發布日期：2022-04-18 點擊率：215
■DIMA (分布式智能模塊化系統)。
作為全球最大行業之一，過程工業當前的發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發展最為迅猛。以著名的歐洲創業公司mymuesli.com為例。
該公司的業務發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造了超過50億個麥片種類。
毋庸置疑，這些趨勢對制造工業帶來了巨大的挑戰，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。制造系統曾經一度追求卓越的可靠性，而現在生產靈活性已成為決策的關鍵依據。然而，這一變化經歷了漫長的時間。最早對模塊化系統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展，又隨著2013年NAMUR推薦性規范NE 148的發布而走向了成熟。此建議全面描述了模塊化過程控制系統實現自動化所存在的挑戰。
以NE 148為基礎，自動化供應商被迫迎頭而上進行創新。WAGO對此的反應是開發了DIMA（分布式智能模塊化系統）。
■ DIMA—分布式智能模塊化系統
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，建立在現有的標準基礎上。
3. 技術保護
對于一個模塊化系統，模塊供應商提供的設備必須集成于工廠級系統的上層控制系統中。同時，系統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有系統的IT行業。例如，打印機可以直接連接和使用而無需對其操作系統重新編程。通過使用DIMA，系統模塊同樣可以方便地集成到系統架構中運行。
5. 可視化
一般而言，如果一個系統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建一個數據庫，并在系統工程集成時引用此數據庫。
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—對系統結構的影響
傳統的過程設備采用過程管理系統控制，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。和傳統過程控制設備不同，部分模塊化過程控制設備通常由一個剩余系統和多個附加式獨立模塊組成。在這種情況下，遠程I/O系統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所調用。這樣，系統設計人員面臨的挑戰就是必須根據專屬模塊規范進行逆向編程。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架構中，系統模塊配備自主的控制器、操作面板和工程設計。這樣，整個系統的工程設計可以由系統制造商和模塊制造商分擔，并且可以各自執行。這就是說，通常可以在不同時間、不同地點采用不同的開發環境進行工程設計（圖3）。
因此，實現該架構要求整個系統的模塊集成不僅可以在沒有模塊制造商的支持下執行，也可以在沒有任何外部協助下執行。
在過去，系統設計人員需要非常全面地了解模塊的技術規格才能正確、完整地將模塊集成到系統中。通常這需要根據模塊的技術參數逆向編程。當模塊通信采用故障保護設計，系統工程設計中集成了模塊的功能，并且嵌入了HMI模塊時，系統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，從而為系統制造商節省工程時間。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據包，進行描述。MTP包含以下信息：通信參數，便于模塊得以連接；服務,即描述模塊可以執行哪些過程；有關操作和觀察的信息，即圖形信息，還包括有關狀態、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范而開放的格式得以呈現。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
即使現有集成軟件系統沒有MTP接口，MTP也可以上傳到系統中。在這種情況下，MTP可以加載到WAGO的工程軟件系統e!COCKPIT中，并將MTP映射到各種可能的工程控制系統，例如SCADA、HMI、過程控制、MES或批處理系統。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建（圖6）。
■ DIMA特性
在DIMA環境中，模塊和服務是統稱。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的系統架構（圖7）。
已經集成到系統中的每個模塊均對其所提供的服務或參數采用一種特定的，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中，結果就會造成混亂，不能形成統一的顯示。除此之外，這種情況還可能嚴重影響系統的操作安全。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，操作人員無法進行直觀的操作。在DIMA框架下，MTP完全不含圖形數據，而僅包括必須以某種方式顯示的信息，例如溫度。此信息將會在系統設計中被調用。同時，系統設計軟件提供自己的數據庫，用于顯示比如溫度信息。然后通過調用系統數據，不同的模塊得以通過統一的方式顯示，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，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據和參數。
■結論
DIMA是一種可以在過程工業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的推薦性規范NE 148中的要求。WAGO與德累斯頓工業大學和漢堡聯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。所有這些的實現都沒有采用任何專利技術。DIMA采用了現有的通信協議，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。
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