乐高积木式的模块化与开放自动化¶
目前市场上的自动化存在的弊端¶
经历了几十年软硬捆绑的工业控制系统的局面，一方面远远跟不上IT技术日益深入渗透到OT技术的趋势，在基础自动化设施实施数字化转型中表现出诸多瓶颈和困难；另方面一些难以克服弊端和痼疾也越来越清晰地暴露出来，例如所有的技术升级都必须依赖原来的供应商，花费大，时间长；再如一旦原有系统的备品备件无法供给，就需要重起炉灶推倒重来，失去的不仅是时间和投资，可能还有二三十年积累的工艺数据和操作经验。
模块化生产就是竞争优势¶
2015年埃克森美孚提出他们对开放自动化系统的展望以及未来开放系统必须具备的功能特征，主要包涵四个方面（见图2）：模块化，即系统由模块化的部件构成，必要时可以拆分和重组；符合开放且公开的工业标准；可互操作性，即软件的一致性能力能确保集成不费劲不耗时；可移植性，即保证应用软件可在多个平台运行。在这些展望和功能特征中，显然分布式和模块化的架构更为紧要，因为这涉及到降低I/O、控制系统和HMI更新换代和升级的成本和风险；涉及到处于L3制造运营管理应用（如警报管理、资产管理、作业安排和调度）引入最新工业软件和软件技术；涉及到如何实现以较低的成本轻松地增加生产能力，并能在流程控制中添加新功能。
模块类型包（MTP）¶
模块化工厂的结构许多方面是在ISA 88和ISA 95的基础上发展了自动化即插即用的生产模型，因此可以认为这是运用最新技术重铸ISA 88和ISA 95的生产模型的成果，也是描述独立于供应商、采用工艺设备模块及其对应的自动化模块进行集成所需的完整信息表述。模块类型包（MTP）是流程自动化模块标准化非专有描述的关键概念，它有助于自动化系统的模块化。每一个进入MTP模块库的模块，都包含一个与制造商无关的过程模块自动化的功能描述和标准化的接口。在模块工程实施的过程中由模块制造商在一个MTP的XML文件中生成数据。每一个MTP模块都包括报警管理、功能安全和信息安全、过程控制、人机界面（HMI）和维护诊断等功能属性
实施模块化生产工厂工程的各个阶段¶
模块化生产的创新倡议是德国流程工业4.0（Industry 4.0 For Process）在MTP基础上开展的另一个活动。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抱怨；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，提高设计效率，提高安装、调试和启动效率，标准化和可靠的数据，互操作性、更高的可靠性和质量等广泛的利益，流程行业正朝着设备和流程的模块化用例所定义的模型发展。模块化系统的组件可以为改善成本及运营，还可以其生命周期内进行多次升级，而无需购买全新的系统。
下图描述了实施模块化生产工厂工程的各个阶段：从基础到设计、组态、即插即用、投入生产和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：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、提纯设备模块等等，所有这些模块都按照MTP规范的要求配备用AutomationML标准编制的MTP下发文件（XML文本）。在进行流程设计时按流程工艺要求选用合适规格的工艺设备模块，之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它们连接，开始即插即用、立即投料试车的阶段。 由于所有的设备模块其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，调试投运也是相当顺当的。只要在MTP下发文件中具有优化的功能，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，基于批处理、SCADA、MES或工业物联网系统的新的流程编排层（POL）可对流程控制系统进行组态、补充或修改。由于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，就免除了进行详细的编程和组态的必要。与传统的流程控制系统不同，POL不直接向模块中的执行器发指令，只向模块的服务发送命令，再由这些服务调用相关程序。状态和过程变量值显示在POL控制屏幕上。这些服务在VDI/VDE/NAMUR 2658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，开发基于MTP模块化的自动化，创建灵活性更强、更便于应用的自动化平台。
基于MTP模块化的工厂运营¶
赢创是一家全球规模的跨国公司，它设在新加坡的一家化工厂中完成了一个试验项目引人注目。现有的流程已经在日本横河的Centum VP的DCS控制系统控制下正常运行多年，由于工艺需要增加一台冷却设备，这台ENGIE公司提供的执行MTP的成套设备，其控制系统由西门子S7-1500构成（见图11）。在此试验项目中DCS系统还充当了流程编排层POL的角色。 主要通过即插即用的方式投入生产，在短短几天内就得以实现。80%的过程是在MTP-HMI描述的一对一导入中进行的，人工调整仅占20%。这一成功试验有力地证明，基于MTP模块化达到即插即用不仅仅适用于新建的流程，也完全适用于已有流程的改建和改善。
MTP概念已经做好进入市场的准备。模块化生产将在流程工业中发挥重要作用。可缩短产品上市时间，提高生产灵活性，降低投资风险。流程模块中的标准化自动化接口使它们快速集成，从而为生产流程所必须的全部功能准备基础条件。MTP模块类型包在其中扮演着关键的角色。它提供一个独立于供应商的过流程模块的描述，包括HMI、过程控制、维护、诊断、功能安全和信息安全，以及报警管理等各个方面。在实施整个流程自动化的过程中，MTP被导入流程编排层POL，由POL将所有需要的模块集成。若干试点项目证明，MTP概念的标准化已经取得了长足的进展，足以向商业应用部署。不过，它是否真的能在市场上取得成功，将取决于用户的广泛需求。已经有一些用户组织（如Profibus用户组织、BioPhorum MTP Testing Plugfest制药MTP互连测试组织等）将在未来推动国际标准化、传播和推广应用，这将是一个主要的成功因素。
模块化设备为流程工业企业展现了许多创新机会。按照模块化的方式扩展现有的流程工艺设备，可以更加高效地把新的工艺设备模块集成到现有流程工艺设备中去；对于新建企业，模块化的吸引力在于能在降低工程费用的前提下，将灵活性提高50%；由于高附加值的产品宜于小批量生产，精细化工企业和制药企业长期追求的具有很高灵活性的生产工艺技术，在MTP技术的支持下理念更容易实现；不断开发和运用不同的反应设备模块或者下游处理模块，为实现产品品种多样化奠定了前提条件。
模块化的自动化不仅适合于流程工业，从原理上讲也完全适合于离散制造业，西门子在十几年前推基于组件自动化CBA（Component-based Automation），虽然具有模块化的概念，却缺少MTP的内涵和来自最终用户的推动力量。如今要在离散制造业推广MTP，关键是要在离散制造业数量繁多的细分行业中寻求合适的应用场景，并与设备制造商和用户合作开发相应的设备模块和MTP模块，迅速试点，逐步推开。据悉德国已经在开始这方面的探索。值得注意的是按照MTP的现有规范，在开发MTP模块时形成的MTP下发文件遵循AutomationML规范，以.XML文件形式下发。考虑到AutomationML的复杂性，如果采用IEC 61499系统级建模语言加以简化，或许会在一定程度上降低MTP的技术门槛；另外考虑到目前MTP的通信仅采用OPC UA，在离散制造业应用还必须采用其它的工业通信协议才会有生命力。尽管MTP技术已经成熟，但也有其短板，因此还有很大的发展空间。
本文参考：