信息物理系統、數字化、網絡化和新的商業模式對流程工業、測量技術制造商和過程自動化等非常重要。鑒于產品生產周期越來越短和柔性制造要求的提升，特別是化學/藥學行業，企業開始推進模塊化生產。

　　化學/藥學行業企業一方面推進模塊化工廠建設，另一方面期望自動化技術（AT）能對過程控制系統（PCS）提供精確的技術支持。研究表明化學/藥學等行業企業生產過程的模塊化可以實現并有一定的經濟效益。歐洲的第七框架協議對F3（靈活flexible、快速fast、未來future）工廠進行財政支持。

　　目前Namur標準（NE）定義自動化必須要滿足模塊化工廠的柔性制造。Namur工作小組AK1.12在NE148標準中描述了對生產商的需求。2013年，ZVEI 的“模塊自動化”工作小組成立，歸屬于ZVEI “測試技術及過程自動化”領域，目的是與Namur工作小組AK1.12密切合作并形成與NE148工作組的聯合反應機制。在實際工作中，工作小組發現需要撰寫一本關于下一步工作的白皮書以便和Namur共同研究。本白皮書重點對控制系統、相關儀器儀表和標準等進行了分析，旨在梳理各式各樣的需求、回應和展望，對現階段制造商實現模塊化生產，在技術和經濟方面還有哪些不足進行了分析。

　　（模塊化生產中自動化的市場容量評估）

　　模塊化生產市場容量評估

　　評估模塊化工廠的市場容量，可用的數據很少，Namur工作小組AK1.12也沒有進行相關的評估。本文提出的模塊化概念基于NE148，采用化學/藥學企業的銷售情況來做市場容量評估，所用數據來自VCI報告。計算時假設通貨膨脹率為2%，可得2022年德國相關企業的銷售額共計2280億歐元。

　　如果按平均6.5%的投資率進行計算，并且假設10年中有25%的企業實現模塊化（從專家采訪中評估得來），其中自動化約占3%的投資比例，那么模塊化工廠的自動化比例會越來越高。假設25%的企業會自動進行模塊化改造，其中自動化投資比例為6%，得出市場容量大約為2.22億歐元（根據2013年ARC的研究，PCS全球市場會達到116億歐元，其中22億歐元來自于化工領域）。

　　如果能夠基于模型、標準化地建設工廠，市場容量會增長更快，因為這樣做會節約大量成本并且后期將會獲得更多收益。隨著已有產品或新產品的生產，模塊化技術會取代傳統技術而成為常態。同時新的技術會產生新的產品模式，并且會挖掘新的市場（如個性化藥物）。這些發展并未包含在評估之中。

　　隨著模塊化和標準化的實施，價值鏈也會發生變化，企業的責任也會有所不同。運營商、模塊制造商和系統供應商之間的任務也將重新分配。這些變化使工作組決定對模塊制造商進行調研。

    模塊化的自動化技術

　　基于之前的相關研究成果和ISA88、ISA95和ISA106等ISA標準，本文提出了模塊化的自動化技術的概念，它能夠滿足模塊化工廠所需的靈活性，支持連續和批量生產。模塊自動化通過封裝工藝過程降低了施工、啟動和維護的復雜性。

體系結構

　　NE148標準給出了自動化技術的體系結構，該體系結構提出了兩種模塊并闡述了它們同PCS之間的連接關系。第一個模塊是變量A，通過控制單元自動處理模塊邏輯工作，且只和PCS交換必要信息。第二個模塊是變量B，該模塊僅使用I/O部件。

　　功能

　　由于自動化技術的功能需要無縫地集成到PCS中，模塊之間也需要建立通信連接，自動化技術自身的功能非常重要。模塊和模塊之間，模塊和PCS之間的通信可以通過IEC-Ethernet協議或現場總線協議解決。

　　基于狀態控制功能，是基于模塊的狀態描述和操作模式來實現的。在整個系統中每個模塊的狀態描述可以公開訪問，并且模塊之間邏輯連接的接口是唯一的。“基于狀態控制”功能對應ISA106標準的連續生產工序和ISA88標準的批量生產工序，適用于上述兩個標準。

　　垂直通信/集成功能，是指模塊和PCS之間的通信，模塊必須集成到PCS環境中才能通信，通信可以通過IEC-Ethernet 協議或現場總線來實現，每個模塊的狀態模型都由PCS控制。變量A模塊使用OPC-UA交互界面，通過現場總線和PCS交換信息。狀態模型的建模，由于通信是在模塊和PCS間進行，狀態模型可以從當前的狀態中建模，有兩種建模方法。其一是使用拓展因果矩陣進行SFC（產品流程控制）建模。

