■多年以前，NAMUR董事會就已決定，將分布式智能這一議題,作為過程自動化的新思路，提上2014年度會議的議程。他們沒有選擇談論性能更高的過程控制系統(tǒng)，而是研究如何迎合決定過程工業(yè)發(fā)展方向的市場需求。也就是說，如何優(yōu)化小批量生產過程使之在時間和成本效率上跟大批量生產一致。為此,去年NAMUR年度大會的贊助商WAGO公司提出了開創(chuàng)性方案—DIMA (分布式智能模塊化系統(tǒng))。
作為全球最大行業(yè)之一，過程工業(yè)當前的發(fā)展由兩個因素所決定：全球化和個性化。全球化可以讓任何人在任何地方訂購世界各地的商品。只要上網輕輕點擊一下，產品就會漂洋過海，送到您的家門口。而個性化在包括食品、服裝和藥品在內的消費品行業(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)務發(fā)展堪稱個性化的典范：自2007以來，mymuseli.com的英國、法國和德國客戶已經創(chuàng)造了超過50億個麥片種類。
毋庸置疑，這些趨勢對制造工業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因為個性化產品不同于量產產品，安排生產不是那么容易。縮短的產品生命周期要求加快上市步伐，這進一步加劇了生產安排的復雜性。制造系統(tǒng)曾經一度追求卓越的可靠性，而現(xiàn)在生產靈活性已成為決策的關鍵依據(jù)。然而，這一變化經歷了漫長的時間。最早對模塊化系統(tǒng)提出更高生產靈活性要求是在2009年的Tutzing研討會上。針對如何將產品發(fā)布到產品上市的時間縮短一半這一問題，與會的約100位科學家各抒己見。結論是系統(tǒng)必須采用模塊化設計，為制造商提供快速行動和反應的靈活性。此理念源自于過程技術，并在自動化技術領域獲得了進一步發(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程控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化所存在的挑戰(zhàn)。
以NE 148為基礎，自動化供應商被迫迎頭而上進行創(chuàng)新。WAGO對此的反應是開發(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全體大會上首次提出DIMA方案。為了開發(fā)此方案，公司的工程師們經歷了六大考驗，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化的優(yōu)勢，必須采用具備自主完整性和獨立自動化能力的模塊。第一，這可以保護模塊避免被仿制；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立運行。
2. 接口
為了防止整個行業(yè)對某一家供應商或制造商產生依賴，DIMA獨立于制造商，建立在現(xiàn)有的標準基礎上。
3. 技術保護
對于一個模塊化系統(tǒng)，模塊供應商提供的設備必須集成于工廠級系統(tǒng)的上層控制系統(tǒng)中。同時，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模塊供應商的專有技術,另一方面可以保護系統(tǒng)運營商的控制工藝或生產流程。
4. 過程控制
通過DIMA為過程控制系統(tǒng)建立模塊化分布式自動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，打印機可以直接連接和使用而無需對其操作系統(tǒng)重新編程。通過使用DIMA，系統(tǒng)模塊同樣可以方便地集成到系統(tǒng)架構中運行。
5. 可視化
一般而言，如果一個系統(tǒng)由不同制造商生產的分布式模塊組成，那么每個模塊都會提供自己的可視化圖標。然而系統(tǒng)運營商不喜歡控制界面是由各種不同風格圖標構成的大雜燴,他們更需要風格一致的外觀和感受。DIMA解決此問題的辦法是創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫，并在系統(tǒng)工程集成時引用此數(shù)據(jù)庫。
6. 安全
盡管采用了獨立于制造商的開放性原則，但DIMA仍然能提供最大的安全性來抵御外部攻擊。
■ DIMA的技術實施—對系統(tǒng)結構的影響
傳統(tǒng)的過程設備采用過程管理系統(tǒng)控制，其包含過程控制、HMI和工程設計。此架構已被人們廣為接受，未來仍將有用武之地，例如用于石化工業(yè)。和傳統(tǒng)過程控制設備不同，部分模塊化過程控制設備通常由一個剩余系統(tǒng)和多個附加式獨立模塊組成。在這種情況下，遠程I/O系統(tǒng)用纖細的總線電纜替換原來的粗大纜線。雖然設備的過程控制架構已經模塊化，但它的通信和自動化架構仍然高度集中，因此我們還必須考慮集中式智能。部分模塊化架構的示例包括離心機、攪拌器、灌裝設備、調溫設備和發(fā)酵設備。模塊的功能性和復雜性與模塊化架構無關。這意味著系統(tǒng)設計人員必須仔細考慮每一個閥門；部分模塊化不會減少整個工程的工作量，而只是對空間進行了優(yōu)化(圖1)。
