走向自组装机器自动化系统

不断发展的PLC和PAC平台、网络和编程方法正在导致自组装机器自动化系统，降低风险和用户集成努力。

凯特麦克纳布斯 2020年6月30日

礼貌：艾默生

学习目标

基于PLC和PAC和PAC的自动化正在朝向自组装机器自动化系统应用，允许模块化子系统集成到整个系统中。
模块类型包(MTP)和机器即对象(MaaO)将原始数据和基本功能提升为上下文信息和功能。

自动化工厂和流程通常是通过集成许多小型机器或设备子系统来创建的，需要重大的系统集成工作和定制。多年来，用户需要更好的方法来简化这种集成工作，以节省资金并降低风险。自动化自组装正在增加，硬件，通信和软件进步正在简化系统集成和从工程到生产率的时间减少。

虽然机器自动化产品和实践随着时间的推移而得到改善，但仍然存在实现集成的障碍。多次硬件，通信协议和软件编程依赖于不兼容的技术，妨碍系统集成工作。在最困难的情况下，在各种设备之间实现互操作性成为极其复杂，昂贵且耗时的项目。

幸运的是，情况有所改善。即使对于特定于任务特定的硬件，如可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动化控制器（PACS），也可以努力进行模块化编程的牵引力。网络方法和协议已经进入提供可理解的信息交换。基于这些开发的建立，基于PLC和PAC和Pac的自动化技术正在朝着自组装机器自动化系统应用，允许模块化子系统轻松集成到整个系统中。

图1：使用现代产品和实践开发自动化设备时，可以将其集成到称为自组装的概念之后的监督系统中。礼貌：艾默生

什么是自动化自我组装？

所有类型的制造设施通常都包含各种自动化子系统。典型的饮料生产商可能有：

散装原料产品储罐
混合和加工滑块
瓶填料
材料处理输送机
包装设备
水过滤系统
蒸汽和压缩空用力。

其他行业可能使用多种设备，但一般来说，任何生产设备都有许多专门的供应商。终端用户通常更关注设备的机械互操作性和性能。他们可能会发现在相关的PLC和PAC控制平台之间要求某种程度的一致性是不切实际或不可能的。因此，打包的设备供应商最终将交付各种自动化系统，每个系统使用不同的实践程序。其中一些要素甚至可能因知识产权或业务表现的原因而受到保护和不可触及。

这些包装设备中的每一个都将具有自己的和通常独特的控制器，输入/输出（I / O），仪表和人机界面（HMI）元素（图1）。这些可能需要与上游设备，下游设备，同行系统和监督系统的某种组合进行互动。

实际上，许多最终用户更喜欢子系统PLC和PACs被监督，也许甚至可以由更大的整体控制平台策划。系统集成是协调这些互动的努力。将不同的系统集成到一个粘性整体中并不令人惊讶。

但是，如果每个子系统能够定义可用的数据和功能，然后将这些属性公开给其他系统，那么系统集成工作将更加有效。这种能力可以称为自组装，从而实现更简单、成本更低和更快的实现。

图2：包括语义的数据结构允许接收系统解释来自发送系统的数据并接收更新通知。礼貌：艾默生

自动化系统集成演化

基本的自动组装可能需要出口子系统PLC或PAC配置，该组件被手动导入到监控平台。在更先进的情况下，子系统可以向能够响应实物响应的监督系统自我宣布（或发布）其能力。这甚至可以通过更改事件通知动态地发生。

自组装依赖于几种基本功能。PLC和PAC平台和实践沿着进化路径改善了多年，并获得了许多必要的能力，包括：

PLC、PAC和网络硬件获得了足够的电力来实现编程和数据模块化、可重用性和通信。
网络协议添加了模型，因此可以在上下文中传输数据。
系统级模块化配置概念利用以前的开发来使自组装成为可能。

以下部分探讨了这些阶段如何逐步地支持实现工业自动化自组装的目标。

PLC、PAC和边缘控制模块提高了系统的集成度

plc是最早量产的数字工业自动化平台。最早的模型使用了基本的梯形逻辑，并且是供应商之间专有的。为每个新项目编程，最好的情况下需要复制粘贴或重写。一些plc最终获得了封装常用例程的能力。

