□文/盧月品 編譯

流程工業(yè)中的模塊化生產(chǎn)

□文/盧月品 編譯

“工業(yè)4.0”是當(dāng)前的熱門(mén)話題之一，并經(jīng)常與“工廠自動(dòng)化”聯(lián)系在一起。德國(guó)電子電氣制造商協(xié)會(huì)（ZVEI）的模塊自動(dòng)化小組根據(jù)NE148標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了白皮書(shū)——《流程工業(yè)中的模塊化生產(chǎn)——“工業(yè)4.0”環(huán)境下對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的影響》。本期我們?yōu)槟阍敿?xì)梳理，在NE148標(biāo)準(zhǔn)下，流程工業(yè)中模塊化生產(chǎn)該如何執(zhí)行。

信息物理系統(tǒng)、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和新的商業(yè)模式對(duì)流程工業(yè)、測(cè)量技術(shù)制造商和過(guò)程自動(dòng)化等非常重要。鑒于產(chǎn)品生產(chǎn)周期越來(lái)越短和柔性制造要求的提升，特別是化學(xué)/藥學(xué)行業(yè)，企業(yè)開(kāi)始推進(jìn)模塊化生產(chǎn)。

化學(xué)/藥學(xué)行業(yè)企業(yè)一方面推進(jìn)模塊化工廠建設(shè)，另一方面期望自動(dòng)化技術(shù)（AT）能對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）提供精確的技術(shù)支持。研究表明化學(xué)/藥學(xué)等行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的模塊化可以實(shí)現(xiàn)并有一定的經(jīng)濟(jì)效益。歐洲的第七框架協(xié)議對(duì)F3（靈活flexible、快速fast、未來(lái)future）工廠進(jìn)行財(cái)政支持。

目前Namur標(biāo)準(zhǔn)（NE）定義自動(dòng)化必須要滿(mǎn)足模塊化工廠的柔性制造。Namur工作小組AK1.12在NE148標(biāo)準(zhǔn)中描述了對(duì)生產(chǎn)商的需求。2013年，ZVEI 的“模塊自動(dòng)化”工作小組成立，歸屬于ZVEI “測(cè)試技術(shù)及過(guò)程自動(dòng)化”領(lǐng)域，目的是與Namur工作小組AK1.12密切合作并形成與NE148工作組的聯(lián)合反應(yīng)機(jī)制。在實(shí)際工作中，工作小組發(fā)現(xiàn)需要撰寫(xiě)一本關(guān)于下一步工作的白皮書(shū)以便和Namur共同研究。本白皮書(shū)重點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)、相關(guān)儀器儀表和標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了分析，旨在梳理各式各樣的需求、回應(yīng)和展望，對(duì)現(xiàn)階段制造商實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面還有哪些不足進(jìn)行了分析。

模塊化生產(chǎn)市場(chǎng)容量評(píng)估

盧月品 工業(yè)和信息化部賽迪研究院裝備工業(yè)研究所機(jī)器人研究室副主任、本刊研究總監(jiān)

表1 模塊化生產(chǎn)中自動(dòng)化的市場(chǎng)容量評(píng)估

評(píng)估模塊化工廠的市場(chǎng)容量，可用的數(shù)據(jù)很少，Namur工作小組AK1.12也沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估。本文提出的模塊化概念基于NE148，采用化學(xué)/藥學(xué)企業(yè)的銷(xiāo)售情況來(lái)做市場(chǎng)容量評(píng)估，所用數(shù)據(jù)來(lái)自VCI報(bào)告。計(jì)算時(shí)假設(shè)通貨膨脹率為2%，可得2022年德國(guó)相關(guān)企業(yè)的銷(xiāo)售額共計(jì)2280億歐元。

如果按平均6.5%的投資率進(jìn)行計(jì)算，并且假設(shè)10年中有25%的企業(yè)實(shí)現(xiàn)模塊化（從專(zhuān)家采訪中評(píng)估得來(lái)），其中自動(dòng)化約占3%的投資比例，那么模塊化工廠的自動(dòng)化比例會(huì)越來(lái)越高。假設(shè)25%的企業(yè)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行模塊化改造，其中自動(dòng)化投資比例為6%，得出市場(chǎng)容量大約為2.22億歐元（根據(jù)2013年ARC的研究，PCS全球市場(chǎng)會(huì)達(dá)到116億歐元，其中22億歐元來(lái)自于化工領(lǐng)域）。