　　SFC可以映射到拓展因果矩陣中，SFC已經是狀態模型，或者可以自動轉換到狀態模型，這些狀態模型無需進一步的操作就可以直接應用到控制單元上，這種方法較適用于變量B模塊；其二是使用現有的編輯器，可以用傳統方式進行SFC建模，這種方法較適用于變量A模塊。

　　人機交互

　　操作界面

　　除了滿足自動化技術的功能之外，操作界面有如下需求，能夠人工手動控制個別模塊，能夠及時將圖表集中顯示在操作端顯示屏上。

　　與控制系統的半集成

　　在半集成的情況下，模塊的人機界面水平在1-3級之間。在控制系統中，界面顯示相關的警告、變量等，以便模塊的圖形化表示。在高水平的控制系統中，圖形化顯示確保了表示的一致性。4級和5級（6級除外）也可通過人工實現，6級能否實現取決于具體情況。模塊制造商應該盡量避免人機交互界面邏輯和控制器設計兩者之間的高關聯性。模塊設計應當包括所有的數據，以便更高一級的控制系統可以在運行時得到相應的模塊信息。

　　與控制系統的完全集成

　　與半集成相比，完全集成試圖將4級和5級實現自動化。為此，每個模塊必須提供4級和5級描述，有兩種方法可以實現。一是模塊來描述自身的實際圖表情況。模塊的操作圖表以不依賴制造商且獨立的方式給出。自動化技術系統通常使用特定系統表述方法來描述操作圖表，并提供專有格式。例如HTML5是一種不依賴制造商的格式，是W3C發布的一種在IT行業中的開放性語言，沒有相關操作顯示的知識就可以集成。如果還需要可擴展的圖形，就可以鑲嵌到HTML5代碼中作為可縮放矢量圖形（SVGs）。更高級別的控制系統必須支持該技術的曾用技術（如ActiveX等）。這些技術的優勢是可以得到并且已廣泛使用，但缺點有二。

　　（可視化數據的層次分級）

　　一是不能保證描述的一致性；

　　二是模塊提供自身的描述方法。

　　而圖表由高一級控制系統來給出，這樣能確保描述的一致性。但是這種情況下，模塊制造商并不能看到最終的模塊描述版本，也就導致不同的控制系統，其描述也不盡相同。

　　人機交互界面實現完全集成需要模塊達到5級標準，需要從更高一級控制系統的模塊描述中得到商業邏輯的技術。如果模塊完整的人機交互商業邏輯包含在描述之中，模塊便會達到6級集成。在半集成和全集成間的折衷方法就是對于操作界面使用半集成，而對于詳細的診斷性信息使用完全集成，采用上述方法，能簡化控制系統中必要的標準化和實施過程。

    模塊化工廠的規劃設計

　　企業實現模塊化，對于已知的特定模塊，很大一部分工作能提前完成。特定部分可以保持不變，這部分工作無需重做，從而提高了生產率。

　　對于流程工業中的模塊化生產廠商，能夠獲得經濟效益有兩個重要因素。

　　一是模塊在最廣泛工藝參數范圍內的靈活性。由于模塊在設計時并沒有規定其特定的使用場景，廠商應將其設計為廣泛適用型的模塊。

　　二是模塊標準化使得每個模塊的工程施工方面的工作量減少。由于工程、資格和審批工作已提前開展，所以標準化的模塊化工廠的規劃設計工作相對較少。

　　工廠的規劃和建設是影響生產時間的關鍵因素，規劃中PCS配置的時間取決于具體項目情況，在啟動過程和建設過程中需要PCS。通過使用預先制造的模型或循環使用可以減少工廠建設時間，這是模塊工廠特有的特征。上述目標必須達到足夠的程度，模塊化工廠才具有競爭性，應盡早開始模塊規劃和工程設計。

　　化學工廠實現從傳統模式到基于模塊工程的轉變后，最直接的結果就是降低了系統的復雜性。模塊功能得到封裝，現場級別并沒有改變，只是對于操作者來說變得越來越隱蔽。以汽車領域為例，25年前，VM Beetle 的所有司機都可以自己對發動機進行保養和維修。而現在，發動機是封閉的單元，必須去專業維修點進行保養和維護。現在的發動機是一個能產生錯誤和狀態信息的模塊單元，具體的診斷須由專家來完成。模塊化工廠意味著更多的責任轉嫁到了模塊生產商身上，需要關注的信息有模塊的實時狀態、產品的質量和加工數據、訂單和調度操作數據等等。

