作者简介
彭瑜(1938—),男,毕业于清华大学热能工程系,教授级高级工程师,PLCopen中国组织名誉主席,中国自动化学会仪表和装置专委会名誉常务委员,工信部智能制造标准化体系建设工作组专家,国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家,国务院特殊津贴获得者;长期从事工业生产过程自控系统的设计、现场总线和工业通信在控制系统的应用研究工作。
0 引言
开放自动化早就不只是一个概念,而是已经被实践多年。按照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(Open Process AutomationTM Forum,OPAF)倡导的开放自动化标准,重新定义分布式控制系统(distributed control system,DCS)、可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)和制造执行系统(manufacturing execution system,MES)的架构及构成,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人机界面(human-machine interface,HMI)、数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统和MES。②德国开放自动化的主流是由NAMUR倡导的开放自动化(NAMUR open automation,NOA)和以模块化为主要特征的模块类型包(modular type package,MTP)。NOA把现有DCS奉为核心系统,在其一侧建立另一个数据通道,实施全局监控和优化(monitoring+optimization,M+O)。这是一个与原有操作技术(operation technology,OT)系统平行的工业信息技术(information technology,IT)系统。MTP为流程工业的生产工艺单元开发一系列具有特定功能性的模块,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,从而创建一个流程。③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中具体表现为所谓的“后期绑定”,即生产设施的硬件不必从项目启动时就与系统工程设计文件紧密配合,应用软件的开发可以与生产设施的设计制造和施工并行,直到后期才将二者绑定以进入调试阶段。这一自动化工程项目开发的新方法极大地降低了项目开发的成本、加快了项目开发的时间。
本文主要探讨以模块化为主要特征的MTP及基于MTP的流程自动化工程实践。这标志着工业生产朝着“即插即生产”的方向迈开了坚实的步伐。
1 工业自动化系统模块化的本质和实施方向
生产制造过程的模块化和工业自动化领域中的模块化,本质上都是将系统、成套生产设施、生产过程和单元操作分解成标准的、模块化的组件。这些组件可以按照工艺要求搭配,即插即用。
在新型流程自动化系统中,模块化方法广泛地应用在许多方面,如模块化的输入/输出(input/output,I/O)、模块化的标准机柜/现场接线盒、模块化的标准样板、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、模块化的流程工艺设施单元及其操作、模块化的流程成套装置和模块化的工厂等。
模块化的核心利益体现在标准化(即取消或大幅减少设备、系统和流程的定制化),以及操作运行的卓越化。标准化是指在各类模块化的应用中遵循相关的工业标准,以及标准的方法步骤。这在开发和应用MTP规范的过程中得到充分体现。虽然目前还难以避免一定程度的定制化,但是定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势。新的模块化的方法可以将项目完成时间缩短30%,克服了大多数自动化项目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、减少非计划停车,从而降低风险、提升安全性。
2 开创流程、设备与自动化软件紧密结合的先例
在流程工业自动化技术发展进程中,必须遵循的原则包括: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,从最终用户的利益和需求出发,考虑新旧交替过程中的平稳过渡。这些工业软件的开发还必须建立在综合应用多年来积累的、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,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MTP历经七八年的发展,已在制药、精细化工、食品工业、油气能源等行业成功应用。根据NAMUR、ProcessNet、德国机械设备制造联合会
(Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.,VDMA)和德国电气电子制造商协会(Zntralverband Elektroteehnik und Elektronikindustrie e.V.,ZVEI)的联合报告[1],MTP规范适用的工业领域如图1所示。
图1 MTP规范适用的工业领域
在硬件上,MTP可以利用现有的DCS和PLC系统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。这一设计强调在优化性价比的同时将工程量降至最低,并能够加快工程交付进度。符合MTP规范的自动化模块内含现代过程控制的各种功能属性如图2所示[1]。
图2 符合MTP规范的自动化模块内含现代过程控制的各种功能属性
模块化工厂的结构有许多方面建立在ISA 88和ISA 95的基础上[2],并发展了自动化即插即用的生产模型。因此,可以认为这是应用最新技术重铸ISA 88和ISA 95的生产模型的成果,也是描述独立于供应商并采用工艺设备及其对应的自动化软件进行模块化所需的完整信息表述。MTP是流程自动化模块标准化的核心概念,将大大推动自动化系统模块化的实用进程。每个进入MTP模块库的模块都包含一个与制造商无关的功能描述和标准化接口。在模块工程实施的过程中,模块制造商在一个MTP的
可扩展标记语言(extensible markup language,XML)文件中生成相关数据,供集成时使用。
模块化生产的创新倡议是德国流程工业4.0在MTP基础上开展的另一项活动[2]。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问题;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、安装、调试和启动效率,生成标准化和可靠的数据,提高互操作性,以及实现更高的可靠性和质量等,流程行业正朝着设备和流程的模块化用例所定义的模型方向发展。模块化系统的组件可以为改善成本及运营作出贡献,还可以在其生命周期内进行多次升级,而无需购买全新的系统。
图3描述了实施模块化生产工厂工程的各个阶段[3]。
图3 实施模块化生产工厂工程的各个阶段
由图3可知,从过程设计、组态、即插即用、投入生产到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。这些优点包括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,如给料设备模块、反应设备模块、提纯设备模块等。这些模块都按照MTP规范的要求配备,符合IEC 62714 AutomationML标准(工业自动化系统工程通用数据交换格式)编制的MTP下发文件(XML文本)。在进行流程设计时,首先按流程工艺要求选用规格合适的工艺设备模块;然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模块连接,开始即插即用、立即投料试车的阶段。由于所有设备模块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,调试投运会比较顺畅。只要在MTP下发文件中具备优化的功能,在生产流程稳定之后即可运用这一功能改善生产效率。
对于完全模块化和部分模块化的工厂,可以在批处理、SCADA、MES或工业物联网系统中增加新的流程编排层(process orchestration layer,POL),以实施对流程控制系统的组态、补充或修改。因为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,所以就免除了进行详细的编程和组态的必要。
不同于传统的流程控制系统,POL不直接向模块中的执行器发送命令,只向模块的服务发送命令,再由这些服务调用相关程序,使状态和过程变量值能够显示在POL控制屏幕上。这些服务在德国工程师协会(Verein Deutscher Ingenieure,VDI)/德国电气工程师协会(Verband Deutscher Elektrotechniker e.V.,VDE)/NAMUR 2658标准中有更详细的描述。显然,POL为自动化供应商提供了机会和创新空间,可以开发基于MTP模块的自动化,创建灵活性更强、更便于应用的自动化平台。
POL控制屏幕显示各个模块的状态和过程变量值如图4所示[4]。