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彭瑜 | 乐高积木式的模块化与开放自动化

www.cechina.cn2022.01.12阅读 587

  开放自动化的三个发展方向
  正在勃发,开放自动化!在工业自动化领域中孕育多年的开放自动化方向,已然开花结果。不仅仅在美国,而且在以德国为代表的欧洲,开放自动化都是由最终用户或最终用户组织发动,并锲而不舍地在推动。这些都是为了满足流程工艺的强化、工艺设施的简化,以及运营操作卓越化的强烈要求。
  这些现象表明,经历了几十年软硬捆绑的工业控制系统的局面,一方面远远跟不上IT技术日益深入渗透到OT技术的趋势,在基础自动化设施实施数字化转型中表现出诸多瓶颈和困难;另方面一些难以克服弊端和痼疾也越来越清晰地暴露出来,例如所有的技术升级都必须依赖原来的供应商,花费大,时间长;再如一旦原有系统的备品备件无法供给,就需要重起炉灶推倒重来,失去的不仅是时间和投资,可能还有二三十年积累的工艺数据和操作经验。蕴藏着极大潜力的开放自动化应运而生的背景正在于此。
  迄今为止还没有一个准确而全面的描述开放自动化的定义或说明。根据已经实施的活动内容,开放自动化目前主要有以下三个方面:
  1)美国开放流程自动化论坛OPAF倡导的开放自动化标准,瞄准的是用软硬解耦的自动化组件构成可互操作、内生信息安全的分布式工业控制系统以及其上层的HMI、SCADA和制造执行系统MES,也就是说重新定义DCSPLC和MES的架构及构成。
  2)德国的开放自动化的主流是由NAMUR倡导的NOA(NAMUR Open Automation)和以模块化为主要特征的模块类型包MTP(Modular Type Package)。前者是把现有DCS奉为核心系统,以不越雷池一步的方式保留原有的DCS,以免伤筋动骨,而在其一侧建立另一个数据通道和进行全局监控和优化的工业IT系统(即M+O);后者是为流程工业的生产单元开发一系列具有特定功能性和功能的模块,通过流程编排将已组装好且具有统一接口的模块连续排列组合,创建一个流程,这些模块相互耦合成流程控制的中枢。
  3)另外一个重要的方面是在模块化和具有互操作性的自动化软硬组件的基础上形成自动化工程项目开发的新方法,软硬解耦在工程设计和实施具体表现为所谓的“后期绑定”,即生产设施的硬件不必从项目启动时与系统工程设计文件紧密配合,据此生成的应用软件可以与生产设施的设计制造并行施工,直到后期才将二者绑定进入调试阶段。这一自动化工程项目开发的新方法极大降低自动化工程项目开发的成本和加快项目开发的时间。
  经历了100多年的发展,大多数流程工厂及其生产设施不断进化;这些工艺和设施经过了现代化、扩建、并再次现代化,以适应生产和控制技术一代又一代的进步。从工程的角度来看,工艺设备已经进化成一个不仅仅关注个别设备、更着重于整体、并高度定制的成套设备。自动化系统及其设计和工程也以同样的方式发展——打包成一个整体、专有的、依赖于大量的客制化和工程总承包定制。随着这些专有的、整体打包而且高度依赖工程的方法日益成为固定的模式,它也给最终用户带来了越来越难以接受的负担。从工程历史上看,自动化项目很少按时完成,而且通常超出预算。与此同时,项目变得越来越大,越来越复杂,投资也越来越膨胀。这些大型的、高度复杂的项目很难管理。鉴于自动化历来一直是工程项目能按时完成的障碍,逐渐变得不再可以接受,以至最终用户开始表达他们对自动化系统经营模式的不满,他们期望自动化系统更灵活、更易于部署和维护,他们需要一种不同的自动化方法,一个基于模块化、可以很方便集成在一起的标准化部件的解决方案,从而扬弃采用了几十年来技术变化所形成的、存在许多复杂层次的方法。
  从社会生产的大环境而言,市场竞争的日趋激烈,环境保护的要求日趋严厉,能源短缺所造成的节能指标日益严格,所有这些因素的叠加,都要求流程工业降本提质,都是推动工业自动化向开放自动化转型的一种原始动力。
  最终用户的强烈诉求
  早在2006年前后,美国信实生命科学公司执行了一个项目(Reliance Life Sciences Project),用FF基金会现场总线技术将撬装式模块集成建立了一个工厂。这些橇装且功能齐全的模块可以让精细化工和生命科学行业的终端用户用更小的占地面积更快地建造工厂,还可以简化监管过程。
  2009年,欧盟启动了F3 Factory(Flexible, Fast and Future Factory)研究项目,目标是维护化工、石化等行业的竞争力,克服大规模连续加工处理行业高资本投资和流程工艺难以灵活变化的刚性缺点,以及小规模批量加工行业低效率的问题,并结合二者的优势将效率导入多用途、多产品的生产流程和设施;为大规模的连续生产设施引入灵活性。研究目标包括:通过强化工艺(process intensification)提供更紧凑、成本更低的工艺设计,降低对环境的影响;开发能够处理多种化学过程的标准化、模块化、即插即用的化工生产设备;为强化工艺开发工程方法。项目的参与者包括巴斯夫(BASF))、拜耳(Bayer)和赢创(Evonik)等众多的化工企业,以及大学和研究机构。可以说这就是模块化生产的最早的尝试。
  在F3项目的实施过程中有一个重要发现,即除了物料管道、能源管道等的物理互连之外,明确数据和自动化结构的集成是一个主要问题。即使单元操作的专业知识掌握在各自的设备模块提供商手中,在建工厂的设计人员和技术人员也必须按整体工艺编排将设备模块集成,而不必在自动化细节过多费心。这正是2014年NAMUR和ZVEI发起开发模块类型包MTP的初衷。设备模块制造商的客户定义所需的功能和服务,然后由模块制造商负责实现,并生成便于集成所需的MTP文件。这种方法的可行性已经被一些化工工厂和设备模块制造商证明,模块化生产依赖于设备模块以及自动化组件和系统供应商一起运用MTP规范完成。
  正如图1所描述的,最终用户所向往的是通过可互操作性、实时采集和分析数据、虚拟化、分布式控制和面向服务来实现模块化生产,而模块化生产首先需要具有标准化接口和满足工艺操作控制细节的自动化软件实现。

