開(kāi)放自動(dòng)化的三個(gè)發(fā)展方向

　　正在勃發(fā)，開(kāi)放自動(dòng)化!在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中孕育多年的開(kāi)放自動(dòng)化方向，已然開(kāi)花結(jié)果。不僅僅在美國(guó)，而且在以德國(guó)為代表的歐洲，開(kāi)放自動(dòng)化都是由最終用戶或最終用戶組織發(fā)動(dòng)，并鍥而不舍地在推動(dòng)。這些都是為了滿足流程工藝的強(qiáng)化、工藝設(shè)施的簡(jiǎn)化，以及運(yùn)營(yíng)操作卓越化的強(qiáng)烈要求。

　　這些現(xiàn)象表明，經(jīng)歷了幾十年軟硬捆綁的工業(yè)控制系統(tǒng)的局面，一方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上IT技術(shù)日益深入滲透到OT技術(shù)的趨勢(shì)，在基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)施實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型中表現(xiàn)出諸多瓶頸和困難;另方面一些難以克服弊端和痼疾也越來(lái)越清晰地暴露出來(lái)，例如所有的技術(shù)升級(jí)都必須依賴原來(lái)的供應(yīng)商，花費(fèi)大，時(shí)間長(zhǎng);再如一旦原有系統(tǒng)的備品備件無(wú)法供給，就需要重起爐灶推倒重來(lái)，失去的不僅是時(shí)間和投資，可能還有二三十年積累的工藝數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)。蘊(yùn)藏著極大潛力的開(kāi)放自動(dòng)化應(yīng)運(yùn)而生的背景正在于此。

　　迄今為止還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確而全面的描述開(kāi)放自動(dòng)化的定義或說(shuō)明。根據(jù)已經(jīng)實(shí)施的活動(dòng)內(nèi)容，開(kāi)放自動(dòng)化目前主要有以下三個(gè)方面：

　　1)美國(guó)開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇OPAF倡導(dǎo)的開(kāi)放自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，瞄準(zhǔn)的是用軟硬解耦的自動(dòng)化組件構(gòu)成可互操作、內(nèi)生信息安全的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)以及其上層的HMI、SCADA和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，也就是說(shuō)重新定義DCS、PLC和MES的架構(gòu)及構(gòu)成。

　　2)德國(guó)的開(kāi)放自動(dòng)化的主流是由NAMUR倡導(dǎo)的NOA(NAMUR Open Automation)和以模塊化為主要特征的模塊類型包MTP(Modular Type Package)。前者是把現(xiàn)有DCS奉為核心系統(tǒng)，以不越雷池一步的方式保留原有的DCS，以免傷筋動(dòng)骨，而在其一側(cè)建立另一個(gè)數(shù)據(jù)通道和進(jìn)行全局監(jiān)控和優(yōu)化的工業(yè)IT系統(tǒng)(即M+O);后者是為流程工業(yè)的生產(chǎn)單元開(kāi)發(fā)一系列具有特定功能性和功能的模塊，通過(guò)流程編排將已組裝好且具有統(tǒng)一接口的模塊連續(xù)排列組合，創(chuàng)建一個(gè)流程，這些模塊相互耦合成流程控制的中樞。

　　3)另外一個(gè)重要的方面是在模塊化和具有互操作性的自動(dòng)化軟硬組件的基礎(chǔ)上形成自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法，軟硬解耦在工程設(shè)計(jì)和實(shí)施具體表現(xiàn)為所謂的“后期綁定”，即生產(chǎn)設(shè)施的硬件不必從項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)與系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)文件緊密配合，據(jù)此生成的應(yīng)用軟件可以與生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)制造并行施工，直到后期才將二者綁定進(jìn)入調(diào)試階段。這一自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法極大降低自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的成本和加快項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

