5A智慧工厂架构

崔玉朋，李少辉，王 哲

（长城汽车股份有限公司生产技术开发中心，河北 保定 071000）

5A智慧工厂架构

崔玉朋，李少辉，王 哲

Cui Yupeng，Li Shaohui，Wang Zhe

工业发展对自动化需求越来越高，汽车制造业将融合5个自动化（5A）的控制架构搭建5A智慧工厂。

工厂自动化；过程控制；能源管控；现场总线；仪表

（长城汽车股份有限公司生产技术开发中心，河北 保定 071000）

1 概 述

随着网络技术的发展，工业以太网在自动化控制领域日益成熟，Profinet、Ethernet /IP、Ethernet CAT等工业以太网技术相应而生。工业以太网技术与大数据云计算技术的发展促进了信息技术与自动化技术的融合，也为由德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的工业4.0奠定了基础。

工业 4.0描绘了制造业的未来愿景，提出继以蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术为标志的 3次工业革命后，人类将迎来以信息物理融合系统（CPS）为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。工业 4.0势必会打破将控制分为离散控制和过程控制的传统分类，将工厂控制自动化与信息、安全、能源及过程自动化有效融合。

2 5A自动化

为实现控制系统的有机融合，长城汽车股份有限公司依据智能建筑思路提出了 5A智慧工厂的概念。将工厂控制自动化（Factory Automation，FA）、过程自动化（Process Automation，PA）、信息自动化（Information Automation，IA）、安全自动化（Safety Automation，SA）和能源自动化（Energy Automation，EA）有机融合，打造适合长城汽车的新型5A智慧工厂。

2.1 控制自动化（FA）

控制自动化即工厂自动化，指自动完成产品制造的全部或部分加工过程的技术。通常以可编程逻辑控制器（PLC）为控制系统的中心单元，通过现场总线将现场的传感器、按钮开关、辅助触点、变频器状态信息等实时信号采集到PLC。 PLC对信号进行逻辑或其他运算后发出指令，现场执行元件依据PLC的指令进行动作，达到控制设备的目的。

2.2 过程自动化（PA）

过程自动化在电力、石化、冶金、化工等行业应用广泛，通过温度、压力、流量、液位等过程传感器收集温度、压力、流量和液位等数据，然后利用计算机对这些信息进行储存和分析，再用简洁明了的形式把处理后的数据显示到控制室。生产过程自动化系统除了能够采集和处理信息，还能自动调节各种设备，优化生产。汽车制造过程自动化在涂装车间通过安装过程仪表和传感器，对电流、流量、压力、温度、湿度等模拟量信号实时监测，通过PLC、DDC控制器（Direct Digital Controller）的计算分析对各参数进行调节，达到所需状态。

2.3 信息自动化（IA）

汽车制造信息自动化包括安灯系统（Andon）、生产过程监控系统（PMC）、车体自动识别跟踪系统（AVI）和路由控制（RC）。这4个子系统与生产设备控制层和生产计划执行层连接紧密，通过信息指示、生产防错、生产信息监控、生产队列控制等功能，有效地辅助生产，确保生产的精准率，是连接控制自动化和生产制造执行系统的桥梁，如图1所示。

2.4 安全自动化（SA）

安全自动化源于安全控制，最典型的安全控制当属安全继电器和安全 PLC。所谓“安全继电器”并不是“没有故障的继电器”，而是发生故障时做出有规则的动作，它具有强制导向接点结构，万一发生接点熔结现象时也能确保安全动作。安全 PLC（安全可编程系统）指的是在自身或外围元器件或执行机构出现故障时依然能正确响应并及时切断输出的可编程系统。安全自动化符合ISO 13849-1以及IEC 61508等控制系统安全相关标准要求。

2.5 能源自动化（EA）

能源自动化包含能源控制和能源管理 2个系统。能源控制系统是通过控制生产过程中的能耗设备，如给排水、空压机、制冷机、换热站、环境空调、工厂照明等设备，从而达到提升能源利用率和降低能耗的目的。能源管理系统，如图 2所示，是以帮助工业生产企业在扩大生产的同时，合理计划和利用能源，降低单位产品能源消耗，提高经济效益，降低CO2排放量为目的的信息化管控系统。

