5A智慧工廠架構

崔玉朋，李少輝，王 哲

（長城汽車股份有限公司生產技術開發中心，河北 保定 071000）

5A智慧工廠架構

崔玉朋，李少輝，王 哲

Cui Yupeng，Li Shaohui，Wang Zhe

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

工廠自動化；過程控制；能源管控；現場總線；儀表

（長城汽車股份有限公司生產技術開發中心，河北 保定 071000）

1 概 述

隨著網絡技術的發展，工業以太網在自動化控制領域日益成熟，Profinet、Ethernet /IP、Ethernet CAT等工業以太網技術相應而生。工業以太網技術與大數據云計算技術的發展促進了信息技術與自動化技術的融合，也為由德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部在2013年漢諾威工業博覽會上提出的工業4.0奠定了基礎。

工業 4.0描繪了制造業的未來愿景，提出繼以蒸汽機的應用、規模化生產和電子信息技術為標志的 3次工業革命后，人類將迎來以信息物理融合系統（CPS）為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命。工業 4.0勢必會打破將控制分為離散控制和過程控制的傳統分類，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

為實現控制系統的有機融合，長城汽車股份有限公司依據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，FA）、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，指自動完成產品制造的全部或部分加工過程的技術。通常以可編程邏輯控制器（PLC）為控制系統的中心單元，通過現場總線將現場的傳感器、按鈕開關、輔助觸點、變頻器狀態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出指令，現場執行元件依據PLC的指令進行動作，達到控制設備的目的。

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、流量和液位等數據，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據顯示到控制室。生產過程自動化系統除了能夠采集和處理信息，還能自動調節各種設備，優化生產。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測，通過PLC、DDC控制器（Direct Digital Controller）的計算分析對各參數進行調節，達到所需狀態。

2.3 信息自動化（IA）

汽車制造信息自動化包括安燈系統（Andon）、生產過程監控系統（PMC）、車體自動識別跟蹤系統（AVI）和路由控制（RC）。這4個子系統與生產設備控制層和生產計劃執行層連接緊密，通過信息指示、生產防錯、生產信息監控、生產隊列控制等功能，有效地輔助生產，確保生產的精準率，是連接控制自動化和生產制造執行系統的橋梁，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”，而是發生故障時做出有規則的動作，它具有強制導向接點結構，萬一發生接點熔結現象時也能確保安全動作。安全 PLC（安全可編程系統）指的是在自身或外圍元器件或執行機構出現故障時依然能正確響應并及時切斷輸出的可編程系統。安全自動化符合ISO 13849-1以及IEC 61508等控制系統安全相關標準要求。

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。能源控制系統是通過控制生產過程中的能耗設備，如給排水、空壓機、制冷機、換熱站、環境空調、工廠照明等設備，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，如圖 2所示，是以幫助工業生產企業在擴大生產的同時，合理計劃和利用能源，降低單位產品能源消耗，提高經濟效益，降低CO2排放量為目的的信息化管控系統。

3 5A融合

隨著先進控制理念不斷提出，如我國的兩化融合，提出了工業化與信息化融合；德國的工業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。

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技術的發展。工廠自動化經歷了從經典集散控制到現場總線控制再到工業以太網控制的快速過渡和轉變。同時也加快了信息和控制自動化的融合，使自動化層的生產信息管理系統與設備控制得以無縫連接，實現了“一網到底”。通過車體自動識別跟蹤系統（AVI）、生產過程監控系統（PMC）和安燈系統，實現了車體信息在焊裝、涂裝、總裝的信息流和信息追溯；搭載路由控制生產隊列，確保生產精準率達到了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展比較成熟，但也經歷了漫長的過程。從安全繼電器到安全PLC，再到集成安全的PLC，得益于自動化技術的發展和安全標準的完善和統一。集成安全控制的主要安全總線協議有羅克韋爾的 Ethernet/IP Safety和西門子的PROFIsafe，均將安全協議與總線協議融為一體，即Ethernet/IP和Profinet。

3.3 過程自動化與工廠自動化的融合

由于控制儀表的發展，過程自動化與控制自動化聯系越來越緊密。使得過程自動化不僅包括各類現場儀表、執行機構、集散控制系統（DCS）、邏輯控制系統和儀表安全系統（SIS）等硬件系統，還逐步融合先進控制和優化、計劃調度和排產、經營管理和供應鏈管理、能源節約等。車身涂裝生產的過程，也不僅僅是通過過程控制達到涂裝所需的工藝參數，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。電泳控制、空調溫濕度控制、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，有效地與控制系統相結合，更好地確保生產工藝。

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略中資源節約環境保護的相關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能方案，將能源控制系統引入到整車廠，結合原有的能源管理系統，搭建了能源管控系統。通過優化能源管理，與控制自動化、信息自動化對接，實現了能源預測與優化、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、工廠照明等系統節能控制，并有效利用控制自動化及信息自動化的網絡，做到了廠級、車間級和線體三級計量，細化采集和傳輸現場水、電、氣等能源測量儀表的數據，結合能源測評與優化、能源評估與審計，分析出最佳節能方案，實施和持續改進，從而實現能源的合理利用。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%，達到了節能效果。

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

4 結束語

計算機、無線技術、工業以太網、IT、機器人、傳感器、安全控制等科學技術的不斷發展與創新，以及人們對能源利用思維的日益轉變，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后正向綜合自動化發展。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、產品設計、質量監測、工廠管理等方面，自動化系統運用萬物互聯理念和人工智能、信息物理融合、云等一些前沿技術，會進一步提高工作效率，保證質量與安全，節約能源和原材料，從而提升工廠的競爭力。

[1]崔堅，李佳. 西門子工業網絡通信指南[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[2]王志新. 制造執行系統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