工廠自動化FA（Factory Automation），也稱車間自動化，指自動完成產品製造的全部或部分加工過程。過去幾十年，自動化控制系統主要針對流程工業的生產過程即過程自動化開展，屬於連續控制；控制系統的研究和應用大部分集中在過程自動化領域。隨著技術的發展，各種斷續控制、驅動控制等特殊需求出現，如自動包裝及自動打包系統，是對斷續工作工作狀態的控制；樓宇自動化對電梯的控制，也是對斷續工作的控制；對電機的控制以及對機械手的控制，屬於驅動控制的範疇。採用傳統的流程控制模型顯然已經不能滿足實際需求。
同時，針對一個工廠，各種資訊的管理隨著資訊科技的發展不斷豐富完善，資訊量逐漸加大。由於生產的需要，某些時候需要做出遠端決策，相關遠端資訊的獲取因資訊量過大，傳統傳輸方式已經不能滿足實時性和安全性的需要，這就給自動化控制系統提出了新的需求。
1 工廠自動化相關的幾個十分重要的概念
1。1 工廠自動化與自動化工廠
工廠自動化的重心在於自動化，可以簡單的歸結為是自動化的一個應用領域，也可以單純的看成是對工廠內部的生產過程應用自動化技術，以提質增效為最終目的。
進入21世紀以來，“以人為本”、“節能環保”、“綠色高效”的觀念深入人心，對工廠自動化提出了新的要求。隨著計算機技術、無線技術、現場匯流排技術、工業乙太網技術、IT技術、機器人技術，感測器技術以及安全技術等科學技術的不斷髮展與創新，工廠自動化在經歷了單機自動化、車間自動化、全廠集中控制等幾個重要階段之後正向工廠綜合自動化（又稱全盤自動化）發展，即把過程控制、監督控制、產品設計、質量監測、工廠管理等方面融為一體，運用現代控制理論、大系統理論、人工智慧、4C（Computer、Commu lieation、CRT、Contro1）技術，實現最佳化控制、分級控制、分散控制、測試自動化、建築物自動化、資訊處理與經營決策自動化，以便進一步提高工作效率，保證質量與安全，節約能源和原材料。
據美國科學院對麥道飛機公司、迪爾拖拉機公司，通用汽車公司、西屋公司和英格索爾銑床公司等五家企業的調查分析，採用全廠一體化控制獲得如下效益，產品質量提高2－5倍、生產效率提高40%～70%、裝置利用率提高2－3倍、生產週期縮短30%～60%、工程師的工作能力提高3－35倍。
而自動化工廠的重心在工廠，可以簡單理解為實施了工廠自動化的工廠或者說應用自動化技術或者自動化裝置，實現了自動化生產的工廠。
1。2 機器人與工廠自動化的關係
機器人簡單的說就是自動執行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以執行預先編排的程式，也可以根據人工智慧技術制定的原則行動。它的任務是協助或取代人類工作，例如在生產業、建築業，或是危險的行業中的應用。機器人是整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的高階產物。在工業、醫學、農業、建築業甚至軍事等領域中均有重要用途。
目前國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。聯合國標準化組織採納了美國機器人協會給機器人下的定義：“一種可程式設計和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執行不同的任務而具有可改變和可程式設計動作的專門系統。”一般能實現行走和操作生產工具等動作，可用在人所不能適應的環境下代替人工作。現代機器人都配裝電子計算機，透過編排程式，能具有一定程度的人工智慧，如識別語言和影象，並作出適當的反應等。
高智慧仿人機器人甚至可以像人一樣透過採集影象（眼睛）、聲音（耳朵）、味道（鼻子）等資訊傳輸到智慧終端（大腦），做出決策，驅動執行機構（手、腳）實施生產動作。一個機器人可以看成是一個自動化控制系統。
目前工廠應用的機器人如焊接機器人、搬運機器人等，只是工廠自動化的重要組成部分之一。即便是集成了感測器（資訊採集端）和智慧終端（資訊處理端）的機器人，也仍然只是工廠自動化的一部分。構建工廠自動化控制系統，完全能夠直接透過感測器採集資訊，透過智慧終端實施控制。從廣義的角度看，工廠自動化控制系統就是一臺機器人。
