作者簡介

彭瑜（1938—），男，畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，教授級高級工程師，PLCopen中國組織名譽主席，中國自動化學(xué)會儀表和裝置專委會名譽常務(wù)委員，工信部智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)工作組專家，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進(jìn)組專家咨詢組專家，國務(wù)院特殊津貼獲得者；長期從事工業(yè)生產(chǎn)過程自控系統(tǒng)的設(shè)計、現(xiàn)場總線和工業(yè)通信在控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究工作。

0 引言

開放自動化早就不只是一個概念，而是已經(jīng)被實踐多年。按照已經(jīng)實施的活動內(nèi)容，開放自動化目前主要有以下三個方面。①美國開放流程自動化論壇(Open Process AutomationTM Forum,OPAF)倡導(dǎo)的開放自動化標(biāo)準(zhǔn)，重新定義分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)和制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)的架構(gòu)及構(gòu)成，用軟硬解耦的自動化組件構(gòu)成可互操作、內(nèi)生信息安全的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)以及其上層的人機(jī)界面(human-machine interface,HMI)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng)和MES。②德國開放自動化的主流是由NAMUR倡導(dǎo)的開放自動化(NAMUR open automation，NOA)和以模塊化為主要特征的模塊類型包(modular type package，MTP)。NOA把現(xiàn)有DCS奉為核心系統(tǒng)，在其一側(cè)建立另一個數(shù)據(jù)通道，實施全局監(jiān)控和優(yōu)化(monitoring+optimization,M+O)。這是一個與原有操作技術(shù)(operation technology,OT)系統(tǒng)平行的工業(yè)信息技術(shù)(information technology,IT)系統(tǒng)。MTP為流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝單元開發(fā)一系列具有特定功能性的模塊，通過流程編排將已組裝好且具有統(tǒng)一接口的模塊連續(xù)排列組合，從而創(chuàng)建一個流程。③在模塊化和具有互操作性的自動化軟硬組件的基礎(chǔ)上，形成自動化工程項目開發(fā)的新方法。軟硬解耦在工程設(shè)計和實施中具體表現(xiàn)為所謂的“后期綁定”，即生產(chǎn)設(shè)施的硬件不必從項目啟動時就與系統(tǒng)工程設(shè)計文件緊密配合，應(yīng)用軟件的開發(fā)可以與生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計制造和施工并行，直到后期才將二者綁定以進(jìn)入調(diào)試階段。這一自動化工程項目開發(fā)的新方法極大地降低了項目開發(fā)的成本、加快了項目開發(fā)的時間。

本文主要探討以模塊化為主要特征的MTP及基于MTP的流程自動化工程實踐。這標(biāo)志著工業(yè)生產(chǎn)朝著“即插即生產(chǎn)”的方向邁開了堅實的步伐。

1 工業(yè)自動化系統(tǒng)模塊化的本質(zhì)和實施方向

生產(chǎn)制造過程的模塊化和工業(yè)自動化領(lǐng)域中的模塊化，本質(zhì)上都是將系統(tǒng)、成套生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)過程和單元操作分解成標(biāo)準(zhǔn)的、模塊化的組件。這些組件可以按照工藝要求搭配，即插即用。

在新型流程自動化系統(tǒng)中，模塊化方法廣泛地應(yīng)用在許多方面，如模塊化的輸入/輸出(input/output,I/O)、模塊化的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜/現(xiàn)場接線盒、模塊化的標(biāo)準(zhǔn)樣板、模塊化的控制系統(tǒng)、模塊化的應(yīng)用軟件、模塊化的自動化系統(tǒng)設(shè)計的新方法、模塊化的流程工藝設(shè)施單元及其操作、模塊化的流程成套裝置和模塊化的工廠等。

模塊化的核心利益體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化(即取消或大幅減少設(shè)備、系統(tǒng)和流程的定制化)，以及操作運行的卓越化。標(biāo)準(zhǔn)化是指在各類模塊化的應(yīng)用中遵循相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及標(biāo)準(zhǔn)的方法步驟。這在開發(fā)和應(yīng)用MTP規(guī)范的過程中得到充分體現(xiàn)。雖然目前還難以避免一定程度的定制化，但是定制化的集成和工程化的成本過高，因此逐漸過渡到模塊化的集成方式是一種趨勢。新的模塊化的方法可以將項目完成時間縮短30%，克服了大多數(shù)自動化項目不能按期交付并超出預(yù)算成本的弊端。操作運行的卓越化有利于降低運行和維護(hù)成本、減少非計劃停車，從而降低風(fēng)險、提升安全性。

