趋势 模块化工厂

　　快速而灵活

　　MTP有望推动生物技术和制药行业的变革——该机器描述标准使机器模块和控制器能相互识别，从而缩短调试时间以及设备的上市时间。

　　制药和生物制药行业并非从新冠大流行才开始面临开发、审批和尽快大规模投产的挑战。他们追求速度是因为药物专利保护期只有20年。他们获得专利后只有很短一部分时间才能通过获专利产品实现收入，这是因为从授予专利到提供可销售的产品通常需要很多年。因此，当药物获得审批后，产品必须尽可能快地上市销售。从药物开发到产品可在药房销售的整个过程通常需要约12年。公司必须在药物获得最终审批前开始建立生产能力。若未能通过审批，公司只能保留生产设施，并须花费数百万欧元成本对其进行更新。

　　快速阅读

　　在许多行业，模块化和标准化都被视为旨在降低成本并缩短生产、交付和开发时间的针对性策略，对于生物技术和制药等面临审批和专利保护导致的时间压力的领域而言尤其如此。为了支持这一举措，图尔克推出了首款支持MTP的I/O和控制组件。得益于多协议以太网技术(包括Profinet、Ethernet/IP和Modbus TCP这3种以太网协议)，该设备同样适用于市场上使用的大部分控制系统，因此有助于建立内部标准，并同时满足全球制药商的特殊要求。

　　模块化是生物技术和制药行业的重大议题;工厂模块的标准化信号传输和控制可以显著缩短工程设计、制造和调试的时间

　　然而，更常见的情况是已通过审批但由于生产线建立滞后而没有能力立即开始生产。此时，药物进入所谓的超时期。这种情况的成本非常高。集成商和设备制造商希望能有某种方法来摆脱这种困境，或至少能有一种复杂度更低的方法，可以更快地建立生产线。但是由于每个工厂的设计都是独特的，所以工程设计、调试和测试时间通常都很长。

　　模块化工厂理念可以显著加快生产工厂的建造。这是因为生物制药行业的许多工厂组件或机器原则上都可以标准化，包括从上游的生物反应器和过滤装置到中游的离心机、微滤和超滤装置，直到下游。如果所有这些装置都可以像模块化建造一样使用标准化接口组合在一起并构成完整系统，则无论是工程所需时间、实际生产时间还是调试时间，都可以显著缩短。

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　　图尔克MTP系统详细说明

　　图尔克通过其支持多协议以太网和MTP技术的I/O和控制组件支持模块化机器和设备制造

　　图尔克的I/O和控制器产品组合已经提供了防护等级IP67和IP20的不同MTP解决方案。例如，图尔克的紧凑型边缘控制器可用于对机器模块或装置(如发酵罐或搅拌棒等)进行完全自主的控制。不仅边缘控制器的控制任务在Codesys中编程，数据的预处理和过滤也同样如此。这有效减少了传输至云端的数据流，并同时带来了带宽和安全优势。作为供应商中立的系统平台，Codesys可实现在同一自动化系统中使用不同的现场总线/以太网协议。边缘控制器可生成基于Codesys的MTP文件。然后该文件将保存并安装在过程编排层(POL)。指令则通过OPC UA工业通信标准进行传输，许多不同制造商的设备都支持该标准。MTP使PEA(过程设备组件)能快速集成至模块化工厂。

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　　趋势 模块化工厂

　　图尔克的excom I/O系列可用于防爆区域;它可在运行期间保证高可用性和配置选项，且凭借最新的以太网网关，还支持多协议以太网技术

　　过程编排层 - POL

　　过程设备组件(PEA)

　　CODESYS

　　2/22区

　　1/21区

　　该基础设施图显示了MTP通信的不同场景——包括防爆区域应用

　　MTP：机器的语义学

　　然而，到目前为止，控制系统并不能自动检测机器模块。控制层级没有相关的语义学来理解机器模块的功能、能力和任务。任何在90年代使用过电脑的人都能理解这一情况。尽管打印机、鼠标、键盘等外设组件都提供了相同的标准功能，但它们都必须通过操作系统中的驱动程序进行手动设置。如今，新打印机可以在连接后立即被正确检测到并直接使用。

　　过程编排层(POL)：指挥而不是控制过程

　　模块类型封装(MTP)专为在机器与控制层级之间建立这种桥梁而设计，并成为了机器模块的驱动程序。MTP文件用于描述机器模块的功能以及其最重要的参数和特征值。控制系统的任务在MTP领域中由所谓的过程编排层(POL)处理。因此，不再控制过程，而是指挥过程。POL就像指挥家一样设定节拍和乐曲，并关注整体工作，而不指示任何一位音乐家何时演奏哪个音符。

　　POL和其他机器可以读取和理解MTP文件，并与之互动。模块功能的检测及其过程控制基于MTP文件中的描述进行。这样，来自不同制造商的工厂模块可以灵活使用并组合形成复杂的工厂。因此，MTP显著减少了调试新工厂时的编程工作。真正的“即插即生产工厂”即将到来。

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　　不同的网络协议阻碍了标准化

　　最终客户的不同控制器是传统控制器和控制系统实施模块化工厂理念的另一大障碍。它们通常要求使用不同的I/O组件、执行器和传感器，从而反过来要求在工程设计、电子规划和最终的仓储上花费更多的精力。

