模塊化自動化——DCS系統(tǒng)角色的轉(zhuǎn)變
發(fā)布時(shí)間：2025-04-01 作者： Axel Haller
對于化工企業(yè)來說，模塊化自動化系統(tǒng)提供的靈活性為加快其產(chǎn)品上市速度、延長正常運(yùn)行時(shí)間和降低生產(chǎn)成本提供了一個(gè)更有吸引力的途徑。
化工企業(yè)需要提高生產(chǎn)過程的敏捷性，這促使他們尋求一種新型的過程控制系統(tǒng)，以幫助他們更好地適應(yīng)變化。標(biāo)準(zhǔn)化的“即插即用”模塊化自動化解決方案有助于創(chuàng)建動態(tài)自動化解決方案，以幫助企業(yè)快速適應(yīng)當(dāng)今和未來不斷變化的需求。
作為一個(gè)市場規(guī)模超過5.2萬億美元行業(yè)的一部分，全球化工企業(yè)正面臨著日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)，這促使他們重新思考傳統(tǒng)的生產(chǎn)和過程控制方法。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是對可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注。人們越來越期望生產(chǎn)商通過開發(fā)和實(shí)施更環(huán)保的生產(chǎn)技術(shù)、更高效的化學(xué)品回收和更少的廢物，來找到最大限度減少碳排放和減少生態(tài)足跡的方法。
不可預(yù)測的原材料成本以及供應(yīng)鏈中斷也對化工行業(yè)產(chǎn)生了影響，尤其是在涉及化工生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的原料和能源方面。石油和天然氣價(jià)格的波動可能會顯著影響生產(chǎn)成本和盈利能力。
此外，監(jiān)管審查也在不斷升級，世界各國政府都在加強(qiáng)監(jiān)管，以更好地控制排放并確保化學(xué)品的安全處理。遵守這些法規(guī)可能需要大量的資源、時(shí)間和成本，需要對新技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資，并密切關(guān)注現(xiàn)有生產(chǎn)過程的性能。
化工行業(yè)競爭激烈，再加上對定制化和更快交付時(shí)間的需求不斷增長，都要求企業(yè)能夠快速適應(yīng)這些情況，無論是通過提高其過程效率還是快速開發(fā)新產(chǎn)品。人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)更高水平的生產(chǎn)靈活性提供了越來越多的機(jī)會，但將這些技術(shù)整合到現(xiàn)有的過程控制架構(gòu)中也帶來了自身的挑戰(zhàn)。
另一個(gè)亟待解決的問題是該行業(yè)面臨著日益嚴(yán)重的技能短缺。難以吸引和留住熟練的技術(shù)工人，意味著工程團(tuán)隊(duì)的人手正變得越來越緊張，迫使生產(chǎn)商尋找更有效地利用現(xiàn)有人員的新方法，包括更大程度地采用自動化和數(shù)字技術(shù)。
重新思考過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要徹底擺脫傳統(tǒng)上用于管理和控制工廠的整體式自動化系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，主控制器用于執(zhí)行定制化的源代碼，以管理整個(gè)生產(chǎn)線的順序控制、運(yùn)動控制和輸入/輸出（I/O）。由于這些系統(tǒng)通常是為特定的工廠布局、產(chǎn)品范圍和理想產(chǎn)能而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，因此它們在適應(yīng)未來變化方面的靈活性非常有限。
這些系統(tǒng)適用于需求周期恒定或高度可預(yù)測的、生產(chǎn)單一產(chǎn)品的傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)，缺乏必要的靈活性，無法應(yīng)對當(dāng)今生產(chǎn)商面臨的越來越多的挑戰(zhàn)，尤其是在滿足更快、更靈活的生產(chǎn)需求方面。隨著定制化趨勢的不斷增強(qiáng)，生產(chǎn)商需要從面向大規(guī)模生產(chǎn)的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)向?yàn)樾∨可a(chǎn)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線。
為特定工廠或過程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)很難在其它工廠復(fù)制，對于多地點(diǎn)運(yùn)營的公司來講，這可能存在潛在問題。特別是，由于系統(tǒng)和支持系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)最終很可能因地而異，要在質(zhì)量、成本和能耗等方面實(shí)現(xiàn)全公司一致的基準(zhǔn)可能會很復(fù)雜。
這必然需要從兩個(gè)方面重新思考過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，需要從傳統(tǒng)的集中式架構(gòu)轉(zhuǎn)向能夠快速響應(yīng)生產(chǎn)變化的新架構(gòu)，以確保在不大幅增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)最高效率。
