流程工业中的模块化生产

□文/卢月品 编译

流程工业中的模块化生产

□文/卢月品 编译

“工业4.0”是当前的热门话题之一，并经常与“工厂自动化”联系在一起。德国电子电气制造商协会（ZVEI）的模块自动化小组根据NE148标准发布了白皮书——《流程工业中的模块化生产——“工业4.0”环境下对自动化生产的影响》。本期我们为你详细梳理，在NE148标准下，流程工业中模块化生产该如何执行。

信息物理系统、数字化、网络化和新的商业模式对流程工业、测量技术制造商和过程自动化等非常重要。鉴于产品生产周期越来越短和柔性制造要求的提升，特别是化学/药学行业，企业开始推进模块化生产。

化学/药学行业企业一方面推进模块化工厂建设，另一方面期望自动化技术（AT）能对过程控制系统（PCS）提供精确的技术支持。研究表明化学/药学等行业企业生产过程的模块化可以实现并有一定的经济效益。欧洲的第七框架协议对F3（灵活flexible、快速fast、未来future）工厂进行财政支持。

目前Namur标准（NE）定义自动化必须要满足模块化工厂的柔性制造。Namur工作小组AK1.12在NE148标准中描述了对生产商的需求。2013年，ZVEI 的“模块自动化”工作小组成立，归属于ZVEI “测试技术及过程自动化”领域，目的是与Namur工作小组AK1.12密切合作并形成与NE148工作组的联合反应机制。在实际工作中，工作小组发现需要撰写一本关于下一步工作的白皮书以便和Namur共同研究。本白皮书重点对控制系统、相关仪器仪表和标准等进行了分析，旨在梳理各式各样的需求、回应和展望，对现阶段制造商实现模块化生产，在技术和经济方面还有哪些不足进行了分析。

模块化生产市场容量评估

卢月品 工业和信息化部赛迪研究院装备工业研究所机器人研究室副主任、本刊研究总监

表1 模块化生产中自动化的市场容量评估

评估模块化工厂的市场容量，可用的数据很少，Namur工作小组AK1.12也没有进行相关的评估。本文提出的模块化概念基于NE148，采用化学/药学企业的销售情况来做市场容量评估，所用数据来自VCI报告。计算时假设通货膨胀率为2%，可得2022年德国相关企业的销售额共计2280亿欧元。

如果按平均6.5%的投资率进行计算，并且假设10年中有25%的企业实现模块化（从专家采访中评估得来），其中自动化约占3%的投资比例，那么模块化工厂的自动化比例会越来越高。假设25%的企业会自动进行模块化改造，其中自动化投资比例为6%，得出市场容量大约为2.22亿欧元（根据2013年ARC的研究，PCS全球市场会达到116亿欧元，其中22亿欧元来自于化工领域）。

如果能够基于模型、标准化地建设工厂，市场容量会增长更快，因为这样做会节约大量成本并且后期将会获得更多收益。随着已有产品或新产品的生产，模块化技术会取代传统技术而成为常态。同时新的技术会产生新的产品模式，并且会挖掘新的市场（如个性化药物）。这些发展并未包含在评估之中。

随着模块化和标准化的实施，价值链也会发生变化，企业的责任也会有所不同。运营商、模块制造商和系统供应商之间的任务也将重新分配。这些变化使工作组决定对模块制造商进行调研。

图1 基于ISA106标准的自定义状态模型示例

模块化的自动化技术

基于之前的相关研究成果和ISA88、ISA95和ISA106等ISA标准，本文提出了模块化的自动化技术的概念，它能够满足模块化工厂所需的灵活性，支持连续和批量生产。模块自动化通过封装工艺过程降低了施工、启动和维护的复杂性。

体系结构

NE148标准给出了自动化技术的体系结构，该体系结构提出了两种模块并阐述了它们同PCS之间的连接关系。第一个模块是变量A，通过控制单元自动处理模块逻辑工作，且只和PCS交换必要信息。第二个模块是变量B，该模块仅使用I/O部件。

功能

由于自动化技术的功能需要无缝地集成到PCS中，模块之间也需要建立通信连接，自动化技术自身的功能非常重要。模块和模块之间，模块和PCS之间的通信可以通过IEC-Ethernet协议或现场总线协议解决。

