化技术的需求。此外，论文还阐述了仪表与自动化技术在实时监测、自动化控制、远程运维、跨学科整合和互联性方面的关键角色。最后，对工业4.0 对未来的影响、技术发展趋势、潜在挑战和解决方案以及仪表与自动化技术的未来前景进行了展望。关键词：关键词：仪表；自动化技术；工业 4.0；实时监测；自动化控制 中图分类号：中图分类号：TE931 1 研究背景和意义 工业 4.0 代表了制造业和工业领域的一次革命性变革，其核心概念是将数字技术、自动化和物联网应用于工业生产过程。仪表与自动化技术在这一变革中扮演着重要的角色，通过实时监测、自动化控制、数据分析和智能决策等方式，推动了工业 4.0 的实现。了解工业 4.0 时代中仪表与自动化技术的作用和前景对于制造业企业和工业自动化领域的从业者具有重要意义。2 工业 4.0 与仪表自动化技术 2.1 工业 4.0 的概念和特点 图 1 工业 4.0 的特点 工业 4.0 代表了一种新型工业革命的理念，其核心思想在于将实体制造系统与虚拟网络世界有机融合，以实现更高的生产效率、极大的生产灵活性以及可持续性的提升。这一概念以一系列关键技术为支撑，包括物联网，通过物联设备和传感器实现设备之间的智能互联；云计算，用于大规模数据存储和处理，实现信息的集中管理；大数据分析，通过对海量数据的挖掘和分析来获取关键洞察；以及人工智能，用于自动化决策和智能化控制。这一革新性概念的目标是将制造业提升到一个新的高度，使其能够适应市场需求的快速变化，提高生产效率，并实现更可持续的生产和资源利用。工业 4.0 的特点如图 1 所示。2.2 仪表与自动化技术的演进 图 2 工业发展的历程 仪表与自动化技术在制造业中的演进是一个历经多个阶段的发展过程，从传统控制系统到现代自动化系统的转变。初始阶段，传感器技术的崭新应用帮助实现了数据采集，通过测量温度、压力和其他物理参数，生产过程的监控变得更为精确。然后，随着 PLC（可编程逻辑控制器）控制器的引入，制造企业能够实现更复杂的自动化控制，减少了对手动干预的需求。而后，随着 SCADA（监控和数据采集）系统的兴起，企中国科技期刊数据库 工业 A-76-业可以实时监测和控制分布式系统，实现更高级别的自动化和生产过程优化。这一演进过程反映了仪表与自动化技术在不断适应制造业需求的发展，从简单的监测到高度智能化的自动化控制系统。如图 2 所示。这些技术的进步对提高生产效率和质量，降低成本，以及推动工业 4.0 的实现发挥了关键作用。2.3 工业 4.0 对仪表与自动化技术的需求 工业 4.0 对仪表与自动化技术提出了前所未有的需求和挑战。首先，它要求这些技术能够实现实时数据采集，意味着传感器和监测设备必须能够连续监测并传输大量数据，以实现对生产过程的及时了解。其次，互联性成为关键，因为不仅设备之间需要相互通信，还需要与其他系统和云平台实现互联，以实现数据的集中存储和处理。智能控制和自动化决策也是工业 4.0 的要求，要求仪表与自动化技术能够自主地对数据进行分析，作出智能决策，以实现生产过程的最佳优化。最后，远程访问和维护成为必备，以支持跨地理位置的监控和远程维护，减少停机时间和提高设备的可靠性。这些需求对仪表与自动化技术提出了新的挑战，但也为其带来了机遇，使其能够在工业 4.0时代中发挥更大的作用，促进制造业的现代化和创新。3 仪表与自动化技术的角色 3.1 实时监测与数据采集 仪表技术在工业4.0时代扮演了至关重要的角色，通过实时监测和数据采集，它们实现了对生产过程中关键参数的高度精确监控，从而在制造环境中创造了深刻的实质性变革。这种监测不仅包括了传统参数如温度、压力和流量的实时记录，还扩展到更广泛的领域，如振动、湿度、气体浓度等。这一广泛的监测不仅有助于维持产品质量的一致性，还可提高设备的可靠性，最大程度减少设备故障和停机时间。同时，仪表技术的进步使其能够提供更为复杂的数据分析，进一步提高了监测的深度。