快速而靈活

　　MTP有望推動生物技術(shù)和制藥行業(yè)的變革——該機器描述標準使機器模塊和控制器能相互識別，從而縮短調(diào)試時間以及設備的上市時間。

　　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)。他們追求速度是因為藥物專利保護期只有20年。他們獲得專利后只有很短一部分時間才能通過獲專利產(chǎn)品實現(xiàn)收入，這是因為從授予專利到提供可銷售的產(chǎn)品通常需要很多年。因此，當藥物獲得審批后，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)設施，并須花費數(shù)百萬歐元成本對其進行更新。

　　快速閱讀

　　在許多行業(yè)，模塊化和標準化都被視為旨在降低成本并縮短生產(chǎn)、交付和開發(fā)時間的針對性策略，對于生物技術(shù)和制藥等面臨審批和專利保護導致的時間壓力的領域而言尤其如此。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)，該設備同樣適用于市場上使用的大部分控制系統(tǒng)，因此有助于建立內(nèi)部標準，并同時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;工廠模塊的標準化信號傳輸和控制可以顯著縮短工程設計、制造和調(diào)試的時間

　　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，藥物進入所謂的超時期。這種情況的成本非常高。集成商和設備制造商希望能有某種方法來擺脫這種困境，或至少能有一種復雜度更低的方法，可以更快地建立生產(chǎn)線。但是由于每個工廠的設計都是獨特的，所以工程設計、調(diào)試和測試時間通常都很長。

　　模塊化工廠理念可以顯著加快生產(chǎn)工廠的建造。這是因為生物制藥行業(yè)的許多工廠組件或機器原則上都可以標準化，包括從上游的生物反應器和過濾裝置到中游的離心機、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準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間、實際生產(chǎn)時間還是調(diào)試時間，都可以顯著縮短。

　　P9

　　圖爾克MTP系統(tǒng)詳細說明

　　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器和設備制造

　　圖爾克的I/O和控制器產(chǎn)品組合已經(jīng)提供了防護等級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機器模塊或裝置(如發(fā)酵罐或攪拌棒等)進行完全自主的控制。不僅邊緣控制器的控制任務在Codesys中編程，數(shù)據(jù)的預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，并同時帶來了帶寬和安全優(yōu)勢。作為供應商中立的系統(tǒng)平臺，Codesys可實現(xiàn)在同一自動化系統(tǒng)中使用不同的現(xiàn)場總線/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)通信標準進行傳輸，許多不同制造商的設備都支持該標準。MTP使PEA(過程設備組件)能快速集成至模塊化工廠。

　　P10

　　趨勢 模塊化工廠

　　圖爾克的excom I/O系列可用于防爆區(qū)域;它可在運行期間保證高可用性和配置選項，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

　　過程設備組件(PEA)

　　CODESYS

　　2/22區(qū)

　　1/21區(qū)

　　該基礎設施圖顯示了MTP通信的不同場景——包括防爆區(qū)域應用

　　MTP：機器的語義學

　　然而，到目前為止，控制系統(tǒng)并不能自動檢測機器模塊?？刂茖蛹墰]有相關(guān)的語義學來理解機器模塊的功能、能力和任務。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、鼠標、鍵盤等外設組件都提供了相同的標準功能，但它們都必須通過操作系統(tǒng)中的驅(qū)動程序進行手動設置。如今，新打印機可以在連接后立即被正確檢測到并直接使用。

　　過程編排層(POL)：指揮而不是控制過程

　　模塊類型封裝(MTP)專為在機器與控制層級之間建立這種橋梁而設計，并成為了機器模塊的驅(qū)動程序。MTP文件用于描述機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)的任務在MTP領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演奏哪個音符。

　　POL和其他機器可以讀取和理解MTP文件，并與之互動。模塊功能的檢測及其過程控制基于MTP文件中的描述進行。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雜的工廠。因此，MTP顯著減少了調(diào)試新工廠時的編程工作。真正的“即插即生產(chǎn)工廠”即將到來。