基于状态控制功能，是基于模块的状态描述和操作模式来实现的。在整个系统中每个模块的状态描述可以公开访问，并且模块之间逻辑连接的接口是唯一的。“基于状态控制”功能对应ISA106标准的连续生产工序和ISA88标准的批量生产工序，适用于上述两个标准。

垂直通信/集成功能，是指模块和PCS之间的通信，模块必须集成到PCS环境中才能通信，通信可以通过IEC-Ethernet 协议或现场总线来实现，每个模块的状态模型都由PCS控制。变量A模块使用OPC-UA交互界面，通过现场总线和PCS交换信息。状态模型的建模，由于通信是在模块和PCS间进行，状态模型可以从当前的状态中建模，有两种建模方法。其一是使用拓展因果矩阵进行SFC（产品流程控制）建模。

SFC可以映射到拓展因果矩阵中，SFC已经是状态模型，或者可以自动转换到状态模型，这些状态模型无需进一步的操作就可以直接应用到控制单元上，这种方法较适用于变量B模块；其二是使用现有的编辑器，可以用传统方式进行SFC建模，这种方法较适用于变量A模块。

表2 可视化数据的层次分级

人机交互

操作界面

除了满足自动化技术的功能之外，操作界面有如下需求，能够人工手动控制个别模块，能够及时将图表集中显示在操作端显示屏上。

与控制系统的半集成

在半集成的情况下，模块的人机界面水平在1-3级之间。在控制系统中，界面显示相关的警告、变量等，以便模块的图形化表示。在高水平的控制系统中，图形化显示确保了表示的一致性。4级和5级（6级除外）也可通过人工实现，6级能否实现取决于具体情况。模块制造商应该尽量避免人机交互界面逻辑和控制器设计两者之间的高关联性。模块设计应当包括所有的数据，以便更高一级的控制系统可以在运行时得到相应的模块信息。

与控制系统的完全集成

与半集成相比，完全集成试图将4级和5级实现自动化。为此，每个模块必须提供4级和5级描述，有两种方法可以实现。一是模块来描述自身的实际图表情况。模块的操作图表以不依赖制造商且独立的方式给出。自动化技术系统通常使用特定系统表述方法来描述操作图表，并提供专有格式。例如HTML5是一种不依赖制造商的格式，是W3C发布的一种在IT行业中的开放性语言，没有相关操作显示的知识就可以集成。如果还需要可扩展的图形，就可以镶嵌到HTML5代码中作为可缩放矢量图形（SVGs）。更高级别的控制系统必须支持该技术的曾用技术（如ActiveX等）。这些技术的优势是可以得到并且已广泛使用，但缺点有二。

图2 过程（控制）技术工程化

一是不能保证描述的一致性；

二是模块提供自身的描述方法。

而图表由高一级控制系统来给出，这样能确保描述的一致性。但是这种情况下，模块制造商并不能看到最终的模块描述版本，也就导致不同的控制系统，其描述也不尽相同。

人机交互界面实现完全集成需要模块达到5级标准，需要从更高一级控制系统的模块描述中得到商业逻辑的技术。如果模块完整的人机交互商业逻辑包含在描述之中，模块便会达到6级集成。在半集成和全集成间的折衷方法就是对于操作界面使用半集成，而对于详细的诊断性信息使用完全集成，采用上述方法，能简化控制系统中必要的标准化和实施过程。

模块化工厂的规划设计

企业实现模块化，对于已知的特定模块，很大一部分工作能提前完成。特定部分可以保持不变，这部分工作无需重做，从而提高了生产率。

对于流程工业中的模块化生产厂商，能够获得经济效益有两个重要因素。

一是模块在最广泛工艺参数范围内的灵活性。由于模块在设计时并没有规定其特定的使用场景，厂商应将其设计为广泛适用型的模块。

二是模块标准化使得每个模块的工程施工方面的工作量减少。由于工程、资格和审批工作已提前开展，所以标准化的模块化工厂的规划设计工作相对较少。

工厂的规划和建设是影响生产时间的关键因素，规划中PCS配置的时间取决于具体项目情况，在启动过程和建设过程中需要PCS。通过使用预先制造的模型或循环使用可以减少工厂建设时间，这是模块工厂特有的特征。上述目标必须达到足够的程度，模块化工厂才具有竞争性，应尽早开始模块规划和工程设计。