图1 模块化生产就是竞争优势(来源:NAMUR)

  2015年埃克森美孚提出他们对开放自动化系统的展望以及未来开放系统必须具备的功能特征,主要包涵四个方面(见图2):模块化,即系统由模块化的部件构成,必要时可以拆分和重组;符合开放且公开的工业标准;可互操作性,即软件的一致性能力能确保集成不费劲不耗时;可移植性,即保证应用软件可在多个平台运行。在这些展望和功能特征中,显然分布式和模块化的架构更为紧要CONTROL ENGINEERING China版权所有,因为这涉及到降低I/O、控制系统和HMI更新换代和升级的成本和风险;涉及到处于L3制造运营管理应用(如警报管理、资产管理、作业安排和调度)引入最新工业软件和软件技术;涉及到如何实现以较低的成本轻松地增加生产能力,并能在流程控制中添加新功能。

图2 开放自动化系统的展望(来源:埃克森美孚)

  乐高积木搭、搭、搭
  模块化是喜闻乐见的。生产制造过程的模块化或自动化领域中的模块化,本质上都是将系统、流程工业中的成套生产设施、过程和单元操作分解成标准的、模块化的组件;就像乐高积木一样,可以自由地混合和搭配。在新型的流程自动化系统中,模块化方法可以广泛地运用在许多方面,譬如模块化的I/O,模块化的标准机柜/现场接线盒,模块化设计的标准样板,模块化的控制系统,模块化的应用软件,模块化的自动化系统设计的新方法,模块化的流程单元(图3)、模块化的流程单元的操作,甚至在工厂这样的层面,许多流程工业的工厂和设施也越来越多地采用模块化的概念建造(图4)。图4中左面是按客制化的方式建造的流程工业的工厂设施,右面则是按模块化方式采用工艺强化建造的工厂设施,二者的功能和产量均一样,但明显可见模块化生产的优势突出,结构紧凑、投资少、见效快。

图3 预制的模块化单元越来越多地在流程工业应用(源自:ARC网站)

图4 客制化工厂与模块化工厂的强烈对比(源自:ARC网站)

