流程工业的数字化之光

流程企业利用Profinet现场总线来应对数字化技术的挑战

作者:Sabine Mühlenkapm 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2019-12-16
创新性的维护保养、更加紧密的客户关系或者全新的故障诊断解决方案等,大多数都建立在以太网解决方案基础之上。而在流程工业领域中,自动化主要基于特殊的解决方案基础之上。现在要将这2种方法巧妙地连接到一起,Profinet现场总线提供了一种简单可靠的开放式解决方案。

没有数字化,流程工业企业寸步难行。但是,尽管市场需求已经发生了巨大变化,但流程工业的过程自动化仍然未见突破。例如,除了很高的流程设备利用率之外,许多流程设备还面临使用寿命的挑战。流程行业有很高的灵活性要求,要求在不停机的情况下,灵活地完成某一个仪器设备的更换。因为计划外的设备停机都意味着重大的经济损失,当然也更不允许单个设备的更换导致整个生产过程全部瘫痪。因此,冗余和可扩展性至关重要,更不用说流程行业还面临着防爆的挑战。

为了促进流程设备的数字化进程,我们必须考虑各个方面的问题。一般情况下流程设备现有控制系统不支持简单地连接各种辅助工具,比如优化维护保养的辅助措施等。将优化改进纳入到流程设备的控制系统中十分复杂,这些优化改进有些甚至是多余的,因为没有人愿意改变正在使用运行的系统。

数字化技术

近几年来,人们已经在努力开发能够满足流程工业企业特殊需要的结构化以太网,例如在易燃易爆危险场合、在流程设备通讯和现场总线系统中使用的过程自动化拓扑解决方案。与此同时,人们也开发出了数字化技术中最有前景的解决方案,例如PA-Profil 4.0版的Profil现场总线技术规范,这是独立于通信技术协议的最新版现场总线技术规范。所有PA-Profil现场总线指定的参数和功能都可以在Profinet和Profibus两大系统中使用。为了进一步简化总线仪器的使用和操作,还可以通过GSD配置文件使用NAMUR技术标准NE 107(现场总线设备的自我监控和诊断)中的所有测量原理,也支持使用NE 131(NAMUR标准设备,适用于80%的应用程序)中的标准设备参数。这一切都归功于PNO总线技术协会与NAMUR协会的密切合作。

事实上,许多流程设备仍然在使用4~20mA的模拟技术和Hart现场总线通信技术协议。这就带来了一系列问题:怎样实现工业4.0?如何将工厂资产管理解决方案或者设备状态监控系统引入到流程工业领域中?如何在企业管理中利用好大量数据?如何才能更快地将新技术应用到流程工业企业中去?

利用以太网和更高级别的Profinet协议不仅可以将其他网络也集成到一起,例如将上游和下游的生产步骤,比如包装生产也集成到一起,而且还可以将故障诊断、维护保养的工具或者附加的单个传感器也集成到一起。这种集成方法的好处是只有一个Profnet现场总线系统就可以处理不同的网络,这意味着用户只需要了解一种物理网络就可以了。

PNO协会已经在Profinet现场总线系统中实现了流程工业的用户许多重要功能,包括可扩展网络的冗余、系统冗余或者动态配置等。此外,循环数据和非循环数据的交换、通过代理集成现场总线系统、时间同步和时间戳以及在不中断生产过程的同时重新配置生产设备的可能性等也被实现。另外用户还可以使用监控器和Remote-IO远程输入输出功能、利用Profibus PA电缆来提供电力能源和通讯,以及利用GSDML描述语言生成器和/或者网关驱动器自动的完成系统集成。

数字化技术

借助于Profinet网络中始终开放的TCP/IP通道,用户可以通过控制器、网关或者直接经从属设备访问OPC UA系统。同样,现场设备集成(缩写为FDI)也向前迈出了一步,最新版的FDI 1.2奠定了基于OPC UA系统的、统一的设备信息模型,这是一个完全由设备描述方法生成的设备信息模型。这也就意味着今天的FDI主站系统可以访问棕色地带现场设备的数据了。

最后,组成系统的元器件也已经准备就绪,今天我们可以在Profinet现场总线系统中使用的仪器设备已经大量上市,例如科里奥利流量计、MID电磁感应流量检测仪、Hart多路复用器、网络基础设施或者执行器等。因此从技术角度来看,使用Profinet现场总线已经没有任何阻力了。

