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在過程自動(dòng)化領(lǐng)域，高效、可靠的生產(chǎn)過程是確保過程裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的先決條件。現(xiàn)代系統(tǒng)方案不僅支持高效的裝置維護(hù)，而且還能夠持續(xù)優(yōu)化工藝流程。通過實(shí)施 NOA、Ethernet-APL 和 MTP 等前沿技術(shù)，倍福能夠?yàn)楝F(xiàn)有及新建系統(tǒng)打造面向未來的解決方案。工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng)等方案注重收集過程裝置的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其提供給各種應(yīng)用。分析工具會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，例如，可以及早識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障等。這些數(shù)據(jù)還可用于優(yōu)化工作流程和提高生產(chǎn)效率。

1  通過 NOA 進(jìn)行過程裝置監(jiān)測(cè)和優(yōu)化

AMUR 開放式架構(gòu)（NOA）推薦性規(guī)范 NE 175 中描述的方案在不改變現(xiàn)有控制系統(tǒng)的情況下擴(kuò)展自動(dòng)化架構(gòu)。因此，NOA 的核心任務(wù)是提供從現(xiàn)場(chǎng)層到更高層級(jí)應(yīng)用的信息，以監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和優(yōu)化過程裝置（監(jiān)測(cè)和優(yōu)化 — M+O）。現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型取決于所使用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和具體的分析工具。重點(diǎn)是需要循環(huán)讀出的參數(shù)，這些參數(shù)包含設(shè)備狀態(tài)或過程質(zhì)量信息。

2  NOA 邊緣設(shè)備

過程自動(dòng)化領(lǐng)域涉及到的協(xié)議和通信技術(shù)種類非常多。倍福選擇使用 HART 協(xié)議初步實(shí)現(xiàn)了 NOA 方案。該協(xié)議的應(yīng)用范圍非常廣泛，因此被不同制造商的很多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所使用在實(shí)際的 4-20 mA 測(cè)量值上疊加數(shù)字信號(hào)，可以傳輸更多數(shù)據(jù)，例如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息此外，通過特殊的饋電隔離器（已成為很多過程裝置自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的一部分），可以輕松打開第二個(gè)通道。這意味著與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接被分為 4-20 mA 信號(hào)、HART 通信和電源電壓，因此，與過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)有連接不會(huì)被中斷。相應(yīng)的數(shù)據(jù)可通過第二通道接收，并用于 M+O。

結(jié)構(gòu)緊湊且可拓展：NOA 邊緣設(shè)備

借助倍福的 EL3182 EtherCAT 模擬量輸入端子模塊可以在非常緊湊的安裝空間內(nèi)通過 HART 協(xié)議連接兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。嵌入式控制器（如 CX8110）和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件相結(jié)合，無需專門開發(fā)硬件，即可構(gòu)建一個(gè)模塊化、可擴(kuò)展的邊緣設(shè)備。

邊緣設(shè)備具有以下三個(gè)主要功能：

·  通過 HART 協(xié)議接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

·  轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

·  為上一級(jí)分析工具提供信息

命令必須由邊緣設(shè)備發(fā)送，才能通過 HART 協(xié)議讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。讀出的數(shù)據(jù)以及將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的命令取決于具體的設(shè)備類型（pH 值、氧氣、溫度等）和制造商。倍福為此開發(fā)了一個(gè)用于存儲(chǔ)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所需信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。相應(yīng)的文件會(huì)被讀入 TwinCAT，從而實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信。如果有一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到了邊緣設(shè)備，就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到該設(shè)備，并發(fā)送相應(yīng)的 HART 命令，然后使用存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換表和 TwinCAT 功能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

NAO 簡(jiǎn)介

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確保所有過程裝置都能夠順暢地訪問數(shù)據(jù)依然是過程自動(dòng)化領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。隨著過程裝置的數(shù)量日益龐大，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的互聯(lián)互通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的大量信息往往難以訪問。NAMUR 開放式架構(gòu)的開發(fā)，旨在為來自現(xiàn)場(chǎng)的所有信息提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，以便快速、便捷地訪問數(shù)據(jù)。我們推出的結(jié)構(gòu)緊湊且可擴(kuò)展的 NOA 邊緣設(shè)備能夠優(yōu)化升級(jí)舊系統(tǒng)，并且確保在未來持續(xù)高效運(yùn)行。”