其次，在采取這一措施時(shí)，有機(jī)會考慮如何最好地整合工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所提供的機(jī)遇，這些技術(shù)可用于優(yōu)化過程和工人績效，并改變工廠的維護(hù)和運(yùn)營。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員正在解決本文開頭提及的化工企業(yè)所面臨的諸多挑戰(zhàn)，他們采用邊緣和云計(jì)算來支持新技術(shù)，為增強(qiáng)與生產(chǎn)工廠的互動提供了更多的可能性。例如，使用先進(jìn)的傳感器和分析來優(yōu)化能源使用并最大限度地減少廢品，以履行行業(yè)的環(huán)境責(zé)任并節(jié)約成本。這種對可持續(xù)性的關(guān)注，不僅減少了該行業(yè)的生態(tài)足跡，還提高了其經(jīng)濟(jì)可行性，并通過改進(jìn)監(jiān)測和報(bào)告來幫助確保符合法規(guī)要求。
先進(jìn)的控制算法還有助于做出更明智的決策，以提供更好的產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，減少手動過程可能出現(xiàn)的變異性，并提高生產(chǎn)效率，使企業(yè)能夠更靈活地應(yīng)對市場需求并超越競爭對手。
與此同時(shí)，隨著技能缺口的影響愈發(fā)明顯，一系列具有直觀界面和智能診斷功能的新解決方案正在開發(fā)中，從智能手持設(shè)備到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）頭顯，這些工具可以用于提升工程團(tuán)隊(duì)的績效，無論他們是在控制室還是在現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。
▲化工行業(yè)競爭激烈，再加上對定制化和更快交付時(shí)間的需求不斷增長，都要求公司能夠快速適應(yīng)這些情況，無論是通過提高其過程效率還是快速開發(fā)新產(chǎn)品。
更高效的模塊化自動化系統(tǒng)
模塊化自動化概念為實(shí)現(xiàn)動態(tài)、靈活的過程控制系統(tǒng)所需的靈活性提供了解決方案，該系統(tǒng)能夠應(yīng)對當(dāng)前和未來的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。
通過將系統(tǒng)分解為離散的模塊，模塊化自動化為每個(gè)獨(dú)立的處理過程都配備了自身的智能功能，然后反饋到中央控制器中。由于控制功能被分配給每個(gè)較小、功能較弱、成本較低的控制器，因此中央控制器不必像傳統(tǒng)整體式架構(gòu)中使用的控制器那樣強(qiáng)大。
由于每個(gè)模塊實(shí)際上都采用了類似于“廠中廠”的組織模式，因此過程可以半自主運(yùn)行，無需完全重寫整個(gè)流程的代碼即可進(jìn)行更改或優(yōu)化。可以調(diào)整或刪除現(xiàn)有過程的一部分，或者添加新的部分，而不會影響周圍的其它模塊或以任何方式影響過程。
將控制功能去中心化，可以收集每個(gè)單獨(dú)模塊的更多數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化生產(chǎn)線的特定部分，而不是將所有數(shù)據(jù)集中到一個(gè)中心點(diǎn)。這使得生產(chǎn)線能夠更敏捷、更靈活地適應(yīng)產(chǎn)品變化或生產(chǎn)量的調(diào)整。從整體式自動化系統(tǒng)轉(zhuǎn)向模塊化自動化系統(tǒng)，可以將停機(jī)時(shí)間減少50%，自動化工程的資本支出減少50%，并降低20%的全生命周期管理成本。此外，上市時(shí)間也可以縮短多達(dá)40%，因?yàn)樾庐a(chǎn)品生產(chǎn)流程的實(shí)施時(shí)間減少，產(chǎn)品能夠更快地推向市場。
確保互操作性
長期以來，自動化制造商已經(jīng)意識到，那些提供很少或根本不具備互操作性的專有系統(tǒng)，會嚴(yán)重限制過程控制系統(tǒng)的能力及其適應(yīng)變化的能力。這種限制會阻礙創(chuàng)新，并將客戶綁定在特定的系統(tǒng)上。
因此，在自動化技術(shù)和實(shí)現(xiàn)最大互操作性所需的標(biāo)準(zhǔn)化方面，協(xié)作和透明度一直是其關(guān)鍵驅(qū)動力。當(dāng)今的模塊化自動化技術(shù)基于VDI/VDE/NAMUR 2658標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了模塊類型包（MTP）之間的互操作性框架，MTP構(gòu)成了系統(tǒng)中每個(gè)單獨(dú)模塊與其上中央控制器之間的層。MTP包含了模塊集成到自動化系統(tǒng)所需的所有信息，包括存檔、人機(jī)界面（HMI）、過程控制、歷史記錄和安全。
遵循VDI/VDE/NAMUR 2658標(biāo)準(zhǔn)可確保任何模塊都可以集成到任何自動化系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)商和產(chǎn)品系列之間完全的互操作性。這一優(yōu)勢使模塊化自動化具有吸引力，因?yàn)镺EM和客戶不再局限于現(xiàn)有系統(tǒng)，而是可以自由享受真正不可知的自動化環(huán)境所帶來的好處。
模塊化方法的另一個(gè)好處，是能夠更快地響應(yīng)需求變化，無論是在數(shù)量還是產(chǎn)品方面。為特定應(yīng)用創(chuàng)建MTP塊的能力，有助于在不影響其它模塊的情況下，提高和降低產(chǎn)能。因此，模塊化自動化的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠快速增加或減少數(shù)量，以滿足不斷變化的生產(chǎn)需求。與通常涉及調(diào)整現(xiàn)有流程以增加或減少其產(chǎn)能的擴(kuò)展相比，模塊化系統(tǒng)只需根據(jù)需要增加或減少一個(gè)生產(chǎn)單元即可。除了提高靈活性外，這種方法還有助于降低增產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)和干擾，因?yàn)樵谔砑有孪到y(tǒng)的同時(shí)可以保持生產(chǎn)。
▲與通常涉及調(diào)整現(xiàn)有流程以增加或減少其產(chǎn)能的擴(kuò)展相比，模塊化系統(tǒng)只需根據(jù)需要增加或減少一個(gè)生產(chǎn)單元即可。
