作者簡(jiǎn)介

彭瑜（1938—），男，畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，教授級(jí)高級(jí)工程師，PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表和裝置專委會(huì)名譽(yù)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(guó)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(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者；長(zhǎng)期從事工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放自動(dòng)化早就不只是一個(gè)概念，而是已經(jīng)被實(shí)踐多年。按照已經(jīng)實(shí)施的活動(dòng)內(nèi)容，開(kāi)放自動(dòng)化目前主要有以下三個(gè)方面。①美國(guó)開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇(Open Process AutomationTM Forum,OPAF)倡導(dǎo)的開(kāi)放自動(dòng)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(dòng)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(guó)開(kāi)放自動(dòng)化的主流是由NAMUR倡導(dǎo)的開(kāi)放自動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)通道，實(shí)施全局監(jiān)控和優(yōu)化(monitoring+optimization,M+O)。這是一個(gè)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(kāi)發(fā)一系列具有特定功能性的模塊，通過(guò)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(gè)流程。③在模塊化和具有互操作性的自動(dòng)化軟硬組件的基礎(chǔ)上，形成自動(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法。軟硬解耦在工程設(shè)計(jì)和實(shí)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(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)就與系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)文件緊密配合，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)可以與生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)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(dòng)化工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新方法極大地降低了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的成本、加快了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的時(shí)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(dòng)化工程實(shí)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(kāi)了堅(jiān)實(shí)的步伐。

1 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)模塊化的本質(zhì)和實(shí)施方向

生產(chǎn)制造過(guò)程的模塊化和工業(yè)自動(dòng)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(guò)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(dòng)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(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用MTP規(guī)范的過(guò)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(guò)高，因此逐漸過(guò)渡到模塊化的集成方式是一種趨勢(shì)。新的模塊化的方法可以將項(xiàng)目完成時(shí)間縮短30%，克服了大多數(shù)自動(dòng)化項(xiàng)目不能按期交付并超出預(yù)算成本的弊端。操作運(yùn)行的卓越化有利于降低運(yùn)行和維護(hù)成本、減少非計(jì)劃停車，從而降低風(fēng)險(xiǎn)、提升安全性。

2 開(kāi)創(chuàng)流程、設(shè)備與自動(dòng)化軟件緊密結(jié)合的先例

在流程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，必須遵循的原則包括：通過(guò)運(yùn)用IT技術(shù)的成熟和最新成果，瞄準(zhǔn)虛擬化的方向開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工業(yè)軟件；同時(shí)，從最終用戶的利益和需求出發(fā)，考慮新舊交替過(guò)程中的平穩(wěn)過(guò)渡。這些工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)還必須建立在綜合應(yīng)用多年來(lái)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(guò)制定下一代流程工業(yè)自動(dòng)化的系列標(biāo)準(zhǔn)，參與并深入到全開(kāi)放的自動(dòng)化架構(gòu)中。在此進(jìn)程中，發(fā)端于德國(guó)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(guó)機(jī)械設(shè)備制造聯(lián)合會(huì)

(Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.，VDMA)和德國(guó)電氣電子制造商協(xié)會(huì)(Zntralverband Elektroteehnik und Elektronikindustrie e.V.,ZVEI)的聯(lián)合報(bào)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(wú)縫集成為流程裝置的自動(dòng)化單元。這一設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在優(yōu)化性價(jià)比的同時(shí)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(dòng)化模塊內(nèi)含現(xiàn)代過(guò)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(dòng)化模塊內(nèi)含現(xiàn)代過(guò)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(dòng)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(dú)立于供應(yīng)商并采用工藝設(shè)備及其對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化軟件進(jìn)行模塊化所需的完整信息表述。MTP是流程自動(dòng)化模塊標(biāo)準(zhǔn)化的核心概念，將大大推動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)模塊化的實(shí)用進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)入MTP模塊庫(kù)的模塊都包含一個(gè)與制造商無(wú)關(guān)的功能描述和標(biāo)準(zhǔn)化接口。在模塊工程實(shí)施的過(guò)程中，模塊制造商在一個(gè)MTP的