　　經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，大多數(shù)流程工廠及其生產(chǎn)設(shè)施不斷進(jìn)化;這些工藝和設(shè)施經(jīng)過(guò)了現(xiàn)代化、擴(kuò)建、并再次現(xiàn)代化，以適應(yīng)生產(chǎn)和控制技術(shù)一代又一代的進(jìn)步。從工程的角度來(lái)看，工藝設(shè)備已經(jīng)進(jìn)化成一個(gè)不僅僅關(guān)注個(gè)別設(shè)備、更著重于整體、并高度定制的成套設(shè)備。自動(dòng)化系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)和工程也以同樣的方式發(fā)展——打包成一個(gè)整體、專有的、依賴于大量的客制化和工程總承包定制。隨著這些專有的、整體打包而且高度依賴工程的方法日益成為固定的模式，它也給最終用戶帶來(lái)了越來(lái)越難以接受的負(fù)擔(dān)。從工程歷史上看，自動(dòng)化項(xiàng)目很少按時(shí)完成，而且通常超出預(yù)算。與此同時(shí)，項(xiàng)目變得越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜，投資也越來(lái)越膨脹。這些大型的、高度復(fù)雜的項(xiàng)目很難管理。鑒于自動(dòng)化歷來(lái)一直是工程項(xiàng)目能按時(shí)完成的障礙，逐漸變得不再可以接受，以至最終用戶開(kāi)始表達(dá)他們對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)模式的不滿，他們期望自動(dòng)化系統(tǒng)更靈活、更易于部署和維護(hù)，他們需要一種不同的自動(dòng)化方法，一個(gè)基于模塊化、可以很方便集成在一起的標(biāo)準(zhǔn)化部件的解決方案，從而揚(yáng)棄采用了幾十年來(lái)技術(shù)變化所形成的、存在許多復(fù)雜層次的方法。

　　從社會(huì)生產(chǎn)的大環(huán)境而言，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，環(huán)境保護(hù)的要求日趨嚴(yán)厲，能源短缺所造成的節(jié)能指標(biāo)日益嚴(yán)格，所有這些因素的疊加，都要求流程工業(yè)降本提質(zhì)，都是推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化向開(kāi)放自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的一種原始動(dòng)力。

　　最終用戶的強(qiáng)烈訴求

　　早在2006年前后，美國(guó)信實(shí)生命科學(xué)公司執(zhí)行了一個(gè)項(xiàng)目(Reliance Life Sciences Project)，用FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將撬裝式模塊集成建立了一個(gè)工廠。這些橇裝且功能齊全的模塊可以讓精細(xì)化工和生命科學(xué)行業(yè)的終端用戶用更小的占地面積更快地建造工廠，還可以簡(jiǎn)化監(jiān)管過(guò)程。

　　2009年，歐盟啟動(dòng)了F3 Factory(Flexible, Fast and Future Factory)研究項(xiàng)目，目標(biāo)是維護(hù)化工、石化等行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，克服大規(guī)模連續(xù)加工處理行業(yè)高資本投資和流程工藝難以靈活變化的剛性缺點(diǎn)，以及小規(guī)模批量加工行業(yè)低效率的問(wèn)題，并結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)將效率導(dǎo)入多用途、多產(chǎn)品的生產(chǎn)流程和設(shè)施;為大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)設(shè)施引入靈活性。研究目標(biāo)包括：通過(guò)強(qiáng)化工藝(process intensification)提供更緊湊、成本更低的工藝設(shè)計(jì)，降低對(duì)環(huán)境的影響;開(kāi)發(fā)能夠處理多種化學(xué)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、即插即用的化工生產(chǎn)設(shè)備;為強(qiáng)化工藝開(kāi)發(fā)工程方法。項(xiàng)目的參與者包括巴斯夫(BASF))、拜耳(Bayer)和贏創(chuàng)(Evonik)等眾多的化工企業(yè)，以及大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)?？梢哉f(shuō)這就是模塊化生產(chǎn)的最早的嘗試。

　　在F3項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，即除了物料管道、能源管道等的物理互連之外，明確數(shù)據(jù)和自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的集成是一個(gè)主要問(wèn)題。即使單元操作的專業(yè)知識(shí)掌握在各自的設(shè)備模塊提供商手中，在建工廠的設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員也必須按整體工藝編排將設(shè)備模塊集成，而不必在自動(dòng)化細(xì)節(jié)過(guò)多費(fèi)心。這正是2014年NAMUR和ZVEI發(fā)起開(kāi)發(fā)模塊類型包MTP的初衷。設(shè)備模塊制造商的客戶定義所需的功能和服務(wù)，然后由模塊制造商負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，并生成便于集成所需的MTP文件。這種方法的可行性已經(jīng)被一些化工工廠和設(shè)備模塊制造商證明，模塊化生產(chǎn)依賴于設(shè)備模塊以及自動(dòng)化組件和系統(tǒng)供應(yīng)商一起運(yùn)用MTP規(guī)范完成。