如果能夠基于模型、標(biāo)準(zhǔn)化地建設(shè)工廠，市場(chǎng)容量會(huì)增長(zhǎng)更快，因?yàn)檫@樣做會(huì)節(jié)約大量成本并且后期將會(huì)獲得更多收益。隨著已有產(chǎn)品或新產(chǎn)品的生產(chǎn)，模塊化技術(shù)會(huì)取代傳統(tǒng)技術(shù)而成為常態(tài)。同時(shí)新的技術(shù)會(huì)產(chǎn)生新的產(chǎn)品模式，并且會(huì)挖掘新的市場(chǎng)（如個(gè)性化藥物）。這些發(fā)展并未包含在評(píng)估之中。

隨著模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施，價(jià)值鏈也會(huì)發(fā)生變化，企業(yè)的責(zé)任也會(huì)有所不同。運(yùn)營(yíng)商、模塊制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商之間的任務(wù)也將重新分配。這些變化使工作組決定對(duì)模塊制造商進(jìn)行調(diào)研。

圖1 基于ISA106標(biāo)準(zhǔn)的自定義狀態(tài)模型示例

模塊化的自動(dòng)化技術(shù)

基于之前的相關(guān)研究成果和ISA88、ISA95和ISA106等ISA標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了模塊化的自動(dòng)化技術(shù)的概念，它能夠滿(mǎn)足模塊化工廠所需的靈活性，支持連續(xù)和批量生產(chǎn)。模塊自動(dòng)化通過(guò)封裝工藝過(guò)程降低了施工、啟動(dòng)和維護(hù)的復(fù)雜性。

體系結(jié)構(gòu)

NE148標(biāo)準(zhǔn)給出了自動(dòng)化技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)提出了兩種模塊并闡述了它們同PCS之間的連接關(guān)系。第一個(gè)模塊是變量A，通過(guò)控制單元自動(dòng)處理模塊邏輯工作，且只和PCS交換必要信息。第二個(gè)模塊是變量B，該模塊僅使用I/O部件。

功能

由于自動(dòng)化技術(shù)的功能需要無(wú)縫地集成到PCS中，模塊之間也需要建立通信連接，自動(dòng)化技術(shù)自身的功能非常重要。模塊和模塊之間，模塊和PCS之間的通信可以通過(guò)IEC-Ethernet協(xié)議或現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議解決。

基于狀態(tài)控制功能，是基于模塊的狀態(tài)描述和操作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)模塊的狀態(tài)描述可以公開(kāi)訪問(wèn)，并且模塊之間邏輯連接的接口是唯一的。“基于狀態(tài)控制”功能對(duì)應(yīng)ISA106標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)生產(chǎn)工序和ISA88標(biāo)準(zhǔn)的批量生產(chǎn)工序，適用于上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

垂直通信/集成功能，是指模塊和PCS之間的通信，模塊必須集成到PCS環(huán)境中才能通信，通信可以通過(guò)IEC-Ethernet 協(xié)議或現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊的狀態(tài)模型都由PCS控制。變量A模塊使用OPC-UA交互界面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和PCS交換信息。狀態(tài)模型的建模，由于通信是在模塊和PCS間進(jìn)行，狀態(tài)模型可以從當(dāng)前的狀態(tài)中建模，有兩種建模方法。其一是使用拓展因果矩陣進(jìn)行SFC（產(chǎn)品流程控制）建模。

SFC可以映射到拓展因果矩陣中，SFC已經(jīng)是狀態(tài)模型，或者可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換到狀態(tài)模型，這些狀態(tài)模型無(wú)需進(jìn)一步的操作就可以直接應(yīng)用到控制單元上，這種方法較適用于變量B模塊；其二是使用現(xiàn)有的編輯器，可以用傳統(tǒng)方式進(jìn)行SFC建模，這種方法較適用于變量A模塊。