2 開創(chuàng)流程、設(shè)備與自動化軟件緊密結(jié)合的先例

在流程工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，必須遵循的原則包括：通過運用IT技術(shù)的成熟和最新成果，瞄準(zhǔn)虛擬化的方向開發(fā)相應(yīng)的工業(yè)軟件；同時，從最終用戶的利益和需求出發(fā)，考慮新舊交替過程中的平穩(wěn)過渡。這些工業(yè)軟件的開發(fā)還必須建立在綜合應(yīng)用多年來積累的、行之有效的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和IT標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過制定下一代流程工業(yè)自動化的系列標(biāo)準(zhǔn)，參與并深入到全開放的自動化架構(gòu)中。在此進(jìn)程中，發(fā)端于德國的MTP歷經(jīng)七八年的發(fā)展，已在制藥、精細(xì)化工、食品工業(yè)、油氣能源等行業(yè)成功應(yīng)用。根據(jù)NAMUR、ProcessNet、德國機(jī)械設(shè)備制造聯(lián)合會

(Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.，VDMA)和德國電氣電子制造商協(xié)會(Zntralverband Elektroteehnik und Elektronikindustrie e.V.,ZVEI)的聯(lián)合報告[1]，MTP規(guī)范適用的工業(yè)領(lǐng)域如圖1所示。

圖1 MTP規(guī)范適用的工業(yè)領(lǐng)域

在硬件上，MTP可以利用現(xiàn)有的DCS和PLC系統(tǒng)的部件或嵌入式工控組件，無縫集成為流程裝置的自動化單元。這一設(shè)計強(qiáng)調(diào)在優(yōu)化性價比的同時將工程量降至最低，并能夠加快工程交付進(jìn)度。符合MTP規(guī)范的自動化模塊內(nèi)含現(xiàn)代過程控制的各種功能屬性如圖2所示[1]。

圖2 符合MTP規(guī)范的自動化模塊內(nèi)含現(xiàn)代過程控制的各種功能屬性

模塊化工廠的結(jié)構(gòu)有許多方面建立在ISA 88和ISA 95的基礎(chǔ)上[2]，并發(fā)展了自動化即插即用的生產(chǎn)模型。因此，可以認(rèn)為這是應(yīng)用最新技術(shù)重鑄ISA 88和ISA 95的生產(chǎn)模型的成果，也是描述獨立于供應(yīng)商并采用工藝設(shè)備及其對應(yīng)的自動化軟件進(jìn)行模塊化所需的完整信息表述。MTP是流程自動化模塊標(biāo)準(zhǔn)化的核心概念，將大大推動自動化系統(tǒng)模塊化的實用進(jìn)程。每個進(jìn)入MTP模塊庫的模塊都包含一個與制造商無關(guān)的功能描述和標(biāo)準(zhǔn)化接口。在模塊工程實施的過程中，模塊制造商在一個MTP的

可擴(kuò)展標(biāo)記語言(extensible markup language,XML)文件中生成相關(guān)數(shù)據(jù)，供集成時使用。

模塊化生產(chǎn)的創(chuàng)新倡議是德國流程工業(yè)4.0在MTP基礎(chǔ)上開展的另一項活動[2]。它期望重點解決用戶普遍對供應(yīng)商交付的各種設(shè)備不能直接和智能地與控制、自動化、資產(chǎn)管理和業(yè)務(wù)系統(tǒng)通信的問題；同時也降低用戶對單一供應(yīng)商接口的唯一性和鎖定的依賴。為了實現(xiàn)模塊化，提高設(shè)計、安裝、調(diào)試和啟動效率，生成標(biāo)準(zhǔn)化和可靠的數(shù)據(jù)，提高互操作性，以及實現(xiàn)更高的可靠性和質(zhì)量等，流程行業(yè)正朝著設(shè)備和流程的模塊化用例所定義的模型方向發(fā)展。模塊化系統(tǒng)的組件可以為改善成本及運營作出貢獻(xiàn)，還可以在其生命周期內(nèi)進(jìn)行多次升級，而無需購買全新的系統(tǒng)。

