快速而靈活

　　MTP有望推動(dòng)生物技術(shù)和制藥行業(yè)的變革——該機(jī)器描述標(biāo)準(zhǔn)使機(jī)器模塊和控制器能相互識(shí)別，從而縮短調(diào)試時(shí)間以及設(shè)備的上市時(shí)間。

　　制藥和生物制藥行業(yè)并非從新冠大流行才開始面臨開發(fā)、審批和盡快大規(guī)模投產(chǎn)的挑戰(zhàn)。他們追求速度是因?yàn)樗幬飳＠Ｗo(hù)期只有20年。他們獲得專利后只有很短一部分時(shí)間才能通過獲專利產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)收入，這是因?yàn)閺氖谟鑼＠教峁┛射N售的產(chǎn)品通常需要很多年。因此，當(dāng)藥物獲得審批后，產(chǎn)品必須盡可能快地上市銷售。從藥物開發(fā)到產(chǎn)品可在藥房銷售的整個(gè)過程通常需要約12年。公司必須在藥物獲得最終審批前開始建立生產(chǎn)能力。若未能通過審批，公司只能保留生產(chǎn)設(shè)施，并須花費(fèi)數(shù)百萬歐元成本對(duì)其進(jìn)行更新。

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　　在許多行業(yè)，模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化都被視為旨在降低成本并縮短生產(chǎn)、交付和開發(fā)時(shí)間的針對(duì)性策略，對(duì)于生物技術(shù)和制藥等面臨審批和專利保護(hù)導(dǎo)致的時(shí)間壓力的領(lǐng)域而言尤其如此。為了支持這一舉措，圖爾克推出了首款支持MTP的I/O和控制組件。得益于多協(xié)議以太網(wǎng)技術(shù)(包括Profinet、Ethernet/IP和Modbus TCP這3種以太網(wǎng)協(xié)議)，該設(shè)備同樣適用于市場(chǎng)上使用的大部分控制系統(tǒng)，因此有助于建立內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，并同時(shí)滿足全球制藥商的特殊要求。

　　模塊化是生物技術(shù)和制藥行業(yè)的重大議題;工廠模塊的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)傳輸和控制可以顯著縮短工程設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試的時(shí)間

　　然而，更常見的情況是已通過審批但由于生產(chǎn)線建立滯后而沒有能力立即開始生產(chǎn)。此時(shí)，藥物進(jìn)入所謂的超時(shí)期。這種情況的成本非常高。集成商和設(shè)備制造商希望能有某種方法來擺脫這種困境，或至少能有一種復(fù)雜度更低的方法，可以更快地建立生產(chǎn)線。但是由于每個(gè)工廠的設(shè)計(jì)都是獨(dú)特的，所以工程設(shè)計(jì)、調(diào)試和測(cè)試時(shí)間通常都很長。

　　模塊化工廠理念可以顯著加快生產(chǎn)工廠的建造。這是因?yàn)樯镏扑幮袠I(yè)的許多工廠組件或機(jī)器原則上都可以標(biāo)準(zhǔn)化，包括從上游的生物反應(yīng)器和過濾裝置到中游的離心機(jī)、微濾和超濾裝置，直到下游。如果所有這些裝置都可以像模塊化建造一樣使用標(biāo)準(zhǔn)化接口組合在一起并構(gòu)成完整系統(tǒng)，則無論是工程所需時(shí)間、實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間還是調(diào)試時(shí)間，都可以顯著縮短。

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　　圖爾克MTP系統(tǒng)詳細(xì)說明

　　圖爾克通過其支持多協(xié)議以太網(wǎng)和MTP技術(shù)的I/O和控制組件支持模塊化機(jī)器和設(shè)備制造

　　圖爾克的I/O和控制器產(chǎn)品組合已經(jīng)提供了防護(hù)等級(jí)IP67和IP20的不同MTP解決方案。例如，圖爾克的緊湊型邊緣控制器可用于對(duì)機(jī)器模塊或裝置(如發(fā)酵罐或攪拌棒等)進(jìn)行完全自主的控制。不僅邊緣控制器的控制任務(wù)在Codesys中編程，數(shù)據(jù)的預(yù)處理和過濾也同樣如此。這有效減少了傳輸至云端的數(shù)據(jù)流，并同時(shí)帶來了帶寬和安全優(yōu)勢(shì)。作為供應(yīng)商中立的系統(tǒng)平臺(tái)，Codesys可實(shí)現(xiàn)在同一自動(dòng)化系統(tǒng)中使用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線/以太網(wǎng)協(xié)議。邊緣控制器可生成基于Codesys的MTP文件。然后該文件將保存并安裝在過程編排層(POL)。指令則通過OPC UA工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸，許多不同制造商的設(shè)備都支持該標(biāo)準(zhǔn)。MTP使PEA(過程設(shè)備組件)能快速集成至模塊化工廠。

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　　趨勢(shì) 模塊化工廠

　　圖爾克的excom I/O系列可用于防爆區(qū)域;它可在運(yùn)行期間保證高可用性和配置選項(xiàng)，且憑借最新的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，還支持多協(xié)議以太網(wǎng)技術(shù)