　　正如圖1所描述的，最終用戶所向往的是通過(guò)可互操作性、實(shí)時(shí)采集和分析數(shù)據(jù)、虛擬化、分布式控制和面向服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，而模塊化生產(chǎn)首先需要具有標(biāo)準(zhǔn)化接口和滿足工藝操作控制細(xì)節(jié)的自動(dòng)化軟件實(shí)現(xiàn)。

　　圖1 模塊化生產(chǎn)就是競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(來(lái)源:NAMUR)

　　2015年埃克森美孚提出他們對(duì)開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)的展望以及未來(lái)開(kāi)放系統(tǒng)必須具備的功能特征，主要包涵四個(gè)方面(見(jiàn)圖2)：模塊化，即系統(tǒng)由模塊化的部件構(gòu)成，必要時(shí)可以拆分和重組;符合開(kāi)放且公開(kāi)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn);可互操作性，即軟件的一致性能力能確保集成不費(fèi)勁不耗時(shí);可移植性，即保證應(yīng)用軟件可在多個(gè)平臺(tái)運(yùn)行。在這些展望和功能特征中，顯然分布式和模塊化的架構(gòu)更為緊要，因?yàn)檫@涉及到降低I/O、控制系統(tǒng)和HMI更新?lián)Q代和升級(jí)的成本和風(fēng)險(xiǎn);涉及到處于L3制造運(yùn)營(yíng)管理應(yīng)用(如警報(bào)管理、資產(chǎn)管理、作業(yè)安排和調(diào)度)引入最新工業(yè)軟件和軟件技術(shù);涉及到如何實(shí)現(xiàn)以較低的成本輕松地增加生產(chǎn)能力，并能在流程控制中添加新功能。

　　圖2 開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)的展望(來(lái)源：埃克森美孚)

　　樂(lè)高積木搭、搭、搭

　　模塊化是喜聞樂(lè)見(jiàn)的。生產(chǎn)制造過(guò)程的模塊化或自動(dòng)化領(lǐng)域中的模塊化，本質(zhì)上都是將系統(tǒng)、流程工業(yè)中的成套生產(chǎn)設(shè)施、過(guò)程和單元操作分解成標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化的組件;就像樂(lè)高積木一樣，可以自由地混合和搭配。在新型的流程自動(dòng)化系統(tǒng)中，模塊化方法可以廣泛地運(yùn)用在許多方面，譬如模塊化的I/O，模塊化的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜/現(xiàn)場(chǎng)接線盒，模塊化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)樣板，模塊化的控制系統(tǒng)，模塊化的應(yīng)用軟件，模塊化的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法，模塊化的流程單元(圖3)、模塊化的流程單元的操作，甚至在工廠這樣的層面，許多流程工業(yè)的工廠和設(shè)施也越來(lái)越多地采用模塊化的概念建造(圖4)。圖4中左面是按客制化的方式建造的流程工業(yè)的工廠設(shè)施，右面則是按模塊化方式采用工藝強(qiáng)化建造的工廠設(shè)施，二者的功能和產(chǎn)量均一樣，但明顯可見(jiàn)模塊化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)突出，結(jié)構(gòu)緊湊、投資少、見(jiàn)效快。

　　圖3 預(yù)制的模塊化單元越來(lái)越多地在流程工業(yè)應(yīng)用(源自：ARC網(wǎng)站)

　　圖4 客制化工廠與模塊化工廠的強(qiáng)烈對(duì)比(源自：ARC網(wǎng)站)

　　模塊化的關(guān)鍵利益體現(xiàn)在：標(biāo)準(zhǔn)化，取消或大幅減少設(shè)備、系統(tǒng)和流程的客制化，操作運(yùn)行的卓越化。標(biāo)準(zhǔn)化是指在各類模塊化的應(yīng)用中遵循相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的方法步驟，這在開(kāi)發(fā)運(yùn)用MTP模塊類型包規(guī)范中得到充分體現(xiàn)。目前還難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過(guò)高，因此逐漸過(guò)渡到模塊化的集成方式是一種趨向。新的模塊化的方法可以將項(xiàng)目完成時(shí)間降低30%，克服了大多數(shù)的自動(dòng)化項(xiàng)目都不能按期交付，并超出預(yù)算成本的弊端。操作運(yùn)行的卓越化有利于降低運(yùn)行和維護(hù)成本，降低非計(jì)劃停車(chē)，降低風(fēng)險(xiǎn)，改善安全。

