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關(guān)鍵詞：
DIMA
過(guò)程控制
控制系統(tǒng)
- 摘要：DIMA采用了現(xiàn)有的通信協(xié)議，因此不再需要標(biāo)準(zhǔn)化工作。
■DIMA (分布式智能模塊化系統(tǒng))。
作為全球最大行業(yè)之一，過(guò)程工業(yè)當(dāng)前的發(fā)展由兩個(gè)因素所決定：全球化和個(gè)性化。全球化可以讓任何人在任何地方訂購(gòu)世界各地的商品。只要上網(wǎng)輕輕點(diǎn)擊一下，產(chǎn)品就會(huì)漂洋過(guò)海，送到您的家門(mén)口。而個(gè)性化在包括食品、服裝和藥品在內(nèi)的消費(fèi)品行業(yè)發(fā)展最為迅猛。以著名的歐洲創(chuàng)業(yè)公司mymuesli.com為例。
該公司的業(yè)務(wù)發(fā)展堪稱個(gè)性化的典范：自2007以來(lái)，mymuseli.com的英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)客戶已經(jīng)創(chuàng)造了超過(guò)50億個(gè)麥片種類。
毋庸置疑，這些趨勢(shì)對(duì)制造工業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閭€(gè)性化產(chǎn)品不同于量產(chǎn)產(chǎn)品，安排生產(chǎn)不是那么容易。縮短的產(chǎn)品生命周期要求加快上市步伐，這進(jìn)一步加劇了生產(chǎn)安排的復(fù)雜性。制造系統(tǒng)曾經(jīng)一度追求卓越的可靠性，而現(xiàn)在生產(chǎn)靈活性已成為決策的關(guān)鍵依據(jù)。然而，這一變化經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)間。最早對(duì)模塊化系統(tǒng)提出更高生產(chǎn)靈活性要求是在2009年的Tutzing研討會(huì)上。針對(duì)如何將產(chǎn)品發(fā)布到產(chǎn)品上市的時(shí)間縮短一半這一問(wèn)題，與會(huì)的約100位科學(xué)家各抒己見(jiàn)。結(jié)論是系統(tǒng)必須采用模塊化設(shè)計(jì)，為制造商提供快速行動(dòng)和反應(yīng)的靈活性。此理念源自于過(guò)程技術(shù)，并在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域獲得了進(jìn)一步發(fā)展，又隨著2013年NAMUR推薦性規(guī)范NE 148的發(fā)布而走向了成熟。此建議全面描述了模塊化過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化所存在的挑戰(zhàn)。
以NE 148為基礎(chǔ)，自動(dòng)化供應(yīng)商被迫迎頭而上進(jìn)行創(chuàng)新。WAGO對(duì)此的反應(yīng)是開(kāi)發(fā)了DIMA（分布式智能模塊化系統(tǒng)）。
■ DIMA—分布式智能模塊化系統(tǒng)
WAGO于去年11月份在NAMUR全體大會(huì)上首次提出DIMA方案。為了開(kāi)發(fā)此方案，公司的工程師們經(jīng)歷了六大考驗(yàn)，制定出了六大基本核心模塊：
1. 智能模塊
為了充分利用模塊化自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，必須采用具備自主完整性和獨(dú)立自動(dòng)化能力的模塊。第一，這可以保護(hù)模塊避免被仿制；第二，它們能夠迅速集成到系統(tǒng)中投入使用；第三，這樣它們能夠盡可能獨(dú)立運(yùn)行。
2. 接口
為了防止整個(gè)行業(yè)對(duì)某一家供應(yīng)商或制造商產(chǎn)生依賴，DIMA獨(dú)立于制造商，建立在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上。
3. 技術(shù)保護(hù)
對(duì)于一個(gè)模塊化系統(tǒng)，模塊供應(yīng)商提供的設(shè)備必須集成于工廠級(jí)系統(tǒng)的上層控制系統(tǒng)中。同時(shí)，系統(tǒng)和模塊之間必須采用中立的接口。這樣一方面可以保護(hù)模塊供應(yīng)商的專有技術(shù),另一方面可以保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的控制工藝或生產(chǎn)流程。
4. 過(guò)程控制
通過(guò)DIMA為過(guò)程控制系統(tǒng)建立模塊化分布式自動(dòng)化的模型源自于組件易于集成到現(xiàn)有系統(tǒng)的IT行業(yè)。例如，打印機(jī)可以直接連接和使用而無(wú)需對(duì)其操作系統(tǒng)重新編程。通過(guò)使用DIMA，系統(tǒng)模塊同樣可以方便地集成到系統(tǒng)架構(gòu)中運(yùn)行。
5. 可視化
