文/ Eckhard Roos

控制與監(jiān)測(cè) Control & Detection

模塊化：水處理技術(shù)發(fā)展的新機(jī)遇

文/ Eckhard Roos

工業(yè)4.0對(duì)員工素質(zhì)提出了新的要求，F(xiàn)esto公司為學(xué)生專門設(shè)計(jì)制造了虛擬水處理設(shè)備運(yùn)行的教具Festo Didactic和OEN Reality

模塊化技術(shù)提高了生產(chǎn)廠家的供貨能力，使用戶能盡早地把新產(chǎn)品投放到市場(chǎng)中去——當(dāng)流程設(shè)備生產(chǎn)廠和自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商們想要在最短的時(shí)間內(nèi)滿足快速變化的市場(chǎng)需求，提高給水供水企業(yè)的生產(chǎn)能力時(shí)，他們應(yīng)具備什么樣的前提條件呢？模塊化設(shè)備是這些問(wèn)題的答案：與全球化的元器件設(shè)備制造商共同開發(fā)應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的給水凈化設(shè)備。

工業(yè)4.0概念的甚囂塵上，不僅讓制造業(yè)發(fā)生著翻天覆地的變化，我們?cè)谌粘Ｉ钪幸材苊黠@感受到這種轉(zhuǎn)變。在消費(fèi)品市場(chǎng)領(lǐng)域中，個(gè)性化的產(chǎn)品定制已成為尋常之事，生產(chǎn)廠家們經(jīng)常收到客戶提出的特殊要求——只需生產(chǎn)一件特殊定制的商品，通過(guò)相關(guān)的物流供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，這些產(chǎn)品最終能送到消費(fèi)者的手中。然而，水資源管理企業(yè)由于是連續(xù)性的流程工藝過(guò)程，有著與制造業(yè)截然不同的生產(chǎn)特性，那么這些符合工業(yè)4.0理念的工作流程和信息結(jié)構(gòu)也適用嗎？

技術(shù)應(yīng)用范圍

工業(yè)4.0原則上可在以下給水供水的三大領(lǐng)域中使用。

●圍繞下列主題的價(jià)值增值鏈網(wǎng)絡(luò)橫向一體化：建立合作，使用新的商業(yè)模式；跨價(jià)值增值鏈網(wǎng)絡(luò)的信息共享；以壽命周期為主導(dǎo)的技術(shù)服務(wù)模式。

●圍繞下列主題的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)的縱向一體化：水處理模塊的集成；水處理設(shè)備和物流；靈活多樣的IT環(huán)境。

●價(jià)值增值鏈中圍繞下列主題的綜合工程：共享利益相關(guān)者的工程成果；在水處理設(shè)備整個(gè)壽命周期內(nèi)的系統(tǒng)升級(jí)；和數(shù)字化元器件實(shí)現(xiàn)更好的互操作性/互換性。

不同的應(yīng)用實(shí)踐告訴我們：在過(guò)去的時(shí)間里，我們已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了價(jià)值增值鏈的縱向一體化集成。但是與今天消費(fèi)品生產(chǎn)領(lǐng)域中的功能性和舒適性相比，水處理工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域中仍然有很大的潛力。這些潛力將會(huì)逐步地被挖掘出來(lái)，因?yàn)樗枰紤]用戶的一些附加要求；例如：新工廠、新設(shè)備、安全和安保方面等。設(shè)備安全和防止自動(dòng)化控制系統(tǒng)的非法入侵是每一個(gè)水處理設(shè)備運(yùn)營(yíng)商采用新技術(shù)、新設(shè)備時(shí)都必須考核的前提條件。

水資源處理設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)模塊可按用戶要求進(jìn)行便捷的擴(kuò)展

靈活反應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備

水資源經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)動(dòng)蕩起伏，它提出了在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)的要求，同時(shí)有著明確的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)以及通過(guò)水處理設(shè)備的模塊化完成水處理能力匹配的發(fā)展趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，在水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，就有很大的節(jié)約時(shí)間的潛力可以挖掘，而水處理設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和預(yù)測(cè)試/預(yù)認(rèn)證解決方案又可以在設(shè)備安裝調(diào)試過(guò)程中進(jìn)一步挖掘節(jié)約時(shí)間的潛力。

