WAGO模塊化系統(tǒng)的自動化

■在能源技術(shù)領(lǐng)域，從集中控制型電網(wǎng)向分布式、智能化電網(wǎng)（稱為智能電網(wǎng)）的轉(zhuǎn)換已經(jīng)開始。早在兩年前，虛擬電廠就已開始安全地參與電能運轉(zhuǎn)儲備市場。與此同時，在過程控制領(lǐng)域，系統(tǒng)運營商對于采用模塊化系統(tǒng)的渴望引發(fā)了業(yè)界的熱烈討論，尤其是關(guān)于自動化系統(tǒng)如何采用模塊化架構(gòu)這一課題。既然能源技術(shù)行業(yè)已經(jīng)有了解決方案,為什么不直接采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)呢？

作為向可再生能源轉(zhuǎn)變的工作之一,德國目前已著手對其整個能源系統(tǒng)進行改造。由于太陽能和風(fēng)能等可再生能源在逐步取代傳統(tǒng)能源，因此有必要將各種小型發(fā)電設(shè)備并入現(xiàn)有

電網(wǎng)中。尤其是在以保證能源供應(yīng)穩(wěn)定性和安全性為前提下，這對于電網(wǎng)運營商就形成一個

巨大挑戰(zhàn)。因為基于大型電廠的集中式供電已被取代，現(xiàn)在需要的是對集成眾多分布式系統(tǒng)

的電網(wǎng)進行控制。因此,電網(wǎng)必須具備足夠的智能化以聯(lián)接和控制發(fā)電系統(tǒng)，使電能的生產(chǎn)和消耗達到和諧。但是隨著發(fā)電機數(shù)量的增加，系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜，*控制器迅速達到了性能極限。過程控制系統(tǒng)的用戶已經(jīng)認識到這一缺陷，因為這確實已經(jīng)成為困擾他們的一個問題。

■已知的挑戰(zhàn)

過程控制領(lǐng)域的生產(chǎn)環(huán)節(jié)繁多，涉及從原材料處理到成品包裝過程。目前這些環(huán)節(jié)中有許多均封裝在單獨的安裝模塊中。因此，像電網(wǎng)一樣，過程系統(tǒng)也包含許多分布式單元。這樣的模塊化架構(gòu)為系統(tǒng)運營商帶來了優(yōu)勢，使他們通過在單元中增加或更換模塊即可實現(xiàn)擴展或改造，從而構(gòu)建新的系統(tǒng)。這樣做還可以靈活地開啟和關(guān)閉各個單元，或者整體更換各個單元。有了這種模塊化架構(gòu),系統(tǒng)運營商可以根據(jù)市場變化迅速作出反應(yīng)。但是，目前過程控制技術(shù)使用的模塊均通過集中式智能——上層過程控制系統(tǒng)——來進行自動控制。而對于后者,需要手動集成系統(tǒng)模塊，不僅耗時，而且*破壞了模塊化的基本優(yōu)勢，因為模塊本身不具備任何智能控制技術(shù)，無法自主發(fā)揮作用。對于可靈活集成眾多模塊的網(wǎng)絡(luò)而言,單靠*控制器已不足以滿足需求，而是需要一種智能化的自動化架構(gòu)。這種架構(gòu)可以在中立的通信層面上集合單獨模塊，*像在電網(wǎng)中那樣在過程控制行業(yè)中發(fā)揮作用。

■分布式自動化提升了靈活性和系統(tǒng)可用性

能源領(lǐng)域的自動化和過程領(lǐng)域的過程控制中同時采用的一種解決方案是將傳統(tǒng)的集中式自動化分成兩層。上層控制器的作用簡化為協(xié)調(diào)子系統(tǒng)和上層功能，例如運行和監(jiān)測整個過程。下層的分布式子系統(tǒng)具有足夠的自動化智能，可以在很大程度上自主地發(fā)揮作用。