　　图尔克可通过其多协议以太网I/O和控制模块提供高效的解决方案，这些模块可用于Profinet、Ethernet/IP或Modbus TCP，无需用户进行任何干预。设备本身可以检测网络中正在使用的协议类型，并进行自动化调整。因此，这可使机器制造商安装多协议设备，不受最终客户的网络限制。

　　离线测试缩短调试时间

　　通过在自有生产设施测试机器模块或装置，机器制造商甚至能进一步加快进程。利用TBEN I/O模块的集成控制功能，使工厂验收测试(FAT)也可离线执行，无需连接到后续的工厂控制系统。图尔克的I/O组件支持利用集成的AGREE逻辑软件模拟现场运行，该软件可以模拟相连机器的输入。若使用AGREE时的I/O模块功能不足，图尔克还可提供IP67 TBENPLC控制器，这种成熟的Codesys 3可编程控制器同样支持3种多协议标准。

　　IP67组件和快速连机器减少了布线工作

　　TBEN产品系列的高防护等级还有利于加快工厂的调试。凭借IP67防护等级，可以尽可能减少大型控制柜的装配和布线工作。使用快插连接器则意味着原则上只有过程连接、电源和网络电缆需要在现场连接。在实际应用中，所有组件防护等级都可达到非常少见的IP67，但控制柜的装配时间仍可显著缩短或者可以大部分进行预装配。图尔克全新的IP67 PSU67还可消除对电源柜的需求。

　　RFID是一种适用于识别和模块验证、容器或软管等(如图所示)的简单可靠解决方案

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　　趋势 模块化工厂

　　该应用使用支持Profinet S2系统冗余的图尔克IO-Link主站模块来控制生物反应器中的执行器

　　多协议I/O系统满足所有区域、防护等级和可用性要求

　　近年来，图尔克的多协议产品系列不断扩展。对于需要模块化和系统灵活性的客户，我们可以提供BL20和BL67系统解决方案，它们适合安装在控制柜或直接在现场安装。然而，若需要I/O模块，图尔克可以提供可直接在机器上免机柜安装的TBEN系列设备，或适合安装在保护外壳中的FEN20系列I/O模块。

　　如果某个危险区域应用要求在运行期间具备高可用性和配置选项，则用户可以选择excom系列的系统，它们同样可以利用最新的以太网网关支持3种多协议网络，并为安装在防爆2区或作为N系列安装在安全区域的设备提供系统连接。

　　Modbus TCP用作诊断数据的并行通道

　　除了减少型号并实现简单的标准化和模块化外，设备的多协议能力还具备其他优势：除了通过Profinet或Ethernet/IP进行以太网通信外，还可通过Modbus TCP用作并行的数据访问通道。用户数据和分析数据可以通过该通道轻松地分别连接到外部IT系统，并进行诊断和监测任务评估，而不影响工厂的运行。

　　利用IO-Link和RFID技术进行自动化装置识别

　　尤其是对于在工厂的不同地点使用的移动装置，可以记录其使用地点和时间，这通常也是认证或法律的要求。机器模块的使用可以利用IO-Link或RFID技术进行简单且可靠的识别和记录，并且不会有被操纵的风险。若模块仍然使用IO-Link组件，则可以通过这些组件的应用程序特定标签来识别整台机器。用于预见性维护的诊断数据也可通过IO-Link进行通信。许多组件都已经标配该选项，无需进行复杂的编程。设备内部温度升高或信号强度减弱可以在早期警示磨损和污染等问题。若未使用IO-Link组件，则可以使用RFID载码体并通过其UID来识别模块。UID是载码体独一无二的识别号，无法在生产后更改。对于防爆区域的识别，图尔克是市场上唯一一家提供具有Ex-e保护功能的RFID读写头的制造商，它们无需保护外壳就能直接用于防爆1/21区。

　　MTP的实际应用

　　当今，在真实环境中使用MTP的首批项目之一是一家大型制药商的实验室。该系统可以将不同的实验室设备(例如搅拌器、试剂容器)和传感器以及过滤设备作为模块组合起来。在为模块提供分布式控制器之前，模块化系统的优势将无法完全发挥——可以直接在现场部署IP67防护等级的控制器，或在分布式控制器中部署紧凑型PLC。

　　在该项目中，客户选择图尔克的分布式I/O模块和IP67防护等级的TBEN-L-PLC分布式控制器。这可为用户节省安装额外模块所需的时间，并为整个系统的处理带来了灵活性。实验室人员无需任何工具即可重新安装TBEN-S模块，以设置不同的测量任务。另一大优势：集成的WebVisu可视化软件使得HMI上的信息可以在现场显示——甚至在无法到达中央Windows电脑上运行的POL时。

　　结论

　　建造模块化生物制药工厂的路途并不轻松。首先，必须打破已有的惯例，并对调整后的生产和开发策略进行投资。成本效益和协同效应只有在经过特定的前置时间后才会显现。一旦最终建立模块化，将可在产品寿命周期的所有阶段实现效益。然后，制造商还可持续将其机器模块的控制能力和逻辑进行分布式设计。Profinet、Ethernet/ IP和Modbus TCP这3种协议覆盖了大部分市场。

　　作者 | André Ammann，图尔克欧洲制药领域大客户经理

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