　　實現方法包括使用工具的選擇（如Kit、CAE工具+MS Excel等）、員工培訓，以及其他像內部指導手冊的特定東西。模塊化工廠的實現方法是以自上而下和自下而上兩種方法的組合。采用自上而下設計方法，整個工廠根據ISA106 標準進行建設。自下而上的途徑是自上而下方法的補充，自下而上的方法確保了模塊的可用性。模塊工程并不是在控制工程啟動，而是在加工工程設計中啟動。

    傳感器和執行器的要求

　　設備小型化

　　工廠擴大生產規模采用更多設備和縮放模塊架構，需要使模塊和設備向小型化發展。現場設備如傳感器和執行器的包裝密度變得更高，要盡可能簡潔地配置現場設備，進一步提升模塊化水平，比如減小轉換器等電子器件在實際傳感器殼體的整合中體積和尺寸。模塊、傳感器和制動器被做得更小、結構更緊湊，不在設備上進行手動直接操作，用于局部顯示和操作的組件會被去掉。為節省空間，數據和信號可以通過現場總線或類似的方法進行傳輸。為了得到更小尺寸的零部件，傳感器和執行器應當加以優化以達到更小的管徑。在維護頻率小于每月一次的情況下，如果模塊或基礎設施需要分開，傳感器、執行器和導管可以直接用螺栓來固定。

　　故障診斷方面的需求

　　模塊的標準化不僅可以使單元的數量成倍增加，還有利于評估診斷信息。這就需要充分利用現有信息，特別是來自于現場的信息越來越多地使用在模塊上，以用于評估生產過程的性能。從模塊操作者來看，將單項資產、模塊、工廠作為整體的好處是增加了來自于現場設備的信息標準化集成的一致性。

　　NE107標準已經做了充足的基礎工作，把診斷信息分為4類，這對用戶的理解就變得非常容易。這4類分別是“需維修”、“超出定義范圍”、“檢查”和“失敗”。這4種分類和代表符號使得操作者非常容易評估故障種類，并進一步做出正確的應對措施。高級控制系統能得到模塊提供的診斷信息，操作者和模塊制造商在信息和IP保護間需要達成一致。

　　標準和規范

　　防爆標準

　　防爆的關鍵標準包括以下三部分，一是爆炸性環境（防爆和保護）——基本概念和方法及“德國版EN1127-1：2011”；二是TRBS 2152——有危險的、潛在的爆炸環境（避免危險性的明火或潛在的爆炸環境）；三是IEC/EN 60078-xy——電氣防爆的點火保護類別說明以及設計和檢查。

　　工廠的設計示意圖

　　圖4是工廠模塊化示意圖。因為要考慮防爆，工廠的特定結構設計至關重要，據此可以實施不同的防爆措施。

　　要確保工廠的工藝設備容器（如PEC、ISA106單元）是固定的，還要提供電力、數據交換、壓縮空氣、油氣、廢水處理等必要的能源裝置。PEC是PEA（安裝模塊），ISA106相關設備等設備的集合體，還包含執行器和傳感器等現場設備、裝置和管路等。在控制室內可以監測各種加工過程。

　　例如，企業會以外聘的形式為模塊化工廠的運輸提供支持。PECs可以將不同的工廠連接到公司的基礎設施上，PEC組成了PEA（安裝模塊）的框架。出于防爆的原因，所有的PEA需在區域1內設計。或者在分工廠中有兩個區域，一個區域不能分配到爆炸區域內，另一個區域命名為區域2或1，而子區域可以命名為區域0。生產工廠可以分為有爆炸和沒有爆炸可能性的模塊，工廠零部件在PEC上安裝，各區域相互連接。當然，這種方案的經濟性還有待進一步確認。

    模塊化工廠的特征

　　由于需要考慮防爆級別并做相應處理，模塊化工廠具備一些傳統工廠所不具備的特征。模塊需要在危險區域內應用，模塊應盡可能多變、靈活地布置，鑒于工廠的高安裝密度和簡陋的通風設備，很難將工廠劃分區域，建議在區域1中設計模塊。

　　防爆和模塊化工廠

　　在危險區域選擇操作電力資源時，要以防爆文檔為基礎。該文檔包含選擇電力操作資源和安裝類型所有需要的信息，如區域分類、爆炸組合溫度等級。工廠運營者有責任建立和維護這個文檔，在建立過程中，工廠運營者需要得到工廠/生產模塊設計者的幫助。