　　以控制系統(tǒng)的模塊化為例，控制系統(tǒng)架構(gòu)的模塊化正以多種方式表現(xiàn)出來(lái)。已經(jīng)出現(xiàn)了新一代的“單點(diǎn)”I/O，可以通過(guò)特定的插件模塊(被稱之為“可配置的”I/O)和軟件可組態(tài)的I/O進(jìn)行單點(diǎn)配置。由于采用這些新的I/O形式，模塊化的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)箱也變得更加可行。它們占用的空間更小，并且能夠適應(yīng)項(xiàng)目后期的變化。靈活的設(shè)計(jì)也消除了定制機(jī)柜機(jī)柜的需要，可以在控制柜設(shè)計(jì)和定制方面節(jié)省相當(dāng)?shù)某杀?。這種新的解決方案將控制柜設(shè)計(jì)與控制硬件分離，允許最終用戶從各種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)柜設(shè)計(jì)中選用。

　　此外，遠(yuǎn)程儀器儀表機(jī)箱的使用也在增加，這些機(jī)箱基本上是具備所需功能的測(cè)量和控制模塊和相關(guān)設(shè)備，便于快速部署(見(jiàn)圖5)。可以把遠(yuǎn)程儀器儀表機(jī)箱的使用視為模塊化設(shè)計(jì)理念的擴(kuò)展。采用遠(yuǎn)程儀器儀表機(jī)箱有若干優(yōu)點(diǎn)。首先，車(chē)間的熟練工的生產(chǎn)效率比在現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試設(shè)備的工人要高30%到50%，這一差異為整個(gè)項(xiàng)目施工上節(jié)省了相當(dāng)多的時(shí)間，可以抵消模塊化的工程成本，甚至還有更多的結(jié)余。其次，遠(yuǎn)程儀器儀表機(jī)箱的在車(chē)間事先制造的方法，可以保證生產(chǎn)質(zhì)量的控制，由不同工種的工人(如絕緣、油漆、無(wú)損檢測(cè)、壓力測(cè)試等)完成相應(yīng)的工作，可縮短工期，保證質(zhì)量，節(jié)約成本;還可以用較低的檢驗(yàn)和測(cè)試成本完成出廠前的整體質(zhì)量檢驗(yàn)。再次，也可以避免在現(xiàn)場(chǎng)施工因天氣原因帶來(lái)的延誤，解決熟練工短缺的問(wèn)題。

　　圖5 使用遠(yuǎn)程儀器儀表機(jī)箱節(jié)省施工時(shí)間和工程成本(源自：西門(mén)子)

　　在實(shí)際的工廠和工藝設(shè)計(jì)中，有許多因素驅(qū)動(dòng)模塊化概念的使用。對(duì)于海上石油和天然氣以及浮式生產(chǎn)和存儲(chǔ)處理等行業(yè)，空間是一個(gè)重大的考慮因素。在這些場(chǎng)景下，模塊化方法通常是將所有的主設(shè)備與輔助設(shè)備都能合理布置在有限空間的唯一方法。模塊化可以最有效地利用空間進(jìn)行緊湊性設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)人員有很高的要求，體現(xiàn)設(shè)計(jì)密集型的特點(diǎn)。

　　圖6 模塊化的工廠由功能齊全的設(shè)備模塊和撬裝式設(shè)備集成(源自：弗戈工業(yè)在線)

　　例如世界上最大的輪船——?dú)づ频捻敿?jí)浮動(dòng)天然氣液化(GTL)船,要求將傳統(tǒng)的氣體液化處理設(shè)備單元縮小到原有尺寸的四分之一，而且為了把所有必要的設(shè)備安裝到單一的容器殼體，除了采用模塊化的設(shè)計(jì)別無(wú)它法。當(dāng)然模塊化方法并不局限于油氣應(yīng)用，事實(shí)上工廠設(shè)計(jì)的模塊化概念實(shí)際上起源于制藥和精細(xì)化工行業(yè)。

