图1 模块化单元需要更加“独立”且可与集中式控制系统进行信息交换的自动化技术。因此，自动化技术的供应商们必须要提供满足流程工业高要求的元器件和系统。通过WAGO公司的WAGO I/O系统和相应的控制器，模块化单元的生产厂家可以毫无问题地连接所有传感器和执行器（图示为一个以太网节点）

模块化设计理念在软件开发、汽车和机械设备制造领域中已经得到广泛的应用：模块化设计提高了系统的灵活性，实现了单个模块的重复利用，并很好的降低了成本。在流程工业领域中，生产系统的模块化趋势也愈发不可小觑。自动化系统供应商必然需要顺应此趋势，研发出满足这些要求的新产品。

流程工业领域中，流程生产系统的使用寿命一般都很长，例如化工领域中典型生产系统的使用寿命通常都按照20年或者更长时间来设计，且在使用周期内不经改动的连续运行。当然，在使用寿命周期里会对系统进行定期维护保养，必要时对一些零部件进行更换，但系统的基本结构通常在其整个使用寿命周期内都保持不变。

流程工业领域中生产系统的自动化程度很高，一般情况下只需一个人就可以启动和操作一套大型的流程工艺生产系统。这一领域中的自动化控制系统一般采用传统的集中式控制。传感器采集流程生产过程中的物理参数、化学参数以及系统组件的过程状态参数，并把这些数据传送给主控系统。在主控系统中，中央计算机对这些数据进行处理，并依此来对泵、搅拌器、加热器等执行器进行控制。有关测量、控制和调节功能的“智能化控制”都在主控系统中完成。

这种自动化控制系统的缺点在于电缆布线工作量很大。在大型的流程生产系统中，传感器和执行器的数量多达数千，而且这几千个传感器、执行器都要通过线缆连接到主控系统。此外，当需要对流程系统进行技术改造或者扩展时，集中式控制系统就显得相对不灵活，因为主控系统的测量、控制和调节系统也必须进行相应改动。集中控制系统的另一个不足之处是自动化系统与生产流程装置的使用寿命不同。控制器经常需要更换，从而导致耗费很多精力。集中控制系统当然也有优点，它能保证极高的安全性，这对于化工生产领域极为重要；另外，集中控制系统的系统可用性高，这是流程工业领域中的核心要求之一。

一段时间以来，流程工业领域一直致力于推广系统模块化设计理念。2009年，来自欧洲不同国家的多家化工企业和科研机构共同组建了名为F3的联合组织。F3意为建立灵活（Flexibility）、快速(Fast)以及未来型（Future）工厂，它的目标是研发适用于流程工业的模块化生产系统方案。欧盟向这一有着25家企业和科研机构参与的项目投入1800万欧元的资金支持。该项目的任务是研发设计适合于化工领域的模块化生产系统方案。单个的模块，也称之为模块化单元（package units），应该能够 “即插即用”轻松地相互组合在一起，以构成一套完整的生产系统。该方案有很多优点，例如当自动化控制系统老化，或者当现场仪器设备达到使用年限时，可以更加轻松地更换单个系统组件。而且在针对某一模块化单元进行检修时，只需要把这一模块化单元与其他模块化单元“解开”连接就可以，进而大大减轻了维护保养和检修时的工作量。

生产系统设计的这一趋势与汽车制造行业相似，汽车制造业中是也由供应商提供完整的模块化单元，例如汽车的座椅或者转向系统。未来，流程系统制造商也可以不再由自己生产全套的流程系统，而是由各个专业供应商提供不同的模块化单元，例如搅拌机、发酵罐等，再由流程系统制造商把这些模块化设备组装为一套完整的流程生产系统。这样，会为流程系统的规划设计和制造带来很多好处，例如：缩短了规划设计周期，缩短了生产制造和安装调试周期等。

F3项目的主要任务之一就是在勒沃库森拜尔技术服务公司建立一套用来展示项目研发成果的示范系统。这一方案应该能大大提高化工生产领域的灵活性和效率，同时节约资源。方案的核心部分就是上文提到的模块化单元，如混合搅拌设备、反应器或者输送装置等。模块化单元不仅包含机械部件，而且还包含了电气元器件、传感器和自动化系统及控制系统。这些模块化单元均实现了一定程度上的标准化，从而使得其生产厂商可以从中获益，因为这样就可以向不同的系统制造商供应更高数量的模块化单元。对于系统制造商而言，最大的优点是系统的规划设计实现了即插即用，因而更加快速简单。这一设计方案也为流程系统的使用者带来了很多便利，用户可以基于生产系统的模块化性能灵活应对需求的变化。而且生产系统的扩充、现代化改造都变得很方便。单个的模块化单元能够很方便地被替换下来，有的被替换下来的模块化单元还可以在其他生产系统中使用。

