模塊化：水處理技術發展的新機遇

文/ Eckhard Roos

控制與監測 Control & Detection

模塊化：水處理技術發展的新機遇

文/ Eckhard Roos

工業4.0對員工素質提出了新的要求，Festo公司為學生專門設計制造了虛擬水處理設備運行的教具Festo Didactic和OEN Reality

模塊化技術提高了生產廠家的供貨能力，使用戶能盡早地把新產品投放到市場中去——當流程設備生產廠和自動化技術供應商們想要在最短的時間內滿足快速變化的市場需求，提高給水供水企業的生產能力時，他們應具備什么樣的前提條件呢？模塊化設備是這些問題的答案：與全球化的元器件設備制造商共同開發應用于水處理領域的給水凈化設備。

工業4.0概念的甚囂塵上，不僅讓制造業發生著翻天覆地的變化，我們在日常生活中也能明顯感受到這種轉變。在消費品市場領域中，個性化的產品定制已成為尋常之事，生產廠家們經常收到客戶提出的特殊要求——只需生產一件特殊定制的商品，通過相關的物流供應網絡，這些產品最終能送到消費者的手中。然而，水資源管理企業由于是連續性的流程工藝過程，有著與制造業截然不同的生產特性，那么這些符合工業4.0理念的工作流程和信息結構也適用嗎？

技術應用范圍

工業4.0原則上可在以下給水供水的三大領域中使用。

●圍繞下列主題的價值增值鏈網絡橫向一體化：建立合作，使用新的商業模式；跨價值增值鏈網絡的信息共享；以壽命周期為主導的技術服務模式。

●圍繞下列主題的網絡化生產系統的縱向一體化：水處理模塊的集成；水處理設備和物流；靈活多樣的IT環境。

●價值增值鏈中圍繞下列主題的綜合工程：共享利益相關者的工程成果；在水處理設備整個壽命周期內的系統升級；和數字化元器件實現更好的互操作性/互換性。

不同的應用實踐告訴我們：在過去的時間里，我們已經成功實現了價值增值鏈的縱向一體化集成。但是與今天消費品生產領域中的功能性和舒適性相比，水處理工業的應用領域中仍然有很大的潛力。這些潛力將會逐步地被挖掘出來，因為它需要考慮用戶的一些附加要求；例如：新工廠、新設備、安全和安保方面等。設備安全和防止自動化控制系統的非法入侵是每一個水處理設備運營商采用新技術、新設備時都必須考核的前提條件。

水資源處理設備的自動化控制系統模塊可按用戶要求進行便捷的擴展

靈活反應的生產設備

水資源經濟的市場動蕩起伏，它提出了在最短時間內進入市場的要求，同時有著明確的標準化發展趨勢以及通過水處理設備的模塊化完成水處理能力匹配的發展趨勢。具體來說，在水處理設備的設計階段，就有很大的節約時間的潛力可以挖掘，而水處理設備的標準化和預測試/預認證解決方案又可以在設備安裝調試過程中進一步挖掘節約時間的潛力。

在水資源管理領域中，對水處理生產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4.0是制造工藝技術領域中的一次思維方式的轉變，能夠靈活反應的生產設備應該具有如下特點：

●能夠根據市場變化簡單地調整生產線；

●滿足用戶的特殊要求；

●自動完成設備調試；

●通過簡單地增減設備、設備部件就可以調整生產能力。

對設備生產廠家的要求

過去，模塊化設備的生產制造廠家遭遇到了滑鐵盧，用戶們對模塊化設備的集成性、連續性和安全性等方面都不甚滿意。從那之后，研發技術有了明顯的提高，還制定了相關標準，例如FDI現場總線儀器設備集成平臺方案和OPC UA規范，以貫徹落實模塊化技術方案。