1。3 自動化、智慧化與智慧化的區別與聯絡
論及工廠自動化，無法迴避智慧化和智慧化這兩個耳熟能詳的概念，從三者的基本概念就能容易看出他們的區別和聯絡。
自動化：機器或裝置在無人干預的情況下按規定的程式或指令自動進行操作或控制的過程。隨著現代生產和科學技術的發展，對自動化技術提出越來越高的要求，同時也為自動化技術的革新提供了必要條件。同時自動化開始向複雜的系統控制和高階的智慧控制發展，並廣泛地應用到國防、科學研究和經濟等各個領域，實現更大規模的自動化，例如大型企業的綜合自動化系統、全國鐵路自動排程系統、國家電力網自動排程系統、空中交通管制系統、城市交通控制系統、自動化指揮系統、國民經濟管理系統等。自動化的應用正從工程領域向非工程領域擴充套件，如醫療自動化、人口控制、經濟管理自動化等。自動化將在更大程度上模仿人的智慧，機器人已在工業生產、海洋開發和宇宙探測等領域得到應用，專家系統在醫療診斷、地質勘探等方面取得顯著效果。工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化和農業自動化將成為新技術革命的重要內容，並得到迅速發展。
智慧化：是指事物在網路、大資料、物聯網和人工智慧等技術的支援下，所具有的能動地滿足人的各種需求的屬性；是由現代通訊與資訊科技、計算機網路技術、行業技術、智慧控制技術彙集而成的針對某一個方面的應用。從感覺到記憶再到思維這一過程稱為“智”，智的結果產生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱“智慧”。智慧一般具有這樣一些特點：
一是具有感知能力，即具有能夠感知外部世界、獲取外部資訊的能力，這是產生智慧活動的前提條件和必要條件；二是具有記憶和思維能力，即能夠儲存感知到的外部資訊及由思維產生的知識，同時能夠利用已有的知識對資訊進行分析、計算、比較、判斷、聯想、決策；三是具有學習能力和自適應能力，即透過與環境的相互作用，不斷學習積累知識，使自己能夠適應環境變化，提高系統的魯棒性；四是具有行為決策能力，即對外界的刺激作出反應，形成決策並傳達相應的資訊。具有上述特點的系統則為智慧系統或智慧化系統。
智慧化：就是升級版的智慧化。就是人機環境系統之間的互動角色最最佳化，取長補短、優勢互補，除了必要的計算機知識、數學演算法外，還應把哲學、心理學、生理學、語言學、人類學、神經科學、社會學、地理學等等融為一體。
自動化、智慧化、智慧化是一種逐步遞進提升的關係。簡單理解，自動化就是用機器代替人實施生產活動，而智慧化則是在自動化的基礎上賦予資訊採集與反饋控制的能力，而智慧化則是在智慧化的基礎上整合多元資訊進一步實施自主決策。毋庸置疑的是，自動化的最高目標是實現智慧化控制。
2 企業實施工廠自動化必須關注的幾個問題
自從自動化控制技術向智慧化和智慧化發展以及機器人的大規模使用，無人工廠不再是一種夢想，並且成為企業發展的必然趨勢，也得到了各級政府的大力支援，然而真正實施工廠自動化的企業在目前還數量不多，原因何在？因為自動化是一項龐大的工程，需要大量的財力與物力的支撐和專業技術人員的參與。因此，現代企業必須高度重視這個問題，並採取相應的措施。
2。1 企業必須知己
企業要實施自動化升級，首先必須認真仔細地分析掌握工廠本身的需求。企業在生產車間應用自動化系統進行生產製造，其目的是為了讓產品生產和質量控制擁有最大的效率比。因此必須認真分析整個生產過程的各個環節，深入探討每個環節實施自動化的可行性和當前狀況的必要性；同時還必須把企業短期需求和長期目標結合起來，計算投入與產出效能比，詳細評估投資回報，並以此作為實施自動化的決策依據。
工廠實施自動化是一次革命性技術變革，涉及到諸多高新技術和裝備，與之相應的必然需要有相對應該的技術人才。只有熟練掌握相關技術與裝備的人才操作使用自動化控制系統，才能讓自動化控制系統在生產過程中發揮出應有的效能，從而是成為企業增效的最有效手段。實施工廠自動化的企業還需要對自己的、人才隊伍進行分析評估，或者是聘請相關專業技術人才，唯此方能使工廠自動化快速實施和投產。
2。2 企業應該量力而行，分步到位