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

模塊化生產(chǎn)的創(chuàng)新倡議是德國(guó)流程工業(yè)4.0在MTP基礎(chǔ)上開(kāi)展的另一項(xiàng)活動(dòng)[2]。它期望重點(diǎn)解決用戶普遍對(duì)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(dòng)化、資產(chǎn)管理和業(yè)務(wù)系統(tǒng)通信的問(wèn)題；同時(shí)也降低用戶對(duì)單一供應(yīng)商接口的唯一性和鎖定的依賴。為了實(shí)現(xiàn)模塊化，提高設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和啟動(dòng)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(shí)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(yùn)營(yíng)作出貢獻(xiàn)，還可以在其生命周期內(nèi)進(jìn)行多次升級(jí)，而無(wú)需購(gòu)買全新的系統(tǒng)。

圖3描述了實(shí)施模塊化生產(chǎn)工廠工程的各個(gè)階段[3]。

圖3 實(shí)施模塊化生產(chǎn)工廠工程的各個(gè)階段

由圖3可知，從過(guò)程設(shè)計(jì)、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(lái)的一系列優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間、改善生產(chǎn)效率和充分利用模塊化的優(yōu)勢(shì)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?cè)O(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(dòng)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(jì)時(shí)，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(jì)階段，逐個(gè)對(duì)這些模塊組態(tài)；接著通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口將模塊連接，開(kāi)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(shí)通過(guò)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(yùn)會(huì)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(yùn)用這一功能改善生產(chǎn)效率。

對(duì)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(shí)施對(duì)流程控制系統(tǒng)的組態(tài)、補(bǔ)充或修改。因?yàn)?/span>MTP為POL提供業(yè)務(wù)流程模塊服務(wù)，所有自動(dòng)化功能及其實(shí)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(guò)程變量值能夠顯示在POL控制屏幕上。這些服務(wù)在德國(guó)工程師協(xié)會(huì)(Verein Deutscher Ingenieure,VDI)/德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(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(dòng)化供應(yīng)商提供了機(jī)會(huì)和創(chuàng)新空間，可以開(kāi)發(fā)基于MTP模塊的自動(dòng)化，創(chuàng)建靈活性更強(qiáng)、更便于應(yīng)用的自動(dòng)化平臺(tái)。

POL控制屏幕顯示各個(gè)模塊的狀態(tài)和過(guò)程變量值如圖4所示[4]。

圖4 POL控制屏幕顯示各個(gè)模塊的狀態(tài)和過(guò)程變量值

3 MTP在實(shí)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(gè)階段[3]。模塊化工廠實(shí)施階段[3]如圖5所示。

圖5 模塊化工廠實(shí)施階段示意圖

模塊工程即開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有特定流程操作功能，以及為實(shí)現(xiàn)這些特定功能所必需的一切技術(shù)手段。流程工藝實(shí)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(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)自洽和自主運(yùn)行而無(wú)需其他技術(shù)支撐。這一工程由流程工藝設(shè)施模塊的開(kāi)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(kù)中選取相關(guān)的模塊組合成特定的生產(chǎn)流程。這個(gè)編排組態(tài)的過(guò)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(yùn)行顯示的工程設(shè)計(jì)。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(xiàng)目無(wú)關(guān)。每個(gè)流程單元設(shè)施的組合都是獨(dú)一無(wú)二的開(kāi)發(fā)結(jié)果(見(jiàn)圖5左側(cè))。它既包含所實(shí)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(yùn)行顯示和故障診斷等工程設(shè)計(jì)。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(diǎn)，并非只是為某個(gè)特定應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，而且還提供各種必要的實(shí)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(chǔ)在MTP中。

②POL工程。在POL工程階段：首先，按照特定的工藝流程對(duì)模塊化工藝設(shè)施模塊進(jìn)行集成(見(jiàn)圖5右側(cè))；然后，讀入POL中的模塊描述，生成每個(gè)所需模塊的必要配置。這些配置包括對(duì)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(shí)，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(shí)施過(guò)程是相互分離的。對(duì)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(duì)模塊化工廠集成商而言，其附加值在于減少了整個(gè)工廠的工程時(shí)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(shí)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(wèn)。模塊按照生產(chǎn)產(chǎn)品的流程要求，通過(guò)POL的編排使多個(gè)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(yùn)行的反應(yīng)過(guò)程必須協(xié)調(diào)反應(yīng)過(guò)程的啟動(dòng)與反應(yīng)物料的輸送。這一附加的編排功能僅在對(duì)各種模塊進(jìn)行組合時(shí)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(jí)別的控制系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)化實(shí)例實(shí)現(xiàn)。