例如，借助高精度传感器和数据采集系统，制造商可以实时监测生产线上的每个工作步骤，以确保每一步都在规定范围内运行。这种实时监测不仅可以检测问题，还可以预测问题并采取纠正措施，以避免不必要的停机和维修。此外，仪表技术还促使了数据的积累和分析，以获取更多的生产过程洞察。通过与云计算和大数据分析技术的结合，制造商可以在生产中实现更高级别的数据分析，从而优化工艺、提高效率，甚至实现预测性维护。3.2 自动化控制与智能决策 自动化控制与智能决策在工业 4.0 时代扮演着至关重要的角色，通过 PLC 控制器、SCADA 系统以及大数据和人工智能技术的综合应用，它们实现了生产过程的高度智能化和自主性管理，从而为制造业带来了显著的实质性改进。PLC 控制器作为传统控制系统的进化形式，已经不再局限于简单的开关和传感器控制，而是成为了生产线上的智能决策中枢。它们能够实时监控生产参数，根据预设条件自动调整设备和工艺参数，以保持生产在最佳状态。此外，PLC 控制器还能够实现设备之间的协同工作，以提高整个生产线的效率和质量。这种智能控制使制造商能够更灵活地应对市场需求的变化，减少了生产中的浪费，提高了资源利用效率。另一方面，SCADA 系统作为监控和数据采集系统，提供了实时的生产过程可视化。通过与 PLC 控制器的集成，SCADA 系统能够将各个生产环节的数据集中展示，并允许操作员实时干预和调整。而结合大数据和人工智能技术，SCADA 系统能够分析历史数据，识别趋势，预测问题，并提供智能决策的支持。这有助于制造商在生产中更具洞察力地作出决策，避免潜在问题的发生，提高生产效率和质量。最后，大数据和人工智能技术的应用进一步提高了智能决策的水平。大数据分析可从海量生产数据中提取有价值的信息，揭示隐藏的关联和趋势。而人工智能技术如机器学习和深度学习可以通过数据驱动的方式，不断优化生产过程，提高预测的准确性，实现自动化问题解决和决策制定。3.3 远程运维和维护 仪表与自动化技术的角色不仅体现在生产过程的实时监测和智能控制上，还在远程运维和维护方面发挥着关键作用。这一方面反映了制造业中的迫切需求，即降低停机时间和维护成本，提高设备的可靠性和生产效率。此外，它还体现了工业 4.0 时代的技术进步，使得远程运维和维护成为可能。通过远程监测技术，制造企业能够实时获取设备的状态信息，包括性能参数、故障信息和维护需求。这些数据通过互联网和云计算平台传输到远程操作中中国科技期刊数据库 工业 A-77-心，使运维人员可以在不必亲临现场的情况下监视设备状态。这不仅提高了运维人员的效率，还降低了维护的成本，因为现场维护通常涉及高额的人力和时间成本。而且，远程监测还能帮助预测设备的故障，采取及时的维护措施，从而避免意外停机。远程维护的另一个关键特点是通过远程操作进行维修和故障排除。通过远程访问到设备的控制系统，运维人员可以进行远程诊断和修复，而无需亲临现场。这种方式有效减少了维修时间，提高了设备的可用性。同时，远程维护还提供了更好的知识共享机会，因为专业技术人员可以在不同地点之间进行实时交流，解决问题，分享经验，进一步提高了维护效率。3.4 跨学科整合和互联性 仪表与自动化技术在工业 4.0 时代的另一个关键作用是促进了各种系统的跨学科整合和互联性，从生产管理系统到企业资源规划系统，再到供应链管理系统，这一互联性的实现对制造业产生了深远的影响。首先，仪表与自动化技术通过实时数据采集和传输，将生产过程的关键参数和性能数据传送至生产管理系统（Manufacturing Execution System，MES）和企业资源规划系统（Enterprise Resource Planning，ERP）。这样，生产过程的数据与企业级决策系统实现了紧密的集成，有助于制造企业更好地管理资源、计划生产和实现质量控制。制造商可以根据实时数据对生产进度进行调整，及时协调供应链，确保生产计划的顺利执行。