瑞士公司 Synhelion 利用太阳能生产可持续合成燃料。2024 年夏，首个工业示范工厂 DAWN 在于利希正式投产。该工厂采用倍福基于 PC 的控制技术作为过程控制技术，实现自动化运行与监控，标志着 Synhelion 在迈向大型工业工厂的道路上迈出了重要的里程碑式一步。
Synhelion 在 DAWN 工业示范工厂中采用了“sun-to-liquid（太阳能燃油）”工艺，利用聚光太阳能热光热（CST）技术生产太阳能燃料。该工厂由四个核心组件构成：定日镜（反射镜）、热输出功率达 600 kW 的太阳能接收器、热化学反应器以及热能存储系统。
200 余面定日镜将太阳辐射集中到接收器上，即太阳能塔顶部的燃烧室，其内部传热介质可被持续加热至 1500°C 以上。工艺热能被输送至热化学反应器，通过经 RED 认证的碳源（CO?+CH?）与水反应生成合成气，然后将其通过标准工业流程，从而合成为液体燃料。“我们重点生产煤油、柴油和汽油，以便为交通领域提供可持续燃料。”Synhelion 过程自动化总工程师 Adrian González 表示。这些燃料的优势在于可沿用现有基础设施（储油罐、运输车、加油机）。在这种情况下，其中一个油罐将包含生态燃料，而非普通煤油，并按照规定添加。“相较于将整个飞机机队全面改装为氢动力系统，这种方案在操作上更为简便，在效率上也更具优势。”Adrian González 强调道。
接收器产生的多余能量会被导入由 Synhelion 自主研发的热能存储单元，并可随时反馈至工艺流程。“用于存储工艺热能的陶瓷储罐分布在太阳能塔的其中两层，它还具有一项重要功能，确保生产流程在无太阳辐射情况下持续运行。”Adrian González 在介绍工厂规模时表示。除了定日镜外，还可采用电加热系统，其能量可来自光伏系统或风力发电机等可再生能源。“当配电网中可再生能源供应过剩时，这种方式尤其适用。”负责该工厂的程序员 Iesse Schneider 在解释这种灵活的能源供应方式时说道。
01
合成原油需要精密控制技术
自 2024 年秋季起，Synhelion 工厂开始生产与化石原油几乎完全相同的合成原油（syncrude）。整个制造过程由约 1000 个通过 EtherCAT 联网的传感器和执行器进行精准控制和实时监测，同时选用 TwinCAT 作为过程控制系统，并搭配 C6030 超紧凑型工业 PC 协同作业。“尽管传感器数量庞大，且数据点更为密集，但 TwinCAT runtime 的周期时间仍远低于 10 毫秒，为测试和扩展提供了充足的灵活性。”Adrian González 表示。位于于利希的工厂是工业规模的测试系统，借此在更大型设备上测试、验证并优化各种最终产品的过程控制。因此，过程控制技术需要具备灵活性与易扩展性。
基于 PC 的控制技术和可扩展硬件使得控制技术和 I/O 级能够灵活适配实际需求，并且可以随时增配额外的测量点。”
—— 倍福蒙海姆分公司经理
Wilm Schadach
尽管该工艺对性能并未提出严苛要求，然而，在规划初期，种类繁多且数量庞大的传感器和执行器便已被认定为关键挑战。
EtherCAT 端子模块具备丰富多样的产品类型，同时 EtherCAT 拓扑结构提供了灵活多变的选型方案，这使得我们能够轻松采集分布在太阳能塔四个层级中的 I/O 信号，将其集成至控制器，进而在 HMI 中进行映射。”通过 ELX 端子模块直接将防爆区（ATEX）的传感器和执行器接入 EtherCAT 通信系统的能力也是一大优势。该项目中使用了大量 ELX 系列 EtherCAT 端子模块。总计近 600 个端子模块分布在太阳能塔的六个层级中的 27 个控制柜中。这些端子模块涵盖 37 种不同类型，其中包括支持 Modbus TCP、Profinet® 和 HART 通信接口的各类 EtherCAT 端子模块。
此外，还通过 TwinSAFE SC 和 TwinSAFE 端子模块实现了多项安全功能。“总计约 40 项安全功能（其中部分符合 SIL2 安全等级）基于 IEC 61511 标准实施。”Iesse Schneider 表示。EtherCAT 和 Safety over EtherCAT 在此发挥了重要作用。初始方案是采用一个配备 TwinSAFE 逻辑的 TwinSAFE 端子模块 EL1918 作为安全控制器。但由于该端子模块最多支持 512 个功能块，无法覆盖工厂全部安全需求，最终将超过 700 个的功能块分配至四个 EL1918 端子模块。这些端子模块通过 FSoE 接收传感器和执行器信息，并实现相互通信。