一般而言，如果一個(gè)系統(tǒng)由不同制造商生產(chǎn)的分布式模塊組成，那么每個(gè)模塊都會(huì)提供自己的可視化圖標(biāo)。然而系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商不喜歡控制界面是由各種不同風(fēng)格圖標(biāo)構(gòu)成的大雜燴,他們更需要風(fēng)格一致的外觀和感受。DIMA解決此問(wèn)題的辦法是創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在系統(tǒng)工程集成時(shí)引用此數(shù)據(jù)庫(kù)。
6. 安全
盡管采用了獨(dú)立于制造商的開(kāi)放性原則，但DIMA仍然能提供最大的安全性來(lái)抵御外部攻擊。
■ DIMA的技術(shù)實(shí)施—對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響
傳統(tǒng)的過(guò)程設(shè)備采用過(guò)程管理系統(tǒng)控制，其包含過(guò)程控制、HMI和工程設(shè)計(jì)。此架構(gòu)已被人們廣為接受，未來(lái)仍將有用武之地，例如用于石化工業(yè)。和傳統(tǒng)過(guò)程控制設(shè)備不同，部分模塊化過(guò)程控制設(shè)備通常由一個(gè)剩余系統(tǒng)和多個(gè)附加式獨(dú)立模塊組成。在這種情況下，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)用纖細(xì)的總線電纜替換原來(lái)的粗大纜線。雖然設(shè)備的過(guò)程控制架構(gòu)已經(jīng)模塊化，但它的通信和自動(dòng)化架構(gòu)仍然高度集中，因此我們還必須考慮集中式智能。部分模塊化架構(gòu)的示例包括離心機(jī)、攪拌器、灌裝設(shè)備、調(diào)溫設(shè)備和發(fā)酵設(shè)備。模塊的功能性和復(fù)雜性與模塊化架構(gòu)無(wú)關(guān)。這意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮每一個(gè)閥門(mén)；部分模塊化不會(huì)減少整個(gè)工程的工作量，而只是對(duì)空間進(jìn)行了優(yōu)化(圖1)。
當(dāng)一個(gè)設(shè)備采用了控制模塊，并且該模塊作為分布式智能與設(shè)備的過(guò)程控制和HMI系統(tǒng)進(jìn)行通信，則其才能稱為真正的模塊或封裝單元，并且這樣的模塊是有生命周期的。一般來(lái)說(shuō)，在這種情況下可以使用面向服務(wù)的架構(gòu)。服務(wù)存儲(chǔ)在模塊中并可以被系統(tǒng)所調(diào)用。這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)就是必須根據(jù)專屬模塊規(guī)范進(jìn)行逆向編程。這種做法可能既昂貴，又容易出錯(cuò)（圖2）。
然而在完全模塊化系統(tǒng)架構(gòu)中，系統(tǒng)模塊配備自主的控制器、操作面板和工程設(shè)計(jì)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)可以由系統(tǒng)制造商和模塊制造商分擔(dān)，并且可以各自執(zhí)行。這就是說(shuō)，通常可以在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)采用不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行工程設(shè)計(jì)（圖3）。
因此，實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)要求整個(gè)系統(tǒng)的模塊集成不僅可以在沒(méi)有模塊制造商的支持下執(zhí)行，也可以在沒(méi)有任何外部協(xié)助下執(zhí)行。
在過(guò)去，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要非常全面地了解模塊的技術(shù)規(guī)格才能正確、完整地將模塊集成到系統(tǒng)中。通常這需要根據(jù)模塊的技術(shù)參數(shù)逆向編程。當(dāng)模塊通信采用故障保護(hù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中集成了模塊的功能，并且嵌入了HMI模塊時(shí)，系統(tǒng)操作人員就可以了解模塊內(nèi)的運(yùn)行情況(圖4)。
■集成模塊無(wú)需編程