—— Lennart Winkler，倍福流程工業(yè)部門

3  Ethernet-APL 助力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全采集

NOA 方案還可為新建項(xiàng)目帶來優(yōu)勢(shì)：在過程裝置規(guī)劃階段就可以安裝更多監(jiān)測(cè)傳感器，為監(jiān)測(cè)和優(yōu)化提供更多數(shù)據(jù)。Ethernet-APL 等新技術(shù)簡(jiǎn)化了實(shí)施過程。

這種嶄新的通信技術(shù)基于 10BASE-T1L 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，允許電纜最長(zhǎng)可以達(dá)到 1000 米，傳輸速率為 10 Mbit/s。有了 Ethernet-APL，就可以通過一對(duì)線纜（單根以太網(wǎng)）進(jìn)行供電和傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)防爆危險(xiǎn)區(qū)域的電源限制由 IEC 60079-47（2-WISE）規(guī)范規(guī)定。為了簡(jiǎn)化安裝工作并提高所在用設(shè)備的連接性，項(xiàng)目組還在 TS10186 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中定義了端口規(guī)范：除了連接和網(wǎng)段等級(jí)信息之外，端口配置文件中還包含了各個(gè)設(shè)備接口的防爆認(rèn)證。

Ethernet-APL 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以通過結(jié)構(gòu)緊湊、具有雙通道通信接口的 ELX6233 端子模塊集成到控制架構(gòu)中

Ethernet-APL 方案旨在基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程裝置的整個(gè)通信過程：從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到上位控制系統(tǒng)。它不僅注重純過程數(shù)據(jù)，而且更注重現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息。其傳輸速率比現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)高，因此允許使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或直接從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下載數(shù)據(jù)表或證書。

但在實(shí)施過程中，用戶也難免會(huì)遇到一些困難和挑戰(zhàn)：需要配備支持 APL 的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，才能立即全面地獲取上述優(yōu)勢(shì)。然而，由于這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段，市場(chǎng)上還沒有大量這樣的產(chǎn)品。現(xiàn)有的過程裝置中也缺少空間再安裝交換機(jī)等其它基礎(chǔ)組件。如果要將基于以太網(wǎng)的通信技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)層，還需要針對(duì) IT 和 OT 安全制定新的功能和策略。

Ethernet-APL 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以通過結(jié)構(gòu)緊湊、具有雙通道通信接口的 ELX6233 端子模塊集成到控制架構(gòu)中

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Ethernet-APL 為用戶帶來了無限可能。如果要快速實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)，就必須能夠?qū)⑵浼傻浆F(xiàn)有的設(shè)備中，而 ELX6233 EtherCAT 端子模塊為用戶提供了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的靈活性、模塊化、可擴(kuò)展性和安全性。”

—— Sebastian B?se，倍福流程工業(yè)部門

4  TwinCAT MTP 助力實(shí)現(xiàn)一致性、模塊化的系統(tǒng)

流程工業(yè)的許多領(lǐng)域，例如制藥業(yè)，正面臨著一個(gè)新的挑戰(zhàn)，即市場(chǎng)的波動(dòng)性越來越大。企業(yè)必須縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，加快新產(chǎn)品上市時(shí)間，并且具備小批量經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行定制化生產(chǎn)的能力。

倍福的 TwinCAT 自動(dòng)化軟件將不斷提升流程工業(yè)領(lǐng)域的裝置模塊化程序

模塊化過程裝置解決方案日益受到青睞，其優(yōu)勢(shì)在于能夠靈活地將模塊重復(fù)用于多種不同的應(yīng)用目的。它涉及到將設(shè)備的整個(gè)過程分解為各個(gè)子過程，并使用模塊進(jìn)行映射。通過為每個(gè)模塊配備獨(dú)立的分布式控制器，實(shí)現(xiàn)完全的模塊化設(shè)計(jì)。之后，通過將這些模塊集成到更高級(jí)別的控制系統(tǒng)（如 DCS）中，就可以重新映射整個(gè)生產(chǎn)過程。因此，開發(fā)工作的重點(diǎn)可以從以過程裝置為中心轉(zhuǎn)移到以模塊為中心，從而可以根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用需求輕松、靈活地對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)整。這樣就可以在裝置中添加額外的模塊，并根據(jù)需要重新排列或刪除現(xiàn)有模塊。在進(jìn)行類似修改時(shí)，不再需要完全重新編程裝置，因?yàn)榇蟛糠诌壿嫸即嬖谟诟鱾€(gè)模塊中。上一級(jí)控制器只是協(xié)調(diào)模塊及它們所提供的服務(wù)，這就是為什么它被描述為流程編制層（POL）。