總之，所設(shè)計(jì)的功能需在功能模塊中封裝為服務(wù)。例如，一個(gè)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(shí)間。于是上述所定義的流程處理設(shè)備的功能模塊實(shí)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(gè)服務(wù)都由一個(gè)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(guò)流程編排后的投運(yùn)期間，為了確?？缍鄠€(gè)功能模塊運(yùn)行和對(duì)整個(gè)流程的觀察和監(jiān)控，必須根據(jù)NE 148標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)生成對(duì)模塊化工廠的運(yùn)行顯示所必須具有的統(tǒng)一的“外觀和感覺(jué)”。這就是讓操作運(yùn)行人員能夠通過(guò)運(yùn)行顯示畫(huà)面收到“所見(jiàn)即所得”的效果。這樣，操作運(yùn)行人員只須觀察顯示操作畫(huà)面就可以立刻對(duì)運(yùn)行狀況有全盤而清楚的了解，做到全局在胸。

制造商在對(duì)功能模塊進(jìn)行規(guī)劃、結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)編程的過(guò)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(duì)象，開(kāi)發(fā)一個(gè)或多個(gè)操作顯示。操作顯示的建模在標(biāo)準(zhǔn)的第2部分重點(diǎn)描述。但模塊生產(chǎn)商最初并不了解處在高一級(jí)的POL的運(yùn)行顯示情況。其原因在于，流程編排層在工程實(shí)施時(shí)是按特定的流程工藝要求開(kāi)展的，只有將多個(gè)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(guò)程中，通用的HMI對(duì)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(xiàng)目的元素中實(shí)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(guò)一種算法來(lái)評(píng)估。該算法將與項(xiàng)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(gè)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(guò)程中應(yīng)用高一層的POL對(duì)這些模塊進(jìn)行集成。用于過(guò)程控制的對(duì)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(guò)程中，必須確保每個(gè)被集成模塊的所有對(duì)象在POL的命名空間中都明確可識(shí)別且唯一。例如，將所選用的特定模塊賦予一個(gè)前綴。在圖6的案例中，一個(gè)過(guò)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(lái)。

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(diǎn)組態(tài)、報(bào)警組態(tài)等)。而基于MTP的模塊化設(shè)備因?yàn)橛袠?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(guò)對(duì)工藝狀態(tài)機(jī)、工單和時(shí)間表的組態(tài)，把生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)設(shè)備串聯(lián)起來(lái)。在進(jìn)行工藝調(diào)整需要替換模塊化的設(shè)備時(shí)，工程人員也只要進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)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(shí)施過(guò)程中，必須綜合考慮各方面的因素并運(yùn)用現(xiàn)有的相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。基于面向服務(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(gè)模塊都有其相關(guān)的流程控制系統(tǒng)的對(duì)象以完成測(cè)量和控制任務(wù)。這些對(duì)象分布在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)和集成級(jí)。然而，在MTP范疇中采用了基于灰盒的建模方法，所以這些對(duì)象僅在有限的程度上可見(jiàn)。

操作顯示使用AutomationML開(kāi)發(fā)。模塊制造商工程工具中的源操作顯示實(shí)際上是在POL的HMI工具中自動(dòng)生成的。每個(gè)功能模塊所提供的操作顯示僅是整個(gè)流程的一部分，需在POL中對(duì)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(huà)面。因此，每個(gè)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(gè)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(duì)模塊集成時(shí)，每個(gè)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(kāi)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(kāi)其所含內(nèi)容的列表

通過(guò)AutomationML描述可以得到實(shí)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(duì)服務(wù)進(jìn)行編排，要為這些以服務(wù)形式提供的實(shí)際控制安排一個(gè)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(gè)服務(wù)配置一個(gè)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(guò)AutomationML提供的接口進(jìn)行集成。