大幅降低工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、費(fèi)用以及更重要的是降低出錯(cuò)率，是WAGO提出DIMA的初衷。DIMA封裝了模塊的復(fù)雜性和功能性，從而為系統(tǒng)制造商節(jié)省工程時(shí)間。為此，模塊通過(guò)模塊類型封裝(MTP)，一種包含模塊所有特性的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行描述。MTP包含以下信息：通信參數(shù)，便于模塊得以連接；服務(wù),即描述模塊可以執(zhí)行哪些過(guò)程；有關(guān)操作和觀察的信息，即圖形信息，還包括有關(guān)狀態(tài)、診斷、歷史記錄和歸檔的信息。MTP包含用于描述模塊的一切必需內(nèi)容。系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)只需調(diào)用MTP。此時(shí)可以選擇模塊所提供的服務(wù)，該服務(wù)將集成到生產(chǎn)過(guò)程的工序鏈中。然后執(zhí)行模塊的過(guò)程控制連接，以便過(guò)程控制、HMI和模塊相互之間可以通信（圖5）。
通過(guò)使用MTP，模塊特性的描述通過(guò)規(guī)范而開(kāi)放的格式得以呈現(xiàn)。模塊特性和服務(wù)由模塊制造商負(fù)責(zé)確定。因?yàn)槟K可以向過(guò)程控制系統(tǒng)提供它的特定服務(wù)，所以不必向模塊制造商提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)目錄。模塊所能提供的跟所需要的服務(wù)之間的差異，應(yīng)該由不同制造商的模塊所提供的不同服務(wù)來(lái)彌補(bǔ)。
■無(wú)需MTP接口的工程設(shè)計(jì)
即使現(xiàn)有集成軟件系統(tǒng)沒(méi)有MTP接口，MTP也可以上傳到系統(tǒng)中。在這種情況下，MTP可以加載到WAGO的工程軟件系統(tǒng)e!COCKPIT中，并將MTP映射到各種可能的工程控制系統(tǒng)，例如SCADA、HMI、過(guò)程控制、MES或批處理系統(tǒng)。然后，通過(guò)軟件的相應(yīng)開(kāi)放接口讀取MTP。這一過(guò)程中，e!COCKPIT工程軟件只充當(dāng)轉(zhuǎn)換工具。由于MTP的描述采用的是開(kāi)放格式，幾乎所有人都可以重新創(chuàng)建（圖6）。
■ DIMA特性
在DIMA環(huán)境中，模塊和服務(wù)是統(tǒng)稱。服務(wù)可以是過(guò)程、操作，也可以是功能。模塊究竟是提供復(fù)合模塊中的復(fù)雜產(chǎn)品服務(wù)，還是僅用于轉(zhuǎn)換兩個(gè)閥門(mén)和泵，完全由模塊制造商決定。此方法不對(duì)集成的程度或所謂模塊輪廓做任何要求，但支持遵守IEC 61512的系統(tǒng)架構(gòu)（圖7）。
已經(jīng)集成到系統(tǒng)中的每個(gè)模塊均對(duì)其所提供的服務(wù)或參數(shù)采用一種特定的，可能跟別的模塊完全不同的圖標(biāo)顯示。如果只是單純地將這些不同的顯示加載到上層控制系統(tǒng)中，結(jié)果就會(huì)造成混亂，不能形成統(tǒng)一的顯示。除此之外，這種情況還可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)的操作安全。尤其是危急情況下，由于同樣內(nèi)容的信息會(huì)與不同的圖標(biāo)關(guān)聯(lián)，操作人員無(wú)法進(jìn)行直觀的操作。在DIMA框架下，MTP完全不含圖形數(shù)據(jù)，而僅包括必須以某種方式顯示的信息，例如溫度。此信息將會(huì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被調(diào)用。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件提供自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于顯示比如溫度信息。然后通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，不同的模塊得以通過(guò)統(tǒng)一的方式顯示，從而獲得一致的外觀。
通過(guò)選擇所需的服務(wù)等級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)從白匣子到黑匣子的所有方式。例如，某種操作可以通過(guò)黑匣子方式只設(shè)置一個(gè)啟停鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，而其可視化可以通過(guò)白匣子方式實(shí)施，這樣就可以看到所有數(shù)據(jù)和參數(shù)。
■結(jié)論
DIMA是一種可以在過(guò)程工業(yè)中提高競(jìng)爭(zhēng)力的方法。它滿足模塊化自動(dòng)化的所有要求，包括NAMUR的推薦性規(guī)范NE 148中的要求。WAGO與德累斯頓工業(yè)大學(xué)和漢堡聯(lián)邦軍事大學(xué)合作提出了這一理念，并研制出了原型證明了DIMA可行性。所有這些的實(shí)現(xiàn)都沒(méi)有采用任何專利技術(shù)。DIMA采用了現(xiàn)有的通信協(xié)議，因此不再需要標(biāo)準(zhǔn)化工作。如果自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商需要以極其可控的方式開(kāi)放接口，同時(shí)又想保護(hù)自己的專屬技術(shù),那么DIMA理念足以滿足以上需求。
