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全力加速的数字化进程

智能的自动化解决方案已成为行业的香饽饽

作者:2018 ACHEMA展会趋势报告 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:29 发布时间:2018-05-09
目前,流程工业面临的巨大挑战是生产需求的波动,企业应尽可能快地将产品投放到市场。这就要求流程设备运营商有着很高的生产灵活性,也对流程设备和相关设施的自动化提出了很高的要求。同时,像模块化设备、数字化、大数据分析或者智能传感器等工业4.0的话题也将成为新的推动力。
全力加速的数字化进程

长期以来,在过程自动化领域中,数字化进程已经展开。2017年10月,在德国VCI化学工业协会和Deloitte公司关于工业4.0的最新研究得出结论:化工企业计划在今后3~5年的时间里在数字化项目或者新的数字化经营模式中投资数十亿欧元,这足以改变过程自动化的世界。而变化的速度如何则仁者见仁、智者见智,“我们正在积极的准备数字化,当然也希望走得更远。”巴斯夫公司的Matthias Fankhänel博士在上一届Namur大会上说。同时他也提到,公司在过去的4年中加快了数字化的速度。应该继续保持这样的高速度,否则从中期发展的角度来看,就会有其他化工企业“抢走”巴斯夫的客户。那时,流程工业领域中的企业将会成为纯生产性的企业,从而将很难涉足新的经营模式,并从工业4.0中获益。

智能化维护保养

我们离流程工业自动化中贯彻落实数字化还有多远?例如,移动终端支持的维护保养或者资产管理。在设备巡查和现场维修时,尤其是大型流程设备,使用移动终端已经成为非常有效的方法。为了不仅能够收获当前的利益,而且能够把不同地点生产基地的利益都联系到一起,也有许多优秀的解决方案。在“智能维护”的口号下,巴斯夫公司打造了一个以图表格形式显示数据的“仪表盘”。它明确记录了各个流程设备的详细信息,准确反馈了流程设备现场工况情况。在跨生产基地的生产网络中,可以利用这一技术比较不同基地的生产情况。这样,不仅可以更好地协调流程设备的维护保养工作,还可以对各个不同生产基地建立基准并优化其工作流程。

数字化双胞胎

不仅在流程设备维护保养工作中,在流程设备的规划设计中,数字化也有着很大的应用潜力。流程设备运营商都希望流程设备的图纸资料和技术文件始终保持最新的状态。到目前为止,在纸质资料和不同数据格式、专用解决方案和数字化之间,始终有一些漏洞和矛盾需要解决。在不同地点的生产基地之间交换信息和数据时,常常会丢失一部分信息,或者必须手工补充完善,这就不可避免地浪费了时间,并付出更多的资金。

而数字化映射的“数字化双胞胎”解决方案则可轻松地解决这一难题。流程设备部件和系统的数字化虚拟映像将会伴随流程设备的一生,并确保所有的文档都保持在最新状态。在流程设备投产使用后的性能扩展、设备改造时,如果能够得到最新的文件资料,则可以很快地完成更新工作。利用数字化双胞胎,还可以在虚拟状态下对流程工艺进行模拟测试和验证,也可以在流程设备投产前利用虚拟环境培训设备的操作者,使他们掌握紧急情况下的处理方法。这就能够大大地节省时间,减少在设备调试过程中工作的压力。

数字化方向的第一步

在真正实现流程设备数字化之前,还有一些问题需要解决。特别是在过程自动化领域中,设备集成一直是多年来热烈讨论的话题。这与许多流程设备仍然在使用4~20mA电流的现场仪器设备有关,尽管现在已经有了Hart现场总线通讯协议。随着FDI现场设备集成技术规范的正式发布,以及将这一技术规范向IEC国际电工委员会组织的移交,终于扫清了现场设备集成中的障碍。目前,德国Austin市的FCG测试实验室中正在进行一致性测试,并开始了申请注册,首批注册的FDI主机和仪器设备可以在2018年从市场中购买。“FDI现场设备集成已经准备就绪,现在我们正在等待启动市场。”Fieldcomm集团公司的总经理Thoralf Schulz先生2017年11月时说道。为了使用户和控制系统能够轻松地访问所有当前注册登记的现场总线仪器设备,Fieldcomm集团公司还提供专用的在线数据库。

现在,现场总线仪器设备可以提供更多的流程工艺过程信息。因现有的控制系统高度集成化,传统的现场总线系统很难访问数字化的故障诊断参数,甚至使用Hart现场总线技术也很难做到,想要在高度集成化的系统中实现新的故障诊断功能,就必须付出更大的努力。目前,虽然控制系统已经可以访问设备状态的数据和信息,但如果它按照NE 107标准设计,不一定能够提供更加有用的信息。一旦建成基于以太网基础的现场总线系统,例如Profinet或者Ethernet/IP基础的现场总线系统能够更加持久、快速地传递数据和信息。

如何在易燃易爆危险区域中使用这样的现场总线系统,也是研究的关键问题之一。工业企业和用户组织联手合作的项目开发出基于以太网通信技术,可在过程控制系统领域使用的APL高级物理层解决方案。基于IEEE 802.3cg工作组在专业技术规范中定义的10 Mbit/s双限制电缆和长达1 000 m的可选供电技术方案基础上,目前正在制定适用于在具有潜在爆燃风险环境以及临界环境中使用的仪器设备标准,并确定了一批具有合规一致性的、满足EMV电磁兼容性测试要求的工具,第一批这样的仪器预计将在2020年上市。