图3 控制相关信息系统的规则金字塔

化学工厂实现从传统模式到基于模块工程的转变后，最直接的结果就是降低了系统的复杂性。模块功能得到封装，现场级别并没有改变，只是对于操作者来说变得越来越隐蔽。以汽车领域为例，25年前，VM Beetle的所有司机都可以自己对发动机进行保养和维修。而现在，发动机是封闭的单元，必须去专业维修点进行保养和维护。现在的发动机是一个能产生错误和状态信息的模块单元，具体的诊断须由专家来完成。模块化工厂意味着更多的责任转嫁到了模块生产商身上，需要关注的信息有模块的实时状态、产品的质量和加工数据、订单和调度操作数据等等。

实现方法包括使用工具的选择（如Kit、CAE工具+MS Excel等）、员工培训，以及其他像内部指导手册的特定东西。模块化工厂的实现方法是以自上而下和自下而上两种方法的组合。采用自上而下设计方法，整个工厂根据ISA106 标准进行建设。自下而上的途径是自上而下方法的补充，自下而上的方法确保了模块的可用性。模块工程并不是在控制工程启动，而是在加工工程设计中启动。

传感器和执行器的要求

设备小型化

工厂扩大生产规模采用更多设备和缩放模块架构，需要使模块和设备向小型化发展。现场设备如传感器和执行器的包装密度变得更高，要尽可能简洁地配置现场设备，进一步提升模块化水平，比如减小转换器等电子器件在实际传感器壳体的整合中体积和尺寸。模块、传感器和制动器被做得更小、结构更紧凑，不在设备上进行手动直接操作，用于局部显示和操作的组件会被去掉。为节省空间，数据和信号可以通过现场总线或类似的方法进行传输。为了得到更小尺寸的零部件，传感器和执行器应当加以优化以达到更小的管径。在维护频率小于每月一次的情况下，如果模块或基础设施需要分开，传感器、执行器和导管可以直接用螺栓来固定。

故障诊断方面的需求

模块的标准化不仅可以使单元的数量成倍增加，还有利于评估诊断信息。这就需要充分利用现有信息，特别是来自于现场的信息越来越多地使用在模块上，以用于评估生产过程的性能。从模块操作者来看，将单项资产、模块、工厂作为整体的好处是增加了来自于现场设备的信息标准化集成的一致性。

NE107标准已经做了充足的基础工作，把诊断信息分为4类，这对用户的理解就变得非常容易。这4类分别是“需维修”、“超出定义范围”、“检查”和“失败”。这4种分类和代表符号使得操作者非常容易评估故障种类，并进一步做出正确的应对措施。高级控制系统能得到模块提供的诊断信息，操作者和模块制造商在信息和IP保护间需要达成一致。

图4 工厂模块化示意图

标准和规范

防爆标准

防爆的关键标准包括以下三部分，一是爆炸性环境（防爆和保护）——基本概念和方法及“德国版EN1127-1：2011”；二是TRBS 2152——有危险的、潜在的爆炸环境（避免危险性的明火或潜在的爆炸环境）；三是IEC/EN 60078-xy——电气防爆的点火保护类别说明以及设计和检查。

工厂的设计示意图

图4是工厂模块化示意图。因为要考虑防爆，工厂的特定结构设计至关重要，据此可以实施不同的防爆措施。

要确保工厂的工艺设备容器（如PEC、ISA106单元）是固定的，还要提供电力、数据交换、压缩空气、油气、废水处理等必要的能源装置。PEC是PEA（安装模块），ISA106相关设备等设备的集合体，还包含执行器和传感器等现场设备、装置和管路等。在控制室内可以监测各种加工过程。

例如，企业会以外聘的形式为模块化工厂的运输提供支持。PECs可以将不同的工厂连接到公司的基础设施上，PEC组成了PEA（安装模块）的框架。出于防爆的原因，所有的PEA需在区域1内设计。或者在分工厂中有两个区域，一个区域不能分配到爆炸区域内，另一个区域命名为区域2或1，而子区域可以命名为区域0。生产工厂可以分为有爆炸和没有爆炸可能性的模块，工厂零部件在PEC上安装，各区域相互连接。当然，这种方案的经济性还有待进一步确认。

表3 考虑防爆的模块化工厂的具体特征

模块化工厂的特征

由于需要考虑防爆级别并做相应处理，模块化工厂具备一些传统工厂所不具备的特征。模块需要在危险区域内应用，模块应尽可能多变、灵活地布置，鉴于工厂的高安装密度和简陋的通风设备，很难将工厂划分区域，建议在区域1中设计模块。