  模块化的关键利益体现在:标准化,取消或大幅减少设备、系统和流程的客制化,操作运行的卓越化。标准化是指在各类模块化的应用中遵循相关的工业标准和标准的方法步骤,这在开发运用MTP模块类型包规范中得到充分体现。目前还难以避免一定程度的客制化,但是按客制化的集成和工程化的成本过高,因此逐渐过渡到模块化的集成方式是一种趋向。新的模块化的方法可以将项目完成时间降低30%,克服了大多数的自动化项目都不能按期交付,并超出预算成本的弊端。操作运行的卓越化有利于降低运行和维护成本,降低非计划停车,降低风险,改善安全。
  以控制系统的模块化为例,控制系统架构的模块化正以多种方式表现出来。已经出现了新一代的“单点”I/O,可以通过特定的插件模块(被称之为“可配置的”I/O)和软件可组态的I/O进行单点配置。由于采用这些新的I/O形式,模块化的标准机柜和现场机箱也变得更加可行。它们占用的空间更小,并且能够适应项目后期的变化。灵活的设计也消除了定制机柜机柜的需要,可以在控制柜设计和定制方面节省相当的成本。这种新的解决方案将控制柜设计与控制硬件分离,允许最终用户从各种标准的机柜设计中选用。
  此外,远程仪器仪表机箱的使用也在增加,这些机箱基本上是具备所需功能的测量和控制模块和相关设备,便于快速部署(见图5)。可以把远程仪器仪表机箱的使用视为模块化设计理念的扩展。采用远程仪器仪表机箱有若干优点。首先,车间的熟练工的生产效率比在现场安装和调试设备的工人要高30%到50%,这一差异为整个项目施工上节省了相当多的时间,可以抵消模块化的工程成本,甚至还有更多的结余。其次,远程仪器仪表机箱的在车间事先制造的方法,可以保证生产质量的控制,由不同工种的工人(如绝缘、油漆、无损检测、压力测试等)完成相应的工作,可缩短工期,保证质量,节约成本;还可以用较低的检验和测试成本完成出厂前的整体质量检验。再次,也可以避免在现场施工因天气原因带来的延误,解决熟练工短缺的问题。

图5 使用远程仪器仪表机箱节省施工时间和工程成本(源自:西门子)

  在实际的工厂和工艺设计中,有许多因素驱动模块化概念的使用。对于海上石油和天然气以及浮式生产和存储处理等行业,空间是一个重大的考虑因素。在这些场景下,模块化方法通常是将所有的主设备与辅助设备都能合理布置在有限空间的唯一方法。模块化可以最有效地利用空间进行紧凑性设计,同时也对设计人员有很高的要求,体现设计密集型的特点。

图6 模块化的工厂由功能齐全的设备模块和撬装式设备集成(源自:弗戈工业在线)

  例如世界上最大的轮船——壳牌的顶级浮动天然气液化(GTL)船,要求将传统的气体液化处理设备单元缩小到原有尺寸的四分之一,而且为了把所有必要的设备安装到单一的容器壳体,除了采用模块化的设计别无它法。当然模块化方法并不局限于油气应用,事实上工厂设计的模块化概念实际上起源于制药和精细化工行业。
  三者结合,开创先例
  模块类型包MTP,开创了设备、流程与自动化软件三者紧密结合的先例。在流程工业自动化技术发展进程中,通过运用IT技术的成熟和最新成果,瞄准虚拟化的方向开发相应的工业软件。同时还要从最终用户的利益和需求出发www.cechina.cn,考虑新旧交替过程中的平稳过渡,也是必须遵循的原则。所有这些工业软件的开发还必须建立在综合运用多年来积累的行之有效的工业标准和IT标准的基础上,通过制定下一代流程工业自动化的系列标准CONTROL ENGINEERING China版权所有,参与并深入到全开放的自动化架构中。在此进程中,发端于德国的模块化类型包MTP历经七、八年的发展,已取得了在制药、精细化工、食品工业、水处理等行业的成功运用。在硬件上MTP可以利用现有的DCS和PLC的部件或嵌入式工控组件无缝集成为流程装置的自动化单元,强调在优化性价比的同时将工程量降至最低、加快工程交付进度。

图7 MTP规范适用于制药、油气能源、化工、食品等工业(源于:NAMUR、ProcessNet、VDMA和ZVEI的联合报告)

  模块化工厂的结构许多方面是在ISA 88和ISA 95的基础上发展了自动化即插即用的生产模型,因此可以认为这是运用最新技术重铸ISA 88和ISA 95的生产模型的成果,也是描述独立于供应商、采用工艺设备模块及其对应的自动化模块进行集成所需的完整信息表述。模块类型包(MTP)是流程自动化模块标准化非专有描述的关键概念,它有助于自动化系统的模块化。每一个进入MTP模块库的模块,都包含一个与制造商无关的过程模块自动化的功能描述和标准化的接口。在模块工程实施的过程中由模块制造商在一个MTP的XML文件中生成数据。每一个MTP模块都包括报警管理、功能安全和信息安全、过程控制、人机界面(HMI)和维护诊断等功能属性(见图8)。