3 5A融合

随着先进控制理念不断提出，如我国的两化融合，提出了工业化与信息化融合；德国的工业4.0理念提出了信息物理融合。同时工厂对自动化需求日益提升，这些加速了自动化间的融合，也为5个自动化的融合奠定了理论基础。

3.1 工厂自动化与信息自动化融合

工厂自动化与信息自动化的融合得益于以太网技术的发展。工厂自动化经历了从经典集散控制到现场总线控制再到工业以太网控制的快速过渡和转变。同时也加快了信息和控制自动化的融合，使自动化层的生产信息管理系统与设备控制得以无缝连接，实现了“一网到底”。通过车体自动识别跟踪系统（AVI）、生产过程监控系统（PMC）和安灯系统，实现了车体信息在焊装、涂装、总装的信息流和信息追溯；搭载路由控制生产队列，确保生产精准率达到了99.52%。

3.2 安全自动化与工厂自动化融合

安全自动化与工厂自动化的融合发展比较成熟，但也经历了漫长的过程。从安全继电器到安全PLC，再到集成安全的PLC，得益于自动化技术的发展和安全标准的完善和统一。集成安全控制的主要安全总线协议有罗克韦尔的 Ethernet/IP Safety和西门子的PROFIsafe，均将安全协议与总线协议融为一体，即Ethernet/IP和Profinet。

3.3 过程自动化与工厂自动化的融合

由于控制仪表的发展，过程自动化与控制自动化联系越来越紧密。使得过程自动化不仅包括各类现场仪表、执行机构、集散控制系统（DCS）、逻辑控制系统和仪表安全系统（SIS）等硬件系统，还逐步融合先进控制和优化、计划调度和排产、经营管理和供应链管理、能源节约等。车身涂装生产的过程，也不仅仅是通过过程控制达到涂装所需的工艺参数，而是融合省人化、目视化、安全可靠和能源利用最大化等特点的一个综合系统。电泳控制、空调温湿度控制、漆胶控制及车身烘干都是通过仪表和传感器将采集信号传送PLC处理和控制，有效地与控制系统相结合，更好地确保生产工艺。

3.4 能源自动化与工厂自动化的融合

能源使用观念的改变和国家战略中资源节约环境保护的相关要求使人们对能源的使用越来越重视。长城汽车通过借鉴建筑节能方案，将能源控制系统引入到整车厂，结合原有的能源管理系统，搭建了能源管控系统。通过优化能源管理，与控制自动化、信息自动化对接，实现了能源预测与优化、能源评估与审计、单车能耗分析等功能。能源控制融入给排水、空压机、制冷机、换热站、空调、工厂照明等系统节能控制，并有效利用控制自动化及信息自动化的网络，做到了厂级、车间级和线体三级计量，细化采集和传输现场水、电、气等能源测量仪表的数据，结合能源测评与优化、能源评估与审计，分析出最佳节能方案，实施和持续改进，从而实现能源的合理利用。长城汽车通过能源与工厂自动化的融合，单车能耗降低了20%，达到了节能效果。

在汽车制造工厂，FA、IA、SA、PA、EA 5个自动化的融合以工厂自动化为核心，相互之间紧密联结成一个大的控制架构，如图3所示。5A的融合将是汽车制造自动化发展的一个方向，势必会给未来汽车制造带来强有力的竞争力。

4 结束语

计算机、无线技术、工业以太网、IT、机器人、传感器、安全控制等科学技术的不断发展与创新，以及人们对能源利用思维的日益转变，工厂自动化在经历了单机自动化、车间自动化、全厂集中控制等几个重要阶段之后正向综合自动化发展。未来的工厂5A融合，还包含和完善自适应控制、维护预警控制、产品设计、质量监测、工厂管理等方面，自动化系统运用万物互联理念和人工智能、信息物理融合、云等一些前沿技术，会进一步提高工作效率，保证质量与安全，节约能源和原材料，从而提升工厂的竞争力。

[1]崔坚，李佳. 西门子工业网络通信指南[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[2]王志新. 制造执行系统MES及应用[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

U468.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.04.012

1002-4581（2015）04-0044-03

2015−03−19