由于这些自动化平台获得了更多功能，供应商开始将它们指定为PACS。PACS包括创建用户定义和原始设备制造商（OEM）基于库的对象的更好规定，可以配置为保护知识产权并帮助保证性能。

边缘控制器最近几年已经获得。它们使用PC等计算功能合并PAC功能，将操作技术（OT）确定性控制与更多信息技术（IT） - 友好处理和网络相结合。

共享数据库概念使得多个控制元素如PLC，PAC，边缘控制器，HMI和运动控制系统更容易进行交互。自动化系统也变得更容易使用，更有能力，并且已经获得了类似于商业系统中的面向对象编程（OOP）的一些概念，用于促进创建，使用，改进和重用代码。然而，逻辑和数据处理的进度在机器自动化级别仍然集中在很大程度上。

图3：Namur模块类型包标准定义了需要暴露的自动化方面，以便自动化设备可以轻松自组装成监控系统。礼貌：艾默生

使用以太网实现工业自动化

对于连接PLC，PACS，边缘控制器，HMIS和其他机器自动化元件，以太网已成为首选媒介。当然，仍有一些用例，例如运动控制或危险地点，其中更专业的工业现场总线提供性能优势。然而，对于大多数植物中的情况，以太网已经提供了从基本数据传输到全面信息交换所需的基本网络性能。

许多协议可用于工业以太网应用程序。其中一些传输原始数据，需要广泛的用户规划，用于处理缩放，除垢，标签分组和轮询速率。

更先进的协议 - 如OPC UA- 包括引用，变量，对象和数据类型，允许最终用户使用语义制定信息模型。语义增强了上下文的原始数据，包括描述性和缩放信息，从而可以创建可以由系统组件理解的面向对象的信息。信息模型还具有能够通知信息（客户端）的接收者关于其存在以及是否发生了结构或语义的变化。

例如，当一个泵类型在一个PLC程序中实例化时，发现服务可以通知客户端系统一个新的泵对象的存在以及在哪里可以找到它。泵对象可以包含用于运行状态、速度命令、进口/出口温度和压力的数据标签(图2)。如果稍后向泵中添加轴承温度标签，数据结构将被更新，并通知客户系统。

使用语义，接收系统可以自动解释来自原始系统的数据。机器自动化系统可以有效地使用相同的语言相互交谈。

机器作为对象对供应商和制造商有利

前面在逻辑、数据和封装方面的进步是实现全面的机器即对象(MaaO)概念的必要先驱。当供应商使用MaaO方法配置他们的设备时，他们封装了机器自动化系统，这样它就可以自我宣布，并自我组装到其他系统中。

行业标准，如那慕尔模块类型包(MTP)有助于提升模块化和封装系统的概念(图3)。MTP确定了自动化的某些方面，并指出它们如何与外部或监控系统交互。当基于mtp的自动化设备连接到监控系统时，系统可以将设备理解为一个功能机器对象。

MTP为开发人员提供了一种方法来识别和定义可用设备功能，以及如何调用它。所有必要的数据标记都在上下文中公开，用于命令，监视，警告和诊断子系统。即使是HMI显示器也可以由子系统供应商开发并导入监控系统。

使用MTP配置的机器可能包含用于内部使用的重要逻辑和数据标签。但是，监督系统可以访问高级操作所需的内容。例如，包装的PLC控制的混合罐子系统可以与使用MTP的监控系统集成。监控系统可以呼吁填充，混合和排出循环。然后，机器的自动化系统将处理定时，打开和关闭阀的细节，操作混频器，以及生成状态和报警标签。

自动装配机器自动化的路径

工业自动化的发展一直在向更集成的系统方向发展，像MTP和MaaO这样的概念将原始数据和基本功能提升为上下文信息和能力。前瞻性的公司正在确保他们的plc、PACs、边缘控制器、软件和网络平台可以进行自组装，为终端用户提供使用模块化子系统组装和重新配置生产工厂的能力。

基思·麦克纳布是技术产品经理，艾默生。Chris Vavra编辑，助理编辑器，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com。