MTP具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。MTP的基本概念設(shè)想了一個(gè)組織文件，即所謂的Manifest。它代表了MTP的一個(gè)目錄。這將指向MTP中的各種不同的功能服務(wù)，允許通過(guò)完整的MTP進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)例層次結(jié)構(gòu)中，被稱為SingleFileMTP；也可以作為單獨(dú)的文件逐個(gè)為實(shí)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(gè)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(gè)接一個(gè)地包含在MTP中。每個(gè)功能服務(wù)都可以用適當(dāng)?shù)母袷揭搿Ｈ绻?/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(duì)同一AutomationML文件中另一個(gè)實(shí)例層次結(jié)構(gòu)的引用，而不是對(duì)另一個(gè)文件的相對(duì)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(gè)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(kāi)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(dòng)化供應(yīng)商的支持下獲得了初步運(yùn)用MTP的經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)項(xiàng)目中獲得了經(jīng)驗(yàn)，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(dú)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(duì)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(shí)日。

贏創(chuàng)是一家全球規(guī)模的跨國(guó)公司。它在設(shè)于新加坡的一家化工廠中完成了一個(gè)引人注目的試驗(yàn)項(xiàng)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(yùn)行多年，并由于工藝需要增加了一臺(tái)冷卻設(shè)備。這臺(tái)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(jiàn)圖9)。在此試驗(yàn)項(xiàng)目中，DCS系統(tǒng)還充當(dāng)了POL的角色。其主要通過(guò)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(guò)程是在MTP-HMI描述的一對(duì)一導(dǎo)入中進(jìn)行的，人工調(diào)整僅占20%。這一成功試驗(yàn)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(chǎng)景，并與設(shè)備制造商和用戶合作開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)備模塊和MTP模塊，以迅速試點(diǎn)、逐步推開(kāi)。

不妨回憶一下，在20世紀(jì)90年代末期，在現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化市場(chǎng)蓬勃興起后不久，西門子開(kāi)發(fā)和推出了基于組件的自動(dòng)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(shí)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(shí)僅僅利用了現(xiàn)場(chǎng)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(shí)用的網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)沒(méi)有MTP在開(kāi)創(chuàng)流程、設(shè)備與自動(dòng)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(jì)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(tái)的基礎(chǔ)是意大利米蘭的國(guó)家研究委員會(huì)(National Research Council，CNR)下屬的工業(yè)技術(shù)與自動(dòng)化研究所(Institute of Industrial Technology and Automation,ITIA)的幾位研究人員的開(kāi)創(chuàng)性工作。他們對(duì)IEC 61499加以擴(kuò)展，并引入模型預(yù)測(cè)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(tái)[4]。該平臺(tái)的基礎(chǔ)是將信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems，CPS)的概念具體落實(shí)在機(jī)電一體化的設(shè)備產(chǎn)品上，實(shí)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蟆⑹录?qū)動(dòng)的互操作性開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，實(shí)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(dòng)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(kāi)創(chuàng)了運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建模語(yǔ)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(lái)德國(guó)也開(kāi)始了這方面的探索。

按照MTP的現(xiàn)有規(guī)范，在開(kāi)發(fā)MTP模塊時(shí)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(jí)建模語(yǔ)言IEC 61499[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)MTP，并直接按照MTP的組織結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)用各種功能進(jìn)行流程編排，會(huì)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(xiàng)，才可能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)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(gè)因素將決定MTP概念的成功。

①來(lái)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(shū)，以支持MTP的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

②吸引更多的DCS和PLC廠商參與MTP的開(kāi)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(dòng)化的新選擇。不少工業(yè)自動(dòng)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(kāi)發(fā)和試驗(yàn)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_(kāi)發(fā)方式為MTP生成代碼，并通過(guò)OPC UA協(xié)議與處于POL的DCS通信。愛(ài)默生的Delta V DCS系統(tǒng)也在近年完成了對(duì)MTP技術(shù)的支持。

③推動(dòng)MTP標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化。這首先是德國(guó)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(cè)試組織等)在推動(dòng)MTP的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化、傳播和推廣應(yīng)用。這將是一個(gè)主要的成功因素。

行業(yè)人士期待國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化企業(yè)，尤其是DCS廠家和PLC廠家，跟上這一開(kāi)放自動(dòng)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(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐 基于標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言IEC 61499[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.

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