模块化技术的未来趋势

模块化是流程工业生产未来的技术演进方向之一

作者:德国ACHEMA展会趋势报告 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:83 发布时间:2018-05-18
多年来,模块化技术是否是流程行业解决工艺灵活性和成本费用问题的答案?这一问题受到了广泛关注,也引起了激烈的争论。从流程工艺技术的角度来看,模块化设备几乎能够完成所有的任务:从小批量到大批量的产品生产,但它的缺点是缺少标准,尤其是缺少模块化设备中自动化技术方面的标准。在流程工业领域中,从来没有像今天这样出现模块自动化技术高速发展的局面。
模块化技术的未来趋势

在不断变化的市场中,精细化工生物技术、药品生产和水处理技术领域日新月异。德国化学工业协会VCI预计,今后几年里市场的竞争将会更加激烈。为了提高生产效率,需要降低生产过程的复杂性,朝着更短的上市时间、个性化的产品和更小的批量方向改进,而这些趋势对生产过程灵活性的要求也越来越高。传统的流程工艺设备无法满足这些要求,为了提高企业的竞争能力,节约资源,实现需求为导向的生产,模块化就是流程工业企业未来的技术演进方向之一。业内普遍认为,模块化是流程工业4.0的开拓者,没有工业4.0的数字化网络,就不可能有灵活的流程工业生产过程。

如同插积木一样,快捷、轻松地将不同功能的设备模块组装成新的流程工艺生产系统,然而这也带来了新的问题:模块化设备的运营商能够再简便地增加其他设备模块吗?模块化的流程设备按照“按编号增加”的原理来控制,而不是传统意义上的“规模化放大”,在提高生产能力方面有着很高的灵活性。使用不同的反应模块或者下游处理模块时,几乎可以实现无限制的产品品种多样化。另外,模块化设备采用的集装箱式结构设计具有很好的移动性能和独立使用性能,在工作中,各个模块的维护保养和技术服务能够缩短设备调整的时间。

根据积木原理,可以按照实际需要用不同功能的模块快速、轻松地构建新的流程工艺生产设备

当前状况

模块化设备为流程工业企业提供了许多可能性,例如按照模块化的方式扩展现有的流程工艺设备和更加高效地集成到现有流程工艺设备中去。对于新建企业来讲,模块化设备的吸引力在于能够在降低工程费用的情况下,将灵活性提高至50%。

对制造业来讲,模块化设备已经是老生常谈了。由于流程工艺设备的使用寿命都很长,这方面的进展略缓慢一些。

尽管如此,还是有不少成功的实例。第一批利用模块化设备建造的流程工艺生产设备已经开始试运行或者已经运行了。例如2017年年底,在联邦教育和研究部BMBF资助下,朗盛、 Invite和Heller-Leder3家企业合作进行的ReeL“节约资源的皮革化学品生产”合作项目:从皮革废料中回收鞣酸的模块化设备已经开始试运行。在真实的生产条件下,这一模块化设备已经生产出一吨高价值的液体复鞣了。现在,德国每年要付出大笔资金进行近万吨皮革下脚料的无害化处理。

长期以来,精细化工企业和制药企业就一直在采用很高灵活性的生产工艺技术,因为高附加值的产品值得小批量生产。近几年来,大宗药品的品种数量一直在下滑,取而代之的是生物制剂,而生产这种生物制剂常常需要高度专业化的生产设备,以及灵活、可扩展的可拆卸设备解决方案,另一方面,用途单一的设备也非常流行。对于专门从事制药设备生产的企业而言,它们正在等待盈利的业务领域,并加大力量研发模块化的制药生产设备。

生产小型化

在石油和天然气工业领域中,传统的“世界级设备”将会继续存在下去,但是也有了另外的可能性。2016年某国际巨头在加拿大的项目证明了这一点,这家公司在“沙地”上用385个模块搭建起来一个每天生产18万桶原油的采油厂。在大设备中适用的,在小设备中也能行,例如近几年来实验室规模的模块化微反应系统已经成功进入了连续性生产过程中,不同的生产厂家为各行各业提供预配置的移动式实验室系统、演示和实验设备以及微型设备的规划设计和生产制造。

标准化是基础

在流程设备按照流程工艺实现了模块化后,剩下的问题就是这些模块的组装和集成了。此时,在流程工艺技术和自动化技术之间存在一个巨大的漏洞:每家企业都追求自己的专用方法,而没有标准就无法达成预期目标。只有各方都达成有约束力的标准,才能实现从工程设计到自动化操作流畅的模块化。

在灵活的生产过程中,自动化和网络化起着至关重要的作用。如果真正实现了模块化设备的“即插即用”,模块化设备制造将挖掘出巨大的技术和经济潜力。目前,自动化技术正在迎头赶上,并提出了许多巧妙的解决方案。