　　P11

　　不同的網(wǎng)絡協(xié)議阻礙了標準化

　　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計、電子規(guī)劃和最終的倉儲上花費更多的精力。

　　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，無需用戶進行任何干預。設備本身可以檢測網(wǎng)絡中正在使用的協(xié)議類型，并進行自動化調(diào)整。因此，這可使機器制造商安裝多協(xié)議設備，不受最終客戶的網(wǎng)絡限制。

　　離線測試縮短調(diào)試時間

　　通過在自有生產(chǎn)設施測試機器模塊或裝置，機器制造商甚至能進一步加快進程。利用TBEN I/O模塊的集成控制功能，使工廠驗收測試(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)場運行，該軟件可以模擬相連機器的輸入。若使用AGREE時的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)議標準。

　　IP67組件和快速連機器減少了布線工作

　　TBEN產(chǎn)品系列的高防護等級還有利于加快工廠的調(diào)試。憑借IP67防護等級，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)絡電纜需要在現(xiàn)場連接。在實際應用中，所有組件防護等級都可達到非常少見的IP67，但控制柜的裝配時間仍可顯著縮短或者可以大部分進行預裝配。圖爾克全新的IP67 PSU67還可消除對電源柜的需求。

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

　　P12

　　趨勢 模塊化工廠

　　該應用使用支持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、防護等級和可用性要求

　　近年來，圖爾克的多協(xié)議產(chǎn)品系列不斷擴展。對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)場安裝。然而，若需要I/O模塊，圖爾克可以提供可直接在機器上免機柜安裝的TBEN系列設備，或適合安裝在保護外殼中的FEN20系列I/O模塊。

　　如果某個危險區(qū)域應用要求在運行期間具備高可用性和配置選項，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，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

　　除了減少型號并實現(xiàn)簡單的標準化和模塊化外，設備的多協(xié)議能力還具備其他優(yōu)勢：除了通過Profinet或Ethernet/IP進行以太網(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)，并進行診斷和監(jiān)測任務評估，而不影響工廠的運行。

　　利用IO-Link和RFID技術(shù)進行自動化裝置識別

　　尤其是對于在工廠的不同地點使用的移動裝置，可以記錄其使用地點和時間，這通常也是認證或法律的要求。機器模塊的使用可以利用IO-Link或RFID技術(shù)進行簡單且可靠的識別和記錄，并且不會有被操縱的風險。若模塊仍然使用IO-Link組件，則可以通過這些組件的應用程序特定標簽來識別整臺機器。用于預見性維護的診斷數(shù)據(jù)也可通過IO-Link進行通信。許多組件都已經(jīng)標配該選項，無需進行復雜的編程。設備內(nèi)部溫度升高或信號強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來識別模塊。UID是載碼體獨一無二的識別號，無法在生產(chǎn)后更改。對于防爆區(qū)域的識別，圖爾克是市場上唯一一家提供具有Ex-e保護功能的RFID讀寫頭的制造商，它們無需保護外殼就能直接用于防爆1/21區(qū)。

　　MTP的實際應用

　　當今，在真實環(huán)境中使用MTP的首批項目之一是一家大型制藥商的實驗室。該系統(tǒng)可以將不同的實驗室設備(例如攪拌器、試劑容器)和傳感器以及過濾設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)勢將無法完全發(fā)揮——可以直接在現(xiàn)場部署IP67防護等級的控制器，或在分布式控制器中部署緊湊型PLC。

　　在該項目中，客戶選擇圖爾克的分布式I/O模塊和IP67防護等級的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間，并為整個系統(tǒng)的處理帶來了靈活性。實驗室人員無需任何工具即可重新安裝TBEN-S模塊，以設置不同的測量任務。另一大優(yōu)勢：集成的WebVisu可視化軟件使得HMI上的信息可以在現(xiàn)場顯示——甚至在無法到達中央Windows電腦上運行的POL時。

　　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，并對調(diào)整后的生產(chǎn)和開發(fā)策略進行投資。成本效益和協(xié)同效應只有在經(jīng)過特定的前置時間后才會顯現(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現(xiàn)效益。然后，制造商還可持續(xù)將其機器模塊的控制能力和邏輯進行分布式設計。Profinet、Ethernet/ IP和Modbus TCP這3種協(xié)議覆蓋了大部分市場。

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

　　網(wǎng)頁代碼 | more22205e