Vattenfall Europe W?rme AG就采用了這種分布式設(shè)計來開發(fā)他們的虛擬電廠。他們的虛擬電廠于2010年10月上線，可以智能聯(lián)接分布式發(fā)電系統(tǒng)，利用彈性的發(fā)電設(shè)備和用戶來補償電網(wǎng)風(fēng)能和太陽能的供應(yīng)波動。一旦風(fēng)力發(fā)電出現(xiàn)過剩，虛擬電廠就會調(diào)動電力用戶。在發(fā)電不足時，可以靈活控制分布式熱電聯(lián)產(chǎn)廠(CHP)來提供保持電網(wǎng)穩(wěn)定所需的電能。為了能夠通過虛擬電廠的CHP來開發(fā)電能運轉(zhuǎn)儲備市場，Vattenfall必須克服重重挑戰(zhàn)。系統(tǒng)必須從位于德國漢堡的VattenfallW?rme總部的*控制室對運行情況進行協(xié)調(diào)，并控制電能輸出。因此，必須從輸電網(wǎng)絡(luò)運營商那里獲得電能運轉(zhuǎn)儲備需求的實時信息。輸電網(wǎng)絡(luò)運營商的控制信號通過主控室分發(fā)到各個發(fā)電系統(tǒng)，并實時監(jiān)控實施情況。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),Vattenfall投資近四百萬歐元開發(fā)了適合的控制技術(shù)。而他們的投資獲得了豐厚回報：自2012年11月以來，Vattenfall及其虛擬電廠一直在參與利潤可觀的運營電能儲備市場業(yè)務(wù)。

■過程行業(yè)的飛躍

過程行業(yè)也有可能經(jīng)歷相似的飛躍，而且它們可以通過借鑒能源行業(yè)中經(jīng)驗證的、成功的解決方案實現(xiàn)這種飛躍。看起來，“分布式模塊的自主智能技術(shù)”能夠為過程行業(yè)帶來同樣的轉(zhuǎn)變。WAGO將這種技術(shù)應(yīng)用在了一個名為DIMA（分布式智能模塊化系統(tǒng)）的解決方案中。與采用傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的整裝系統(tǒng)架構(gòu)不同的是，DIMA注重于實現(xiàn)模塊自身的智能控制，就像虛擬電廠一樣，從這一點來看，過程技術(shù)系統(tǒng)的架構(gòu)與電網(wǎng)相似，也是分為兩個區(qū)域。管理層和各個與過程相關(guān)的模塊，其中管理層只負責全部過程監(jiān)控和流程控制，而各模塊則包含I/O層及其自身的自動化控制?？缦到y(tǒng)功能（例如配方管理）由上層自動化系統(tǒng)執(zhí)行，而基本功能則由各模塊本身的自動化處理。

當采用DIMA時，模塊的描述由“模塊類型封裝”(MTP)實現(xiàn)。MTP中包含關(guān)于過程控制集成、運行和監(jiān)測功能以及批處理功能的信息。模塊供應(yīng)商對模塊進行配置后，系統(tǒng)運營商在集成工程期間使用相應(yīng)的MTP，然后配置整個系統(tǒng)。管理層與模塊之間采用面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)以面向服務(wù)的方式進行通信。配備自身智能控制的模塊可以像搭積木一樣輕松地集成在整個系統(tǒng)內(nèi)，而且將來還可以靈活地進行更換，就像在電網(wǎng)中可以根據(jù)需要隨時開啟或關(guān)閉CHP那樣。

■標準或開放式信息源使其成為可能

在使虛擬電廠實現(xiàn)自動化的過程中，Virtual Heat and Power Ready(VHP Ready)控制標準發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。監(jiān)測和控制分布式、異構(gòu)性能源系統(tǒng)需要有通信標準以及（取決于分布式系統(tǒng)的任務(wù)）專業(yè)定義，例如運行特性和反應(yīng)時間的默認值。由于需要同步源于不同制造商的通信和能源組件，弗勞恩霍夫開放通信系統(tǒng)研究(Frauenhofer Institute FOKUS)所于2013年末發(fā)起了主要針對虛擬熱電廠的公共行業(yè)聯(lián)盟。此后，五家公司于2014年2月成立了行業(yè)論壇VHPready e.V.，從而為跨行業(yè)、跨制造商的虛擬電廠開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。該論壇后來增加到了23家成員公司（截止2014年10月），他們通過VHPreadye.V.行業(yè)論壇在分布式電廠的通信網(wǎng)絡(luò)和能源控制規(guī)范方面開展協(xié)作，此外也包括認證和預(yù)認證支持相關(guān)查驗方面的合作。

為使過程行業(yè)也能取得能源行業(yè)的成就（即采用分布式智能控制的模塊化架構(gòu)），過程行業(yè)也需要建立相似的聯(lián)盟。盡管DIMA不需要新標準，但為了與現(xiàn)有(部分情況下是專有性)的解決方案銜接，將需要公布和編制現(xiàn)有控制和SCADA系統(tǒng)的接口。只有如此，DIMA方可解析現(xiàn)有控制系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)采用的模塊描述(MTP)。作為表率，WAGO已為行業(yè)提供了自己的技術(shù)，以供深入討論和聯(lián)合開發(fā)。