圖3描述了實施模塊化生產(chǎn)工廠工程的各個階段[3]。

圖3 實施模塊化生產(chǎn)工廠工程的各個階段

由圖3可知，從過程設(shè)計、組態(tài)、即插即用、投入生產(chǎn)到為生產(chǎn)另一種產(chǎn)品而進(jìn)行流程重組，體現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)所帶來的一系列優(yōu)點。這些優(yōu)點包括縮短產(chǎn)品投放市場的時間、改善生產(chǎn)效率和充分利用模塊化的優(yōu)勢提高生產(chǎn)的靈活性。不同的設(shè)備模塊制造商提供不同的工藝設(shè)備模塊，如給料設(shè)備模塊、反應(yīng)設(shè)備模塊、提純設(shè)備模塊等。這些模塊都按照MTP規(guī)范的要求配備，符合IEC 62714 AutomationML標(biāo)準(zhǔn)(工業(yè)自動化系統(tǒng)工程通用數(shù)據(jù)交換格式)編制的MTP下發(fā)文件(XML文本)。在進(jìn)行流程設(shè)計時，首先按流程工藝要求選用規(guī)格合適的工藝設(shè)備模塊；然后進(jìn)入模塊化成套設(shè)備的設(shè)計階段，逐個對這些模塊組態(tài)；接著通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口將模塊連接，開始即插即用、立即投料試車的階段。由于所有設(shè)備模塊相關(guān)的工藝流程都是標(biāo)準(zhǔn)化的，此時通過流程編排軟件工具組織合理合規(guī)的生產(chǎn)流程，調(diào)試投運會比較順暢。只要在MTP下發(fā)文件中具備優(yōu)化的功能，在生產(chǎn)流程穩(wěn)定之后即可運用這一功能改善生產(chǎn)效率。

對于完全模塊化和部分模塊化的工廠，可以在批處理、SCADA、MES或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中增加新的流程編排層(process orchestration layer,POL)，以實施對流程控制系統(tǒng)的組態(tài)、補充或修改。因為MTP為POL提供業(yè)務(wù)流程模塊服務(wù)，所有自動化功能及其實施細(xì)節(jié)都由MTP提供，所以就免除了進(jìn)行詳細(xì)的編程和組態(tài)的必要。

不同于傳統(tǒng)的流程控制系統(tǒng)，POL不直接向模塊中的執(zhí)行器發(fā)送命令，只向模塊的服務(wù)發(fā)送命令，再由這些服務(wù)調(diào)用相關(guān)程序，使?fàn)顟B(tài)和過程變量值能夠顯示在POL控制屏幕上。這些服務(wù)在德國工程師協(xié)會(Verein Deutscher Ingenieure,VDI)/德國電氣工程師協(xié)會(Verband Deutscher Elektrotechniker e.V.,VDE)/NAMUR 2658標(biāo)準(zhǔn)中有更詳細(xì)的描述。顯然，POL為自動化供應(yīng)商提供了機(jī)會和創(chuàng)新空間，可以開發(fā)基于MTP模塊的自動化，創(chuàng)建靈活性更強(qiáng)、更便于應(yīng)用的自動化平臺。

POL控制屏幕顯示各個模塊的狀態(tài)和過程變量值如圖4所示[4]。

圖4 POL控制屏幕顯示各個模塊的狀態(tài)和過程變量值

3 MTP在實現(xiàn)模塊化工廠中的核心概念和步驟

模塊化是加快中小型工廠建設(shè)和規(guī)劃的重要舉措。模塊化工廠的核心概念是把工作流程分成模塊工程和POL工程這兩個階段[3]。模塊化工廠實施階段[3]如圖5所示。