表2 可視化數(shù)據(jù)的層次分級(jí)

人機(jī)交互

操作界面

除了滿(mǎn)足自動(dòng)化技術(shù)的功能之外，操作界面有如下需求，能夠人工手動(dòng)控制個(gè)別模塊，能夠及時(shí)將圖表集中顯示在操作端顯示屏上。

與控制系統(tǒng)的半集成

在半集成的情況下，模塊的人機(jī)界面水平在1-3級(jí)之間。在控制系統(tǒng)中，界面顯示相關(guān)的警告、變量等，以便模塊的圖形化表示。在高水平的控制系統(tǒng)中，圖形化顯示確保了表示的一致性。4級(jí)和5級(jí)（6級(jí)除外）也可通過(guò)人工實(shí)現(xiàn)，6級(jí)能否實(shí)現(xiàn)取決于具體情況。模塊制造商應(yīng)該盡量避免人機(jī)交互界面邏輯和控制器設(shè)計(jì)兩者之間的高關(guān)聯(lián)性。模塊設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括所有的數(shù)據(jù)，以便更高一級(jí)的控制系統(tǒng)可以在運(yùn)行時(shí)得到相應(yīng)的模塊信息。

與控制系統(tǒng)的完全集成

與半集成相比，完全集成試圖將4級(jí)和5級(jí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為此，每個(gè)模塊必須提供4級(jí)和5級(jí)描述，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)。一是模塊來(lái)描述自身的實(shí)際圖表情況。模塊的操作圖表以不依賴(lài)制造商且獨(dú)立的方式給出。自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)通常使用特定系統(tǒng)表述方法來(lái)描述操作圖表，并提供專(zhuān)有格式。例如HTML5是一種不依賴(lài)制造商的格式，是W3C發(fā)布的一種在IT行業(yè)中的開(kāi)放性語(yǔ)言，沒(méi)有相關(guān)操作顯示的知識(shí)就可以集成。如果還需要可擴(kuò)展的圖形，就可以鑲嵌到HTML5代碼中作為可縮放矢量圖形（SVGs）。更高級(jí)別的控制系統(tǒng)必須支持該技術(shù)的曾用技術(shù)（如ActiveX等）。這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以得到并且已廣泛使用，但缺點(diǎn)有二。

圖2 過(guò)程（控制）技術(shù)工程化

一是不能保證描述的一致性；

二是模塊提供自身的描述方法。

而圖表由高一級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)給出，這樣能確保描述的一致性。但是這種情況下，模塊制造商并不能看到最終的模塊描述版本，也就導(dǎo)致不同的控制系統(tǒng)，其描述也不盡相同。

人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)完全集成需要模塊達(dá)到5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，需要從更高一級(jí)控制系統(tǒng)的模塊描述中得到商業(yè)邏輯的技術(shù)。如果模塊完整的人機(jī)交互商業(yè)邏輯包含在描述之中，模塊便會(huì)達(dá)到6級(jí)集成。在半集成和全集成間的折衷方法就是對(duì)于操作界面使用半集成，而對(duì)于詳細(xì)的診斷性信息使用完全集成，采用上述方法，能簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)中必要的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)施過(guò)程。

模塊化工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)

企業(yè)實(shí)現(xiàn)模塊化，對(duì)于已知的特定模塊，很大一部分工作能提前完成。特定部分可以保持不變，這部分工作無(wú)需重做，從而提高了生產(chǎn)率。

對(duì)于流程工業(yè)中的模塊化生產(chǎn)廠商，能夠獲得經(jīng)濟(jì)效益有兩個(gè)重要因素。

一是模塊在最廣泛工藝參數(shù)范圍內(nèi)的靈活性。由于模塊在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有規(guī)定其特定的使用場(chǎng)景，廠商應(yīng)將其設(shè)計(jì)為廣泛適用型的模塊。

二是模塊標(biāo)準(zhǔn)化使得每個(gè)模塊的工程施工方面的工作量減少。由于工程、資格和審批工作已提前開(kāi)展，所以標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作相對(duì)較少。

