倍福 | 通過 MTP 網關和 MTP 中樞靈活集成現有模塊
http://www.moduwu.com 2024-07-10 10:57 來源：德國倍福自動化有限公司
模塊類型包（MTP）在流程工業中的應用日益廣泛，首批工業應用的成功實施就很好地證明了這一點。然而，潛在用戶面臨著必須充分熟悉該項標準以充分利用其優勢的挑戰。另一個問題是，不同的應用場景很容易引起混淆，尤其是在已有項目中。本概述頁全面介紹了倍福基于 PC 的控制技術在新項目和已有項目現場輕松實施模塊化過程裝置結構的多種方式。
新建項目中的 MTP 過程裝置結構
MTP 方案可以幫助用戶新產品快速上市、縮短維修時間并降低單元化生產成本。這在新建項目中尤為有利，因為這些項目中使用的裝置完全采用模塊化設計。這種結構由各個獨立的過程裝置組件（PEA 或簡稱為模塊）組成，通過符合 MTP 標準，以最小的工程量實現最大的靈活性。打包的 AML 文件詳細描述了所有功能、各個控制組件、通信層面和模塊結構。總流程編制層（POL）利用這些信息，完全獨立于制造商地自動將模塊集成到流程中，并實現即插即用功能。除了標簽映射之外，還可以生成具有統一外觀的用戶界面。唯一需要手動處理的是功能的編制，它通常通過步驟鏈編程實現。
MTP 方案不僅適用于新建過程裝置，而且對于已有項目還具有可自動集成到控制層的優勢。POL 功能通常會被整合到現有的 SCADA 或 DCS 系統中。因此，在更新軟件后，現有的過程裝置就能夠即插即用地將 MTP 模塊集成到流程中，從而簡化擴展程序。由此產生的混合架構結合了兩者的優點，并可根據需要逐步擴展。這也意味著不再需要使用映射表進行復雜的集成，甚至能夠不需要在 DCS 中額外開發控制代碼。這些模塊可以獨立于控制系統進行集成，并可在必要時快速更換，以最大限度地減少停機時間。模塊的尺寸并非固定不變，而是可以根據應用場景的不同而變化。這表示多個工藝步驟可以組合成一個較大的模塊，同時可以在獨立于制造商的基礎上標準化使用和集成類似于過程分析技術（PAT）中使用的精密分析儀器。集成在帶 MTP 的 DCS 系統中的邊緣設備確保集成來自不同制造商的分析儀器，無需重新配置。這是通過標準化過程自動化現場設備信息模型實現的：PA-DIM。
已有項目中的 MTP 過程裝置結構
除了在過程裝置層區分新建和已有項目之外，還可以在模塊層進行這種分析。在自動化技術方面，新建的 MTP 模塊通常由現場設備、I/O、控制器構成，可能還會包含一臺用于本地操作的控制面板。在控制器上實施 PLC 程序，以實例化 MTP 接口并確保符合 MTP 標準。數據點通過集成的 OPC UA 服務器提供給 POL。至于模塊本身，它可以由多個功能單元或功能性設備組件（FEA）組成。在不同的模塊中，FEA 可能包括不同配置的泵及其配套的流量控制傳感器等元件。如果模塊內的 FEA 出現故障，可以輕松更換這些組件，而無需直接更換整個模塊，從而減少相應產生的停機時間。
1 具有靈活功能單元的模塊
模塊設計本身具有靈活性并不罕見。這意味著可以在不重新編程控制系統的情況下靈活連接或移除各個 FEA。這些 FEA 通常包括帶傳感器和執行器的 IP67 級遠程 I/O 站點，可以通過 EtherCAT 熱連接或類似技術靈活集成。也可以通過 Ethernet-APL 將智能設備直接集成到模塊中。
MTP 模塊若要集成這些專有設備，就必須在控制程序中定義并預先配置一個固定的、可兼容的 FEA 庫，以便在需要時（甚至在運行期間）連接或斷開 FEA。如果在過程裝置層定義了該庫，則 FEA 也可以在不同的模塊之間使用。對于模塊的總體 MTP 來說，重要的是支持這種固有的靈活性，可以采用多種方法來實現這一目標：
每個支持的配置選項都有自己的定制化 MTP。其優勢在于，所提供的功能始終與實際情況完全一致；但這僅適用于配置數量可控的情況。此外，每次修改完配置后，都必須在 POL 中重新配置相應的 MTP
如果有更多種類的配置，FEA 可以通過專用的操作屏顯示，這樣 MTP 就包含了一個主操作屏和一個額外用于顯示每個 FEA 的操作屏。顯示元素可以參考當前有效的 FEA 操作屏。FEA 的專用功能將使用額外的服務或專門的執行類型（過程）進行映射。可以使用鎖定指示器來診斷服務或過程當前是否可執行；但這個過程可能會導致 MTP 變得過于混亂，因為必須忽略無效的元素。在目前的情況下，不同操作屏之間也沒有動態跳轉標簽的選項，這意味著必須使用所顯示的有效配置手動切換操作屏
2 MTP 網關用于翻新改造現有的裝置
