瑞士公司 Synhelion 利用太陽(yáng)能生產(chǎn)可持續(xù)合成燃料。2024 年夏，首個(gè)工業(yè)示范工廠 DAWN 在于利希正式投產(chǎn)。該工廠采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)作為過(guò)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行與監(jiān)控，標(biāo)志著 Synhelion 在邁向大型工業(yè)工廠的道路上邁出了重要的里程碑式一步。

Synhelion 在 DAWN 工業(yè)示范工廠中采用了“sun-to-liquid（太陽(yáng)能燃油）”工藝，利用聚光太陽(yáng)能熱光熱（CST）技術(shù)生產(chǎn)太陽(yáng)能燃料。該工廠由四個(gè)核心組件構(gòu)成：定日鏡（反射鏡）、熱輸出功率達(dá) 600 kW 的太陽(yáng)能接收器、熱化學(xué)反應(yīng)器以及熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)。

200 余面定日鏡將太陽(yáng)輻射集中到接收器上，即太陽(yáng)能塔頂部的燃燒室，其內(nèi)部傳熱介質(zhì)可被持續(xù)加熱至 1500°C 以上。工藝熱能被輸送至熱化學(xué)反應(yīng)器，通過(guò)經(jīng) RED 認(rèn)證的碳源（CO?+CH?）與水反應(yīng)生成合成氣，然后將其通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)流程，從而合成為液體燃料。“我們重點(diǎn)生產(chǎn)煤油、柴油和汽油，以便為交通領(lǐng)域提供可持續(xù)燃料。”Synhelion 過(guò)程自動(dòng)化總工程師 Adrian González 表示。這些燃料的優(yōu)勢(shì)在于可沿用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（儲(chǔ)油罐、運(yùn)輸車(chē)、加油機(jī)）。在這種情況下，其中一個(gè)油罐將包含生態(tài)燃料，而非普通煤油，并按照規(guī)定添加。“相較于將整個(gè)飛機(jī)機(jī)隊(duì)全面改裝為氫動(dòng)力系統(tǒng)，這種方案在操作上更為簡(jiǎn)便，在效率上也更具優(yōu)勢(shì)。”Adrian González 強(qiáng)調(diào)道。

接收器產(chǎn)生的多余能量會(huì)被導(dǎo)入由 Synhelion 自主研發(fā)的熱能存儲(chǔ)單元，并可隨時(shí)反饋至工藝流程。“用于存儲(chǔ)工藝熱能的陶瓷儲(chǔ)罐分布在太陽(yáng)能塔的其中兩層，它還具有一項(xiàng)重要功能，確保生產(chǎn)流程在無(wú)太陽(yáng)輻射情況下持續(xù)運(yùn)行。”Adrian González 在介紹工廠規(guī)模時(shí)表示。除了定日鏡外，還可采用電加熱系統(tǒng)，其能量可來(lái)自光伏系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)等可再生能源。“當(dāng)配電網(wǎng)中可再生能源供應(yīng)過(guò)剩時(shí)，這種方式尤其適用。”負(fù)責(zé)該工廠的程序員 Iesse Schneider 在解釋這種靈活的能源供應(yīng)方式時(shí)說(shuō)道。

自 2024 年秋季起，Synhelion 工廠開(kāi)始生產(chǎn)與化石原油幾乎完全相同的合成原油（syncrude）。整個(gè)制造過(guò)程由約 1000 個(gè)通過(guò) EtherCAT 聯(lián)網(wǎng)的傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)選用 TwinCAT 作為過(guò)程控制系統(tǒng)，并搭配 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 協(xié)同作業(yè)。“盡管傳感器數(shù)量龐大，且數(shù)據(jù)點(diǎn)更為密集，但 TwinCAT runtime 的周期時(shí)間仍遠(yuǎn)低于 10 毫秒，為測(cè)試和擴(kuò)展提供了充足的靈活性。”Adrian González 表示。位于于利希的工廠是工業(yè)規(guī)模的測(cè)試系統(tǒng)，借此在更大型設(shè)備上測(cè)試、驗(yàn)證并優(yōu)化各種最終產(chǎn)品的過(guò)程控制。因此，過(guò)程控制技術(shù)需要具備靈活性與易擴(kuò)展性。

基于 PC 的控制技術(shù)和可擴(kuò)展硬件使得控制技術(shù)和 I/O 級(jí)能夠靈活適配實(shí)際需求，并且可以隨時(shí)增配額外的測(cè)量點(diǎn)。”

—— 倍福蒙海姆分公司經(jīng)理

Wilm Schadach

盡管該工藝對(duì)性能并未提出嚴(yán)苛要求，然而，在規(guī)劃初期，種類繁多且數(shù)量龐大的傳感器和執(zhí)行器便已被認(rèn)定為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