工廠的規(guī)劃和建設(shè)是影響生產(chǎn)時(shí)間的關(guān)鍵因素，規(guī)劃中PCS配置的時(shí)間取決于具體項(xiàng)目情況，在啟動(dòng)過(guò)程和建設(shè)過(guò)程中需要PCS。通過(guò)使用預(yù)先制造的模型或循環(huán)使用可以減少工廠建設(shè)時(shí)間，這是模塊工廠特有的特征。上述目標(biāo)必須達(dá)到足夠的程度，模塊化工廠才具有競(jìng)爭(zhēng)性，應(yīng)盡早開(kāi)始模塊規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)。

圖3 控制相關(guān)信息系統(tǒng)的規(guī)則金字塔

化學(xué)工廠實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)模式到基于模塊工程的轉(zhuǎn)變后，最直接的結(jié)果就是降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。模塊功能得到封裝，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別并沒(méi)有改變，只是對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)變得越來(lái)越隱蔽。以汽車(chē)領(lǐng)域?yàn)槔?5年前，VM Beetle的所有司機(jī)都可以自己對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)和維修。而現(xiàn)在，發(fā)動(dòng)機(jī)是封閉的單元，必須去專(zhuān)業(yè)維修點(diǎn)進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)能產(chǎn)生錯(cuò)誤和狀態(tài)信息的模塊單元，具體的診斷須由專(zhuān)家來(lái)完成。模塊化工廠意味著更多的責(zé)任轉(zhuǎn)嫁到了模塊生產(chǎn)商身上，需要關(guān)注的信息有模塊的實(shí)時(shí)狀態(tài)、產(chǎn)品的質(zhì)量和加工數(shù)據(jù)、訂單和調(diào)度操作數(shù)據(jù)等等。

實(shí)現(xiàn)方法包括使用工具的選擇（如Kit、CAE工具+MS Excel等）、員工培訓(xùn)，以及其他像內(nèi)部指導(dǎo)手冊(cè)的特定東西。模塊化工廠的實(shí)現(xiàn)方法是以自上而下和自下而上兩種方法的組合。采用自上而下設(shè)計(jì)方法，整個(gè)工廠根據(jù)ISA106 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。自下而上的途徑是自上而下方法的補(bǔ)充，自下而上的方法確保了模塊的可用性。模塊工程并不是在控制工程啟動(dòng)，而是在加工工程設(shè)計(jì)中啟動(dòng)。

傳感器和執(zhí)行器的要求

設(shè)備小型化

工廠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模采用更多設(shè)備和縮放模塊架構(gòu)，需要使模塊和設(shè)備向小型化發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如傳感器和執(zhí)行器的包裝密度變得更高，要盡可能簡(jiǎn)潔地配置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，進(jìn)一步提升模塊化水平，比如減小轉(zhuǎn)換器等電子器件在實(shí)際傳感器殼體的整合中體積和尺寸。模塊、傳感器和制動(dòng)器被做得更小、結(jié)構(gòu)更緊湊，不在設(shè)備上進(jìn)行手動(dòng)直接操作，用于局部顯示和操作的組件會(huì)被去掉。為節(jié)省空間，數(shù)據(jù)和信號(hào)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或類(lèi)似的方法進(jìn)行傳輸。為了得到更小尺寸的零部件，傳感器和執(zhí)行器應(yīng)當(dāng)加以?xún)?yōu)化以達(dá)到更小的管徑。在維護(hù)頻率小于每月一次的情況下，如果模塊或基礎(chǔ)設(shè)施需要分開(kāi)，傳感器、執(zhí)行器和導(dǎo)管可以直接用螺栓來(lái)固定。

故障診斷方面的需求

模塊的標(biāo)準(zhǔn)化不僅可以使單元的數(shù)量成倍增加，還有利于評(píng)估診斷信息。這就需要充分利用現(xiàn)有信息，特別是來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)的信息越來(lái)越多地使用在模塊上，以用于評(píng)估生產(chǎn)過(guò)程的性能。從模塊操作者來(lái)看，將單項(xiàng)資產(chǎn)、模塊、工廠作為整體的好處是增加了來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息標(biāo)準(zhǔn)化集成的一致性。