　　三者結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)先例

　　模塊類型包MTP，開(kāi)創(chuàng)了設(shè)備、流程與自動(dòng)化軟件三者緊密結(jié)合的先例。在流程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，通過(guò)運(yùn)用IT技術(shù)的成熟和最新成果，瞄準(zhǔn)虛擬化的方向開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工業(yè)軟件。同時(shí)還要從最終用戶的利益和需求出發(fā)，考慮新舊交替過(guò)程中的平穩(wěn)過(guò)渡，也是必須遵循的原則。所有這些工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)還必須建立在綜合運(yùn)用多年來(lái)積累的行之有效的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和IT標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)制定下一代流程工業(yè)自動(dòng)化的系列標(biāo)準(zhǔn)，參與并深入到全開(kāi)放的自動(dòng)化架構(gòu)中。在此進(jìn)程中，發(fā)端于德國(guó)的模塊化類型包MTP歷經(jīng)七、八年的發(fā)展，已取得了在制藥、精細(xì)化工、食品工業(yè)、水處理等行業(yè)的成功運(yùn)用。在硬件上MTP可以利用現(xiàn)有的DCS和PLC的部件或嵌入式工控組件無(wú)縫集成為流程裝置的自動(dòng)化單元，強(qiáng)調(diào)在優(yōu)化性價(jià)比的同時(shí)將工程量降至最低、加快工程交付進(jìn)度。

　　圖7 MTP規(guī)范適用于制藥、油氣能源、化工、食品等工業(yè)(源于：NAMUR、ProcessNet、VDMA和ZVEI的聯(lián)合報(bào)告)

　　模塊化工廠的結(jié)構(gòu)許多方面是在ISA 88和ISA 95的基礎(chǔ)上發(fā)展了自動(dòng)化即插即用的生產(chǎn)模型，因此可以認(rèn)為這是運(yùn)用最新技術(shù)重鑄ISA 88和ISA 95的生產(chǎn)模型的成果，也是描述獨(dú)立于供應(yīng)商、采用工藝設(shè)備模塊及其對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化模塊進(jìn)行集成所需的完整信息表述。模塊類型包(MTP)是流程自動(dòng)化模塊標(biāo)準(zhǔn)化非專有描述的關(guān)鍵概念，它有助于自動(dòng)化系統(tǒng)的模塊化。每一個(gè)進(jìn)入MTP模塊庫(kù)的模塊，都包含一個(gè)與制造商無(wú)關(guān)的過(guò)程模塊自動(dòng)化的功能描述和標(biāo)準(zhǔn)化的接口。在模塊工程實(shí)施的過(guò)程中由模塊制造商在一個(gè)MTP的XML文件中生成數(shù)據(jù)。每一個(gè)MTP模塊都包括報(bào)警管理、功能安全和信息安全、過(guò)程控制、人機(jī)界面(HMI)和維護(hù)診斷等功能屬性(見(jiàn)圖8)。

　　圖8 符合MTP規(guī)范的自動(dòng)化模塊內(nèi)涵現(xiàn)代過(guò)程控制的各種功能屬性(來(lái)源：NAMUR網(wǎng)站)