圖5 模塊化工廠實施階段示意圖

模塊工程即開發(fā)設(shè)計具有特定流程操作功能，以及為實現(xiàn)這些特定功能所必需的一切技術(shù)手段。流程工藝實施模塊包括工藝裝備，以及其他模塊物理連接和信息通信連接的接口。其特點是能實現(xiàn)自洽和自主運行而無需其他技術(shù)支撐。這一工程由流程工藝設(shè)施模塊的開發(fā)商和供應(yīng)商承擔(dān)。流程編排工程是為完成工廠所要求的流程建設(shè)，從功能模塊庫中選取相關(guān)的模塊組合成特定的生產(chǎn)流程。這個編排組態(tài)的過程既包含了流程的管道連接和設(shè)備連接，又包含了更高層次的系統(tǒng)信息連接，還有必不可少的控制邏輯和運行顯示的工程設(shè)計。以下結(jié)合圖5作進(jìn)一步解讀。

①模塊工程。模塊工程與工程項目無關(guān)。每個流程單元設(shè)施的組合都是獨一無二的開發(fā)結(jié)果(見圖5左側(cè))。它既包含所實現(xiàn)的流程步驟的物理形態(tài)，又包含通向更高層次系統(tǒng)的信息技術(shù)接口，以及控制邏輯、安全保障、運行顯示和故障診斷等工程設(shè)計。模塊工程可以被看作是某種小型的工藝裝置。但它具有通用性強(qiáng)的特點，并非只是為某個特定應(yīng)用而開發(fā)的，而且還提供各種必要的實現(xiàn)功能。由此生成的有關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)、模塊提供的信息接口、流程和順序服務(wù)，以及相關(guān)的操作顯示，都存儲在MTP中。

②POL工程。在POL工程階段：首先，按照特定的工藝流程對模塊化工藝設(shè)施模塊進(jìn)行集成(見圖5右側(cè))；然后，讀入POL中的模塊描述，生成每個所需模塊的必要配置。這些配置包括對模塊進(jìn)行存取和監(jiān)控(編排)的程序控制服務(wù)、模塊的信息接口和POL中的圖形接口。模塊控制服務(wù)是參數(shù)化的，并且在需要的地方生成通用的聯(lián)鎖邏輯。同時，模塊之間的物理通信也是參數(shù)化的。還要指出的是，由于工藝流程的復(fù)雜性，POL往往需要用狀態(tài)機(jī)描述工藝流程。如果是柔性生產(chǎn)，還要用AutomationML描述工藝路徑，并參照用ISA 95規(guī)范編制的工單。狀態(tài)機(jī)還要隨著工藝變更而切換相應(yīng)的、基于MTP的操作設(shè)備。

模塊提供商(模塊工程)和模塊化工廠集成商(模塊編排工程)的工程實施過程是相互分離的。對模塊提供商而言，其附加值在于模塊化的工藝設(shè)施可以看作是一類可以多次反復(fù)使用的組件；對模塊化工廠集成商而言，其附加值在于減少了整個工廠的工程時間和保證了工程質(zhì)量。

4 MTP中的功能模塊化及其在POL的集成

根據(jù)NAMUR的NE 148標(biāo)準(zhǔn)的原則，在MTP中的功能模塊化嚴(yán)格按照流程工廠的實際需要進(jìn)行物理模塊化(physical modularization,PM)。模塊作為服務(wù)的提供方，將其在流程工程中特定的功能以服務(wù)的形式提供給POL使用。而模塊所提供的服務(wù)可以被POL作為業(yè)務(wù)用戶予以存取訪問。模塊按照生產(chǎn)產(chǎn)品的流程要求，通過POL的編排使多個模塊所提供的服務(wù)組成相關(guān)服務(wù)的工作順序。例如，連續(xù)運行的反應(yīng)過程必須協(xié)調(diào)反應(yīng)過程的啟動與反應(yīng)物料的輸送。這一附加的編排功能僅在對各種模塊進(jìn)行組合時才有必要。因此，這一功能必須在進(jìn)行流程編排的工程階段，由高級別的控制系統(tǒng)通過自動化實例實現(xiàn)。

總之，所設(shè)計的功能需在功能模塊中封裝為服務(wù)。例如，一個帶有攪拌混合功能的反應(yīng)器模塊可以提供“攪拌”服務(wù)。再如，由于反應(yīng)器必須在加滿反應(yīng)物料的前提下才能進(jìn)行反應(yīng)，因而反應(yīng)器還必須提供“加料”服務(wù)。而根據(jù)所加物料的品名和數(shù)量，反應(yīng)器還可以區(qū)分“物料A”“物料B”等。如果反應(yīng)器還伴有加熱系統(tǒng)，那么其也能提供“加熱”服務(wù)。該服務(wù)的參數(shù)集可以是目標(biāo)溫度、溫度的上升速率和加熱持續(xù)時間。于是上述所定義的流程處理設(shè)備的功能模塊實際上就是一種可提供“反應(yīng)”“加料”“攪拌”和“加熱”四類服務(wù)的強(qiáng)化工藝設(shè)備。每個服務(wù)都由一個狀態(tài)模型描述。