这种互联性提高了整个生产过程的透明度和协调性，有助于企业实现更高效的生产管理。其次，仪表与自动化技术的互联性还扩展到供应链管理系统（Supply Chain Management，SCM）。通过数据的实时共享，制造商可以与供应商和分销商建立更紧密的合作关系。这有助于实现物料的及时供应和产品的及时交付，减少库存成本和运营风险。制造商还可以利用数据分析来优化供应链，预测需求和制定更精确的采购计划。这种跨学科整合提高了供应链的灵活性和反应速度，有助于应对市场变化和客户需求。最后，互联性的实现还加强了生产过程中的协同工作。各个环节的数据共享和协同决策成为可能，使不同部门和团队能够更好地协同工作，解决问题，分享知识和经验。这种协同性有助于加速创新，提高生产效率，实现更高水平的产品质量。4 前景展望与挑战 4.1 工业 4.0 对未来的影响 工业 4.0 将对未来制造业产生深远的影响，推动企业迈向数字化、智能化和高度自动化的生产方式。它将提高生产效率、降低生产成本，实现个性化生产和客户定制，同时促进可持续发展。工业 4.0 将改变企业的经营模式，加速创新，改善产品质量，提高客户满意度，同时为制造业带来更大的竞争力。这一趋势还将加强全球供应链的互联性，促进产业升级和全球经济的发展，为未来创造更广泛的商机和可持续性。4.2 技术发展趋势与创新 在工业 4.0 时代，技术发展趋势与创新将持续推动制造业向前发展。其中，物联网（IoT）技术的快速发展将导致更多设备和传感器的智能互联，从而实现更全面的数据采集和分析。大数据分析和人工智能将进一步提升数据的价值，帮助企业做出更智能的决策。此外，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术将改变生产和培训方式，提高效率和生产质量。最重要的是，安全技术和数据隐私保护将成为技术创新的重要方向，以确保工业 4.0 系统的可靠性和安全性。4.3 潜在挑战和解决方案 工业 4.0 虽然带来了许多好处，但也伴随着一些潜在挑战，其中最重要的之一是数据隐私和网络安全。随着大量的数据在云端进行传输和存储，保护数据的隐私和安全性变得尤为关键。为了解决这一问题，制造企业必须加强网络安全措施，采用数据加密技术，以确保数据在传输和存储过程中不会被未经授权的访问或恶意攻击所侵犯。此外，制定严格的数据隐私政策和合规标准也是解决这一挑战的关键。通过综合的安全措施和持续的监测，制造业可以更好地应对数据隐私和安全性方面的挑战，确保工业 4.0 的可持续发展。4.4 仪表与自动化技术的未来前景 仪表与自动化技术在工业 4.0 时代将持续发展和演进，为制造业创造更广泛的前景。随着技术不断进步，这些技术将变得更加智能和高度集成，提供更全面的解决方案，包括实时监测、智能控制、远程维护和跨学科整合等。这将有助于企业提高竞争力，降低中国科技期刊数据库 工业 A-78-成本，提高生产效率，同时为个性化生产和可持续发展创造更多商机。未来，仪表与自动化技术将继续塑造制造业的面貌，为企业带来更大的成功和可持续性。5 结束语 仪表与自动化技术在工业 4.0 时代扮演着关键角色，通过实时监测、自动化控制、远程运维和数据分析等方式，推动了制造业的现代化。面对未来的挑战和机遇，仪表与自动化技术将继续发展，为工业 4.0的成功实现提供支持。参考文献 1何石波.浅析化工自动化控制的关键技术和仪表控制J.当代化工研究,2019(7):12-13.2 章 文 俊.数 字 化 气 动 技 术 在 智 能 制 造 控 制 系 统 PROFINET 网 络 中 的 应 用(下)J.中 国 仪 器 仪表,2019(12):29-34.3刘星生.“工业 4.0”背景下化工仪表及自动化课程教学模式创新探索J.新教育时代电子杂志(教师版),2022(46):97-99.4陈荻川.工业信息安全工业 4.0 的必经之路J.仪器仪表标准化与计量,2019(1):4-6.