　　模塊化生產(chǎn)的創(chuàng)新倡議是德國(guó)流程工業(yè)4.0(Industry 4.0 For Process)在MTP基礎(chǔ)上開(kāi)展的另一個(gè)活動(dòng)。它期望重點(diǎn)解決用戶普遍對(duì)供應(yīng)商交付的各種設(shè)備不能直接和智能地與控制、自動(dòng)化、資產(chǎn)管理和業(yè)務(wù)系統(tǒng)通信的抱怨;同時(shí)也降低用戶對(duì)單一供應(yīng)商接口的唯一性和鎖定的依賴。為了實(shí)現(xiàn)模塊化，提高設(shè)計(jì)效率，提高安裝、調(diào)試和啟動(dòng)效率，標(biāo)準(zhǔn)化和可靠的數(shù)據(jù)，互操作性、更高的可靠性和質(zhì)量等廣泛的利益，流程行業(yè)正朝著設(shè)備和流程的模塊化用例所定義的模型發(fā)展。模塊化系統(tǒng)的組件可以為改善成本及運(yùn)營(yíng)，還可以其生命周期內(nèi)進(jìn)行多次升級(jí)，而無(wú)需購(gòu)買(mǎi)全新的系統(tǒng)。圖9描述了實(shí)施模塊化生產(chǎn)工廠工程的各個(gè)階段：從基礎(chǔ)到設(shè)計(jì)、組態(tài)、即插即用、投入生產(chǎn)和為生產(chǎn)另一種產(chǎn)品而進(jìn)行流程重組，體現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)所帶來(lái)的一系列優(yōu)點(diǎn)：縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間、改善生產(chǎn)效率和充分利用模塊化的優(yōu)勢(shì)提高生產(chǎn)的靈活性。不同的設(shè)備模塊制造商提供不同的工藝設(shè)備模塊，如給料設(shè)備模塊、反應(yīng)設(shè)備模塊、提純?cè)O(shè)備模塊等等，所有這些模塊都按照MTP規(guī)范的要求配備用AutomationML標(biāo)準(zhǔn)編制的MTP下發(fā)文件(XML文本)。在進(jìn)行流程設(shè)計(jì)時(shí)按流程工藝要求選用合適規(guī)格的工藝設(shè)備模塊，之后進(jìn)入模塊化成套設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，逐個(gè)對(duì)這些模塊組態(tài);接著通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口將它們連接，開(kāi)始即插即用、立即投料試車(chē)的階段。由于所有的設(shè)備模塊其相關(guān)的工藝流程都是標(biāo)準(zhǔn)化的，此時(shí)通過(guò)流程編排軟件工具組織合理合規(guī)的生產(chǎn)流程，調(diào)試投運(yùn)也是相當(dāng)順當(dāng)?shù)摹Ｖ灰贛TP下發(fā)文件中具有優(yōu)化的功能，在生產(chǎn)流程穩(wěn)定之后即可運(yùn)用這一功能改善生產(chǎn)效率。

　　圖9 實(shí)施模塊化生產(chǎn)工廠工程的各個(gè)階段(源自：ZVEI網(wǎng)站)

　　對(duì)于完全模塊化和部分模塊化的工廠，基于批處理、SCADA、MES或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新的流程編排層(POL)可對(duì)流程控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、補(bǔ)充或修改。由于MTP為POL提供業(yè)務(wù)流程模塊服務(wù)，所有自動(dòng)化功能及其實(shí)施細(xì)節(jié)都由MTP提供，就免除了進(jìn)行詳細(xì)的編程和組態(tài)的必要。與傳統(tǒng)的流程控制系統(tǒng)不同，POL不直接向模塊中的執(zhí)行器發(fā)指令，只向模塊的服務(wù)發(fā)送命令，再由這些服務(wù)調(diào)用相關(guān)程序。狀態(tài)和過(guò)程變量值顯示在POL控制屏幕上。這些服務(wù)在VDI/VDE/NAMUR 2658中有更詳細(xì)的描述。顯然，POL為自動(dòng)化供應(yīng)商提供了機(jī)會(huì)和創(chuàng)新空間，開(kāi)發(fā)基于MTP模塊化的自動(dòng)化，創(chuàng)建靈活性更強(qiáng)、更便于應(yīng)用的自動(dòng)化平臺(tái)。

　　圖10 POL控制屏幕顯示各個(gè)模塊的狀態(tài)和過(guò)程變量值(來(lái)源：NAMUR, ProcessNet, VDMA, ZVEI)的聯(lián)合報(bào)告

　　MTP技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用進(jìn)入發(fā)展中期

　　許多模塊供應(yīng)商已經(jīng)在自動(dòng)化供應(yīng)商的支持下獲得了初步的運(yùn)用MTP的經(jīng)驗(yàn)，而且許多供應(yīng)商正在ZVEI的領(lǐng)導(dǎo)下研究MTP概念的推廣。像巴斯夫、拜耳、贏創(chuàng)和默克KGaA這樣的早期采用者，已經(jīng)在各種試點(diǎn)項(xiàng)目中獲得了經(jīng)驗(yàn)，證明了MTP的概念有利于用戶，并且無(wú)容置疑的是所要求的互操作性和獨(dú)立于特定制造商等目標(biāo)都已達(dá)到。當(dāng)前的癥結(jié)所在還是用戶對(duì)此還沒(méi)有建立足夠的信心，因而形成廣泛需求的局面尚有待時(shí)日。