防爆和模块化工厂

在危险区域选择操作电力资源时，要以防爆文档为基础。该文档包含选择电力操作资源和安装类型所有需要的信息，如区域分类、爆炸组合温度等级。工厂运营者有责任建立和维护这个文档，在建立过程中，工厂运营者需要得到工厂/生产模块设计者的帮助。关于表3中的特征分析如下。

A）高安装密度

模块化产品高密度安装，如果让它们处理有潜在爆炸的混合物，则区域1的环境就不好控制，潜在的爆炸可能会出现。

处理易燃易爆的气体和液体时，可能造成潜在的爆炸环境。当容器安装得非常近，爆炸会从一个容器传递到另一个容器。根据德国相关安全操作条例，工厂必须考虑容器之间的间隙。

模块化工厂中，在危险区域操作的设备的数量比非模块工厂的数量要多，为了达到最佳的设置，必须使用混合保护类措施以防止火灾。在模块中有不同的电力提供点，采用智能设备实现实时监管，特别是安装在危险区域的没有爆炸保护的控制盒安装阀。工厂应遵守EN60079-14/ DIN VDE0165-1的安装规则，以满足安全点火防护等级。除其他事项外，规则要求此类安装不允许外部有能量输入。基于这个原因，安全型线缆通常与非安全型电缆分开铺设。由于安装的高密度性，在安装过程中，必须考虑来自温度或化学影响的高危险性。

B+C）模块化和标准化

模块是工厂的一部分，必须和整个生产车间的防爆一起考虑，生产模型和环境也包含在防爆范围之内。

D) 没有防爆设计的电力操作资源

采用Ex p或Ex d标准的闸盒或开关柜可以使电力资源和控制设备更加适合在爆炸区域工作，因此控制设备和逆变器要直接安装到模块中。点火保护的防爆型Ex d和加压型Ex p使得电力操作系统正常工作，尤其是较高的电压，必须给出在危险区域合适的安装方法。保护种类的混合使用有利有弊，需要权衡使用。

表4 从防爆需求到解决方案

加压型外壳使得可以通过完整的容器构建相对大型的壳体，自动化系统和电力系统（如电机控制）可以安置其中。所需的外壳仅比类似的工业外壳稍重且无防爆要求。使用惰性气体也是一种保护方式。当工厂启动时，系统直到有足够的压缩气体时才会启动操作。在失压情况下，电力系统会立即关闭。

同样，Ex d型防爆保护类别也应处于壳体之中，使其爆炸的影响仅限于该壳体的内部，即无法点燃在环境中可能发生爆炸的混合物。为了抵挡爆炸产生的压力，这些外壳通常很厚。而在加压外壳中，安装的设备不会把壳体的外表面加热到周围的易爆环境可以被点燃的程度。与加压外壳相比，隔爆外壳不依赖于压缩空气的供给，并且不需要任何程序来启动。选择点火保护方式时，应当考虑到功能和为节省资源两个方面。

E)区域分类和操作资源的选择

除了Ex m之外，工厂可以应用所有的爆炸保护类措施。具体使用情况依赖于设备、模块和区域分级，对于供电、频率转换和电机控制，相应措施有Ex i, Ex ic, Ex p, Ex d, Ex e, Ex q, Ex o。其中，Ex o措施还能解决转换器的散热问题。

F)审批

根据德国操作安全条例，工厂运营者必须创建一个防爆文档。PEC或模块生产单元的制造商必须提供相应的信息作为文档的基础。

PEC制造商的市场定位有两种。一种是声明PEC是加工工厂或加工工厂的一部分，这意味着PEC会永久安装在制造商网点，并且是高级生产过程的一部分。在这种情况下，合规性的声明和CE认证对于PEC都不适用。但是，这种方法的劣势在于PEC的安装必须适应特定的国家，该方法目前还不能保证自由地在欧洲范围内安装。

另一种就是将PEC作为一个机器，并且应用机器指令，好处是可以在欧洲范围内实现自由安装，并且适合移动使用，且具有PEC的可替换性。如果PEC不是一个完整的机器，制造商就无法评估PEC安装所在位置的风险，也不再需要CE认证与合规性声明，PEC给出相关的公司声明即可。如果认为它是一个完整的机器，制造商就要评估风险。在这种情况下，制造商将根据2006/42/EC 和9419/EC给出CE认证与合规性声明。