工业4.0的推动作用

无论哪一种解决方案会在今后几年中得到应用,工业4.0都对其有着巨大的促进和推动作用,这种观念已逐渐被行业认可。尽管当前流程工业领域中占主导地位的主控系统,但在过去的两年多里,不同国家和地区的流程工业企业都在工程设计、流程设备的使用运行和维护保养中,提出了开放式的数据构架和通用的数据格式等方面的意见。例如Namur的开放式构架NOA,或许就是自动化金字塔旁的一条快车道。NOA开放式架构与核心自动化两者之间的最大区别就在于监控和优化任务,核心自动化领域中的数据将通过OPC UA统一系统架构用于监控和优化。NOA开放式构架的目标是,尽可能地利用创新性工艺技术来提高流程设备的经济性。2018年,Namur协会将会出台一份推荐标准。

Namur协会和ZVEI协会之间的MTP模块类型包计划就是另一个例子。增加设备编号而不是规模化扩展,这对那些急于将产品投放市场的流程工业企业来说十分重要。当几年前已经证实整套设备的自动化不再可行时,标准MTP模块类型包技术方案就开始快速发展。在2018年ACHEMA展会上,将会看到相对新的MTP模块包,例如故障诊断、维护保养的模块包等。同时,新的模块包的出现也将推动国际标准的进一步发展。从长期发展的角度来看,这种自动化解决方案将不仅适用于小型的灵活性流程设备,如生产电子化工产品的企业,现有传统的流程设备运营商也会对此产生兴趣。将来,在MTP模块类型包技术的帮助下,可以方便地将子系统从成套流程设备中分离出来,并能够在编程工作量不大的情况下,向控制系统添加新的功能,并由编程工程师输入到流程设备主控系统中。

Exxon Mobil公司走的则是另外一条完全不同的路。通过大范围的调查研究,2010年这家企业决定开发一种完全开放的自动化系统,并特别强调了IT/OT创新性网络安全、IIoT工业物联网、无线服务和云服务。就这样,在“开放组织”的主题下,就出现了一个全新的、完全开放的参考架构,包括一条将操作控制平台、自动化元器件和企业管理层联系到一起的实时服务总线。

从用户的角度来看,应尽可能避免在不同的解决方案中做选择,因此从2017年年中开始,人们就努力地协调不同的发展趋势,并希望它们能够形成一整套连贯性的解决方案,从而避免重复的劳动。

大数据分析

生成数据是一回事,从数据中获取有用信息又是另外一回事。因此,大数据分析在流程工艺过程优化、提高生产基地经济效益、开辟新的经营领域以及在全球化竞争中保持领先地位等方面非常重要。以巴斯夫公司为例,他们首次借助数字化技术,通过催化剂数据的系统分析实现了中间产品环氧乙烷的生产。通过确定催化剂配方和使用性能之间的相关性,可以更快、更好地预测催化剂的使用寿命和性能。同时开展的许多项目都在努力计算环氧乙烷生产过程中的边界条件。试验研究得到的辅助功能可以帮助流程设备运营商在设备运行到临界条件时做出正确的操作决策。在大数据实时方法的帮助下,可以尽早地向流程设备操作者发出报警提示,以便能够主动地采取措施。

此外,生成数据成为一个挑战,因为信息数据往往是分布式存储,没有足够的时间同步,也没有语义统一定义。同时,大量的数据和实时的要求也使得人工分析数据无法实现,缺少该领域的专业人员也是一大挑战。比利时的Trendminer公司采取的则是另外一种方法:从2016年初开始,该公司就为流程设备运行工程师和每一工作班的值班主任提供了优化流程工艺过程、发现和识别错误的工具软件,这是一款非常适合于非数据分析专业人员使用的工具软件。这家企业汇总了每天都与流程设备打交道操作者的经验和知识。软件按照一定的时间阶段,将检测到的流程设备工作数据与过去类似工艺过程时的数据进行比较,并图形化地显示出比较结果,操作者可以根据这些基本数据决定是否需要调整或改变流程设备的操作。

大数据分析能够改进的并不只是工艺流程的优化。在面向数字化的商业模式中,大数据分析也有着非常大的发展潜力。已经有许多典型的大数据分析项目在生产实践中得到了应用,例如流程设备的维护保养过程。数字农作技术提供了一个全新的农业经营模式,长时间以来,农民就一直在使用有关天气、土壤状况的数据和信息,并将当前农作物生产的情况、数据与种子、化肥、水和杀虫剂等联系起来。化肥公司销售的不是标准化肥,而是根据土壤、环境量身定制的专用化肥,最小批量仅有1件,这也凸显了工业4.0在实际中的应用。

即使是在没有工业4.0的背景下,过程分析技术PAT也已经可以实时提供标准化的数据。在过去的几年时间里,Inline-TAP在线过程分析技术帮助许多老的流程工业企业提高了其经济效益。除了流程工艺过程的监控之外,今天已经能够利用数据分析的结果优化流程工艺过程,包括提高生产能力、改进产品质量、减少能源消耗以及生产成本。过程分析技术专家坚信,PAT过程分析技术领域中的数字化转型将会开辟一些新的应用领域,最终改变流程设备的操作过程。

挑战和机遇

在过程自动化方面,传统的价值观念,例如可用性、安全性和使用寿命还是需要考虑的,但这些观念也开始出现了一些变化。将来,自动化将不仅仅是流程工艺链垂直方向的自动化,而将会是整个供应链中的自动化。过程自动化的起点是单一流程工艺过程的监控,而今天的过程自动化则发展到了对整套流程设备以及不同生产基地的联合进行控制了。