　　圖11 MTP規(guī)范已經(jīng)在現(xiàn)有的化工廠中取到成功應(yīng)用(來(lái)源：Evonik:贏創(chuàng))

　　贏創(chuàng)是一家全球規(guī)模的跨國(guó)公司，它設(shè)在新加坡的一家化工廠中完成了一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目引人注目?，F(xiàn)有的流程已經(jīng)在日本橫河的Centum VP的DCS控制系統(tǒng)控制下正常運(yùn)行多年，由于工藝需要增加一臺(tái)冷卻設(shè)備，這臺(tái)ENGIE公司提供的執(zhí)行MTP的成套設(shè)備，其控制系統(tǒng)由西門(mén)子S7-1500構(gòu)成(見(jiàn)圖11)。在此試驗(yàn)項(xiàng)目中DCS系統(tǒng)還充當(dāng)了流程編排層POL的角色。主要通過(guò)即插即用的方式投入生產(chǎn)，在短短幾天內(nèi)就得以實(shí)現(xiàn)。80%的過(guò)程是在MTP-HMI描述的一對(duì)一導(dǎo)入中進(jìn)行的，人工調(diào)整僅占20%。這一成功試驗(yàn)有力地證明，基于MTP模塊化達(dá)到即插即用不僅僅適用于新建的流程，也完全適用于已有流程的改建和改善。

　　根據(jù)用戶和供應(yīng)商的看法，現(xiàn)有三個(gè)因素將決定MTP概念的成功:

　　☆ 來(lái)自用戶的必要需求，他們應(yīng)該積極支持MTP的應(yīng)用，按照自己的需求提供MTP的交付模塊規(guī)格書(shū)和設(shè)備單元的規(guī)格書(shū)，支持MTP的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

　　☆ 吸引更多的DCS和PLC廠家參與MTP的開(kāi)發(fā)，在現(xiàn)有的工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加MTP的功能，以確保現(xiàn)有的工廠也能受益于模塊化設(shè)備和模塊化的自動(dòng)化的新選擇。

　　☆ 推動(dòng)MTP標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化，這首先是德國(guó)組織NAMUR,、ZVEI和VDMA的責(zé)任，但也仰仗在全球范圍內(nèi)活躍的流程工業(yè)公司的支持采用。

　　小記：蓬勃起浪很顯然

　　MTP概念已經(jīng)做好進(jìn)入市場(chǎng)的準(zhǔn)備。模塊化生產(chǎn)將在流程工業(yè)中發(fā)揮重要作用?？煽s短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高生產(chǎn)靈活性，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。流程模塊中的標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)化接口使它們快速集成，從而為生產(chǎn)流程所必須的全部功能準(zhǔn)備基礎(chǔ)條件。MTP模塊類型包在其中扮演著關(guān)鍵的角色。它提供一個(gè)獨(dú)立于供應(yīng)商的過(guò)流程模塊的描述，包括HMI、過(guò)程控制、維護(hù)、診斷、功能安全和信息安全，以及報(bào)警管理等各個(gè)方面。在實(shí)施整個(gè)流程自動(dòng)化的過(guò)程中，MTP被導(dǎo)入流程編排層POL，由POL將所有需要的模塊集成。若干試點(diǎn)項(xiàng)目證明，MTP概念的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，足以向商業(yè)應(yīng)用部署。不過(guò)，它是否真的能在市場(chǎng)上取得成功，將取決于用戶的廣泛需求。已經(jīng)有一些用戶組織(如Profibus用戶組織、BioPhorum MTP Testing Plugfest制藥MTP互連測(cè)試組織等)將在未來(lái)推動(dòng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化、傳播和推廣應(yīng)用，這將是一個(gè)主要的成功因素。