模塊化工廠的用戶界面也是MTP的基本組成部分。在經(jīng)過流程編排后的投運期間，為了確?？缍鄠€功能模塊運行和對整個流程的觀察和監(jiān)控，必須根據(jù)NE 148標(biāo)準(zhǔn)自動生成對模塊化工廠的運行顯示所必須具有的統(tǒng)一的“外觀和感覺”。這就是讓操作運行人員能夠通過運行顯示畫面收到“所見即所得”的效果。這樣，操作運行人員只須觀察顯示操作畫面就可以立刻對運行狀況有全盤而清楚的了解，做到全局在胸。

制造商在對功能模塊進(jìn)行規(guī)劃、結(jié)構(gòu)開發(fā)和設(shè)計編程的過程中，必須按照由MTP標(biāo)準(zhǔn)(VDI/VDE/NAMUR 2658標(biāo)準(zhǔn))第2部分和第3部分中所定義的對象，開發(fā)一個或多個操作顯示。操作顯示的建模在標(biāo)準(zhǔn)的第2部分重點描述。但模塊生產(chǎn)商最初并不了解處在高一級的POL的運行顯示情況。其原因在于，流程編排層在工程實施時是按特定的流程工藝要求開展的，只有將多個模塊按工藝流程要求集成之后，才能在POL中生成完整的、專門用于該流程工藝所需功能模塊的操作顯示。在POL的導(dǎo)入過程中，通用的HMI對象被目標(biāo)系統(tǒng)的特定標(biāo)志符所取代。為了能夠在統(tǒng)一的、專門用于工程項目的元素中實現(xiàn)所選定功能模塊的操作顯示，須采用以下描述方法，即包含工藝設(shè)備類型、尺寸和位置信息。這些信息可以通過一種算法來評估。該算法將與項目相關(guān)的顯示元素設(shè)置為所需的形式和位置，并將這些元素與相應(yīng)的變量相連接，以便與功能模塊的控制進(jìn)行通信。

如果將多個模塊在流程工廠中加以組合并進(jìn)行物理連接，那么必須在流程編排的過程中應(yīng)用高一層的POL對這些模塊進(jìn)行集成。用于過程控制的對象連接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)(object linkng and embedding for process control unified architecture,OPC UA)協(xié)議在POL中集成的架構(gòu)案例[3]如圖6所示。

圖6 OPC UA協(xié)議在POL中集成的架構(gòu)案例

集成過程中，必須確保每個被集成模塊的所有對象在POL的命名空間中都明確可識別且唯一。例如，將所選用的特定模塊賦予一個前綴。在圖6的案例中，一個過程控制系統(tǒng)可以部署為POL并采用OPC UA協(xié)議作為通信技術(shù)。模塊的OPC UA服務(wù)器可直接安排在模塊的控制器中，或者直接安排在模塊中，并由模塊的制造商生成和參數(shù)化。由此，所有模塊與POL的通信所需的信息都能被呈現(xiàn)出來。

在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，設(shè)備集成需要各種復(fù)雜的組態(tài)或配置(如通信組態(tài)、數(shù)據(jù)點組態(tài)、報警組態(tài)等)。而基于MTP的模塊化設(shè)備因為有標(biāo)準(zhǔn)的接口和自描述模型，所以可以“一鍵導(dǎo)入”到POL。接著，POL可以通過對工藝狀態(tài)機(jī)、工單和時間表的組態(tài)，把生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)設(shè)備串聯(lián)起來。在進(jìn)行工藝調(diào)整需要替換模塊化的設(shè)備時，工程人員也只要進(jìn)行簡單的配置即可。