DCS角色的轉(zhuǎn)變
雖然分布式控制系統(tǒng)（DCS）提供了一種經(jīng)過驗(yàn)證的長期方法來提供工廠安全高效運(yùn)行所需的功能，但它們越來越需要能夠適應(yīng)工業(yè)用戶不斷變化的需求。特別是，現(xiàn)在用戶期望系統(tǒng)能夠變得更動態(tài)，以解鎖不斷擴(kuò)大的技術(shù)范圍所提供的可能性，這些技術(shù)將助力下一代過程控制系統(tǒng)的發(fā)展。
模塊化自動化所帶來的機(jī)遇，改變了DCS的角色，使其從一個(gè)集中化、復(fù)雜的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哽`活性、可擴(kuò)展性和用戶友好的系統(tǒng)，從而更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)過程的動態(tài)需求。實(shí)際上，DCS的角色演變成為一種過程協(xié)調(diào)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理諸如啟動生產(chǎn)過程、收集運(yùn)行性能反饋、處理信息以及向每個(gè)模塊返回指令等任務(wù)和流程。通過使每個(gè)模塊能夠預(yù)測其他模塊的動作，過程協(xié)調(diào)系統(tǒng)確保整個(gè)生產(chǎn)過程的各個(gè)部分協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)最佳生產(chǎn)效率。
這種模塊化的方法使“即插即用”成為可能。如今，新的模塊可以被直接嵌入現(xiàn)有的生產(chǎn)過程中，并能夠在更廣泛的自動化架構(gòu)中無縫運(yùn)行，MTP的作用類似于安裝在PC上的驅(qū)動程序。除了加快實(shí)施速度外，該方法還可以更容易地在多個(gè)站點(diǎn)之間復(fù)制操作流程并建立一致的最佳實(shí)踐。
釋放新的可能性
對于化工企業(yè)而言，“即插即用”模式所帶來的可能性為加快上市時(shí)間、提高設(shè)備運(yùn)行時(shí)間和降低生產(chǎn)成本提供了一個(gè)極具吸引力的途徑。此外，通過使制造商能夠迅速適應(yīng)并根據(jù)客戶和市場需求增減其流程和系統(tǒng)，該模式為簡化新產(chǎn)品的引入以及以最少的工程工作量調(diào)整生產(chǎn)能力提供了一種方法。
通過采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊和接口，模塊化自動化使工廠能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工程效率，從而降低成本。可以在不需要實(shí)際硬件的情況下對過程進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，維護(hù)變得更加簡單和經(jīng)濟(jì)高效，因?yàn)榭梢栽谡麄€(gè)系統(tǒng)不離線的情況下對單個(gè)模塊進(jìn)行維護(hù)。
此外，模塊化自動化支持精細(xì)的數(shù)據(jù)收集方法，允許優(yōu)化單個(gè)生產(chǎn)線組件。它還與“設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)安全”戰(zhàn)略相一致，提供了分區(qū)的安全保障措施，可以比獨(dú)立系統(tǒng)更能有效地遏制網(wǎng)絡(luò)威脅，而且不會導(dǎo)致停產(chǎn)。
這種模塊化方法特別適合精細(xì)化工生產(chǎn)的特殊要求，其小批量、生產(chǎn)周期短或有限數(shù)量的多種產(chǎn)品并行生產(chǎn)。它為傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)提供了一種更標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)成替代方案，幫助化工公司解決勞動力短缺問題，在實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和維護(hù)過程中，減少對昂貴的工程、采購和施工（EPC）服務(wù)的依賴。
化工行業(yè)正處于技術(shù)革命的風(fēng)口浪尖，模塊化自動化和物聯(lián)網(wǎng)融合在一起，提供了前所未有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和自動化功能。模塊化自動化與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合不僅改變了工廠的設(shè)計(jì)和制造，還提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，簡化了工程，提高了生產(chǎn)靈活性，并幫助化工生產(chǎn)商抓住新的市場機(jī)會。
物聯(lián)網(wǎng)傳感器正在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)、供應(yīng)鏈優(yōu)化、節(jié)能以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，所有這些都提高了產(chǎn)品質(zhì)量、安全性、工廠效率和環(huán)境合規(guī)性。物聯(lián)網(wǎng)與模塊化自動化的融合正在推動化工行業(yè)的轉(zhuǎn)型，提高安全性、效率、產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境可持續(xù)性。由于該行業(yè)面臨著當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)，這些技術(shù)將共同塑造未來的過程控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，為提高生產(chǎn)和性能釋放新的潛力。