對於面臨全球市場競爭的大規模生產製造企業，提高生產力的途徑只有依靠技術改造、實施工廠自動化，引入智慧化、智慧化技術是企業發展的必經途徑。但因為自身生產方式、技術基礎、自身經濟實力等因素，因此實施工廠自動化不可能都做到一步到位，而應該在充分分析自身實際情況的基礎上，按照生產的需求，由點到線再到面，優先改造提高生產效率最顯著的環節和裝置，再改進其他的非緊急的生產環節，同時提高員工的技術能力和企業的管理能力，最後實施全域性自動化，最終建成自動化工廠。
工廠自動化的終極目標就是把所有的工廠都建成自動化工廠。自動化工廠必須融合先進的網路技術，將自動化貫穿於整個產品的全生產週期。從採購到加工到檢驗，到發貨，到售後服務，全部實現自動化和無人值守。達到這個階段則真正實現了工業4。0。
2。3 企業實施自動化必須高度重視自主智慧財產權
企業在實施工廠自動化過程中，必須高度重視智慧財產權問題。我們必須把“中興”事件作為前車之鑑，在選擇裝備、技術時，儘可能地選用國產品牌，以確保企業自身發展的延續性和可持續性。同時，企業做好自身智慧財產權的保護，對於自主創新的思路、方法、技術、技藝及裝備，及時申報專利或軟著，保護自己的權益。
2。4 企業實施工廠自動化應避免踏入的誤區
（1）引入機器人就是進行自動化升級改造
機器人的應用僅僅是工廠自動化中最具代表性的一個方面，但不等於使用了機器人就能解決一切問題。對於某些特殊工藝，如氣動液壓控制及非標自動化裝置應用也是工廠自動化非常重要的手段之一。實施工廠自動化，切不可只盯著機器人看，要找到適合企業的最好方案，避免出現大馬拉小車的情況，浪費企業的財力和物力。
（2）機器人買回來就能用
機器人作為智慧裝置，並非簡單安裝除錯即可使用。如果忽略機器人的開發（或二次開發）與應用，將會導致許多機器人買回來用不上或使用不當，每種裝置都有自身的使用方法和方式，技術人員需要充分掌握機器的使用方法和技藝，才能充分利用好裝置的潛力，如同駕駛車輛一樣，再好的跑車在一個新手的駕駛下也不能跑的多快，只能當普通車使用。
（3）任何工序都可用自動化裝置替代
對於產量大、生產過程重複性強、產品設計和工藝先進、穩定、可靠並在較長時間內保持基本不變的生產線，實施自動化改造，經濟效益顯著，但並非所有工序都適合進行自動化改造，對於複雜多變的生產工藝或非標生產，即便強行採用自動化技術進行改造，其自動化的投入與產出比較低，沒有實施自動化的必要性。
（4）實現自動化改造就是實現了工業4。0
近年來，工業4。0及中國製造2025的概念非常火熱，以致很多企業盲目跟風，簡單的認為自動化就是工業4。0。製造業企業更應該關注的是實際生產過程中的技術與技藝問題的解決方案，當企業自身發展到將資訊為核心技術融入到產品的全生產週期時，工業4。0時代也將水到渠成。因此，企業首先應該分析自己的生產過程和真實工藝需求，有針對性的實施自動化改造，最終實現工業4。0。
3 自動化從業者必須重點思考的幾個問題
3。1 首先必須做到知彼
一個好的整合商，是針對於具體行業的實際應用制定解決方案和系統整合的。因此，不僅僅要求熟悉自動化控制系統及其相關產品的效能與優缺點，還需要掌握這個行業的行業標準、產品標準、生產工藝與技術要求。整合商提供給客戶的是成熟的能用的自動化系統，而不是機器人本身；自動化從業者作為整合商所整合的產品，一般會提供詳細的工程管理與實現細節，但僅此還不夠，還必須熟練掌控相關產品的技術特點、效能以及運維注意事項，以確保固有可靠性的充分實現。特別是針對工廠生產線的自動化改造，適宜的自動化控制系統才是最好的。
3。2 其次必須高度重視自主創新和智慧財產權
中國要實現由製造大國到創造強國，研發出系列自主智慧財產權的自動化控制系統及其產品成為首要條件。我國工業基礎十分薄弱，雖經歷改革開放取得了很大的成績，但各個行業之間發展參差不齊，尤其是製造業發展緩慢，因此，工廠自動化未來市場前景廣闊。如何與國際知名品牌競爭市場，自主創新和智慧財產權的必要性和重要性將日益凸顯。
3。3 再次必須樹立服務意識
工廠自動化的整合商在提供了自動化生產線後，必須加強對使用者使用人員的培訓，使其熟練掌控，同時還必須強化服務意識，在生產線執行中予以及時的指導和協助，甚至可以採取帶包執行的模式，為企業提供技術支援和幫助，從而確保生產線固有可靠性的實現。
3。4 最後還必須高度重視綠色環保