5 MTP的機(jī)理和結(jié)構(gòu)

MTP的諸多組成部分及其與POL中各任務(wù)關(guān)系[3]如圖7所示。

圖7 MTP的諸多組成部分及其與POL中各任務(wù)關(guān)系

MTP以模塊描述為中心，并給出在MTP應(yīng)用環(huán)境下的數(shù)據(jù)交換格式。它描述了POL將功能模塊集成所需的模塊接口和功能。MTP在IEC 62714 AutomationML標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建模，但對其模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作了一些限制，例如不使用角色類。

在工程實施過程中，必須綜合考慮各方面的因素并運用現(xiàn)有的相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?；诿嫦蚍?wù)的模塊控制概念，考慮了“操作顯示”“診斷”“歷史數(shù)據(jù)和狀態(tài)”“狀態(tài)模型”等相鄰域。

每個模塊都有其相關(guān)的流程控制系統(tǒng)的對象以完成測量和控制任務(wù)。這些對象分布在現(xiàn)場級、控制級和集成級。然而，在MTP范疇中采用了基于灰盒的建模方法，所以這些對象僅在有限的程度上可見。

操作顯示使用AutomationML開發(fā)。模塊制造商工程工具中的源操作顯示實際上是在POL的HMI工具中自動生成的。每個功能模塊所提供的操作顯示僅是整個流程的一部分，需在POL中對所選用的模塊加以集成才能構(gòu)成完整的流程顯示操作畫面。因此，每個模塊源操作顯示的所有元素都必須傳遞有關(guān)位置、大小、前承和后繼間的關(guān)系和關(guān)聯(lián)意義的信息。

每個模塊都需記錄自身的歷史數(shù)據(jù)，如有必要也可以使用外部歷史記錄系統(tǒng)。在POL對模塊集成時，每個模塊都應(yīng)該向POL提供模塊歷史數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)。

MTP的組織文件從目錄展開其所含內(nèi)容的列表[3]如圖8所示。

圖8 MTP的組織文件從目錄展開其所含內(nèi)容的列表

通過AutomationML描述可以得到實際的控制(即所提供的服務(wù)接口)。為了以后在POL中按照某種特定的生產(chǎn)流程對服務(wù)進(jìn)行編排，要為這些以服務(wù)形式提供的實際控制安排一個適當(dāng)?shù)膱?zhí)行順序。

為避免服務(wù)查詢的重疊，必須為每個服務(wù)配置一個狀態(tài)模型，以描述所執(zhí)行服務(wù)的內(nèi)容(狀態(tài))、執(zhí)行順序及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件。這種描述在MTP中進(jìn)行。使用圖8描述的結(jié)構(gòu)，還可以集成MTP規(guī)范之外的其他方面的內(nèi)容，例如可以首先將IEC 61131-3代碼表示為PLCopen的 XML規(guī)范的形式，然后通過AutomationML提供的接口進(jìn)行集成。

MTP具有開放的體系結(jié)構(gòu)。MTP的基本概念設(shè)想了一個組織文件，即所謂的Manifest。它代表了MTP的一個目錄。這將指向MTP中的各種不同的功能服務(wù)，允許通過完整的MTP進(jìn)行簡單的導(dǎo)航。

MTP的內(nèi)部架構(gòu)可以不盡相同。AutomationML格式的信息可以保存在同一文件中的不同實例層次結(jié)構(gòu)中，被稱為SingleFileMTP；也可以作為單獨的文件逐個為實例層次結(jié)構(gòu)建模，被稱為MultiFileMTP。

如果MTP中包含了更多的功能服務(wù)，那么將再次生成一個指示符。其他方面則不受影響。這樣，所增加的功能服務(wù)就可以一個接一個地包含在MTP中。每個功能服務(wù)都可以用適當(dāng)?shù)母袷揭?。如果?/span>AutomationML描述功能服務(wù)，則可以將其包含在Manifest相同的文件中。在這種情況下，目錄中的引用則是對同一AutomationML文件中另一個實例層次結(jié)構(gòu)的引用，而不是對另一個文件的相對引用。

