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锅炉“现成化”是当前过程工业发展的趋势。过程配置越来越多地以模块形式进行,查看系统时不再需要像定制西装一样,需要一针一线的缝制,而是快速地拼接。
无论是洗衣机、烘干机还是塔,这些标准化库存产品都能够以更快的速度和更低的成本采购,从而缩短施工时间并降低投资成本。问题:硬件构建过程中节省的时间给负责集成自动化模块的编程人员带来了更大的压力。背景:SCADA系统主要采用人工编程的方式。模块类型包(MTP)能够有效减轻现在和将来的压力。
模块类型封装(MTP)是模块化系统的必备组件
化工生产已存在“开箱即用型”。各项工艺按功能封装在密封的模块中,可以轻松连接和重连到新系统中。特别是对于中小型批次,有必要使用多功能生产平台。为了方便快捷地组合模块,需要使用标准化接口。模块类型包接管了这项自动化任务,其工作方式类似于打印机驱动程序。NAMUR前董事会成员Thomas Tauchnitz博士强调:“MTP是合乎逻辑的,也是绝对必要的。” 这位拥有自动化博士学位的工程师与他的咨询公司Tautomation一同为工业4.0流程提供支持,他主要专注化工行业,被认为是模块化设计的创始人之一。
2012年成立的NAMUR工作组定义了自动化系统模块化的挑战。万可在2014年引入了DIMA的概念,包括术语MTP。NAMUR和ZVEI成立了一个联合工作组,负责就模块化自动化在过程技术中的理想工作方式寻找答案并提供建议。“我们把那些在自动化编程中遭受同样心理压力的人聚在一起。” 团队进行了有效的合作,最终完成了VDI/VDE/NAMUR指南2658的第一页,标题为“过程工业中模块化系统的自动化工程”。相关IEC标准将随后推出。Tauchnitz强调“国际标准是一个合乎逻辑的目标。” 为什么要花这么多钱?快速变化的市场需求也在影响过程工业。相关的迹象包括交货期缩短、批次减少以及新产品数量增加,这些产品被迅速推向市场参与国际化竞争。Tauchnitz博士将此问题与50%思路联系起来讨论。“如果我们能够成功地将从投资决策到制造再到调试所需的时间减半,那么我们就可以设计更昂贵的系统,因为我们可以更快地将产品推向市场。” 更快的速度等同于更大的竞争优势和更高的投资回报率(ROI),因为边际收益会来得更快。
为应对这一发展现状,需要使用能够遵循必要节奏的系统技术。因此,Tauchnitz认为,封闭式单片自动化系统的时代已经即将过去。未来属于开放式系统,此类系统可借助MTP将过程设备既有的模块化特性引入自动化系统。从概念上讲,模块类型包就好比Office环境中的打印机驱动程序。MTP是整个系统模块的标准化接口和功能产品。 万可早已实现了这项技术。配备MTP功能的万可PFC200系列和PFC200 XTR已经能够为控制器级别的模块化自动化提供信号。Standard、Advanced和Marine型号的762系列触摸面板同样已支持MTP。使用万可的集中工程设计软件CODESYS,只需单击鼠标即可向模块类型包写入数据。万可还附加组件、功能库和模块编程图扩展了CODESYS的功能范围。
统一的可视化界面是MTP的重要特性。在通用标准的定义过程中,人机界面的配置花费了NAMUR工作组相当长的时间。“过程技术中使用的机器通常是为现场操作而设计的,这些机器具有自己的控制器,还有一个小型显示屏,”Tauchnitz解释道。然而,由于各过程工程系统受同一个中央控制面板控制,不能将目标设为在现场单独控制各个过程并手动进行监控。最近,如何将不同制造商的机器无缝集成到集中式SCADA系统中并为耗时的编程任务制定预算成为了一大问题。 “必须告知模块控制器要导出哪些值;然后还必须告诉控制系统要导入哪些数据。我们目前依赖于程序员编写长列表,以实现必要的数据传输,”Tauchnitz说道。如有更改,程序两端都必须进行调整。“这样做非常低效,因为对于每个新组合,都必须重复一次操作。” 在考虑可视化时,隐藏的额外成本就会凸显出来。现场图像必须在SCADA系统中重新编程,而不是使用来自系统模块用户界面的数据进行集中可视化。相比之下,MTP会告知中央系统哪些操作元件将显示在屏幕上的哪些位置。“例如,锅炉总是位于中央,温度显示在右上角,”Tauchnitz说。中央系统最终会决定如何配置可视化。MTP则指定要显示的过程模块的框架。
采用模块化设计的过程技术为生产提供了更大的自由度,无需对中央系统进行耗时的改造和复杂的重新编程即可生产小批量产品。MTP减轻了软件工程师在自动化方面的压力,因为生产模块可以轻松连接到控制系统。因此,即使是大批量生产原材料的单一型系统,也可以更轻松地现代化改造为多个子系统。与打印机驱动程序一样,MTP可确保模块成功连接到SCADA系统,无需考虑控制器。该架构最终催生了“同类最佳”的概念,因为系统部件可以在不受控制器限制的情况下使用。
工业4.0的目标和实质是将控制信息从中央系统分配到应用层级。因此,系统中的不同过程模块必须自身具备IT和通信能力,以形成一个信息物理系统。Tauchnitz博士表示:“我们处理的是自主、智能的子单元。” 由此可以推断,生产过程中的相关设备由于具备自主性和智能性,因此能够轻松将其状态传递给更高级别的控制层。模块最了解自身的运行情况,从这一论题出发,工业4.0以标准化的接口和数据格式为主要基准,为系统优化和可持续维护开辟了新的可能性。MTP的工作原理也是一样。工业4.0的管理壳是模块化自动化中的模块类型包。“关于管理壳,我们讨论的是组件的完整电子地图,一个虚拟孪生。这与MTP极为相似。模块类型包以虚拟方式包含了管理壳的过程技术组件,因此适用于工业4.0环境。”
复杂系统是Thomas Tauchnitz博士在汉诺威大学期间的论文题目。化工过程本质上也是极为复杂的,因此Tauchnitz在完成学位后开始在Hoechst AG工作。他主要负责本地和全球的业务支持和系统设计。“自动化是我的天性,”Tauchnitz说,他几乎整个职业生涯都在法兰克福的Hoechst工业园度过,先是在Hoechst工作,然后又前往后继公司Aventis和Sanofi。在六十岁时,这位前NAMUR董事会成员离开了公司。但Tauchnitz并没有退休,而是成立了自己的公司,担任工业4.0相关问题的顾问。毕竟,复杂系统及其工程设计和自动化是他的最大爱好。Thomas Tauchnitz居住于法兰克福大区。