瑞士公司 Synhelion 利用太陽能生產可持續合成燃料。2024 年夏，首個工業示范工廠 DAWN 在于利希正式投產。該工廠采用倍福基于 PC 的控制技術作為過程控制技術，實現自動化運行與監控，標志著 Synhelion 在邁向大型工業工廠的道路上邁出了重要的里程碑式一步。
Synhelion 在 DAWN 工業示范工廠中采用了“sun-to-liquid（太陽能燃油）”工藝，利用聚光太陽能熱光熱（CST）技術生產太陽能燃料。該工廠由四個核心組件構成：定日鏡（反射鏡）、熱輸出功率達 600 kW 的太陽能接收器、熱化學反應器以及熱能存儲系統。
200 余面定日鏡將太陽輻射集中到接收器上，即太陽能塔頂部的燃燒室，其內部傳熱介質可被持續加熱至 1500°C 以上。工藝熱能被輸送至熱化學反應器，通過經 RED 認證的碳源（CO?+CH?）與水反應生成合成氣，然后將其通過標準工業流程，從而合成為液體燃料。“我們重點生產煤油、柴油和汽油，以便為交通領域提供可持續燃料。”Synhelion 過程自動化總工程師 Adrian González 表示。這些燃料的優勢在于可沿用現有基礎設施（儲油罐、運輸車、加油機）。在這種情況下，其中一個油罐將包含生態燃料，而非普通煤油，并按照規定添加。“相較于將整個飛機機隊全面改裝為氫動力系統，這種方案在操作上更為簡便，在效率上也更具優勢。”Adrian González 強調道。
接收器產生的多余能量會被導入由 Synhelion 自主研發的熱能存儲單元，并可隨時反饋至工藝流程。“用于存儲工藝熱能的陶瓷儲罐分布在太陽能塔的其中兩層，它還具有一項重要功能，確保生產流程在無太陽輻射情況下持續運行。”Adrian González 在介紹工廠規模時表示。除了定日鏡外，還可采用電加熱系統，其能量可來自光伏系統或風力發電機等可再生能源。“當配電網中可再生能源供應過剩時，這種方式尤其適用。”負責該工廠的程序員 Iesse Schneider 在解釋這種靈活的能源供應方式時說道。
01
合成原油需要精密控制技術
自 2024 年秋季起，Synhelion 工廠開始生產與化石原油幾乎完全相同的合成原油（syncrude）。整個制造過程由約 1000 個通過 EtherCAT 聯網的傳感器和執行器進行精準控制和實時監測，同時選用 TwinCAT 作為過程控制系統，并搭配 C6030 超緊湊型工業 PC 協同作業。“盡管傳感器數量龐大，且數據點更為密集，但 TwinCAT runtime 的周期時間仍遠低于 10 毫秒，為測試和擴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規模的測試系統，借此在更大型設備上測試、驗證并優化各種最終產品的過程控制。因此，過程控制技術需要具備靈活性與易擴展性。
基于 PC 的控制技術和可擴展硬件使得控制技術和 I/O 級能夠靈活適配實際需求，并且可以隨時增配額外的測量點。”
—— 倍福蒙海姆分公司經理
Wilm Schadach
盡管該工藝對性能并未提出嚴苛要求，然而，在規劃初期，種類繁多且數量龐大的傳感器和執行器便已被認定為關鍵挑戰。
EtherCAT 端子模塊具備豐富多樣的產品類型，同時 EtherCAT 拓撲結構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能塔四個層級中的 I/O 信號，將其集成至控制器，進而在 HMI 中進行映射。”通過 ELX 端子模塊直接將防爆區（ATEX）的傳感器和執行器接入 EtherCAT 通信系統的能力也是一大優勢。該項目中使用了大量 ELX 系列 EtherCAT 端子模塊。總計近 600 個端子模塊分布在太陽能塔的六個層級中的 27 個控制柜中。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 TwinSAFE SC 和 TwinSAFE 端子模塊實現了多項安全功能。“總計約 40 項安全功能（其中部分符合 SIL2 安全等級）基于 IEC 61511 標準實施。”Iesse Schneider 表示。EtherCAT 和 Safety over EtherCAT 在此發揮了重要作用。初始方案是采用一個配備 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 個功能塊，無法覆蓋工廠全部安全需求，最終將超過 700 個的功能塊分配至四個 EL1918 端子模塊。這些端子模塊通過 FSoE 接收傳感器和執行器信息，并實現相互通信。
02
開放式控制助力實現可靠數據記錄
在過程控制并行運行的同時，數據記錄通過 EtherCAT 以不同時間間隔進行。“可在 TwinCAT 中為每個數據點便捷配置存儲策略，此外，EtherCAT 還能為每個過程值提供精確的時間戳。”Sebastian Böse 解釋道。例如，智能記錄策略可確保僅保存發生變化的過程值。該工廠共有約 50,000 個數據點，TwinCAT 通過 OPC UA 服務器提供這些數據。“基于 PC 的控制技術和 OPC UA 的開放性在此也彰顯了優勢。”Adrian González 補充道。這使得 Synhelion 能夠在 C6030 超緊湊型工業 PC 上安裝第三方數據記錄儀，實現現場數據采集。其優勢在于，即使通信連接中斷，數據仍能持續記錄不會丟失。“對于測試設施而言，這一點至關重要。”Adrian González 強調。
EtherCAT 豐富的診斷功能也顯著簡化了工作流程，能夠快速識別此類大型工廠調試過程中的典型故障。借助全面的診斷工具，Synhelion 得以快速排除通信故障，專注于設備配置工作。
Wilm Schadach 總結道：
“EtherCAT 是值得信賴的骨干網絡。”
TwinCAT HMI Server (TF2000) 通過 ADS 協議與工業 PC 通信，并在主工作站、四臺小型監視器以及一臺大型工藝流程總覽監視器上同步顯示控制室信息。可根據需求增配額外的監視器用于數據可視化。TwinCAT HMI 絕非僅是一個理想的全廠控制平臺，更突破了傳統簡易 HMI 解決方案的功能邊界。其工藝庫未來將能夠承擔原本需由獨立 SCADA 系統處理的任務。
MTP 和 NOA 等技術為系統擴展提供了便利，這些技術使得單個模塊的過程控制能夠靈活集成到現有的工廠架構中。Sebastian Böse 評論道：“倍福已提供大量符合 MTP 標準的 HMI 和 PLC 功能塊，顯著減少了模塊開發工作。此外，通過自動代碼生成功能，所需開發投入大幅降低。”對于未來項目，Adrian González 認為 MTP 技術極具前景：“中期而言，我們將公司定位為技術授權商，向其他燃料供應商提供解決方案。總承包商可基于我們的 P&ID 圖紙和控制解決方案，通過 MTP 和 NOA 將 Synhelion 模塊添加到其工廠中，并將自動化功能集成至其控制系統中。”
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于1980年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、I/O 和現場總線組件、驅動技術、自動化軟件、無控制柜解決方案以及工業圖像解決方案既可作為獨立的組件使用，也可將它們集成到一個完整的控制系統中，適用于各個行業領域。經過40多年的發展和努力，倍福已在世界各地設立40家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及75個國家和地區。
倍福于1997年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工350人，辦事處遍及國內30座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于半導體、光伏太陽能、風力發電、鋰電池制造、電子制造、汽車制造、機器人、數控機床、包裝機械、煙草機械、塑料加工、物流輸送、流程工業以及智能建筑等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于2014年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于PC的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將IT技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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