除了在目錄的內(nèi)容列表中所表達(dá)的功能服務(wù)以外，目錄中還描述了與模塊之間的通信。通信可以從多個方面加以解決，并提供模塊控制的信息鏈接。

6 MTP技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用正在進(jìn)入發(fā)展中期

許多模塊供應(yīng)商已經(jīng)在自動化供應(yīng)商的支持下獲得了初步運用MTP的經(jīng)驗，而且許多供應(yīng)商正在ZVEI 的領(lǐng)導(dǎo)下研究MTP概念的推廣。諸如巴斯夫、拜耳、贏創(chuàng)和默克這樣的早期采用者，已經(jīng)在各種試點項目中獲得了經(jīng)驗，證明了MTP的概念有利于用戶。毋庸置疑的是，所要求的互操作性和獨立于特定制造商等目標(biāo)都已達(dá)成。當(dāng)前的癥結(jié)所在還是用戶對此尚未建立足夠的信心，因而形成廣泛需求的局面尚有待時日。

贏創(chuàng)是一家全球規(guī)模的跨國公司。它在設(shè)于新加坡的一家化工廠中完成了一個引人注目的試驗項目。MTP規(guī)范在現(xiàn)有化工廠中的成功應(yīng)用[1]如圖9所示?，F(xiàn)有的流程已經(jīng)在日本橫河的Centum VP的DCS控制下正常運行多年，并由于工藝需要增加了一臺冷卻設(shè)備。這臺ENGIE公司提供的執(zhí)行MTP的成套設(shè)備，其控制系統(tǒng)由西門子S7-1500構(gòu)成(見圖9)。在此試驗項目中，DCS系統(tǒng)還充當(dāng)了POL的角色。其主要通過即插即用的方式投入生產(chǎn)，在短短幾天內(nèi)就得以完成。80%的過程是在MTP-HMI描述的一對一導(dǎo)入中進(jìn)行的，人工調(diào)整僅占20%。這一成功試驗有力地證明，基于MTP模塊化達(dá)到即插即用不僅僅適用于新建的流程，也完全適用于已有流程的改建和改善。

圖9 MTP規(guī)范在現(xiàn)有化工廠中的成功應(yīng)用

7 MTP從流程工業(yè)向離散制造業(yè)推廣的可行性討論

以MTP為代表的模塊化技術(shù)不僅適用于流程工業(yè)，從原理上也完全適用于離散制造業(yè)。關(guān)鍵是要在離散制造業(yè)數(shù)量繁多的細(xì)分行業(yè)中尋求合適的應(yīng)用場景，并與設(shè)備制造商和用戶合作開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備模塊和MTP模塊，以迅速試點、逐步推開。

不妨回憶一下，在20世紀(jì)90年代末期，在現(xiàn)場總線自動化市場蓬勃興起后不久，西門子開發(fā)和推出了基于組件的自動化(component-based automation，CBA)。CBA將不同的控制系統(tǒng)打包為標(biāo)準(zhǔn)組件，并在組件中使用統(tǒng)一的通信接口。究其實質(zhì)而言，這就是模塊化概念在離散制造系統(tǒng)的應(yīng)用。當(dāng)然那時僅僅利用了現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，為不同的工藝裝備構(gòu)成的生產(chǎn)線集成提供了可靠、實用的網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)沒有MTP在開創(chuàng)流程、設(shè)備與自動化軟件結(jié)合的模塊化方面考慮得深入和全面。

2016年，由設(shè)在意大利的歐洲IEC 61499能力中心(European Competence Center,ECC)發(fā)起的Daedalus創(chuàng)新計劃，獲得歐盟地平線2020的資助。其中，基于IEC 61499的控制和仿真平臺的基礎(chǔ)是意大利米蘭的國家研究委員會(National Research Council，CNR)下屬的工業(yè)技術(shù)與自動化研究所(Institute of Industrial Technology and Automation,ITIA)的幾位研究人員的開創(chuàng)性工作。他們對IEC 61499加以擴(kuò)展，并引入模型預(yù)測控制(model prediction control，MPC)，構(gòu)建了適用于離散制造分布式控制系統(tǒng)的平臺[4]。該平臺的基礎(chǔ)是將信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems，CPS)的概念具體落實在機(jī)電一體化的設(shè)備產(chǎn)品上，實現(xiàn)了機(jī)電產(chǎn)品設(shè)備的模塊化，并發(fā)揮了IEC 61499的面向?qū)ο?、事件?qū)動的互操作性開發(fā)語言的優(yōu)勢，實現(xiàn)了設(shè)備互操作性。將各種機(jī)電一體化的CPS設(shè)備按照生產(chǎn)線的工藝要求編排為符合工業(yè)4.0基本屬性的生產(chǎn)系統(tǒng)，可支持自動化金字塔向分布式面向服務(wù)的制造網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。這一探索開創(chuàng)了運用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建模語言IEC 61499進(jìn)行離散制造業(yè)的設(shè)備模塊化的新局面。據(jù)悉，后來德國也開始了這方面的探索。

