5A智慧工廠架構(gòu)

崔玉朋，李少輝，王 哲

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)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(duì)自動(dòng)化需求越來(lái)越高，汽車制造業(yè)將融合5個(gè)自動(dòng)化（5A）的控制架構(gòu)搭建5A智慧工廠。

工廠自動(dòng)化；過(guò)程控制；能源管控；現(xiàn)場(chǎng)總線；儀表

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)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(dòng)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(yīng)而生。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了信息技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的融合，也為由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)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(lái)愿景，提出繼以蒸汽機(jī)的應(yīng)用、規(guī)模化生產(chǎn)和電子信息技術(shù)為標(biāo)志的 3次工業(yè)革命后，人類將迎來(lái)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(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。工業(yè) 4.0勢(shì)必會(huì)打破將控制分為離散控制和過(guò)程控制的傳統(tǒng)分類，將工廠控制自動(dòng)化與信息、安全、能源及過(guò)程自動(dòng)化有效融合。

2 5A自動(dòng)化

為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的有機(jī)融合，長(zhǎng)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(dòng)化（Factory Automation，F(xiàn)A）、過(guò)程自動(dòng)化（Process Automation，PA）、信息自動(dòng)化（Information Automation，IA）、安全自動(dòng)化（Safety Automation，SA）和能源自動(dòng)化（Energy Automation，EA）有機(jī)融合，打造適合長(zhǎng)城汽車的新型5A智慧工廠。

2.1 控制自動(dòng)化（FA）

控制自動(dòng)化即工廠自動(dòng)化，指自動(dòng)完成產(chǎn)品制造的全部或部分加工過(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、按鈕開(kāi)關(guān)、輔助觸點(diǎn)、變頻器狀態(tài)信息等實(shí)時(shí)信號(hào)采集到PLC。 PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯或其他運(yùn)算后發(fā)出指令，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件依據(jù)PLC的指令進(jìn)行動(dòng)作，達(dá)到控制設(shè)備的目的。

2.2 過(guò)程自動(dòng)化（PA）

過(guò)程自動(dòng)化在電力、石化、冶金、化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛，通過(guò)溫度、壓力、流量、液位等過(guò)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(jì)算機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行儲(chǔ)存和分析，再用簡(jiǎn)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(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)除了能夠采集和處理信息，還能自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)。汽車制造過(guò)程自動(dòng)化在涂裝車間通過(guò)安裝過(guò)程儀表和傳感器，對(duì)電流、流量、壓力、溫度、濕度等模擬量信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLC、DDC控制器（Direct Digital Controller）的計(jì)算分析對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到所需狀態(tài)。

2.3 信息自動(dòng)化（IA）

汽車制造信息自動(dòng)化包括安燈系統(tǒng)（Andon）、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)（PMC）、車體自動(dòng)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)（AVI）和路由控制（RC）。這4個(gè)子系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備控制層和生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行層連接緊密，通過(guò)信息指示、生產(chǎn)防錯(cuò)、生產(chǎn)信息監(jiān)控、生產(chǎn)隊(duì)列控制等功能，有效地輔助生產(chǎn)，確保生產(chǎn)的精準(zhǔn)率，是連接控制自動(dòng)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(dòng)化（SA）

安全自動(dòng)化源于安全控制，最典型的安全控制當(dāng)屬安全繼電器和安全 PLC。所謂“安全繼電器”并不是“沒(méi)有故障的繼電器”，而是發(fā)生故障時(shí)做出有規(guī)則的動(dòng)作，它具有強(qiáng)制導(dǎo)向接點(diǎn)結(jié)構(gòu)，萬(wàn)一發(fā)生接點(diǎn)熔結(jié)現(xiàn)象時(shí)也能確保安全動(dòng)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(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)依然能正確響應(yīng)并及時(shí)切斷輸出的可編程系統(tǒng)。安全自動(dòng)化符合ISO 13849-1以及IEC 61508等控制系統(tǒng)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 能源自動(dòng)化（EA）