當一個設備采用了控制模塊，并且該模塊作為分布式智能與設備的過程控制和HMI系統(tǒng)進行通信，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。一般來說，在這種情況下可以使用面向服務的架構。服務存儲在模塊中并可以被系統(tǒng)所調用。這樣，系統(tǒng)設計人員面臨的挑戰(zhàn)就是必須根據(jù)專屬模塊規(guī)范進行逆向編程。這種做法可能既昂貴，又容易出錯（圖2）。
然而在完全模塊化系統(tǒng)架構中，系統(tǒng)模塊配備自主的控制器、操作面板和工程設計。這樣，整個系統(tǒng)的工程設計可以由系統(tǒng)制造商和模塊制造商分擔，并且可以各自執(zhí)行。這就是說，通常可以在不同時間、不同地點采用不同的開發(fā)環(huán)境進行工程設計（圖3）。
因此，實現(xiàn)該架構要求整個系統(tǒng)的模塊集成不僅可以在沒有模塊制造商的支持下執(zhí)行，也可以在沒有任何外部協(xié)助下執(zhí)行。
在過去，系統(tǒng)設計人員需要非常全面地了解模塊的技術規(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)模塊的技術參數(shù)逆向編程。當模塊通信采用故障保護設計，系統(tǒng)工程設計中集成了模塊的功能，并且嵌入了HMI模塊時，系統(tǒng)操作人員就可以了解模塊內的運行情況(圖4)。
■集成模塊無需編程
大幅降低工程設計的復雜度、費用以及更重要的是降低出錯率，是WAGO提出DIMA的初衷。DIMA封裝了模塊的復雜性和功能性，從而為系統(tǒng)制造商節(jié)省工程時間。為此，模塊通過模塊類型封裝(MTP)，一種包含模塊所有特性的數(shù)據(jù)包，進行描述。MTP包含以下信息：通信參數(shù)，便于模塊得以連接；服務,即描述模塊可以執(zhí)行哪些過程；有關操作和觀察的信息，即圖形信息，還包括有關狀態(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容。系統(tǒng)的工程設計只需調用MTP。此時可以選擇模塊所提供的服務，該服務將集成到生產過程的工序鏈中。然后執(zhí)行模塊的過程控制連接，以便過程控制、HMI和模塊相互之間可以通信（圖5）。
通過使用MTP，模塊特性的描述通過規(guī)范而開放的格式得以呈現(xiàn)。模塊特性和服務由模塊制造商負責確定。因為模塊可以向過程控制系統(tǒng)提供它的特定服務，所以不必向模塊制造商提供標準化服務目錄。模塊所能提供的跟所需要的服務之間的差異，應該由不同制造商的模塊所提供的不同服務來彌補。
■無需MTP接口的工程設計
即使現(xiàn)有集成軟件系統(tǒng)沒有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、過程控制、MES或批處理系統(tǒng)。然后，通過軟件的相應開放接口讀取MTP。這一過程中，e!COCKPIT工程軟件只充當轉換工具。由于MTP的描述采用的是開放格式，幾乎所有人都可以重新創(chuàng)建（圖6）。
■ DIMA特性
在DIMA環(huán)境中，模塊和服務是統(tǒng)稱。服務可以是過程、操作，也可以是功能。模塊究竟是提供復合模塊中的復雜產品服務，還是僅用于轉換兩個閥門和泵，完全由模塊制造商決定。此方法不對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（圖7）。
DIMA-集成靈活性
已經集成到系統(tǒng)中的每個模塊均對其所提供的服務或參數(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，結果就會造成混亂，不能形成統(tǒng)一的顯示。除此之外，這種情況還可能嚴重影響系統(tǒng)的操作安全。尤其是危急情況下，由于同樣內容的信息會與不同的圖標關聯(lián)，操作人員無法進行直觀的操作。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。此信息將會在系統(tǒng)設計中被調用。同時，系統(tǒng)設計軟件提供自己的數(shù)據(jù)庫，用于顯示比如溫度信息。然后通過調用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，不同的模塊得以通過統(tǒng)一的方式顯示，從而獲得一致的外觀。
通過選擇所需的服務等級，可以實現(xiàn)從白匣子到黑匣子的所有方式。例如，某種操作可以通過黑匣子方式只設置一個啟停鍵來實現(xiàn)，而其可視化可以通過白匣子方式實施，這樣就可以看到所有數(shù)據(jù)和參數(shù)。
■結論
DIMA是一種可以在過程工業(yè)中提高競爭力的方法。它滿足模塊化自動化的所有要求，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)大學和漢堡聯(lián)邦軍事大學合作提出了這一理念，并研制出了原型證明了DIMA可行性。所有這些的實現(xiàn)都沒有采用任何專利技術。DIMA采用了現(xiàn)有的通信協(xié)議，因此不再需要標準化工作。如果自動化技術供應商需要以極其可控的方式開放接口，同時又想保護自己的專屬技術,那么DIMA理念足以滿足以上需求。