NE107標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)做了充足的基礎(chǔ)工作，把診斷信息分為4類(lèi)，這對(duì)用戶(hù)的理解就變得非常容易。這4類(lèi)分別是“需維修”、“超出定義范圍”、“檢查”和“失敗”。這4種分類(lèi)和代表符號(hào)使得操作者非常容易評(píng)估故障種類(lèi)，并進(jìn)一步做出正確的應(yīng)對(duì)措施。高級(jí)控制系統(tǒng)能得到模塊提供的診斷信息，操作者和模塊制造商在信息和IP保護(hù)間需要達(dá)成一致。

圖4 工廠模塊化示意圖

標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

防爆標(biāo)準(zhǔn)

防爆的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括以下三部分，一是爆炸性環(huán)境（防爆和保護(hù)）——基本概念和方法及“德國(guó)版EN1127-1：2011”；二是TRBS 2152——有危險(xiǎn)的、潛在的爆炸環(huán)境（避免危險(xiǎn)性的明火或潛在的爆炸環(huán)境）；三是IEC/EN 60078-xy——電氣防爆的點(diǎn)火保護(hù)類(lèi)別說(shuō)明以及設(shè)計(jì)和檢查。

工廠的設(shè)計(jì)示意圖

圖4是工廠模塊化示意圖。因?yàn)橐紤]防爆，工廠的特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，據(jù)此可以實(shí)施不同的防爆措施。

要確保工廠的工藝設(shè)備容器（如PEC、ISA106單元）是固定的，還要提供電力、數(shù)據(jù)交換、壓縮空氣、油氣、廢水處理等必要的能源裝置。PEC是PEA（安裝模塊），ISA106相關(guān)設(shè)備等設(shè)備的集合體，還包含執(zhí)行器和傳感器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、裝置和管路等。在控制室內(nèi)可以監(jiān)測(cè)各種加工過(guò)程。

例如，企業(yè)會(huì)以外聘的形式為模塊化工廠的運(yùn)輸提供支持。PECs可以將不同的工廠連接到公司的基礎(chǔ)設(shè)施上，PEC組成了PEA（安裝模塊）的框架。出于防爆的原因，所有的PEA需在區(qū)域1內(nèi)設(shè)計(jì)。或者在分工廠中有兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域不能分配到爆炸區(qū)域內(nèi)，另一個(gè)區(qū)域命名為區(qū)域2或1，而子區(qū)域可以命名為區(qū)域0。生產(chǎn)工廠可以分為有爆炸和沒(méi)有爆炸可能性的模塊，工廠零部件在PEC上安裝，各區(qū)域相互連接。當(dāng)然，這種方案的經(jīng)濟(jì)性還有待進(jìn)一步確認(rèn)。

表3 考慮防爆的模塊化工廠的具體特征

模塊化工廠的特征

由于需要考慮防爆級(jí)別并做相應(yīng)處理，模塊化工廠具備一些傳統(tǒng)工廠所不具備的特征。模塊需要在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)應(yīng)用，模塊應(yīng)盡可能多變、靈活地布置，鑒于工廠的高安裝密度和簡(jiǎn)陋的通風(fēng)設(shè)備，很難將工廠劃分區(qū)域，建議在區(qū)域1中設(shè)計(jì)模塊。

防爆和模塊化工廠

在危險(xiǎn)區(qū)域選擇操作電力資源時(shí)，要以防爆文檔為基礎(chǔ)。該文檔包含選擇電力操作資源和安裝類(lèi)型所有需要的信息，如區(qū)域分類(lèi)、爆炸組合溫度等級(jí)。工廠運(yùn)營(yíng)者有責(zé)任建立和維護(hù)這個(gè)文檔，在建立過(guò)程中，工廠運(yùn)營(yíng)者需要得到工廠/生產(chǎn)模塊設(shè)計(jì)者的幫助。關(guān)于表3中的特征分析如下。