Ethernet-APL 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以通過結(jié)構(gòu)緊湊、具有雙通道通信接口的 ELX6233 端子模塊集成到控制架構(gòu)中

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MTP（模塊類型包）方案的模塊化設(shè)計(jì)徹底革新了過程裝置的構(gòu)造方式，具有上市速度快、靈活性更強(qiáng)、小批量經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。MTP 的標(biāo)準(zhǔn)化接口極大地簡(jiǎn)化了專用模塊到流程編制層的即插即用集成過程，確保了各模塊間的無縫協(xié)同工作。TwinCAT MTP 提供了一個(gè)通過自動(dòng)生成代碼來輕松開發(fā)模塊的環(huán)境。這種方法極大地降低了對(duì)深入掌握規(guī)范細(xì)節(jié)的依賴。在實(shí)際應(yīng)用中，它簡(jiǎn)化了模塊開發(fā)工作，并使流程工業(yè)領(lǐng)域中的專業(yè)人員能夠高效、便捷地利用模塊設(shè)計(jì)化帶來的優(yōu)勢(shì)。”

—— Laurids Beckhoff，倍福流程工業(yè)部門

5  總結(jié)

借助 NAMUR 開放式架構(gòu)和 PA-DIM 技術(shù)，流程工業(yè)為在上一級(jí)分析工具中實(shí)現(xiàn)對(duì)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)構(gòu)化映射奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這意味著現(xiàn)有過程裝置能夠立即實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，享受包括顯著降低維護(hù)成本在內(nèi)的諸多好處。獨(dú)立于 NOA 構(gòu)建如 PA-DIM 這樣的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型無疑也將成為未來一個(gè)極具吸引力的議題。例如，系統(tǒng)的不同部分可以整合在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序中，并以定義好的信息模型方式傳輸給 DCS。因此，DCS 將不再受限于傳感器的過程數(shù)據(jù)，使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠在不同的制造商之間無縫交換。此外，通過分布式部署控制回路，可以有效減輕 DCS 的負(fù)荷，并顯著降低數(shù)據(jù)通信量。

MTP 方案中也采用了類似的方法，其中，過程裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)。每個(gè)模塊都配備了自己的控制器，它通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口描述集成到自動(dòng)化架構(gòu)中。這使得 MTP 能夠依據(jù)市場(chǎng)需求的變化改變所使用的模塊，靈活調(diào)整生產(chǎn)流程。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，也可以快速、輕松地更換單個(gè)模塊，從而減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

在將 Ethernet-APL 集成到倍福產(chǎn)品系列中時(shí)，也繼續(xù)采用了模塊化方法。我們摒棄了傳統(tǒng)的大型現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，而是采用緊湊型 EtherCAT 端子模塊集成 APL 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這些端子模塊可與其它端子模塊靈活組合，例如用于與數(shù)字傳感器通信。與控制器的直接集成也為網(wǎng)關(guān)或邊緣應(yīng)用開辟了更多可能性。在倍福的支持下，Ethernet-APL 和 NOA 已成功實(shí)現(xiàn)了無縫融合。

提升過程裝置的可靠性、效率與靈活性是實(shí)現(xiàn)裝置最優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵。這需要?jiǎng)?chuàng)新的數(shù)字技術(shù)。即便是在錯(cuò)綜復(fù)雜的過程裝置中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)也必須快速且完整地傳輸，確保實(shí)現(xiàn)無縫監(jiān)控和持續(xù)的過程優(yōu)化。系統(tǒng)還可以采用模塊化設(shè)計(jì)，以便企業(yè)能夠靈活應(yīng)對(duì)不斷變化的市場(chǎng)需求。通過倍福基于 PC 的控制技術(shù)以及我們針對(duì) NOA、Ethernet-APL 和 MTP 精心打造的產(chǎn)品和解決方案，您不僅能夠輕松應(yīng)對(duì)各項(xiàng)要求，還能實(shí)現(xiàn)過程裝置的自動(dòng)化，確保其在未來發(fā)展中保持領(lǐng)先地位。”

—— Franziska Rostan，倍福流程工業(yè)部門