崔玉朋，李少輝，王 哲

（長城汽車股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中心，河北 保定 071000）

5A智慧工廠架構(gòu)

崔玉朋，李少輝，王 哲

Cui Yupeng，Li Shaohui，Wang Zhe

工業(yè)發(fā)展對自動化需求越來越高，汽車制造業(yè)將融合5個自動化（5A）的控制架構(gòu)搭建5A智慧工廠。

工廠自動化；過程控制；能源管控；現(xiàn)場總線；儀表

（長城汽車股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中心，河北 保定 071000）

1 概 述

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在自動化控制領(lǐng)域日益成熟，Profinet、Ethernet /IP、Ethernet CAT等工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相應而生。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)的發(fā)展促進了信息技術(shù)與自動化技術(shù)的融合，也為由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上提出的工業(yè)4.0奠定了基礎(chǔ)。

工業(yè) 4.0描繪了制造業(yè)的未來愿景，提出繼以蒸汽機的應用、規(guī)?；a(chǎn)和電子信息技術(shù)為標志的 3次工業(yè)革命后，人類將迎來以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織為標志的第四次工業(yè)革命。工業(yè) 4.0勢必會打破將控制分為離散控制和過程控制的傳統(tǒng)分類，將工廠控制自動化與信息、安全、能源及過程自動化有效融合。

2 5A自動化

為實現(xiàn)控制系統(tǒng)的有機融合，長城汽車股份有限公司依據(jù)智能建筑思路提出了 5A智慧工廠的概念。將工廠控制自動化（Factory Automation，F(xiàn)A）、過程自動化（Process Automation，PA）、信息自動化（Information Automation，IA）、安全自動化（Safety Automation，SA）和能源自動化（Energy Automation，EA）有機融合，打造適合長城汽車的新型5A智慧工廠。

2.1 控制自動化（FA）

控制自動化即工廠自動化，指自動完成產(chǎn)品制造的全部或部分加工過程的技術(shù)。通常以可編程邏輯控制器（PLC）為控制系統(tǒng)的中心單元，通過現(xiàn)場總線將現(xiàn)場的傳感器、按鈕開關(guān)、輔助觸點、變頻器狀態(tài)信息等實時信號采集到PLC。 PLC對信號進行邏輯或其他運算后發(fā)出指令，現(xiàn)場執(zhí)行元件依據(jù)PLC的指令進行動作，達到控制設(shè)備的目的。

2.2 過程自動化（PA）

過程自動化在電力、石化、冶金、化工等行業(yè)應用廣泛，通過溫度、壓力、流量、液位等過程傳感器收集溫度、壓力、流量和液位等數(shù)據(jù)，然后利用計算機對這些信息進行儲存和分析，再用簡潔明了的形式把處理后的數(shù)據(jù)顯示到控制室。生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)除了能夠采集和處理信息，還能自動調(diào)節(jié)各種設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)。汽車制造過程自動化在涂裝車間通過安裝過程儀表和傳感器，對電流、流量、壓力、溫度、濕度等模擬量信號實時監(jiān)測，通過PLC、DDC控制器（Direct Digital Controller）的計算分析對各參數(shù)進行調(diào)節(jié)，達到所需狀態(tài)。

2.3 信息自動化（IA）

汽車制造信息自動化包括安燈系統(tǒng)（Andon）、生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)（PMC）、車體自動識別跟蹤系統(tǒng)（AVI）和路由控制（RC）。這4個子系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備控制層和生產(chǎn)計劃執(zhí)行層連接緊密，通過信息指示、生產(chǎn)防錯、生產(chǎn)信息監(jiān)控、生產(chǎn)隊列控制等功能，有效地輔助生產(chǎn)，確保生產(chǎn)的精準率，是連接控制自動化和生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的橋梁，如圖1所示。

2.4 安全自動化（SA）

安全自動化源于安全控制，最典型的安全控制當屬安全繼電器和安全 PLC。所謂“安全繼電器”并不是“沒有故障的繼電器”，而是發(fā)生故障時做出有規(guī)則的動作，它具有強制導向接點結(jié)構(gòu)，萬一發(fā)生接點熔結(jié)現(xiàn)象時也能確保安全動作。安全 PLC（安全可編程系統(tǒng)）指的是在自身或外圍元器件或執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障時依然能正確響應并及時切斷輸出的可編程系統(tǒng)。安全自動化符合ISO 13849-1以及IEC 61508等控制系統(tǒng)安全相關(guān)標準要求。

2.5 能源自動化（EA）

能源自動化包含能源控制和能源管理 2個系統(tǒng)。能源控制系統(tǒng)是通過控制生產(chǎn)過程中的能耗設(shè)備，如給排水、空壓機、制冷機、換熱站、環(huán)境空調(diào)、工廠照明等設(shè)備，從而達到提升能源利用率和降低能耗的目的。能源管理系統(tǒng)，如圖 2所示，是以幫助工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在擴大生產(chǎn)的同時，合理計劃和利用能源，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟效益，降低CO2排放量為目的的信息化管控系統(tǒng)。