    A）高安裝密度

　　模塊化產品高密度安裝，如果讓它們處理有潛在爆炸的混合物，則區域1的環境就不好控制，潛在的爆炸可能會出現。

　　處理易燃易爆的氣體和液體時，可能造成潛在的爆炸環境。當容器安裝得非常近，爆炸會從一個容器傳遞到另一個容器。根據德國相關安全操作條例，工廠必須考慮容器之間的間隙。

　　模塊化工廠中，在危險區域操作的設備的數量比非模塊工廠的數量要多，為了達到最佳的設置，必須使用混合保護類措施以防止火災。在模塊中有不同的電力提供點，采用智能設備實現實時監管，特別是安裝在危險區域的沒有爆炸保護的控制盒安裝閥。工廠應遵守EN60079-14/ DIN VDE0165-1的安裝規則，以滿足安全點火防護等級。除其他事項外，規則要求此類安裝不允許外部有能量輸入。基于這個原因，安全型線纜通常與非安全型電纜分開鋪設。由于安裝的高密度性，在安裝過程中，必須考慮來自溫度或化學影響的高危險性。

　　B+C）模塊化和標準化

　　模塊是工廠的一部分，必須和整個生產車間的防爆一起考慮，生產模型和環境也包含在防爆范圍之內。

　　D) 沒有防爆設計的電力操作資源

　　采用Ex p或Ex d標準的閘盒或開關柜可以使電力資源和控制設備更加適合在爆炸區域工作，因此控制設備和逆變器要直接安裝到模塊中。點火保護的防爆型Ex d和加壓型Ex p使得電力操作系統正常工作，尤其是較高的電壓，必須給出在危險區域合適的安裝方法。保護種類的混合使用有利有弊，需要權衡使用。

　　加壓型外殼使得可以通過完整的容器構建相對大型的殼體，自動化系統和電力系統（如電機控制）可以安置其中。所需的外殼僅比類似的工業外殼稍重且無防爆要求。使用惰性氣體也是一種保護方式。當工廠啟動時，系統直到有足夠的壓縮氣體時才會啟動操作。在失壓情況下，電力系統會立即關閉。

　　同樣，Ex d型防爆保護類別也應處于殼體之中，使其爆炸的影響僅限于該殼體的內部，即無法點燃在環境中可能發生爆炸的混合物。為了抵擋爆炸產生的壓力，這些外殼通常很厚。而在加壓外殼中，安裝的設備不會把殼體的外表面加熱到周圍的易爆環境可以被點燃的程度。與加壓外殼相比，隔爆外殼不依賴于壓縮空氣的供給，并且不需要任何程序來啟動。選擇點火保護方式時，應當考慮到功能和為節省資源兩個方面。

　　E)區域分類和操作資源的選擇

　　除了Ex m之外，工廠可以應用所有的爆炸保護類措施。具體使用情況依賴于設備、模塊和區域分級，對于供電、頻率轉換和電機控制，相應措施有Ex i, Ex ic, Ex p, Ex d, Ex e, Ex q, Ex o。其中，Ex o措施還能解決轉換器的散熱問題。

　　F)審批

　　根據德國操作安全條例，工廠運營者必須創建一個防爆文檔。PEC或模塊生產單元的制造商必須提供相應的信息作為文檔的基礎。

　　PEC制造商的市場定位有兩種。一種是聲明PEC是加工工廠或加工工廠的一部分，這意味著PEC會永久安裝在制造商網點，并且是高級生產過程的一部分。在這種情況下，合規性的聲明和CE認證對于PEC都不適用。但是，這種方法的劣勢在于PEC的安裝必須適應特定的國家，該方法目前還不能保證自由地在歐洲范圍內安裝。

　　另一種就是將PEC作為一個機器，并且應用機器指令，好處是可以在歐洲范圍內實現自由安裝，并且適合移動使用，且具有PEC的可替換性。如果PEC不是一個完整的機器，制造商就無法評估PEC安裝所在位置的風險，也不再需要CE認證與合規性聲明，PEC給出相關的公司聲明即可。如果認為它是一個完整的機器，制造商就要評估風險。在這種情況下，制造商將根據2006/42/EC 和9419/EC給出CE認證與合規性聲明。