A）高安裝密度

模塊化產(chǎn)品高密度安裝，如果讓它們處理有潛在爆炸的混合物，則區(qū)域1的環(huán)境就不好控制，潛在的爆炸可能會(huì)出現(xiàn)。

處理易燃易爆的氣體和液體時(shí)，可能造成潛在的爆炸環(huán)境。當(dāng)容器安裝得非常近，爆炸會(huì)從一個(gè)容器傳遞到另一個(gè)容器。根據(jù)德國(guó)相關(guān)安全操作條例，工廠必須考慮容器之間的間隙。

模塊化工廠中，在危險(xiǎn)區(qū)域操作的設(shè)備的數(shù)量比非模塊工廠的數(shù)量要多，為了達(dá)到最佳的設(shè)置，必須使用混合保護(hù)類(lèi)措施以防止火災(zāi)。在模塊中有不同的電力提供點(diǎn)，采用智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，特別是安裝在危險(xiǎn)區(qū)域的沒(méi)有爆炸保護(hù)的控制盒安裝閥。工廠應(yīng)遵守EN60079-14/ DIN VDE0165-1的安裝規(guī)則，以滿(mǎn)足安全點(diǎn)火防護(hù)等級(jí)。除其他事項(xiàng)外，規(guī)則要求此類(lèi)安裝不允許外部有能量輸入?；谶@個(gè)原因，安全型線纜通常與非安全型電纜分開(kāi)鋪設(shè)。由于安裝的高密度性，在安裝過(guò)程中，必須考慮來(lái)自溫度或化學(xué)影響的高危險(xiǎn)性。

B+C）模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化

模塊是工廠的一部分，必須和整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間的防爆一起考慮，生產(chǎn)模型和環(huán)境也包含在防爆范圍之內(nèi)。

D) 沒(méi)有防爆設(shè)計(jì)的電力操作資源

采用Ex p或Ex d標(biāo)準(zhǔn)的閘盒或開(kāi)關(guān)柜可以使電力資源和控制設(shè)備更加適合在爆炸區(qū)域工作，因此控制設(shè)備和逆變器要直接安裝到模塊中。點(diǎn)火保護(hù)的防爆型Ex d和加壓型Ex p使得電力操作系統(tǒng)正常工作，尤其是較高的電壓，必須給出在危險(xiǎn)區(qū)域合適的安裝方法。保護(hù)種類(lèi)的混合使用有利有弊，需要權(quán)衡使用。

表4 從防爆需求到解決方案

加壓型外殼使得可以通過(guò)完整的容器構(gòu)建相對(duì)大型的殼體，自動(dòng)化系統(tǒng)和電力系統(tǒng)（如電機(jī)控制）可以安置其中。所需的外殼僅比類(lèi)似的工業(yè)外殼稍重且無(wú)防爆要求。使用惰性氣體也是一種保護(hù)方式。當(dāng)工廠啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)直到有足夠的壓縮氣體時(shí)才會(huì)啟動(dòng)操作。在失壓情況下，電力系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)閉。

同樣，Ex d型防爆保護(hù)類(lèi)別也應(yīng)處于殼體之中，使其爆炸的影響僅限于該殼體的內(nèi)部，即無(wú)法點(diǎn)燃在環(huán)境中可能發(fā)生爆炸的混合物。為了抵擋爆炸產(chǎn)生的壓力，這些外殼通常很厚。而在加壓外殼中，安裝的設(shè)備不會(huì)把殼體的外表面加熱到周?chē)囊妆h(huán)境可以被點(diǎn)燃的程度。與加壓外殼相比，隔爆外殼不依賴(lài)于壓縮空氣的供給，并且不需要任何程序來(lái)啟動(dòng)。選擇點(diǎn)火保護(hù)方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到功能和為節(jié)省資源兩個(gè)方面。

E)區(qū)域分類(lèi)和操作資源的選擇

除了Ex m之外，工廠可以應(yīng)用所有的爆炸保護(hù)類(lèi)措施。具體使用情況依賴(lài)于設(shè)備、模塊和區(qū)域分級(jí)，對(duì)于供電、頻率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制，相應(yīng)措施有Ex i, Ex ic, Ex p, Ex d, Ex e, Ex q, Ex o。其中，Ex o措施還能解決轉(zhuǎn)換器的散熱問(wèn)題。