图2 典型的模块化单元

自动化和信息通信

要保证这种模块化系统方案能够投入使用还必须准确定义通信接口。除了标准化的机械和电气接口之外，自动化系统的接口也非常重要。在新的模块化系统方案中，操作人员依然可以通过控制中心对流程系统进行操作和监控。但是大部分的“智能化控制”会转移到模块化单元中，因为每一个模块化单元都拥有自己的自动化及控制子系统。传感器所采集到的各种数据、信息不会再发送给控制中心，进而再由其向执行器发出指令以对此作出反应。取而代之的是控制中心与各个模块化单元进行通信，以发出诸如配量、混合搅拌或者加热等指令。采用模块化设计方案之后，可以大大地减轻控制中心自动化控制系统的工作负担，因为模块化单元直接在现场承担了大部分的测量、调节和控制任务。模块化单元供应商设计了模块化单元的算法和控制程序，并能够将其应用到其生产的所有模块化单元中。这种分布式自动化系统结构还大大地降低了传感器和执行器线缆布线的工作量。模块化单元与控制中心之间的通信可以由现场总线系统来完成，例如Profibus DP或者Profinet。

对自动化系统的新要求

自动化控制硬件设备与生产流程更加接近，因此就要满足更高的要求，且远比在集中式控制系统中使用时的要求更高。控制系统必须更好地抵抗流程工艺生产过程中恶劣的工作环境。这些恶劣环境包括更大的温度波动，更高的湿度及粉尘，更强烈的冲击和振动等。另外，在流程工业领域还特别要求系统能够防爆。根据易燃易爆区域不同，所使用的流程部件应获得相应的Atex安全认证。最后，还要求这些部件能够处理所接收到的信号，能够利用不同的总线系统进行通信。

自动化技术装备生产厂商例如WAGO公司为流程工业领域提供了大量产品。通过应用广泛的WAGO I/O系统和相应的控制器，模块化单元供应商们就能够毫无问题地连接各种传感器和执行器。据WAGO公司透露，他们为流程领域提供覆盖范围最广的产品种类，包括大量模拟量和数字量输入输出模块，且可与各种标准的现场总线系统相连接。标准化WAGO I/O系统可以应用于防爆2区。特殊的本安型数字量和模拟量总线模块还可与0区和1区的外围设备连接。自动化功能可通过以太网控制器或IPC轻松便捷的实现。

小结

流程工业中的系统模块化设计是未来的发展方向。模块化单元不仅包括机械设备和电气设备，而且包含了自动化设备。这种模块化流程系统与传统系统在自动化结构上有较大区别。很大一部分自动化控制功能从控制中心转移到了模块化单元中。这为模块化单元生产商、系统制造商、流程工业企业以及自动化产品技术供应商带来了新的机遇。

“我们需要集成新的现场总线，同时，需要采集新的现场信号”

模块化的自动化技术方案与标准化的模块化机械系统相比，尚处于起步阶段。但它已经有了一些成功案例。WAGO公司负责能源、流程自动化和化工行业的市场经理Wolfgang Laufmann先生在接受PROCESS记者采访时认为：“未来，模块化的自动化技术潜能无限。”

图3 WAGO公司负责能源和过程自动化的市场经理Wolfgang Laufmann先生。

PROCESS：Laufmann先生，您能列举几个采用模块化设计的化工行业自动化应用实例吗？

Wolfgang Laufmann：WAGO I/O系统应用比较广泛的领域是流程工业中的模块化单元。模块化单元可对系统或辅助流程进行独立控制和调节。由于生产系统的类型繁多，因此对模块化自动化解决方案的需求与日俱增。例如汉高（Henkel）公司的“Linegard Supervisor”。这是一套用于喷漆生产线中的测量和配量系统，采用了WAGO公司的智能化控制调节系统。利用其集成的可视化装置使得系统的操作者能够直观的进行操作和监控，借助远程诊断功能，也可以实现系统的维护保养。

PROCESS：为什么用户会选择购买WAGO I/O系统？

Wolfgang Laufmann：WAGO I/O系统受到用户青睐的主要原因在于其拥有模块化结构，提供400多种不同的接口以及紧凑的外形设计，同时它可以灵活地采集不同的测量信号。另一个重要的因素是它能够按照IEC 61131-3标准自由编程。这就使得它能够灵活地处理各种信号以及进行完整的系统控制。各种类型的标准化现场总线接口，例如Profibus、ProfiNet、Ethernet、Modbus等，能够使流程系统与控制层面实现开放式连接。

PROCESS：WAGO公司如何应对自动化技术的模块化发展趋势？又将会推出哪些新产品呢？

Wolfgang Laufmann：WAGO公司的现场总线输入输出系统是一种非常可靠的系统，且性能在不断提高，规模在不断扩大。自动化技术总是需要集成新的现场总线系统以及采集新的现场信号。我们另一个研发重点是扩大产品的适用工作环境温度范围，这也是越来越多的外围设备所提出的要求。常规的温度范围为0~55℃，而我们产品的适用温度范围则为-20~60℃，并且这一温度范围还计划进一步扩大。另外，我们已经着手扩展一些产品系列的规模，包括Perspecto系列HMI触摸屏、 IP 67 Speedway系列以及基础元器件，如开关、电源和Jumpflex信号转换模块等。