　　實際情況下，將兩種方法結合起來會更有意義。在這種情況下，我們就要更多地考慮PEC的風險。對于功能安全性來說，機器損壞帶來的影響遠比加工工廠損壞帶來的影響要低。

　　模塊供應商必須提供測試等報告，模塊的交換也必須經過專家評估，但這些并不需要由具有專業資質的人來做。

　　通過提供合適的文檔范例，應盡可能減少文檔方面工作的投入。

功能安全標準

　　關鍵標準包括兩部分，一是電力防爆安全系統的功能安全性，即通用標準（IEC 61508-1:2010）和德國版標準（EN61508-1:2010）；二是功能性安全（加工工業的安全設施系統），即框架、定義、硬件和軟件標準（IEC61511-1-2003+2004），德國版標準（EN61511-1:2004）。

　　模塊化工廠的特征

　　風險評估方面，模塊化工廠具有一系列工廠結構化和操作方面的特征，重要的特征和說明見表5。必須把模塊化工廠作為整體來看，全局觀念是操作者的責任，且這個責任不能委派給他人。

　　功能安全和模塊化工廠

　　基本功能安全任務和傳統工廠并沒有很大差別，只是在細節上有所不同。

　　A）防爆分級

　　如果每個模塊中危險物質數量越少，對工廠的造成損壞風險就越低。限制區域意味著危險區域不易分離，并且會相互影響。

　　B）模塊化等級

　　根據IEC-61511，工廠完整性對于安全性來說非常重要，子模塊并不影響工廠完整性。文檔必須建立在單個模塊文檔之上，如果模塊有SIS（廠級監控信息系統），我們就必須將它集成到控制系統中，可采用總線的方式，同時還要考慮在各種模塊中如何實現SIS的兼容性。在整個工廠建成后，SIS要盡快完成安裝。

　　C）標準化

　　在模塊標準化的情況下，工廠的一致性會使功能安全性能更高。從安全角度出發，PEA可作為一個單元，高度標準化也需要如此。

　　D）審批/驗收

　　一個模塊的文檔盡可能和大綱文檔相似，可以避免很多不必要的工作。如需改動，應盡可能少。不清晰的文檔會導致工作成本的增加，文檔必須是可追溯且一致的。模塊供應商必須提供一個準確的模塊描述，模塊的安全手冊應該能給用戶清晰的使用指導。

　　GAMP指南

　　加工生產需要GAMP5指南或采用PAT記錄的工序。就加工流程而言，模塊化工廠的加工類型和自動化與傳統工廠大致相同。審批是否通過，對于運營者來說具有決定性作用。

　　如果審批沒有通過，工廠便不允許開辦，因此，審批也是全部成本中相當重要的一部分。

　　對于傳統工廠，文檔從現場設備（如執行器、傳感器）開始編寫。當把具有標準化模塊的模塊化工廠視為技術設備時，工廠就已經實現了文檔化。只有當交互文檔丟失時，模塊化工廠的每一個零部件才需要重新確認配置。

　　文檔的簡化

　　為了簡化冗余的文檔，模塊化工廠工程化的目標應被提升一個等級，表述模塊化工廠的文檔要足夠完整，并且格式有一定要求，這些都是被相關機構（EMEA或FDA）審批成功的必要條件。

　　文檔的需求

　　為了審計員查看，PCS文檔應具有易讀性，且能夠完整一致地描述自動化系統的實施過程。出于經濟效率的考慮，文檔應簡潔明了。除了技術內容外，它還要符合ISO9000標準，該標準定義了文檔的結構，包括可追溯性、責任等。為了確保設備不工作時可得到必要的信息，一般情況下，審計員都會審查模塊的細節，這可能意味著模塊的細節不得不公開。

　 （模塊化工廠功能性安全的重要特征）

　　前景可期

　　目前模塊化還處于研究階段，本文提出了滿足NE148標準的模塊化的自動化技術的概念，研究表明模塊自動化是可以實現的。狀態模型是模塊化概念中非常重要的因素，用于自動化技術的抽象描述和運行。數據封裝采用面向對象的方法，并能把模塊無縫集成到高級別PCS中。本文也探討了模塊化工廠的工程化途徑，需要重點借鑒模塊工程化和控制系統工程化之間的關系。傳感器/執行器和標準等章節分析了模塊化工廠的顯著特征。如果上述方法應用到工廠規劃、工程化、自動化系統中，就有可能實現Namur所提到的發展愿景。

　　本文編譯自德國電子電氣制造商協會（ZVEI）：《Module-Based Production in the Process Industry-Effect on Automation in the “Industrie 4.0” Environment》