模块化：水处理技术发展的新机遇

文/ Eckhard Roos

控制与监测 Control & Detection

模块化：水处理技术发展的新机遇

文/ Eckhard Roos

工业4.0对员工素质提出了新的要求，Festo公司为学生专门设计制造了虚拟水处理设备运行的教具Festo Didactic和OEN Reality

模块化技术提高了生产厂家的供货能力，使用户能尽早地把新产品投放到市场中去——当流程设备生产厂和自动化技术供应商们想要在最短的时间内满足快速变化的市场需求，提高给水供水企业的生产能力时，他们应具备什么样的前提条件呢？模块化设备是这些问题的答案：与全球化的元器件设备制造商共同开发应用于水处理领域的给水净化设备。

工业4.0概念的甚嚣尘上，不仅让制造业发生着翻天覆地的变化，我们在日常生活中也能明显感受到这种转变。在消费品市场领域中，个性化的产品定制已成为寻常之事，生产厂家们经常收到客户提出的特殊要求——只需生产一件特殊定制的商品，通过相关的物流供应网络，这些产品最终能送到消费者的手中。然而，水资源管理企业由于是连续性的流程工艺过程，有着与制造业截然不同的生产特性，那么这些符合工业4.0理念的工作流程和信息结构也适用吗？

技术应用范围

工业4.0原则上可在以下给水供水的三大领域中使用。

●围绕下列主题的价值增值链网络横向一体化：建立合作，使用新的商业模式；跨价值增值链网络的信息共享；以寿命周期为主导的技术服务模式。

●围绕下列主题的网络化生产系统的纵向一体化：水处理模块的集成；水处理设备和物流；灵活多样的IT环境。

●价值增值链中围绕下列主题的综合工程：共享利益相关者的工程成果；在水处理设备整个寿命周期内的系统升级；和数字化元器件实现更好的互操作性/互换性。

不同的应用实践告诉我们：在过去的时间里，我们已经成功实现了价值增值链的纵向一体化集成。但是与今天消费品生产领域中的功能性和舒适性相比，水处理工业的应用领域中仍然有很大的潜力。这些潜力将会逐步地被挖掘出来，因为它需要考虑用户的一些附加要求；例如：新工厂、新设备、安全和安保方面等。设备安全和防止自动化控制系统的非法入侵是每一个水处理设备运营商采用新技术、新设备时都必须考核的前提条件。

水资源处理设备的自动化控制系统模块可按用户要求进行便捷的扩展

灵活反应的生产设备

水资源经济的市场动荡起伏，它提出了在最短时间内进入市场的要求，同时有着明确的标准化发展趋势以及通过水处理设备的模块化完成水处理能力匹配的发展趋势。具体来说，在水处理设备的设计阶段，就有很大的节约时间的潜力可以挖掘，而水处理设备的标准化和预测试/预认证解决方案又可以在设备安装调试过程中进一步挖掘节约时间的潜力。

在水资源管理领域中，对水处理生产厂的供水能力以及按照模块化思路与用户需求保持匹配提出了更高的要求。工业4.0是制造工艺技术领域中的一次思维方式的转变，能够灵活反应的生产设备应该具有如下特点：

●能够根据市场变化简单地调整生产线；

●满足用户的特殊要求；

●自动完成设备调试；

●通过简单地增减设备、设备部件就可以调整生产能力。

对设备生产厂家的要求

过去，模块化设备的生产制造厂家遭遇到了滑铁卢，用户们对模块化设备的集成性、连续性和安全性等方面都不甚满意。从那之后，研发技术有了明显的提高，还制定了相关标准，例如FDI现场总线仪器设备集成平台方案和OPC UA规范，以贯彻落实模块化技术方案。

模块化设备制造的基本思想是：各个模块集成时的工作量最小化。整套设备的生产制造分解到各个模块的生产制造商那里，这些供应商除了提供相应的设备模块外，也包括设备模块所需的自动化控制技术系统，也就是说，整个工程分为各个模块单独制造和所有模块整体集成这两大部分。

