【儀表網 行業科普】對于化工企業來說，模塊化自動化系統提供的靈活性為加快其產品上市速度、延長正常運行時間和降低生產成本提供了一個更有吸引力的途徑。
化工企業需要提高生產過程的敏捷性，這促使他們尋求一種新型的過程控制系，以幫助他們更好地適應變化。標準化的“即插即用”模塊化自動化解決方案有助于創建動態自動化解決方案，以幫助企業快速適應當今和未來不斷變化的需求。
作為一個市場規模超過5.2萬億美元行業的一部分，全球化工企業正面臨著日益復雜的挑戰，這促使他們重新思考傳統的生產和過程控制方法。一個關鍵挑戰是對可持續發展的日益關注。人們越來越期望生產商通過開發和實施更環保的生產技術、更高效的化學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足跡的方法。
不可預測的原材料成本以及供應鏈中斷也對化工行業產生了影響，尤其是在涉及化工生產過程中至關重要的原料和能源方面。石油和天然氣價格的波動可能會顯著影響生產成本和盈利能力。
此外，監管審查也在不斷升級，世界各國政府都在加強監管，以更好地控制排放并確保化學品的安全處理。遵守這些法規可能需要大量的資源、時間和成本，需要對新技術和基礎設施進行大量投資，并密切關注現有生產過程的性能。
化工行業競爭激烈，再加上對定制化和更快交付時間的需求不斷增長，都要求企業能夠快速適應這些情況，無論是通過提高其過程效率還是快速開發新產品。人工智能(AI)、機器學習和物聯網等數字技術的進步，為實現更高水平的生產靈活性提供了越來越多的機會，但將這些技術整合到現有的過程控制架構中也帶來了自身的挑戰。
另一個亟待解決的問題是該行業面臨著日益嚴重的技能短缺。難以吸引和留住熟練的技術工人，意味著工程團隊的人手正變得越來越緊張，迫使生產商尋找更有效地利用現有人員的新方法，包括更大程度地采用自動化和數字技術。
重新思考過程控制系統的設計
應對這些挑戰需要徹底擺脫傳統上用于管理和控制工廠的整體式自動化系統。在這些系統中，主控制器用于執行定制化的源代碼，以管理整個生產線的順序控制、運動控制和輸入/輸出(I/O)。由于這些系統通常是為特定的工廠布局、產品范圍和理想產能而設計和優化的，因此它們在適應未來變化方面的靈活性非常有限。
這些系統適用于需求周期恒定或高度可預測的、生產單一產品的傳統大批量生產，缺乏必要的靈活性，無法應對當今生產商面臨的越來越多的挑戰，尤其是在滿足更快、更靈活的生產需求方面。隨著定制化趨勢的不斷增強，生產商需要從面向大規模生產的生產線轉向為小批量生產設計的生產線。
為特定工廠或過程設計的系統很難在其它工廠復制，對于多地點運營的公司來講，這可能存在潛在問題。特別是，由于系統和支持系統的專業技術最終很可能因地而異，要在質量、成本和能耗等方面實現全公司一致的基準可能會很復雜。
這必然需要從兩個方面重新思考過程控制系統的設計。首先，需要從傳統的集中式架構轉向能夠快速響應生產變化的新架構，以確保在不大幅增加成本的情況下實現較高效率。
其次，在采取這一措施時，有機會考慮如何最好地整合工業4.0和物聯網技術所提供的機遇，這些技術可用于優化過程和工人績效，并改變工廠的維護和運營。
控制系統的設計人員正在解決本文開頭提及的化工企業所面臨的諸多挑戰，他們采用邊緣和云計算來支持新技術，為增強與生產工廠的互動提供了更多的可能性。例如，使用先進的傳感器和分析來優化能源使用并最大限度地減少廢品，以履行行業的環境責任并節約成本。這種對可持續性的關注，不僅減少了該行業的生態足跡，還提高了其經濟可行性，并通過改進監測和報告來幫助確保符合法規要求。
先進的控制算法還有助于做出更明智的決策，以提供更好的產品質量和一致性，減少手動過程可能出現的變異性，并提高生產效率，使企業能夠更靈活地應對市場需求并超越競爭對手。
與此同時，隨著技能缺口的影響愈發明顯，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中，從智能手持設備到增強現實(AR)頭顯，這些工具可以用于提升工程團隊的績效，無論他們是在控制室還是在現場進行維護作業。
▲化工行業競爭激烈，再加上對定制化和更快交付時間的需求不斷增長，都要求公司能夠快速適應這些情況，無論是通過提高其過程效率還是快速開發新產品。
更高效的模塊化自動化系統
模塊化自動化概念為實現動態、靈活的過程控制系統所需的靈活性提供了解決方案，該系統能夠應對當前和未來的生產挑戰。
通過將系統分解為離散的模塊，模塊化自動化為每個獨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整體式架構中使用的控制器那樣強大。
由于每個模塊實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行，無需全部重寫整個流程的代碼即可進行更改或優化。可以調整或刪除現有過程的一部分，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，可以收集每個單獨模塊的更多數據，從而優化生產線的特定部分，而不是將所有數據集中到一個中心點。這使得生產線能夠更敏捷、更靈活地適應產品變化或生產量的調整。從整體式自動化系統轉向模塊化自動化系統，可以將停機時間減少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，上市時間也可以縮短多達40%，因為新產品生產流程的實施時間減少，產品能夠更快地推向市場。