图8 符合MTP规范的自动化模块内涵现代过程控制的各种功能属性(来源:NAMUR网站)

  模块化生产的创新倡议是德国流程工业4.0(Industry 4.0 For Process)在MTP基础上开展的另一个活动。它期望重点解决用户普遍对供应商交付的各种设备不能直接和智能地与控制、自动化、资产管理和业务系统通信的抱怨;同时也降低用户对单一供应商接口的唯一性和锁定的依赖。为了实现模块化,提高设计效率,提高安装、调试和启动效率,标准化和可靠的数据,互操作性、更高的可靠性和质量等广泛的利益,流程行业正朝着设备和流程的模块化用例所定义的模型发展。模块化系统的组件可以为改善成本及运营,还可以其生命周期内进行多次升级,而无需购买全新的系统。图9描述了实施模块化生产工厂工程的各个阶段:从基础到设计、组态、即插即用、投入生产和为生产另一种产品而进行流程重组,体现了模块化生产所带来的一系列优点:缩短产品投放市场的时间、改善生产效率和充分利用模块化的优势提高生产的灵活性。不同的设备模块制造商提供不同的工艺设备模块www.cechina.cn,如给料设备模块、反应设备模块、提纯设备模块等等,所有这些模块都按照MTP规范的要求配备用AutomationML标准编制的MTP下发文件(XML文本)。在进行流程设计时按流程工艺要求选用合适规格的工艺设备模块,之后进入模块化成套设备的设计阶段,逐个对这些模块组态;接着通过标准化的接口将它们连接,开始即插即用、立即投料试车的阶段。由于所有的设备模块其相关的工艺流程都是标准化的,此时通过流程编排软件工具组织合理合规的生产流程,调试投运也是相当顺当的。只要在MTP下发文件中具有优化的功能,在生产流程稳定之后即可运用这一功能改善生产效率。

图9 实施模块化生产工厂工程的各个阶段(源自:ZVEI网站)

  对于完全模块化和部分模块化的工厂,基于批处理、SCADA、MES或工业物联网系统的新的流程编排层(POL)可对流程控制系统进行组态、补充或修改。由于MTP为POL提供业务流程模块服务,所有自动化功能及其实施细节都由MTP提供,就免除了进行详细的编程和组态的必要。与传统的流程控制系统不同,POL不直接向模块中的执行器发指令,只向模块的服务发送命令,再由这些服务调用相关程序。状态和过程变量值显示在POL控制屏幕上。这些服务在VDI/VDE/NAMUR 2658中有更详细的描述。显然,POL为自动化供应商提供了机会和创新空间,开发基于MTP模块化的自动化,创建灵活性更强、更便于应用的自动化平台。

图10 POL控制屏幕显示各个模块的状态和过程变量值(来源:NAMUR, ProcessNet, VDMA, ZVEI)的联合报告

  MTP技术的开发和应用进入发展中期
  许多模块供应商已经在自动化供应商的支持下获得了初步的运用MTP的经验,而且许多供应商正在ZVEI的领导下研究MTP概念的推广。像巴斯夫、拜耳、赢创和默克KGaA这样的早期采用者,已经在各种试点项目中获得了经验,证明了MTP的概念有利于用户,并且无容置疑的是所要求的互操作性和独立于特定制造商等目标都已达到。当前的症结所在还是用户对此还没有建立足够的信心,因而形成广泛需求的局面尚有待时日。

图11 MTP规范已经在现有的化工厂中取到成功应用(来源:Evonik:赢创)