FESTO公司就是这样做的，它与一家全球化的OEM水资源设备生产厂家合作，协商开发了一套模块化设备自动化技术解决方案。这家水处理设备生产厂希望将来能够通过设备的增减来调整水处理设备的生产能力。这里，分散式配置的自动化技术平台CPX就成为模块自动化的一个重要基石，它使用了防护等级IP 65/67的气动技术元器件，不同的控制元器件以及西门子的Remoto输入输出装置，将压力、温度监控等都模块化地集成到平台中。这样一来，水处理技术中的模块化成套部件就可以按照用户需求进行不同的配置了。

模块化技术的好处

对于整套流程工艺技术设备而言，在采用了模块化技术之后，由于不必在提高流程设备产能时对整个控制系统进行自动化改造，只需把自动化模块化与流程设备的控制系统连接起来即可，因此工程施工的速度大大加快、设备建造成本也得以降低，同时也保证了自动化控制系统各个层次之间的通讯畅通无阻。

对于OEM设备生产厂家来讲，模块化技术方案也使他们能够经济地生产制造最小批量的单一模块或者成套机组了，从而实现规模化产品和规模化安装的目的，降低了生产成本。另外，模块化设备也提高了生产厂家的供货能力，使用户能尽早地把新产品投放到市场中去。

Festo公司开发的Festo Didactic是服务于给水及污水净化处理的教学系统，世界范围内的协会、监管机构和高校都可以利用这一系统对环境监控工作人员进行资质认证，设计一些简单和复杂的水资源管理项目，优化水资源处理设备进行维护保养策略

工业4.0的应用

未来的水资源处理设备将会用到更多的数字化和网络化技术。在标准化通信技术平台上，水资源处理设备的建造施工和设备调试过程为整个生命周期内的节约奠定了坚实的基础，只要做到了下述各项就能够实现这种节约。

●新的传感器、执行器或者整个模块都能自动连接到自动化控制系统中；

●在水处理设备实际投产使用前能对新功能和新部件进行数字化模拟；

●在设备整个生命周期内使用工程设计时一次性生成数据；

●利用Data Mining（大数据）算法对生产过程进行分析和优化；

●在自动化应用中也使用云技术服务；

●利用移动式、便携式检测仪器直接访问生产设备所有重要的数据（检测仪器设备的生产数据、维护保养数据和监控数据等），从而优化设备的维护保养操作。

展望未来

我们正处在第四次工业革命的过渡期。在互联网和IT技术的推动下，虚拟世界和现实世界一同成长起来了。为保证企业在经济全球化中的竞争力，必须了解和掌控好流程设备越来越高的复杂性。

现在的工作以及与工种有关的职业培训也出现了很大的变化。员工的日常操作明显转变为具有更高附加值的活动，终身学习、跨学科的职业素质在变化万千的生产世界中也显得越来越重要了，在这些基础上，智能化设备和系统的使用对企业的市场地位更有着决定性的影响，也是保证企业长盛不衰的基石。

污水净化设备中的虚拟现实

工业4.0对信息和通讯技术以及它们之间的联网提出了全面的要求。目前还不知道什么样的元器件、系统、软件和网络形式将成为标准，也就是说，未来的技术和标准首先要由企业和科研院所共同研究出来。另外，技术创新的周期越来越短，传统的人员培训流程——从人员需求分析到人员资质认证的过程将不再能够满足新形势的要求。员工在开放、复杂的动态环境中自主学习提高自身素质的能力也越来越重要了。

Festo公司与一家OEM原始设备生产厂家合作开发了能够对不同污水净化处理设备进行虚拟现实的Festo Didactic系统。在虚拟现实技术的帮助下，技校学生可以尝试解决不同的水处理/污水净化处理任务。重要的是，在学习过程中，学员会出现错误，并学会解决问题，从而减少实际污水处理净化过程中的严重后果。这一系统刚投入教学就收到了很好的效果，未来计划集成一些更复杂的教学任务。

本文作者系 Festo公司工业领域自动化产品负责人。