F)審批

根據(jù)德國(guó)操作安全條例，工廠運(yùn)營(yíng)者必須創(chuàng)建一個(gè)防爆文檔。PEC或模塊生產(chǎn)單元的制造商必須提供相應(yīng)的信息作為文檔的基礎(chǔ)。

PEC制造商的市場(chǎng)定位有兩種。一種是聲明PEC是加工工廠或加工工廠的一部分，這意味著PEC會(huì)永久安裝在制造商網(wǎng)點(diǎn)，并且是高級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的一部分。在這種情況下，合規(guī)性的聲明和CE認(rèn)證對(duì)于PEC都不適用。但是，這種方法的劣勢(shì)在于PEC的安裝必須適應(yīng)特定的國(guó)家，該方法目前還不能保證自由地在歐洲范圍內(nèi)安裝。

另一種就是將PEC作為一個(gè)機(jī)器，并且應(yīng)用機(jī)器指令，好處是可以在歐洲范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由安裝，并且適合移動(dòng)使用，且具有PEC的可替換性。如果PEC不是一個(gè)完整的機(jī)器，制造商就無(wú)法評(píng)估PEC安裝所在位置的風(fēng)險(xiǎn)，也不再需要CE認(rèn)證與合規(guī)性聲明，PEC給出相關(guān)的公司聲明即可。如果認(rèn)為它是一個(gè)完整的機(jī)器，制造商就要評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，制造商將根據(jù)2006/42/EC 和9419/EC給出CE認(rèn)證與合規(guī)性聲明。

實(shí)際情況下，將兩種方法結(jié)合起來(lái)會(huì)更有意義。在這種情況下，我們就要更多地考慮PEC的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于功能安全性來(lái)說(shuō)，機(jī)器損壞帶來(lái)的影響遠(yuǎn)比加工工廠損壞帶來(lái)的影響要低。

模塊供應(yīng)商必須提供測(cè)試等報(bào)告，模塊的交換也必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)估，但這些并不需要由具有專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的人來(lái)做。

通過(guò)提供合適的文檔范例，應(yīng)盡可能減少文檔方面工作的投入。

功能安全標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括兩部分，一是電力防爆安全系統(tǒng)的功能安全性，即通用標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61508-1:2010）和德國(guó)版標(biāo)準(zhǔn)（EN61508-1:2010）；二是功能性安全（加工工業(yè)的安全設(shè)施系統(tǒng)），即框架、定義、硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)（IEC61511-1-2003+2004），德國(guó)版標(biāo)準(zhǔn)（EN61511-1:2004）。

模塊化工廠的特征

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，模塊化工廠具有一系列工廠結(jié)構(gòu)化和操作方面的特征，重要的特征和說(shuō)明見(jiàn)表5。必須把模塊化工廠作為整體來(lái)看，全局觀念是操作者的責(zé)任，且這個(gè)責(zé)任不能委派給他人。

功能安全和模塊化工廠

基本功能安全任務(wù)和傳統(tǒng)工廠并沒(méi)有很大差別，只是在細(xì)節(jié)上有所不同。

A）防爆分級(jí)

如果每個(gè)模塊中危險(xiǎn)物質(zhì)數(shù)量越少，對(duì)工廠的造成損壞風(fēng)險(xiǎn)就越低。限制區(qū)域意味著危險(xiǎn)區(qū)域不易分離，并且會(huì)相互影響。

B）模塊化等級(jí)

根據(jù)IEC-61511，工廠完整性對(duì)于安全性來(lái)說(shuō)非常重要，子模塊并不影響工廠完整性。文檔必須建立在單個(gè)模塊文檔之上，如果模塊有SIS（廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)），我們就必須將它集成到控制系統(tǒng)中，可采用總線的方式，同時(shí)還要考慮在各種模塊中如何實(shí)現(xiàn)SIS的兼容性。在整個(gè)工廠建成后，SIS要盡快完成安裝。