3 5A融合

隨著先進控制理念不斷提出，如我國的兩化融合，提出了工業(yè)化與信息化融合；德國的工業(yè)4.0理念提出了信息物理融合。同時工廠對自動化需求日益提升，這些加速了自動化間的融合，也為5個自動化的融合奠定了理論基礎(chǔ)。

3.1 工廠自動化與信息自動化融合

工廠自動化與信息自動化的融合得益于以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。工廠自動化經(jīng)歷了從經(jīng)典集散控制到現(xiàn)場總線控制再到工業(yè)以太網(wǎng)控制的快速過渡和轉(zhuǎn)變。同時也加快了信息和控制自動化的融合，使自動化層的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)與設(shè)備控制得以無縫連接，實現(xiàn)了“一網(wǎng)到底”。通過車體自動識別跟蹤系統(tǒng)（AVI）、生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)（PMC）和安燈系統(tǒng)，實現(xiàn)了車體信息在焊裝、涂裝、總裝的信息流和信息追溯；搭載路由控制生產(chǎn)隊列，確保生產(chǎn)精準率達到了99.52%。

3.2 安全自動化與工廠自動化融合

安全自動化與工廠自動化的融合發(fā)展比較成熟，但也經(jīng)歷了漫長的過程。從安全繼電器到安全PLC，再到集成安全的PLC，得益于自動化技術(shù)的發(fā)展和安全標準的完善和統(tǒng)一。集成安全控制的主要安全總線協(xié)議有羅克韋爾的 Ethernet/IP Safety和西門子的PROFIsafe，均將安全協(xié)議與總線協(xié)議融為一體，即Ethernet/IP和Profinet。

3.3 過程自動化與工廠自動化的融合

由于控制儀表的發(fā)展，過程自動化與控制自動化聯(lián)系越來越緊密。使得過程自動化不僅包括各類現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)、集散控制系統(tǒng)（DCS）、邏輯控制系統(tǒng)和儀表安全系統(tǒng)（SIS）等硬件系統(tǒng)，還逐步融合先進控制和優(yōu)化、計劃調(diào)度和排產(chǎn)、經(jīng)營管理和供應鏈管理、能源節(jié)約等。車身涂裝生產(chǎn)的過程，也不僅僅是通過過程控制達到涂裝所需的工藝參數(shù)，而是融合省人化、目視化、安全可靠和能源利用最大化等特點的一個綜合系統(tǒng)。電泳控制、空調(diào)溫濕度控制、漆膠控制及車身烘干都是通過儀表和傳感器將采集信號傳送PLC處理和控制，有效地與控制系統(tǒng)相結(jié)合，更好地確保生產(chǎn)工藝。

3.4 能源自動化與工廠自動化的融合

能源使用觀念的改變和國家戰(zhàn)略中資源節(jié)約環(huán)境保護的相關(guān)要求使人們對能源的使用越來越重視。長城汽車通過借鑒建筑節(jié)能方案，將能源控制系統(tǒng)引入到整車廠，結(jié)合原有的能源管理系統(tǒng)，搭建了能源管控系統(tǒng)。通過優(yōu)化能源管理，與控制自動化、信息自動化對接，實現(xiàn)了能源預測與優(yōu)化、能源評估與審計、單車能耗分析等功能。能源控制融入給排水、空壓機、制冷機、換熱站、空調(diào)、工廠照明等系統(tǒng)節(jié)能控制，并有效利用控制自動化及信息自動化的網(wǎng)絡(luò)，做到了廠級、車間級和線體三級計量，細化采集和傳輸現(xiàn)場水、電、氣等能源測量儀表的數(shù)據(jù)，結(jié)合能源測評與優(yōu)化、能源評估與審計，分析出最佳節(jié)能方案，實施和持續(xù)改進，從而實現(xiàn)能源的合理利用。長城汽車通過能源與工廠自動化的融合，單車能耗降低了20%，達到了節(jié)能效果。

在汽車制造工廠，F(xiàn)A、IA、SA、PA、EA 5個自動化的融合以工廠自動化為核心，相互之間緊密聯(lián)結(jié)成一個大的控制架構(gòu)，如圖3所示。5A的融合將是汽車制造自動化發(fā)展的一個方向，勢必會給未來汽車制造帶來強有力的競爭力。

4 結(jié)束語

計算機、無線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)、IT、機器人、傳感器、安全控制等科學技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，以及人們對能源利用思維的日益轉(zhuǎn)變，工廠自動化在經(jīng)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后正向綜合自動化發(fā)展。未來的工廠5A融合，還包含和完善自適應控制、維護預警控制、產(chǎn)品設(shè)計、質(zhì)量監(jiān)測、工廠管理等方面，自動化系統(tǒng)運用萬物互聯(lián)理念和人工智能、信息物理融合、云等一些前沿技術(shù)，會進一步提高工作效率，保證質(zhì)量與安全，節(jié)約能源和原材料，從而提升工廠的競爭力。

[1]崔堅，李佳. 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]王志新. 制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及應用[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

U468.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.04.012

1002-4581（2015）04-0044-03

2015?03?19