简单的系统转换

考虑到Profibus PA现场总线系统的仪器设备的安装基数非常庞大,因此尽可能平稳地过渡到Profinet,或不需要更换现场总线仪器设备非常重要。在PI现场总线国际标准组织的指导文件中,如何从Profibus PA转换到Profinet有简单的介绍。对用户而言,所有的现场总线仪器设备都通过独立的认证机构PITL的认证也同样重要,这些测试不仅检验接口功能是否符合标准,而且也测试不同仪器设备制造商之间的产品有无互操作性。由于采取了这些措施,无论是在小型的污水净化处理厂还是大型的化工厂中,Profinet都得以被使用。

高级过程控制库

为了能够在石油、天然气和化学工业等行业中使用Profinet现场总线技术,流程工业生产现场使用的以太网就必须满足其他的技术要求。这些要求从最简单的电缆开始,例如过程自动化中需要的电缆长度最长可达1 000 m。同时,众所周知的双线技术(具有反极性保护和回路供电现场设备接口)也受到了高度的重视。但是,今天的以太网在利用现场总线供电和本质安全两个方面还没有实现标准化。

这就是APL方案能够发挥作用的地方。APL高级过程控制库是两年前引入的,从技术层面来看,它可以将所有现场仪器设备或者控制系统的制造商,以及像Fieldcomm Group国际现场通信技术基金会、ODVA开放式设备网络供应商协会和PI现场总线国际标准组织等不同的用户组织都聚集在一起。

现在这一方案已引进到IEEE的标准中。对于10 MB的解决方案来讲,这一技术为IEEE 802.3cg工作组的工作奠定了基础。在工作组的工作过程中,通过仿真模拟技术以及评估委员会的现场实验验证了方案的可行性。从技术角度来看,这一方案无需任何改动,因为它的第一物理层以及现场设备都能起到技术评估的作用。最早到2020年,工业以太网技术规范将被纳入用户组织,以便能够满足过程控制的一些特殊要求。预计到2021年时,市场上将会有第一批这样的基础型元器件和仪器设备。为此,他们正在与瑞士西北应用技术大学合作开发100 MB的通信技术解决方案。

这样就满足了流程企业对以太网现场应用的最重要要求。剩下的任务就是促进IEEE电气和电子工程师协会早一点拿出APL的标准了,值得一提的是这一工作的进展也十分可喜。API支持所有的IP通信技术协议,并且与所有流行的总线系统结构相兼容,例如NAMUR开放式架构或者工业4.0架构。

专访Profinet用户组织负责人Jörg Hähniche博士“用户现在可以使用Profinet技术了!”

Jörg Hähniche博士

PROCESS:为什么Profinet现场总线系统进入流程工业领域的进程不像Profibus那样缓慢?

Jörg Hähniche:现在的情况与25年前完全不同,这次是一个完整的总体方案,覆盖了从单一设备到冗余解决方案、防爆解决方案等流程工业可能出现的所有应用情况。而且这一方案还非常灵活,可以应对未来的发展。整个开发 阶段都与用户保持着密切联系,例如我们与NAMUR用户进行了紧密的合作。我们与用户一起开始了APL应用的第一个技术评估项目,以确保在大面积推广应用之前就能发现并解决问题。

PROCESS:怎样才能确保用户使用的是正确的技术呢?

Jörg Hähniche:面向未来和保护用户迄今为止的投资是我们项目开发的一个重要方面。PNO用户组织始终保证其开发的技术是与现有解决方案相互兼容的技术,并且可以持续使用多年。不单单提供性能可靠的技术,PNO能提供的服务内容更多,例如各种指南、能力中心等满足流程工业用户量身定制的服务,以确保为用户和服务商提供最佳的支持。

PROCESS:这一技术的开发已经完成了吗?

Jörg Hähniche:整套系统已经完成。这是一个从Profibus PA系统过渡到Profinet现场总线系统的桥梁,已经有适合流程工业企业使用的控制和现场仪器设备了。但在使用APL过程控制库之前还需要耐心等待,以便2019年年底提出的方案能够被IEEE批准为标准,并纳入到Profinet的技术规范中。

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