在水資源管理領(lǐng)域中，對(duì)水處理生產(chǎn)廠的供水能力以及按照模塊化思路與用戶需求保持匹配提出了更高的要求。工業(yè)4.0是制造工藝技術(shù)領(lǐng)域中的一次思維方式的轉(zhuǎn)變，能夠靈活反應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)該具有如下特點(diǎn)：

●能夠根據(jù)市場(chǎng)變化簡(jiǎn)單地調(diào)整生產(chǎn)線；

●滿足用戶的特殊要求；

●自動(dòng)完成設(shè)備調(diào)試；

●通過(guò)簡(jiǎn)單地增減設(shè)備、設(shè)備部件就可以調(diào)整生產(chǎn)能力。

對(duì)設(shè)備生產(chǎn)廠家的要求

過(guò)去，模塊化設(shè)備的生產(chǎn)制造廠家遭遇到了滑鐵盧，用戶們對(duì)模塊化設(shè)備的集成性、連續(xù)性和安全性等方面都不甚滿意。從那之后，研發(fā)技術(shù)有了明顯的提高，還制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如FDI現(xiàn)場(chǎng)總線儀器設(shè)備集成平臺(tái)方案和OPC UA規(guī)范，以貫徹落實(shí)模塊化技術(shù)方案。

模塊化設(shè)備制造的基本思想是：各個(gè)模塊集成時(shí)的工作量最小化。整套設(shè)備的生產(chǎn)制造分解到各個(gè)模塊的生產(chǎn)制造商那里，這些供應(yīng)商除了提供相應(yīng)的設(shè)備模塊外，也包括設(shè)備模塊所需的自動(dòng)化控制技術(shù)系統(tǒng)，也就是說(shuō)，整個(gè)工程分為各個(gè)模塊單獨(dú)制造和所有模塊整體集成這兩大部分。

FESTO公司就是這樣做的，它與一家全球化的OEM水資源設(shè)備生產(chǎn)廠家合作，協(xié)商開發(fā)了一套模塊化設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)解決方案。這家水處理設(shè)備生產(chǎn)廠希望將來(lái)能夠通過(guò)設(shè)備的增減來(lái)調(diào)整水處理設(shè)備的生產(chǎn)能力。這里，分散式配置的自動(dòng)化技術(shù)平臺(tái)CPX就成為模塊自動(dòng)化的一個(gè)重要基石，它使用了防護(hù)等級(jí)IP 65/67的氣動(dòng)技術(shù)元器件，不同的控制元器件以及西門子的Remoto輸入輸出裝置，將壓力、溫度監(jiān)控等都模塊化地集成到平臺(tái)中。這樣一來(lái)，水處理技術(shù)中的模塊化成套部件就可以按照用戶需求進(jìn)行不同的配置了。

模塊化技術(shù)的好處

對(duì)于整套流程工藝技術(shù)設(shè)備而言，在采用了模塊化技術(shù)之后，由于不必在提高流程設(shè)備產(chǎn)能時(shí)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，只需把自動(dòng)化模塊化與流程設(shè)備的控制系統(tǒng)連接起來(lái)即可，因此工程施工的速度大大加快、設(shè)備建造成本也得以降低，同時(shí)也保證了自動(dòng)化控制系統(tǒng)各個(gè)層次之間的通訊暢通無(wú)阻。

對(duì)于OEM設(shè)備生產(chǎn)廠家來(lái)講，模塊化技術(shù)方案也使他們能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)制造最小批量的單一模塊或者成套機(jī)組了，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)品和規(guī)模化安裝的目的，降低了生產(chǎn)成本。另外，模塊化設(shè)備也提高了生產(chǎn)廠家的供貨能力，使用戶能盡早地把新產(chǎn)品投放到市場(chǎng)中去。