EtherCAT 周期時間最短為 62.5 µs，AX8000 多軸伺服系統因此成為市場上速度最快的總線設備之一。這也足以滿足那些需要極高性能的應用場景，尤其是設定點變化速度極快的應用。分布式時鐘功能的運用可以確保實現所有軸的納秒級精確同步。每個軸模塊或軸均配備兩個高速數字量輸入，并自動提供帶有當前位置信息和時間戳的信號。通過超采樣功能，即使在總線周期較慢較慢的情況下，也能確保設定點在當前的控制器周期內高精度、高度動態地傳輸。
3 用于配置、調試和維護的軟件
在模塊的已有應用場景中，最常見的是翻新改造現有的過程裝置，使其符合 MTP 標準。這種類型的裝置可能已經有自己的控制器，或者像 FEA 一樣，它可能只是一個簡單的 I/O 解決方案。對于現有的控制系統，通常需要盡可能少地調整當前設置。若要實現這一點，需要集成一個額外的控制器作為 MTP 網關，將現有的模塊映射到 MTP 模型中。這樣就可以按照 MTP 標準提供信息和性能。
網關和現有控制器之間通常通過 EtherCAT、OPC UA、PROFINET 或 ADS 接口等通信技術交換數據。例如，實驗室自動化中現有的 LabVIEW™ 控制器可通過 MTP 功能擴展，且設備可通過串口集成。根據現有控制系統的性能和操作系統，網關也可作為虛擬化解決方案來實施。
基于 MTP 網關的過程裝置結構
4 在同一個控制器上
實施多個模塊的 MTP 中樞
一個傳統的 MTP 模塊結構通常包含一個控制器，通過專用的 OPC UA 服務器將所需的數據提供給 POL；但很多其它項目尤其是在已運行項目并不需要這種結構，而是需要在同一個控制器上實施多個模塊。影響因素可能包括多個控制器的額外成本、現有的過程裝置結構，以及精簡的部署優勢和程序代碼維護。雖然模塊在同一個控制器上實施，但仍需獨立地將它們提供給 POL，以保持其即插即用功能，并能夠靈活地添加到過程裝置中或從過程裝置中移除。
基于 MTP 中樞的過程裝置結構
實現這一功能行為的方法是將 MTP 網關的功能與靈活的 FEA 方法相結合，并將其整合到同一個控制器上的 MTP 中樞中。在 MTP 中樞內，為每個可鎖定模塊實例化了一個 PLC Runtime，在其中根據 MTP 標準實現了特定的過程邏輯，并分別導出了相關聯的 MTP 文件。通過 MTP 中樞內OPC UA 服務器中的專用命名空間和生成的 MTP 文件，POL 可以繼續獨立、靈活地集成各個模塊。
就 POL 而言，除了模塊會共享相同的 IP 地址之外，與傳統方法相比并沒有什么區別。因此，在經濟效益和實施方面，MTP 中樞在有許多小模塊的情況下更具意義。另一個優勢是能夠互連實時系統中不同的 PLC Runtime，例如，在模塊之間實施專有的聯鎖或安全邏輯。模塊之間的標準化通信在 MTP 標準的后幾節中有概述。
通過使用靈活的 FEA 方法中的通信技術，可以在運行期間將預配置模塊連接到 MTP 中樞，而無需重新配置。像 MTP 網關一樣，僅帶 I/O 組件或現有控制器的模塊也可集成到 MTP 中樞中。當然，這里所顯示的方案可以在過程裝置層相互結合。
5 基于 PC 的控制是最適合的框架
早在 2011 年，倍福便以 AM8000 系列為開端，開始生產高動態、高品質的伺服電機，同時創新性地引入了單電纜技術。在接下來的幾年里，倍福不斷拓展產品線，又研發了眾多新的電機型號，包括配備更大的轉子慣量、性能更強的主動式強制冷卻方案、陽極氧化鋁外殼、用于苛刻環境條件的不銹鋼外殼，以及線性執行器和鐵芯直線電機。集成有伺服驅動器的電機適用于低壓（24 或 48 V DC）和高壓應用中都展現出卓越的性能和適用性。AM8000 電機系列覆蓋了 24 V...480 V 的電壓范圍，全面滿足各類應用場景的多樣化需求。
倍福行業專家 Laurids Beckhoff ，在 2024 年漢諾威工業博覽會的 PNO 展臺上展示，如何使用模塊化自動化系統構建和調整靈活的加工系統。
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、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
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 300 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風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
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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