C）標(biāo)準(zhǔn)化

表5 模塊化工廠功能性安全的重要特征

在模塊標(biāo)準(zhǔn)化的情況下，工廠的一致性會(huì)使功能安全性能更高。從安全角度出發(fā)，PEA可作為一個(gè)單元，高度標(biāo)準(zhǔn)化也需要如此。

D）審批/驗(yàn)收

一個(gè)模塊的文檔盡可能和大綱文檔相似，可以避免很多不必要的工作。如需改動(dòng)，應(yīng)盡可能少。不清晰的文檔會(huì)導(dǎo)致工作成本的增加，文檔必須是可追溯且一致的。模塊供應(yīng)商必須提供一個(gè)準(zhǔn)確的模塊描述，模塊的安全手冊(cè)應(yīng)該能給用戶(hù)清晰的使用指導(dǎo)。

GAMP指南AMP

加工生產(chǎn)需要GAMP5指南或采用PAT記錄的工序。就加工流程而言，模塊化工廠的加工類(lèi)型和自動(dòng)化與傳統(tǒng)工廠大致相同。審批是否通過(guò)，對(duì)于運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)具有決定性作用。

如果審批沒(méi)有通過(guò)，工廠便不允許開(kāi)辦，因此，審批也是全部成本中相當(dāng)重要的一部分。

對(duì)于傳統(tǒng)工廠，文檔從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如執(zhí)行器、傳感器）開(kāi)始編寫(xiě)。當(dāng)把具有標(biāo)準(zhǔn)化模塊的模塊化工廠視為技術(shù)設(shè)備時(shí)，工廠就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了文檔化。只有當(dāng)交互文檔丟失時(shí)，模塊化工廠的每一個(gè)零部件才需要重新確認(rèn)配置。

文檔的簡(jiǎn)化

為了簡(jiǎn)化冗余的文檔，模塊化工廠工程化的目標(biāo)應(yīng)被提升一個(gè)等級(jí)，表述模塊化工廠的文檔要足夠完整，并且格式有一定要求，這些都是被相關(guān)機(jī)構(gòu)（EMEA或FDA）審批成功的必要條件。

文檔的需求

為了審計(jì)員查看，PCS文檔應(yīng)具有易讀性，且能夠完整一致地描述自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程。出于經(jīng)濟(jì)效率的考慮，文檔應(yīng)簡(jiǎn)潔明了。除了技術(shù)內(nèi)容外，它還要符合ISO9000標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了文檔的結(jié)構(gòu)，包括可追溯性、責(zé)任等。為了確保設(shè)備不工作時(shí)可得到必要的信息，一般情況下，審計(jì)員都會(huì)審查模塊的細(xì)節(jié)，這可能意味著模塊的細(xì)節(jié)不得不公開(kāi)。

前景可期

目前模塊化還處于研究階段，本文提出了滿(mǎn)足NE148標(biāo)準(zhǔn)的模塊化的自動(dòng)化技術(shù)的概念，研究表明模塊自動(dòng)化是可以實(shí)現(xiàn)的。狀態(tài)模型是模塊化概念中非常重要的因素，用于自動(dòng)化技術(shù)的抽象描述和運(yùn)行。數(shù)據(jù)封裝采用面向?qū)ο蟮姆椒?，并能把模塊無(wú)縫集成到高級(jí)別PCS中。本文也探討了模塊化工廠的工程化途徑，需要重點(diǎn)借鑒模塊工程化和控制系統(tǒng)工程化之間的關(guān)系。傳感器/執(zhí)行器和標(biāo)準(zhǔn)等章節(jié)分析了模塊化工廠的顯著特征。如果上述方法應(yīng)用到工廠規(guī)劃、工程化、自動(dòng)化系統(tǒng)中，就有可能實(shí)現(xiàn)Namur所提到的發(fā)展愿景。

本文編譯自德國(guó)電子電氣制造商協(xié)會(huì)（ZVEI）：《Module-Based Production in the Process Industry-Effect on Automation in the “Industrie 4.0” Environment》