EtherCAT 端子模塊具備豐富多樣的產(chǎn)品類型，同時(shí) EtherCAT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了靈活多變的選型方案，這使得我們能夠輕松采集分布在太陽(yáng)能塔四個(gè)層級(jí)中的 I/O 信號(hào)，將其集成至控制器，進(jìn)而在 HMI 中進(jìn)行映射。”通過(guò) ELX 端子模塊直接將防爆區(qū)（ATEX）的傳感器和執(zhí)行器接入 EtherCAT 通信系統(tǒng)的能力也是一大優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目中使用了大量 ELX 系列 EtherCAT 端子模塊。總計(jì)近 600 個(gè)端子模塊分布在太陽(yáng)能塔的六個(gè)層級(jí)中的 27 個(gè)控制柜中。這些端子模塊涵蓋 37 種不同類型，其中包括支持 Modbus TCP、Profinet? 和 HART 通信接口的各類 EtherCAT 端子模塊。

此外，還通過(guò) TwinSAFE SC 和 TwinSAFE 端子模塊實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)安全功能。“總計(jì)約 40 項(xiàng)安全功能（其中部分符合 SIL2 安全等級(jí)）基于 IEC 61511 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。”Iesse Schneider 表示。EtherCAT 和 Safety over EtherCAT 在此發(fā)揮了重要作用。初始方案是采用一個(gè)配備 TwinSAFE 邏輯的 TwinSAFE 端子模塊 EL1918 作為安全控制器。但由于該端子模塊最多支持 512 個(gè)功能塊，無(wú)法覆蓋工廠全部安全需求，最終將超過(guò) 700 個(gè)的功能塊分配至四個(gè) EL1918 端子模塊。這些端子模塊通過(guò) FSoE 接收傳感器和執(zhí)行器信息，并實(shí)現(xiàn)相互通信。

在過(guò)程控制并行運(yùn)行的同時(shí)，數(shù)據(jù)記錄通過(guò) EtherCAT 以不同時(shí)間間隔進(jìn)行。“可在 TwinCAT 中為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)便捷配置存儲(chǔ)策略，此外，EtherCAT 還能為每個(gè)過(guò)程值提供精確的時(shí)間戳。”Sebastian B?se 解釋道。例如，智能記錄策略可確保僅保存發(fā)生變化的過(guò)程值。該工廠共有約 50,000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，TwinCAT 通過(guò) OPC UA 服務(wù)器提供這些數(shù)據(jù)。“基于 PC 的控制技術(shù)和 OPC UA 的開(kāi)放性在此也彰顯了優(yōu)勢(shì)。”Adrian González 補(bǔ)充道。這使得 Synhelion 能夠在 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 上安裝第三方數(shù)據(jù)記錄儀，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。其優(yōu)勢(shì)在于，即使通信連接中斷，數(shù)據(jù)仍能持續(xù)記錄不會(huì)丟失。“對(duì)于測(cè)試設(shè)施而言，這一點(diǎn)至關(guān)重要。”Adrian González 強(qiáng)調(diào)。

EtherCAT 豐富的診斷功能也顯著簡(jiǎn)化了工作流程，能夠快速識(shí)別此類大型工廠調(diào)試過(guò)程中的典型故障。借助全面的診斷工具，Synhelion 得以快速排除通信故障，專注于設(shè)備配置工作。

TwinCAT HMI Server (TF2000) 通過(guò) ADS 協(xié)議與工業(yè) PC 通信，并在主工作站、四臺(tái)小型監(jiān)視器以及一臺(tái)大型工藝流程總覽監(jiān)視器上同步顯示控制室信息。可根據(jù)需求增配額外的監(jiān)視器用于數(shù)據(jù)可視化。TwinCAT HMI 絕非僅是一個(gè)理想的全廠控制平臺(tái)，更突破了傳統(tǒng)簡(jiǎn)易 HMI 解決方案的功能邊界。其工藝庫(kù)未來(lái)將能夠承擔(dān)原本需由獨(dú)立 SCADA 系統(tǒng)處理的任務(wù)。

MTP 和 NOA 等技術(shù)為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了便利，這些技術(shù)使得單個(gè)模塊的過(guò)程控制能夠靈活集成到現(xiàn)有的工廠架構(gòu)中。Sebastian B?se 評(píng)論道：“倍福已提供大量符合 MTP 標(biāo)準(zhǔn)的 HMI 和 PLC 功能塊，顯著減少了模塊開(kāi)發(fā)工作。此外，通過(guò)自動(dòng)代碼生成功能，所需開(kāi)發(fā)投入大幅降低。”對(duì)于未來(lái)項(xiàng)目，Adrian González 認(rèn)為 MTP 技術(shù)極具前景：“中期而言，我們將公司定位為技術(shù)授權(quán)商，向其他燃料供應(yīng)商提供解決方案。總承包商可基于我們的 P&ID 圖紙和控制解決方案，通過(guò) MTP 和 NOA 將 Synhelion 模塊添加到其工廠中，并將自動(dòng)化功能集成至其控制系統(tǒng)中。”