確保互操作性
長期以來，自動化制造商已經意識到，那些提供很少或根本不具備互操作性的專有系統，會嚴重限制過程控制系統的能力及其適應變化的能力。這種限制會阻礙創新，并將客戶綁定在特定的系統上。
因此，在自動化技術和實現最大互操作性所需的標準化方面，協作和透明度一直是其關鍵驅動力。當今的模塊化自動化技術基于VDI/VDE/NAMUR 2658標準，該標準規范了模塊類型包(MTP)之間的互操作性框架，MTP構成了系統中每個單獨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所需的所有信息，包括存檔、人機界面(HMI)、過程控制、歷史記錄和安全。
遵循VDI/VDE/NAMUR 2658標準可確保任何模塊都可以集成到任何自動化系統中，從而實現多個系統供應商和產品系列之間完全的互操作性。這一優勢使模塊化自動化具有吸引力，因為OEM和客戶不再局限于現有系統，而是可以自由享受真正不可知的自動化環境所帶來的好處。
模塊化方法的另一個好處，是能夠更快地響應需求變化，無論是在數量還是產品方面。為特定應用創建MTP塊的能力，有助于在不影響其它模塊的情況下，提高和降低產能。因此，模塊化自動化的一個關鍵優勢是能夠快速增加或減少數量，以滿足不斷變化的生產需求。與通常涉及調整現有流程以增加或減少其產能的擴展相比，模塊化系統只需根據需要增加或減少一個生產單元即可。除了提高靈活性外，這種方法還有助于降低增產的風險和干擾，因為在添加新系統的同時可以保持生產。
▲與通常涉及調整現有流程以增加或減少其產能的擴展相比，模塊化系統只需根據需要增加或減少一個生產單元即可。
DCS角色的轉變
雖然分布式控制系統(DCS)提供了一種經過驗證的長期方法來提供工廠安全高效運行所需的功能，但它們越來越需要能夠適應工業用戶不斷變化的需求。特別是，現在用戶期望系統能夠變得更動態，以解鎖不斷擴大的技術范圍所提供的可能性，這些技術將助力下一代過程控制系統的發展。
模塊化自動化所帶來的機遇，改變了DCS的角色，使其從一個集中化、復雜的系統轉變為更具靈活性、可擴展性和用戶友好的系統，從而更好地滿足現代工業過程的動態需求。實際上，DCS的角色演變成為一種過程協調系統，負責管理諸如啟動生產過程、收集運行性能反饋、處理信息以及向每個模塊返回指令等任務和流程。通過使每個模塊能夠預測其他模塊的動作，過程協調系統確保整個生產過程的各個部分協同工作，以實現最佳生產效率。
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有的生產過程中，并能夠在更廣泛的自動化架構中無縫運行，MTP的作用類似于安裝在PC上的驅動程序。除了加快實施速度外，該方法還可以更容易地在多個站點之間復制操作流程并建立一致的最佳實踐。
釋放新的可能性
對于化工企業而言，“即插即用”模式所帶來的可能性為加快上市時間、提高設備運行時間和降低生產成本提供了一個極具吸引力的途徑。此外，通過使制造商能夠迅速適應并根據客戶和市場需求增減其流程和系統，該模式為簡化新產品的引入以及以最少的工程工作量調整生產能力提供了一種方法。
通過采用標準化的模塊和接口，模塊化自動化使工廠能夠實現更高的工程效率，從而降低成本。可以在不需要實際硬件的情況下對過程進行設計和測試，維護變得更加簡單和經濟高效，因為可以在整個系統不離線的情況下對單個模塊進行維護。
此外，模塊化自動化支持精細的數據收集方法，允許優化單個生產線組件。它還與“設計網絡安全”戰略相一致，提供了分區的安全保障措施，可以比獨立系統更能有效地遏制網絡威脅，而且不會導致停產。
這種模塊化方法特別適合精細化工生產的特殊要求，其小批量、生產周期短或有限數量的多種產品并行生產。它為傳統的自動化系統提供了一種更標準化的現成替代方案，幫助化工公司解決勞動力短缺問題，在實現自動化系統的設計、實施和維護過程中，減少對昂貴的工程、采購和施工(EPC)服務的依賴。
化工行業正處于技術革命的風口浪尖，模塊化自動化和物聯網融合在一起，提供了實時數據和自動化功能。模塊化自動化與物聯網相結合不僅改變了工廠的設計和制造，還提供了經濟高效的解決方案，簡化了工程，提高了生產靈活性，并幫助化工生產商抓住新的市場機會。
物聯網傳感器正在實現實時過程監控、預測性維護、供應鏈優化、節能以及遠程監控，所有這些都提高了產品質量、安全性、工廠效率和環境合規性。物聯網與模塊化自動化的融合正在推動化工行業的轉型，提高安全性、效率、產品質量和環境可持續性。由于該行業面臨著當前和未來的挑戰，這些技術將共同塑造未來的過程控制系統奠定了基礎，為提高生產和性能釋放新的潛力。
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