02
开放式控制助力实现可靠数据记录
在过程控制并行运行的同时，数据记录通过 EtherCAT 以不同时间间隔进行。“可在 TwinCAT 中为每个数据点便捷配置存储策略，此外，EtherCAT 还能为每个过程值提供精确的时间戳。”Sebastian Böse 解释道。例如，智能记录策略可确保仅保存发生变化的过程值。该工厂共有约 50,000 个数据点，TwinCAT 通过 OPC UA 服务器提供这些数据。“基于 PC 的控制技术和 OPC UA 的开放性在此也彰显了优势。”Adrian González 补充道。这使得 Synhelion 能够在 C6030 超紧凑型工业 PC 上安装第三方数据记录仪，实现现场数据采集。其优势在于，即使通信连接中断，数据仍能持续记录不会丢失。“对于测试设施而言，这一点至关重要。”Adrian González 强调。
EtherCAT 丰富的诊断功能也显著简化了工作流程，能够快速识别此类大型工厂调试过程中的典型故障。借助全面的诊断工具，Synhelion 得以快速排除通信故障，专注于设备配置工作。
Wilm Schadach 总结道：
“EtherCAT 是值得信赖的骨干网络。”
TwinCAT HMI Server (TF2000) 通过 ADS 协议与工业 PC 通信，并在主工作站、四台小型监视器以及一台大型工艺流程总览监视器上同步显示控制室信息。可根据需求增配额外的监视器用于数据可视化。TwinCAT HMI 绝非仅是一个理想的全厂控制平台，更突破了传统简易 HMI 解决方案的功能边界。其工艺库未来将能够承担原本需由独立 SCADA 系统处理的任务。
MTP 和 NOA 等技术为系统扩展提供了便利，这些技术使得单个模块的过程控制能够灵活集成到现有的工厂架构中。Sebastian Böse 评论道：“倍福已提供大量符合 MTP 标准的 HMI 和 PLC 功能块，显著减少了模块开发工作。此外，通过自动代码生成功能，所需开发投入大幅降低。”对于未来项目，Adrian González 认为 MTP 技术极具前景：“中期而言，我们将公司定位为技术授权商，向其他燃料供应商提供解决方案。总承包商可基于我们的 P&ID 图纸和控制解决方案，通过 MTP 和 NOA 将 Synhelion 模块添加到其工厂中，并将自动化功能集成至其控制系统中。”
关于德国倍福
倍福（Beckhoff）是一家专注于自动化新技术的德资企业，创立于1980年，总部位于德国威尔市。作为全球自动化技术的驱动者，倍福定义了自动化领域的许多标准，是国际标准的制定者和推动者。公司所生产的工业 PC、I/O 和现场总线组件、驱动技术、自动化软件、无控制柜解决方案以及工业图像解决方案既可作为独立的组件使用，也可将它们集成到一个完整的控制系统中，适用于各个行业领域。经过40多年的发展和努力，倍福已在世界各地设立40家分支机构，加上全球的合作伙伴，业务遍及75个国家和地区。
倍福于1997年进入中国市场，中国区总部落户于上海市北高新产业园区，现有员工350人，办事处遍及国内30座大中城市。创新产品和解决方案广泛应用于半导体、光伏太阳能、风力发电、锂电池制造、电子制造、汽车制造、机器人、数控机床、包装机械、烟草机械、塑料加工、物流输送、流程工业以及智能建筑等众多领域。
公司倾力推广的 EtherCAT 实时工业以太网于2014年成为中国国家推荐性标准，并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。作为一家技术驱动型公司，倍福一直注重在技术上寻求突破创新，在业内享有“创新引擎”的美誉。倍福基于PC的控制技术具有良好的开放性，它支持所有主流的工业通信协议，将IT技术、互联网和自动化技术完美融合在一起，为实现工业 4.0 和智能制造奠定了坚实的技术基础。
更多新闻请浏览：https://www.beckhoff.com.cn/zh-cn/company/press