以汙染換取生產效率的年代一去不復返，綠色環保成為當今工業發展必須予以高度重視的重要課題之一。作為工廠自動化的技術方，首先必須確保在開展系統整合選擇配套產品的時候，首先注重產品的安全性，並重點防止產品本身造成的放射性汙染，同時要將節能減排作為重要控制目標之一，以實現建成綠色環保的自動化工廠。
4 工廠自動化發展的重點及焦點
4。1 夯實基礎
自動化核心是機器換人，因而資訊採集的準確性和實時性尤為重要。感測器作為資訊採集的主要手段，是自動化的基石。毋庸諱言的是，目前國內感測器市場基本上被國外產品所壟斷，研發趕超世界先進水平感測器，是自動化科研人員面臨的緊迫課題。當然，我國感測器產業受制於原材料、元器件的技術水平，因此，感測器關聯的原材料、元器件產業相關技術必須率先取得突破。隨著影片識別技術的深入應用，不少能透過表面特徵予以識別的資訊可以用影片技術替代傳統的感測器，更多的資訊還是需要感測器才能實現採集。因此，作為資訊採集主要手段的感測器，成為實現工廠自動化的基礎和基石。
4。2 提高可靠性和可用性
工廠實施自動化改造的終極目標是提質增效，生產線的穩定、可靠執行是前提，因而自動化控制系統裝備的可靠性是保障生產順利實施的基本條件。儘管資訊採集端和執行端的產品的可靠性在國家的強制要求下得到了很大的提高，但隨著技術進步和產品技術改進，其可靠性水平沒有與時俱進，與國外產品的差距進一步拉大。因而每一位自動化從業者必須高度重視可靠性技術研究與應用，切實提高相關產品的可靠性，只有產品在可靠性水平方面縮短與國外產品的差距，才能有望逐步替代進口，增強市場競爭力。
可用性是可靠性技術的延伸，他不僅侷限於產品壽命本身，還關注於產品的可維修性，而可用性則是每一位使用者切實關心的重要技術指標。提高可靠性是一個方面，縮短維修時間則是另一方面，齊抓共進，則能有效提高產品的可用性。
4。3 注重安全性研究
隨著社會的進步，安全問題日益重要。自動化控制系統裝備本身安全問題，裝備對環境造成的安全問題，功能安全問題，對周圍人身造成的安全問題日益凸顯。各種輻射對人身安全造成的影響究竟如何一直未有確切的定論，但毋庸置疑的是，輻射是造成細胞病變的可能原因之一。因此安全技術研究成為未來研究的重點和焦點之一，而消除、遮蔽、隔離等技術以及安全評價技術有待深入開展研究。
4。4 突破通訊技術
對工廠自動化來說，生產的安全性、穩定性、實時性尤為重要，任何資訊的不確定或延遲後果均十分嚴重，隨著5G通訊技術的攻克，資訊傳輸在數量、質量、實時性等方面都會迎來質的突破，必將在工廠自動化中的得到廣泛的應用，因此，未來的工業通訊方式、通訊方法以及相關的通訊裝備亟待研發並取得突破。
4。5 加強新技術的應用
隨著科技的進步與發展，計算機技術、無線技術、現場匯流排技術、工業乙太網技術、IT技術、機器人技術，感測器技術以及安全技術等科學技術的不斷髮展與創新，工廠自動化迎來了新的發展階段，不斷提升的智慧化確保了相關裝置在整合時能得到恰如其分的使用，並在系統中充分地發揮各自的優勢。整合開發的通訊介面、可靠的控制軟體、統一的工程工具和各種創新的模擬工具推動著工廠自動化相關技術的發展，同時也不斷降低裝置的總成本。在未來，“無線工廠”、“數字化工廠”、“綠色工廠”將成為人們追求的目標，控制技術和感測器也將越來越大程度地主導新生代的工廠和機器。
4。6 逐步實現智慧化
智慧化是最近幾年最熱的一個技術話題。工廠自動化發展將逐步開展機器深度學習、自我制定決策規則並自主決策技術，工廠最終將在一臺機器大腦的完整控制下完成產品全壽命週期的所有工作，這是工廠自動化發展的遠景，也是有必然趨勢。
5 結束語
隨著第四次工業革命的到來，工廠自動化的普遍實施成為工廠發展的必然趨勢。對於我國的工業發展現狀，工廠自動化發展的機遇顯而易見。但在產業基礎、可靠性、可用性、安全性、通訊等技術等方面還有很多技術難題有待解決，自動化從業者們任重而道遠。工廠自動化不是新課題，未來發展的重點和焦點，各位同仁見仁見智，本文只是筆者的一些粗淺看法，僅供同仁參考。
原文刊載於《自動化與儀器儀表》2019 年底 9 期 作者：孫懷義，莫斌，楊 璟，李小明
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