　　過程編排層 - POL

　　過程設(shè)備組件(PEA)

　　CODESYS

　　2/22區(qū)

　　1/21區(qū)

　　該基礎(chǔ)設(shè)施圖顯示了MTP通信的不同場(chǎng)景——包括防爆區(qū)域應(yīng)用

　　MTP：機(jī)器的語義學(xué)

　　然而，到目前為止，控制系統(tǒng)并不能自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器模塊。控制層級(jí)沒有相關(guān)的語義學(xué)來理解機(jī)器模塊的功能、能力和任務(wù)。任何在90年代使用過電腦的人都能理解這一情況。盡管打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤等外設(shè)組件都提供了相同的標(biāo)準(zhǔn)功能，但它們都必須通過操作系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置。如今，新打印機(jī)可以在連接后立即被正確檢測(cè)到并直接使用。

　　過程編排層(POL)：指揮而不是控制過程

　　模塊類型封裝(MTP)專為在機(jī)器與控制層級(jí)之間建立這種橋梁而設(shè)計(jì)，并成為了機(jī)器模塊的驅(qū)動(dòng)程序。MTP文件用于描述機(jī)器模塊的功能以及其最重要的參數(shù)和特征值?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)在MTP領(lǐng)域中由所謂的過程編排層(POL)處理。因此，不再控制過程，而是指揮過程。POL就像指揮家一樣設(shè)定節(jié)拍和樂曲，并關(guān)注整體工作，而不指示任何一位音樂家何時(shí)演奏哪個(gè)音符。

　　POL和其他機(jī)器可以讀取和理解MTP文件，并與之互動(dòng)。模塊功能的檢測(cè)及其過程控制基于MTP文件中的描述進(jìn)行。這樣，來自不同制造商的工廠模塊可以靈活使用并組合形成復(fù)雜的工廠。因此，MTP顯著減少了調(diào)試新工廠時(shí)的編程工作。真正的“即插即生產(chǎn)工廠”即將到來。

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　　不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議阻礙了標(biāo)準(zhǔn)化

　　最終客戶的不同控制器是傳統(tǒng)控制器和控制系統(tǒng)實(shí)施模塊化工廠理念的另一大障礙。它們通常要求使用不同的I/O組件、執(zhí)行器和傳感器，從而反過來要求在工程設(shè)計(jì)、電子規(guī)劃和最終的倉儲(chǔ)上花費(fèi)更多的精力。

　　圖爾克可通過其多協(xié)議以太網(wǎng)I/O和控制模塊提供高效的解決方案，這些模塊可用于Profinet、Ethernet/IP或Modbus TCP，無需用戶進(jìn)行任何干預(yù)。設(shè)備本身可以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中正在使用的協(xié)議類型，并進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整。因此，這可使機(jī)器制造商安裝多協(xié)議設(shè)備，不受最終客戶的網(wǎng)絡(luò)限制。

　　離線測(cè)試縮短調(diào)試時(shí)間

　　通過在自有生產(chǎn)設(shè)施測(cè)試機(jī)器模塊或裝置，機(jī)器制造商甚至能進(jìn)一步加快進(jìn)程。利用TBEN I/O模塊的集成控制功能，使工廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)也可離線執(zhí)行，無需連接到后續(xù)的工廠控制系統(tǒng)。圖爾克的I/O組件支持利用集成的AGREE邏輯軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，該軟件可以模擬相連機(jī)器的輸入。若使用AGREE時(shí)的I/O模塊功能不足，圖爾克還可提供IP67 TBENPLC控制器，這種成熟的Codesys 3可編程控制器同樣支持3種多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　IP67組件和快速連機(jī)器減少了布線工作

　　TBEN產(chǎn)品系列的高防護(hù)等級(jí)還有利于加快工廠的調(diào)試。憑借IP67防護(hù)等級(jí)，可以盡可能減少大型控制柜的裝配和布線工作。使用快插連接器則意味著原則上只有過程連接、電源和網(wǎng)絡(luò)電纜需要在現(xiàn)場(chǎng)連接。在實(shí)際應(yīng)用中，所有組件防護(hù)等級(jí)都可達(dá)到非常少見的IP67，但控制柜的裝配時(shí)間仍可顯著縮短或者可以大部分進(jìn)行預(yù)裝配。圖爾克全新的IP67 PSU67還可消除對(duì)電源柜的需求。

　　RFID是一種適用于識(shí)別和模塊驗(yàn)證、容器或軟管等(如圖所示)的簡單可靠解決方案

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　　趨勢(shì) 模塊化工廠

　　該應(yīng)用使用支持Profinet S2系統(tǒng)冗余的圖爾克IO-Link主站模塊來控制生物反應(yīng)器中的執(zhí)行器

　　多協(xié)議I/O系統(tǒng)滿足所有區(qū)域、防護(hù)等級(jí)和可用性要求

　　近年來，圖爾克的多協(xié)議產(chǎn)品系列不斷擴(kuò)展。對(duì)于需要模塊化和系統(tǒng)靈活性的客戶，我們可以提供BL20和BL67系統(tǒng)解決方案，它們適合安裝在控制柜或直接在現(xiàn)場(chǎng)安裝。然而，若需要I/O模塊，圖爾克可以提供可直接在機(jī)器上免機(jī)柜安裝的TBEN系列設(shè)備，或適合安裝在保護(hù)外殼中的FEN20系列I/O模塊。