能源自動(dòng)化包含能源控制和能源管理 2個(gè)系統(tǒng)。能源控制系統(tǒng)是通過(guò)控制生產(chǎn)過(guò)程中的能耗設(shè)備，如給排水、空壓機(jī)、制冷機(jī)、換熱站、環(huán)境空調(diào)、工廠照明等設(shè)備，從而達(dá)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(kuò)大生產(chǎn)的同時(shí)，合理計(jì)劃和利用能源，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)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(jìn)控制理念不斷提出，如我國(guó)的兩化融合，提出了工業(yè)化與信息化融合；德國(guó)的工業(yè)4.0理念提出了信息物理融合。同時(shí)工廠對(duì)自動(dòng)化需求日益提升，這些加速了自動(dòng)化間的融合，也為5個(gè)自動(dòng)化的融合奠定了理論基礎(chǔ)。

3.1 工廠自動(dòng)化與信息自動(dòng)化融合

工廠自動(dòng)化與信息自動(dòng)化的融合得益于以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。工廠自動(dòng)化經(jīng)歷了從經(jīng)典集散控制到現(xiàn)場(chǎng)總線控制再到工業(yè)以太網(wǎng)控制的快速過(guò)渡和轉(zhuǎn)變。同時(shí)也加快了信息和控制自動(dòng)化的融合，使自動(dòng)化層的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)與設(shè)備控制得以無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)了“一網(wǎng)到底”。通過(guò)車體自動(dòng)識(shí)別跟蹤系統(tǒng)（AVI）、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)（PMC）和安燈系統(tǒng)，實(shí)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(duì)列，確保生產(chǎn)精準(zhǔn)率達(dá)到了99.52%。

3.2 安全自動(dòng)化與工廠自動(dòng)化融合

安全自動(dòng)化與工廠自動(dòng)化的融合發(fā)展比較成熟，但也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。從安全繼電器到安全PLC，再到集成安全的PLC，得益于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和安全標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程自動(dòng)化與工廠自動(dòng)化的融合

由于控制儀表的發(fā)展，過(guò)程自動(dòng)化與控制自動(dòng)化聯(lián)系越來(lái)越緊密。使得過(guò)程自動(dòng)化不僅包括各類現(xiàn)場(chǎng)儀表、執(zhí)行機(jī)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(jìn)控制和優(yōu)化、計(jì)劃調(diào)度和排產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理和供應(yīng)鏈管理、能源節(jié)約等。車身涂裝生產(chǎn)的過(guò)程，也不僅僅是通過(guò)過(guò)程控制達(dá)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(diǎn)的一個(gè)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(guò)儀表和傳感器將采集信號(hào)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(dòng)化與工廠自動(dòng)化的融合

能源使用觀念的改變和國(guó)家戰(zhàn)略中資源節(jié)約環(huán)境保護(hù)的相關(guān)要求使人們對(duì)能源的使用越來(lái)越重視。長(zhǎng)城汽車通過(guò)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(guò)優(yōu)化能源管理，與控制自動(dòng)化、信息自動(dòng)化對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了能源預(yù)測(cè)與優(yōu)化、能源評(píng)估與審計(jì)、單車能耗分析等功能。能源控制融入給排水、空壓機(jī)、制冷機(jī)、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(dòng)化及信息自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)，做到了廠級(jí)、車間級(jí)和線體三級(jí)計(jì)量，細(xì)化采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)水、電、氣等能源測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)，結(jié)合能源測(cè)評(píng)與優(yōu)化、能源評(píng)估與審計(jì)，分析出最佳節(jié)能方案，實(shí)施和持續(xù)改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。長(zhǎng)城汽車通過(guò)能源與工廠自動(dòng)化的融合，單車能耗降低了20%，達(dá)到了節(jié)能效果。

在汽車制造工廠，F(xiàn)A、IA、SA、PA、EA 5個(gè)自動(dòng)化的融合以工廠自動(dòng)化為核心，相互之間緊密聯(lián)結(jié)成一個(gè)大的控制架構(gòu)，如圖3所示。5A的融合將是汽車制造自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)方向，勢(shì)必會(huì)給未來(lái)汽車制造帶來(lái)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)、無(wú)線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)、IT、機(jī)器人、傳感器、安全控制等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，以及人們對(duì)能源利用思維的日益轉(zhuǎn)變，工廠自動(dòng)化在經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、車間自動(dòng)化、全廠集中控制等幾個(gè)重要階段之后正向綜合自動(dòng)化發(fā)展。未來(lái)的工廠5A融合，還包含和完善自適應(yīng)控制、維護(hù)預(yù)警控制、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、工廠管理等方面，自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)用萬(wàn)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(huì)進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)力。

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U468.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.04.012

1002-4581（2015）04-0044-03

2015?03?19