模塊化設備制造的基本思想是：各個模塊集成時的工作量最小化。整套設備的生產制造分解到各個模塊的生產制造商那里，這些供應商除了提供相應的設備模塊外，也包括設備模塊所需的自動化控制技術系統，也就是說，整個工程分為各個模塊單獨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水資源設備生產廠家合作，協商開發了一套模塊化設備自動化技術解決方案。這家水處理設備生產廠希望將來能夠通過設備的增減來調整水處理設備的生產能力。這里，分散式配置的自動化技術平臺CPX就成為模塊自動化的一個重要基石，它使用了防護等級IP 65/67的氣動技術元器件，不同的控制元器件以及西門子的Remoto輸入輸出裝置，將壓力、溫度監控等都模塊化地集成到平臺中。這樣一來，水處理技術中的模塊化成套部件就可以按照用戶需求進行不同的配置了。

模塊化技術的好處

對于整套流程工藝技術設備而言，在采用了模塊化技術之后，由于不必在提高流程設備產能時對整個控制系統進行自動化改造，只需把自動化模塊化與流程設備的控制系統連接起來即可，因此工程施工的速度大大加快、設備建造成本也得以降低，同時也保證了自動化控制系統各個層次之間的通訊暢通無阻。

對于OEM設備生產廠家來講，模塊化技術方案也使他們能夠經濟地生產制造最小批量的單一模塊或者成套機組了，從而實現規模化產品和規模化安裝的目的，降低了生產成本。另外，模塊化設備也提高了生產廠家的供貨能力，使用戶能盡早地把新產品投放到市場中去。

Festo公司開發的Festo Didactic是服務于給水及污水凈化處理的教學系統，世界范圍內的協會、監管機構和高校都可以利用這一系統對環境監控工作人員進行資質認證，設計一些簡單和復雜的水資源管理項目，優化水資源處理設備進行維護保養策略

工業4.0的應用

未來的水資源處理設備將會用到更多的數字化和網絡化技術。在標準化通信技術平臺上，水資源處理設備的建造施工和設備調試過程為整個生命周期內的節約奠定了堅實的基礎，只要做到了下述各項就能夠實現這種節約。

●新的傳感器、執行器或者整個模塊都能自動連接到自動化控制系統中；

●在水處理設備實際投產使用前能對新功能和新部件進行數字化模擬；

●在設備整個生命周期內使用工程設計時一次性生成數據；

●利用Data Mining（大數據）算法對生產過程進行分析和優化；

●在自動化應用中也使用云技術服務；

●利用移動式、便攜式檢測儀器直接訪問生產設備所有重要的數據（檢測儀器設備的生產數據、維護保養數據和監控數據等），從而優化設備的維護保養操作。

展望未來

我們正處在第四次工業革命的過渡期。在互聯網和IT技術的推動下，虛擬世界和現實世界一同成長起來了。為保證企業在經濟全球化中的競爭力，必須了解和掌控好流程設備越來越高的復雜性。

現在的工作以及與工種有關的職業培訓也出現了很大的變化。員工的日常操作明顯轉變為具有更高附加值的活動，終身學習、跨學科的職業素質在變化萬千的生產世界中也顯得越來越重要了，在這些基礎上，智能化設備和系統的使用對企業的市場地位更有著決定性的影響，也是保證企業長盛不衰的基石。

污水凈化設備中的虛擬現實

工業4.0對信息和通訊技術以及它們之間的聯網提出了全面的要求。目前還不知道什么樣的元器件、系統、軟件和網絡形式將成為標準，也就是說，未來的技術和標準首先要由企業和科研院所共同研究出來。另外，技術創新的周期越來越短，傳統的人員培訓流程——從人員需求分析到人員資質認證的過程將不再能夠滿足新形勢的要求。員工在開放、復雜的動態環境中自主學習提高自身素質的能力也越來越重要了。

Festo公司與一家OEM原始設備生產廠家合作開發了能夠對不同污水凈化處理設備進行虛擬現實的Festo Didactic系統。在虛擬現實技術的幫助下，技校學生可以嘗試解決不同的水處理/污水凈化處理任務。重要的是，在學習過程中，學員會出現錯誤，并學會解決問題，從而減少實際污水處理凈化過程中的嚴重后果。這一系統剛投入教學就收到了很好的效果，未來計劃集成一些更復雜的教學任務。

本文作者系 Festo公司工業領域自動化產品負責人。