按照MTP的現(xiàn)有規(guī)范，在開發(fā)MTP模塊時形成的MTP下發(fā)文件遵循AutomationML規(guī)范，并以XML文件形式下發(fā)。考慮到基于XML的AutomationML比較復(fù)雜且門檻較高，采用工業(yè)系統(tǒng)級建模語言IEC 61499[5]來實現(xiàn)MTP，并直接按照MTP的組織結(jié)構(gòu)來調(diào)用各種功能進(jìn)行流程編排，會在較大程度上降低MTP的技術(shù)門檻。另外，考慮到目前MTP的通信僅采用OPC UA協(xié)議，在離散制造業(yè)的應(yīng)用還必須采用多種工業(yè)通信協(xié)議作為選項，才可能滿足不同應(yīng)用場景的需求。

8 結(jié)論

盡管MTP技術(shù)已經(jīng)成熟，但還有很大的發(fā)展空間。根據(jù)用戶和供應(yīng)商的看法，如下三個因素將決定MTP概念的成功。

①來自用戶的必要需求。用戶應(yīng)該積極支持MTP的應(yīng)用，并按照自己的需求提供MTP的交付模塊和設(shè)備單元的規(guī)格書，以支持MTP的開發(fā)和應(yīng)用。

②吸引更多的DCS和PLC廠商參與MTP的開發(fā)。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加MTP功能，以確?，F(xiàn)有工廠也能受益于模塊化設(shè)備和模塊化自動化的新選擇。不少工業(yè)自動化公司已為MTP的應(yīng)用做好準(zhǔn)備，例如ABB、施耐德電氣、橫河、西門子等都是MTP開發(fā)和試驗的積極支持者和參與者。倍福推出了TwinCAT MTP軟件，該軟件能夠以面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方式為MTP生成代碼，并通過OPC UA協(xié)議與處于POL的DCS通信。愛默生的Delta V DCS系統(tǒng)也在近年完成了對MTP技術(shù)的支持。

③推動MTP標(biāo)準(zhǔn)的國際化。這首先是德國組織NAMUR、ZVEI和VDMA的責(zé)任，但也仰仗在全球范圍內(nèi)活躍的流程工業(yè)公司的支持和采用。目前，已經(jīng)有一些用戶組織(如Profibus用戶組織、BioPhorum制藥MTP互連測試組織等)在推動MTP的國際標(biāo)準(zhǔn)化、傳播和推廣應(yīng)用。這將是一個主要的成功因素。

行業(yè)人士期待國內(nèi)的自動化企業(yè)，尤其是DCS廠家和PLC廠家，跟上這一開放自動化的步伐。

參考文獻(xiàn)：

[1]ZVEI.MTP and NOA,Joint status report from NAMUR,ProcessNet,VDMA and ZVEI[R/OL].[2015-03-18].https://www.zvei.org/en/press-media/publications/mtp-and-noa-two-concepts-promoting.

[2]ZVEI.ZVEI white paper:Module-based production in the process industry-effects on automation in the “Industrie 4.0” environment[R/OL].[2015-03-18].https://www.zvei.org/en/press-media/publications/white-paper-module-based-production-in-the-process-industry.

[3]VDI/VDE/NAMUR-RICHTLINIEN.Automation engineering of modular systems in the process industry general concept and interfaces NAMUR 2658 Part 1[S].VDI/VDE/NAMUR-RICHTLINIEN,2019.

[4]FRANCO A.Cavadini  daedalus and IEC-61499:Real-time control and data spaces[R/OL].[2016-09-01].https://ec.europa.eu/newsroom/dae/redirection/document/62629.

[5]戴文斌,龐程,陳小淙.開放自動化系統(tǒng)應(yīng)用與實踐 基于標(biāo)準(zhǔn)建模語言IEC 61499[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.

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