　　如果某個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)用要求在運(yùn)行期間具備高可用性和配置選項(xiàng)，則用戶可以選擇excom系列的系統(tǒng)，它們同樣可以利用最新的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持3種多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，并為安裝在防爆2區(qū)或作為N系列安裝在安全區(qū)域的設(shè)備提供系統(tǒng)連接。

　　Modbus TCP用作診斷數(shù)據(jù)的并行通道

　　除了減少型號(hào)并實(shí)現(xiàn)簡單的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化外，設(shè)備的多協(xié)議能力還具備其他優(yōu)勢(shì)：除了通過Profinet或Ethernet/IP進(jìn)行以太網(wǎng)通信外，還可通過Modbus TCP用作并行的數(shù)據(jù)訪問通道。用戶數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)可以通過該通道輕松地分別連接到外部IT系統(tǒng)，并進(jìn)行診斷和監(jiān)測(cè)任務(wù)評(píng)估，而不影響工廠的運(yùn)行。

　　利用IO-Link和RFID技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化裝置識(shí)別

　　尤其是對(duì)于在工廠的不同地點(diǎn)使用的移動(dòng)裝置，可以記錄其使用地點(diǎn)和時(shí)間，這通常也是認(rèn)證或法律的要求。機(jī)器模塊的使用可以利用IO-Link或RFID技術(shù)進(jìn)行簡單且可靠的識(shí)別和記錄，并且不會(huì)有被操縱的風(fēng)險(xiǎn)。若模塊仍然使用IO-Link組件，則可以通過這些組件的應(yīng)用程序特定標(biāo)簽來識(shí)別整臺(tái)機(jī)器。用于預(yù)見性維護(hù)的診斷數(shù)據(jù)也可通過IO-Link進(jìn)行通信。許多組件都已經(jīng)標(biāo)配該選項(xiàng)，無需進(jìn)行復(fù)雜的編程。設(shè)備內(nèi)部溫度升高或信號(hào)強(qiáng)度減弱可以在早期警示磨損和污染等問題。若未使用IO-Link組件，則可以使用RFID載碼體并通過其UID來識(shí)別模塊。UID是載碼體獨(dú)一無二的識(shí)別號(hào)，無法在生產(chǎn)后更改。對(duì)于防爆區(qū)域的識(shí)別，圖爾克是市場(chǎng)上唯一一家提供具有Ex-e保護(hù)功能的RFID讀寫頭的制造商，它們無需保護(hù)外殼就能直接用于防爆1/21區(qū)。

　　MTP的實(shí)際應(yīng)用

　　當(dāng)今，在真實(shí)環(huán)境中使用MTP的首批項(xiàng)目之一是一家大型制藥商的實(shí)驗(yàn)室。該系統(tǒng)可以將不同的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(例如攪拌器、試劑容器)和傳感器以及過濾設(shè)備作為模塊組合起來。在為模塊提供分布式控制器之前，模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將無法完全發(fā)揮——可以直接在現(xiàn)場(chǎng)部署IP67防護(hù)等級(jí)的控制器，或在分布式控制器中部署緊湊型PLC。

　　在該項(xiàng)目中，客戶選擇圖爾克的分布式I/O模塊和IP67防護(hù)等級(jí)的TBEN-L-PLC分布式控制器。這可為用戶節(jié)省安裝額外模塊所需的時(shí)間，并為整個(gè)系統(tǒng)的處理帶來了靈活性。實(shí)驗(yàn)室人員無需任何工具即可重新安裝TBEN-S模塊，以設(shè)置不同的測(cè)量任務(wù)。另一大優(yōu)勢(shì)：集成的WebVisu可視化軟件使得HMI上的信息可以在現(xiàn)場(chǎng)顯示——甚至在無法到達(dá)中央Windows電腦上運(yùn)行的POL時(shí)。

　　結(jié)論

　　建造模塊化生物制藥工廠的路途并不輕松。首先，必須打破已有的慣例，并對(duì)調(diào)整后的生產(chǎn)和開發(fā)策略進(jìn)行投資。成本效益和協(xié)同效應(yīng)只有在經(jīng)過特定的前置時(shí)間后才會(huì)顯現(xiàn)。一旦最終建立模塊化，將可在產(chǎn)品壽命周期的所有階段實(shí)現(xiàn)效益。然后，制造商還可持續(xù)將其機(jī)器模塊的控制能力和邏輯進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)。Profinet、Ethernet/ IP和Modbus TCP這3種協(xié)議覆蓋了大部分市場(chǎng)。

　　作者 | André Ammann，圖爾克歐洲制藥領(lǐng)域大客戶經(jīng)理

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