　　BioPhorum顯得很不平凡，它追求即插即用設(shè)備的互操作性。BioPhorum MTP標(biāo)準(zhǔn)倡議是將模塊化標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于制藥生產(chǎn)的范例。用戶和供應(yīng)商合作，朝著實(shí)現(xiàn)生物制藥和其他制藥行業(yè)即插即用設(shè)備互操作性的目標(biāo)邁進(jìn)。其愿景是為MTP制定指導(dǎo)方針文件，并與模塊化設(shè)備一并使用。在生物制藥加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)即插即用極大地減少工程人力，降低項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)間，提高質(zhì)量。即插即用的核心概念和實(shí)施方法是定義MTP的VDI/VDE/NAMUR 2658標(biāo)準(zhǔn)。BioPhorum的即插即用概念的目標(biāo)是方便地將智能單元操作集成到符合GMP標(biāo)準(zhǔn)的工廠的上層監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的S88程序批處理引擎中。采用OPC UA作為系統(tǒng)間MTP數(shù)據(jù)的通信方式。

　　模塊化設(shè)備為流程工業(yè)企業(yè)展現(xiàn)了許多創(chuàng)新機(jī)會(huì)。按照模塊化的方式擴(kuò)展現(xiàn)有的流程工藝設(shè)備，可以更加高效地把新的工藝設(shè)備模塊集成到現(xiàn)有流程工藝設(shè)備中去;對(duì)于新建企業(yè)，模塊化的吸引力在于能在降低工程費(fèi)用的前提下，將靈活性提高50%;由于高附加值的產(chǎn)品宜于小批量生產(chǎn)，精細(xì)化工企業(yè)和制藥企業(yè)長(zhǎng)期追求的具有很高靈活性的生產(chǎn)工藝技術(shù)，在MTP技術(shù)的支持下理念更容易實(shí)現(xiàn);不斷開(kāi)發(fā)和運(yùn)用不同的反應(yīng)設(shè)備模塊或者下游處理模塊，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品種多樣化奠定了前提條件。

　　不少工業(yè)自動(dòng)化公司已為MTP的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。ABB、施耐德電氣、橫河、西門(mén)子等都支持MTP的開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)的積極支持者和參與者。倍福在去年推出了TwinCAT MTP軟件，可以以面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方式為MTP生成代碼，并通過(guò)OPC UA與處于流程編排層的DCS通訊。愛(ài)默生的Delta V DCS系統(tǒng)也在近年完成了對(duì)MTP技術(shù)的支持應(yīng)用。我們也期待國(guó)內(nèi)的DCS廠家和PLC廠家跟上這一開(kāi)放自動(dòng)化的步伐。

　　那么，MTP是否可以從流程行業(yè)向離散制造業(yè)推廣?答案早已了然。模塊化的自動(dòng)化不僅適合于流程工業(yè)，從原理上講也完全適合于離散制造業(yè)，西門(mén)子在十幾年前推基于組件自動(dòng)化CBA(Component-based Automation)，雖然具有模塊化的概念，卻缺少M(fèi)TP的內(nèi)涵和來(lái)自最終用戶的推動(dòng)力量。如今要在離散制造業(yè)推廣MTP，關(guān)鍵是要在離散制造業(yè)數(shù)量繁多的細(xì)分行業(yè)中尋求合適的應(yīng)用場(chǎng)景，并與設(shè)備制造商和用戶合作開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)備模塊和MTP模塊，迅速試點(diǎn)，逐步推開(kāi)。據(jù)悉德國(guó)已經(jīng)在開(kāi)始這方面的探索。值得注意的是按照MTP的現(xiàn)有規(guī)范，在開(kāi)發(fā)MTP模塊時(shí)形成的MTP下發(fā)文件遵循AutomationML規(guī)范，以.XML文件形式下發(fā)?？紤]到AutomationML的復(fù)雜性，如果采用IEC 61499系統(tǒng)級(jí)建模語(yǔ)言加以簡(jiǎn)化，或許會(huì)在一定程度上降低MTP的技術(shù)門(mén)檻;另外考慮到目前MTP的通信僅采用OPC UA，在離散制造業(yè)應(yīng)用還必須采用其它的工業(yè)通信協(xié)議才會(huì)有生命力。盡管MTP技術(shù)已經(jīng)成熟，但也有其短板，因此還有很大的發(fā)展空間。

　　于無(wú)聲處聽(tīng)驚雷。開(kāi)放自動(dòng)化以各種形狀蔓延開(kāi)來(lái)，模塊化只是它伸展手腳的的一個(gè)枝杈而已。OT與IT的融合，并不是都是那么激烈地浮現(xiàn)在眾人面前。暗流涌動(dòng)之下，新的自動(dòng)化旋渦正在形成。