  赢创是一家全球规模的跨国公司,它设在新加坡的一家化工厂中完成了一个试验项目引人注目。现有的流程已经在日本横河的Centum VP的DCS控制系统控制下正常运行多年,由于工艺需要增加一台冷却设备,这台ENGIE公司提供的执行MTP的成套设备,其控制系统由西门子S7-1500构成(见图11)。在此试验项目中DCS系统还充当了流程编排层POL的角色。主要通过即插即用的方式投入生产,在短短几天内就得以实现。80%的过程是在MTP-HMI描述的一对一导入中进行的,人工调整仅占20%。这一成功试验有力地证明,基于MTP模块化达到即插即用不仅仅适用于新建的流程,也完全适用于已有流程的改建和改善。
  根据用户和供应商的看法,现有三个因素将决定MTP概念的成功:
  ☆ 来自用户的必要需求,他们应该积极支持MTP的应用,按照自己的需求提供MTP的交付模块规格书和设备单元的规格书,支持MTP的开发和应用。
  ☆ 吸引更多的DCS和PLC厂家参与MTP的开发,在现有的工业控制系统的基础上增加MTP的功能,以确保现有的工厂也能受益于模块化设备和模块化的自动化的新选择。
  ☆ 推动MTP标准的国际化,这首先是德国组织NAMUR,、ZVEI和VDMA的责任,但也仰仗在全球范围内活跃的流程工业公司的支持采用。
  小记:蓬勃起浪很显然
  MTP概念已经做好进入市场的准备。模块化生产将在流程工业中发挥重要作用。可缩短产品上市时间,提高生产灵活性,降低投资风险。流程模块中的标准化自动化接口使它们快速集成,从而为生产流程所必须的全部功能准备基础条件。MTP模块类型包在其中扮演着关键的角色。它提供一个独立于供应商的过流程模块的描述,包括HMI、过程控制、维护、诊断、功能安全和信息安全,以及报警管理等各个方面。在实施整个流程自动化的过程中,MTP被导入流程编排层POL,由POL将所有需要的模块集成。若干试点项目证明,MTP概念的标准化已经取得了长足的进展,足以向商业应用部署。不过,它是否真的能在市场上取得成功,将取决于用户的广泛需求。已经有一些用户组织(如Profibus用户组织、BioPhorum MTP Testing Plugfest制药MTP互连测试组织等)将在未来推动国际标准化、传播和推广应用,这将是一个主要的成功因素。
  BioPhorum显得很不平凡,它追求即插即用设备的互操作性。BioPhorum MTP标准倡议是将模块化标准应用于制药生产的范例。用户和供应商合作,朝着实现生物制药和其他制药行业即插即用设备互操作性的目标迈进。其愿景是为MTP制定指导方针文件,并与模块化设备一并使用。在生物制药加工行业实现即插即用极大地减少工程人力,降低项目执行时间,提高质量。即插即用的核心概念和实施方法是定义MTP的VDI/VDE/NAMUR 2658标准。BioPhorum的即插即用概念的目标是方便地将智能单元操作集成到符合GMP标准的工厂的上层监控自动化系统的S88程序批处理引擎中。采用OPC UA作为系统间MTP数据的通信方式。
  模块化设备为流程工业企业展现了许多创新机会。按照模块化的方式扩展现有的流程工艺设备,可以更加高效地把新的工艺设备模块集成到现有流程工艺设备中去;对于新建企业,模块化的吸引力在于能在降低工程费用的前提下,将灵活性提高50%;由于高附加值的产品宜于小批量生产,精细化工企业和制药企业长期追求的具有很高灵活性的生产工艺技术,在MTP技术的支持下理念更容易实现;不断开发和运用不同的反应设备模块或者下游处理模块,为实现产品品种多样化奠定了前提条件。
  不少工业自动化公司已为MTP的应用做好准备。ABB、施耐德电气、横河、西门子等都支持MTP的开发和试验的积极支持者和参与者。倍福在去年推出了TwinCAT MTP软件,可以以面向对象的开发方式为MTP生成代码,并通过OPC UA与处于流程编排层的DCS通讯。爱默生的Delta V DCS系统也在近年完成了对MTP技术的支持应用。我们也期待国内的DCS厂家和PLC厂家跟上这一开放自动化的步伐。
  那么控制工程网版权所有,MTP是否可以从流程行业向离散制造业推广?答案早已了然。模块化的自动化不仅适合于流程工业,从原理上讲也完全适合于离散制造业,西门子在十几年前推基于组件自动化CBA(Component-based Automation),虽然具有模块化的概念,却缺少MTP的内涵和来自最终用户的推动力量。如今要在离散制造业推广MTP,关键是要在离散制造业数量繁多的细分行业中寻求合适的应用场景,并与设备制造商和用户合作开发相应的设备模块和MTP模块,迅速试点,逐步推开。据悉德国已经在开始这方面的探索。值得注意的是按照MTP的现有规范,在开发MTP模块时形成的MTP下发文件遵循AutomationML规范,以.XML文件形式下发。考虑到AutomationML的复杂性,如果采用IEC 61499系统级建模语言加以简化,或许会在一定程度上降低MTP的技术门槛;另外考虑到目前MTP的通信仅采用OPC UA,在离散制造业应用还必须采用其它的工业通信协议才会有生命力。尽管MTP技术已经成熟,但也有其短板,因此还有很大的发展空间。
  于无声处听惊雷。开放自动化以各种形状蔓延开来,模块化只是它伸展手脚的的一个枝杈而已。OT与IT的融合,并不是都是那么激烈地浮现在众人面前。暗流涌动之下,新的自动化旋涡正在形成。
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