实际情况下，将两种方法结合起来会更有意义。在这种情况下，我们就要更多地考虑PEC的风险。对于功能安全性来说，机器损坏带来的影响远比加工工厂损坏带来的影响要低。

模块供应商必须提供测试等报告，模块的交换也必须经过专家评估，但这些并不需要由具有专业资质的人来做。

通过提供合适的文档范例，应尽可能减少文档方面工作的投入。

功能安全标准

关键标准包括两部分，一是电力防爆安全系统的功能安全性，即通用标准（IEC 61508-1:2010）和德国版标准（EN61508-1:2010）；二是功能性安全（加工工业的安全设施系统），即框架、定义、硬件和软件标准（IEC61511-1-2003+2004），德国版标准（EN61511-1:2004）。

模块化工厂的特征

风险评估方面，模块化工厂具有一系列工厂结构化和操作方面的特征，重要的特征和说明见表5。必须把模块化工厂作为整体来看，全局观念是操作者的责任，且这个责任不能委派给他人。

功能安全和模块化工厂

基本功能安全任务和传统工厂并没有很大差别，只是在细节上有所不同。

A）防爆分级

如果每个模块中危险物质数量越少，对工厂的造成损坏风险就越低。限制区域意味着危险区域不易分离，并且会相互影响。

B）模块化等级

根据IEC-61511，工厂完整性对于安全性来说非常重要，子模块并不影响工厂完整性。文档必须建立在单个模块文档之上，如果模块有SIS（厂级监控信息系统），我们就必须将它集成到控制系统中，可采用总线的方式，同时还要考虑在各种模块中如何实现SIS的兼容性。在整个工厂建成后，SIS要尽快完成安装。

C）标准化

表5 模块化工厂功能性安全的重要特征

在模块标准化的情况下，工厂的一致性会使功能安全性能更高。从安全角度出发，PEA可作为一个单元，高度标准化也需要如此。

D）审批/验收

一个模块的文档尽可能和大纲文档相似，可以避免很多不必要的工作。如需改动，应尽可能少。不清晰的文档会导致工作成本的增加，文档必须是可追溯且一致的。模块供应商必须提供一个准确的模块描述，模块的安全手册应该能给用户清晰的使用指导。

GAMP指南AMP

加工生产需要GAMP5指南或采用PAT记录的工序。就加工流程而言，模块化工厂的加工类型和自动化与传统工厂大致相同。审批是否通过，对于运营者来说具有决定性作用。

如果审批没有通过，工厂便不允许开办，因此，审批也是全部成本中相当重要的一部分。

对于传统工厂，文档从现场设备（如执行器、传感器）开始编写。当把具有标准化模块的模块化工厂视为技术设备时，工厂就已经实现了文档化。只有当交互文档丢失时，模块化工厂的每一个零部件才需要重新确认配置。

文档的简化

为了简化冗余的文档，模块化工厂工程化的目标应被提升一个等级，表述模块化工厂的文档要足够完整，并且格式有一定要求，这些都是被相关机构（EMEA或FDA）审批成功的必要条件。

文档的需求

为了审计员查看，PCS文档应具有易读性，且能够完整一致地描述自动化系统的实施过程。出于经济效率的考虑，文档应简洁明了。除了技术内容外，它还要符合ISO9000标准，该标准定义了文档的结构，包括可追溯性、责任等。为了确保设备不工作时可得到必要的信息，一般情况下，审计员都会审查模块的细节，这可能意味着模块的细节不得不公开。

前景可期

目前模块化还处于研究阶段，本文提出了满足NE148标准的模块化的自动化技术的概念，研究表明模块自动化是可以实现的。状态模型是模块化概念中非常重要的因素，用于自动化技术的抽象描述和运行。数据封装采用面向对象的方法，并能把模块无缝集成到高级别PCS中。本文也探讨了模块化工厂的工程化途径，需要重点借鉴模块工程化和控制系统工程化之间的关系。传感器/执行器和标准等章节分析了模块化工厂的显著特征。如果上述方法应用到工厂规划、工程化、自动化系统中，就有可能实现Namur所提到的发展愿景。

本文编译自德国电子电气制造商协会（ZVEI）：《Module-Based Production in the Process Industry-Effect on Automation in the “Industrie 4.0” Environment》