VDI/VDE,GMA和IEC的标准下的模块类型包

模块自动化

流程工业自动化技术领域中,Namur协会承担了标准化的任务,并在2013年针对自动化技术的要求提出了Namur协会的推荐标准NE 148。

实现模块化解决方案的前提条件是:标准化的定义和描述,自动化功能的执行以及应用以面向对象的软件,以便能够将封装的数据和模块顺利的集成到上一级的PLS过程控制系统中去。

作为电气技术领域中的行家,Wago公司开发出了分布式智能模块化系统Dima方案。这一符合工业4.0的生产系统的核心是:简单地将各个模块集成到流程设备控制层中,解决方案的基础是用模块类型包(MTP)来描述各个模块化设备。

ZVEI德国电气和电子制造商协会“模块自动化”工作组和Namur协会“模块设备自动化”工作组承担了数字化描述的具体任务,并从2015年开始就顶着巨大的压力共同致力于制定描述模块功能的、具有标准化意义的技术规范。对自动化技术专家提出的一个非常重要的要求是,现有的流程设备应尽可能地实现现代化技术改造和扩展。

为了保证能够完成这一任务,两个工作组选择了最有效的办法,将中期计划分解为几个方面:可视化、过程控制、维护和诊断、报警管理和安全可靠性,每一个都是MTP模块类型包整体中的一部分。一旦技术规范定义了一部分内容,生产厂家马上就可以按照这一技术规范执行。由于采用了这样的开发模式,用户就可以从完成的第一个应用包中获得收益。

在很短的时间里,两大专业协会组织就取得了诸多成就。2016 Namur大会介绍了第一批成果,一年之后,Wago公司、Yokogawa公司、西门子公司和ABB公司就有了最新的进展,未来模块自动化的轮廓也逐渐清晰起来。

制定标准

VDI/VDE/Namur 2658技术标准附页1“流程工业模块化系统的自动化工程——一般概念和接口”已于2017年颁布,VDI/VDE/Namur 2658附页2“流程工业模块化系统的自动化工程—屏幕建模”也于2018年年初颁布了。
一些生产厂家已经开始贯彻落实这些技术标准,业内人士相信:第一批符合这两个标准的产品将在不久的将来面世。

MTP模块类型包中非常重要的一个内容就是过程监控,这是一个基本原则,此外,用户的反馈也是关键要素。两大工作组的目标是:到2018年年底完成全部标准的制定。目前,维护保养和故障诊断两大部分的标准也已开始制定了。

标准化工作正在大踏步前进。根据德国标准化局的计划,将寻求这些标准成为全球化的IEC标准。为了不再出现第二种标准的对立和竞争,所有的标准制定者都想尽快获得用户的认可,尤其是流程设备制造商和系统集成商以及欧洲、北美洲和亚洲等重要地区客户的认可。

模块化的优点已经在规划设计中体现出来了,重复使用工程设计中的数据信息,以及整个项目设计过程数据处理的一致性显著加速了工程项目的设计速度。但是,仅仅在物理上实现流程设备的模块化远远不够,流程工艺技术也要按照模块化的方式进行设计。在这种情况下,模块的自动化也是无法回避的问题了。当流程工业企业已经为模式转换做好了准备时,符合MTP模块类型包的模块自动化就会成为灵活的流程工业生产过程的启蒙者。

2017年年底,由联邦教育和研究部BMBF资助的,朗盛、Invite和Heller-Leder 3家企业合作进行的ReeL“节约资源的皮革化学品生产”合作项目——从皮革废料中回收鞣酸的模块化设备已经开始试运行

模块化生产的到来

模块自动化的用户群体正在稳步增长。一部分粉丝来自自动化技术领域,例如控制器、传感器和执行器等制造商企业;另一部分则是来自运营商、模块化设备制造商和流程设备制造商,以及高等院校和不同协会、组织的成员。
模块化设备简化了工程设计,使流程工业生产过程更加灵活,缩短了产品上市的时间,提高了生产效率和企业竞争力。

在2018年ACHEMA展会上,“灵活生产”将成为产品展示和技术讲座中的重点话题。在这一世界流程工业领域中最重要的国际展会中,各个专业机构组织、设备制造商和化工企业的参观者可以了解全球流程工业行业的最新动态。

为了扩大模块化流程设备的市场份额就离不开技术标准。独立于仪器设备生产厂家、描述模块功能的MTP在模块自动化中迈出了历史性的第一步,在模块化设备的产品化中,第一个应用实例见证了模块化技术的成熟。
尽管如此,在设备的标准化和自动化方面还有许多工作要做。据专家估计,要有所突破还需要更多设备和思想观念上的转变。从模块化设计到设备制造,这段历程将付出巨大的精力,但坚持到底,必将得到丰厚的回报。