Festo公司開發(fā)的Festo Didactic是服務(wù)于給水及污水凈化處理的教學(xué)系統(tǒng)，世界范圍內(nèi)的協(xié)會(huì)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和高校都可以利用這一系統(tǒng)對(duì)環(huán)境監(jiān)控工作人員進(jìn)行資質(zhì)認(rèn)證，設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單和復(fù)雜的水資源管理項(xiàng)目，優(yōu)化水資源處理設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)策略

工業(yè)4.0的應(yīng)用

未來(lái)的水資源處理設(shè)備將會(huì)用到更多的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)化通信技術(shù)平臺(tái)上，水資源處理設(shè)備的建造施工和設(shè)備調(diào)試過(guò)程為整個(gè)生命周期內(nèi)的節(jié)約奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，只要做到了下述各項(xiàng)就能夠?qū)崿F(xiàn)這種節(jié)約。

●新的傳感器、執(zhí)行器或者整個(gè)模塊都能自動(dòng)連接到自動(dòng)化控制系統(tǒng)中；

●在水處理設(shè)備實(shí)際投產(chǎn)使用前能對(duì)新功能和新部件進(jìn)行數(shù)字化模擬；

●在設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)使用工程設(shè)計(jì)時(shí)一次性生成數(shù)據(jù)；

●利用Data Mining（大數(shù)據(jù)）算法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析和優(yōu)化；

●在自動(dòng)化應(yīng)用中也使用云技術(shù)服務(wù)；

●利用移動(dòng)式、便攜式檢測(cè)儀器直接訪問(wèn)生產(chǎn)設(shè)備所有重要的數(shù)據(jù)（檢測(cè)儀器設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、維護(hù)保養(yǎng)數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等），從而優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)操作。

展望未來(lái)

我們正處在第四次工業(yè)革命的過(guò)渡期。在互聯(lián)網(wǎng)和IT技術(shù)的推動(dòng)下，虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界一同成長(zhǎng)起來(lái)了。為保證企業(yè)在經(jīng)濟(jì)全球化中的競(jìng)爭(zhēng)力，必須了解和掌控好流程設(shè)備越來(lái)越高的復(fù)雜性。

現(xiàn)在的工作以及與工種有關(guān)的職業(yè)培訓(xùn)也出現(xiàn)了很大的變化。員工的日常操作明顯轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吒郊又档幕顒?dòng)，終身學(xué)習(xí)、跨學(xué)科的職業(yè)素質(zhì)在變化萬(wàn)千的生產(chǎn)世界中也顯得越來(lái)越重要了，在這些基礎(chǔ)上，智能化設(shè)備和系統(tǒng)的使用對(duì)企業(yè)的市場(chǎng)地位更有著決定性的影響，也是保證企業(yè)長(zhǎng)盛不衰的基石。

污水凈化設(shè)備中的虛擬現(xiàn)實(shí)

工業(yè)4.0對(duì)信息和通訊技術(shù)以及它們之間的聯(lián)網(wǎng)提出了全面的要求。目前還不知道什么樣的元器件、系統(tǒng)、軟件和網(wǎng)絡(luò)形式將成為標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)，未來(lái)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)首先要由企業(yè)和科研院所共同研究出來(lái)。另外，技術(shù)創(chuàng)新的周期越來(lái)越短，傳統(tǒng)的人員培訓(xùn)流程——從人員需求分析到人員資質(zhì)認(rèn)證的過(guò)程將不再能夠滿足新形勢(shì)的要求。員工在開放、復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中自主學(xué)習(xí)提高自身素質(zhì)的能力也越來(lái)越重要了。

Festo公司與一家OEM原始設(shè)備生產(chǎn)廠家合作開發(fā)了能夠?qū)Σ煌鬯畠艋幚碓O(shè)備進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的Festo Didactic系統(tǒng)。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，技校學(xué)生可以嘗試解決不同的水處理/污水凈化處理任務(wù)。重要的是，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)員會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并學(xué)會(huì)解決問(wèn)題，從而減少實(shí)際污水處理凈化過(guò)程中的嚴(yán)重后果。這一系統(tǒng)剛投入教學(xué)就收到了很好的效果，未來(lái)計(jì)劃集成一些更復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)。

本文作者系 Festo公司工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化產(chǎn)品負(fù)責(zé)人。