自动化系统集成的新发展：向“自组装”机器自动化系统迈进

自动化系统集成的新发展：向“自组装”机器自动化系统迈进

不断发展的PLC和PAC平台、网络和编程方法，推动了自组装机器自动化系统的出现，它可以降低风险，减少用户集成的工作量。

一般情况下，自动化工厂和工艺过程是由许多较小的机器或设备子系统集成而来的，需要大量的系统集成和定制工作。多年以来，用户一直希望有一种更好的方法来简化这些集成工作，以节省资金，降低风险。自动化自组装（self-assembly）在逐步增加，硬件、通信和软件方面的进步正在简化系统集成，并缩短了从工程实施到生产所用的时间。
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随着时间的推移，尽管机器自动化产品和实践已经有所改善，但在集成方面仍有一定的障碍。很多时候，硬件、通信协议和软件编程都依赖于不兼容的技术，这会影响系统集成工作的开展。在最困难的情况下，实现不同设备之间的互操作性成为极其复杂、昂贵且耗时的任务。

幸运的是，现在的情况已经有所改善。即使对于像可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动化控制器（PAC）这样执行特定任务的硬件，模块化编程方面的努力也获得了关注。网络方法和通讯协议方面的进展，使其能够提供可理解的信息交换。伴随这些进展，基于PLC和PAC的自动化技术，正朝着自组装机器自动化系统应用的方向发展，这样模块化子系统就可以轻松的集成到整个系统中去。

什么是自动化自组装？

几乎所有类型的制造设施都会包含各种自动化子系统。例如，典型的饮料生产制造设施可能包括：原料储罐、混合和加工装置、瓶灌装机、物料输送带、包装设备、水过滤系统、蒸汽和压缩空气设施。

但通常情况下，任何生产设施都有许多特定设备和供应商。最终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，实行某种程度的统一是不切实际或不可能的。因此，成套设备供应商最终将交付各种自动化系统，每种系统都使用不同的方法编程。出于知识产权或运营绩效的原因，其中一些设备甚至可能是加密且无法访问的。

这些成套设备中的每一个都有自己的、往往是独特的控制器、输入/输出（I/O）、仪表和人机界面（HMI）部件。它们可能需要与上游设备、下游设备、对等系统和监控系统的某种组合进行交互。

实际上，许多最终用户都希望子系统的PLC和PAC，由更高层次的总体控制平台进行监视，如果可能的话最好由其来协调。系统集成协调这些交互工作。将不同系统集成到一个有凝聚力的整体中是很困难的，这毫不奇怪。

但是，如果每个子系统都可以定义可用的数据和功能，然后将其公开给其它系统，那么系统集成工作就会更有效。此功能可以称为自组装，实施起来就更简单、更便宜和更快速。

自动化系统集成的发展

基本的自组装可能需要导出子系统PLC或PAC的配置，并将其手动导入到监控平台中。在更先进的情况下，子系统可以向具有实物响应功能的监管系统自我发布其功能。这甚至可以通过事件变更通知动态进行。

自组装的实现依赖于一些基本功能的发展。多年以来，PLC和PAC平台和实践一直在向前发展，并获得了许多必要的功能，包括：

• PLC、PAC和网络硬件具有强大的功能，可以实现编程、数据模块化、复用性和通信；

• 网络协议添加了可以传输情境数据的模型；

• 系统级模块化配置概念，基于既有平台的发展，使自组装成为可能。

接下来将深入探讨每个阶段是如何逐步支持实现工业自动化自组装目标的。

控制器升级改善系统集成

PLC是最早用于批量生产的数字工业自动化平台。早期模型使用基本的梯形图逻辑，并且每个供应商都有专有软件。为每个新项目编程，最好的方式是复制和粘贴，最坏的情况是重新编写程序。某些PLC甚至还具有封装常用例程的功能。

随着自动化平台获得更多功能，供应商开始将其定义为PAC。PAC配置了更好的功能，用于创建用户自定义和面向原始设备制造商（OEM）的基于库的对象，可对这些对象进行配置以保护知识产权，并确保性能。

边缘控制器已经出现好多年了。他们将PAC功能与类似PC的计算功能相结合，将运营技术（OT）的确定性控制与更多信息技术（IT）友好的处理和网络功能结合在一起。

共享数据库的概念，使PLC、PAC、边缘控制器、HMI和运动控制系统等多个控制元素之间的交互变得更容易。自动化系统也更易于使用，功能更强大，并获得了一些类似于商业系统中面向对象编程（OOP）的概念，以促进代码的创建、使用、改进和复用。但是，逻辑和数据处理方面的进展，仍主要集中在机器自动化层面。

用语义来制定信息模型

为了连接PLC、PAC、边缘控制器、HMI和其它机器自动化元件，以太网已成为首选介质。当然，仍然存在一些特殊情况，例如在运动控制领域或在危险场所，需要更专业的工业现场总线来提供性能优势。但是，对于工厂内的大多数情况，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。很多协议都可用于工业以太网应用。其中一些协议只能传输原始数据，需要发送和接收系统进行大量的用户规划，以处理缩放、还原、标签分组和轮询速率。

更高级的协议（例如OPC UA）包括引用、变量、对象和数据类型，这些协议允许最终用户使用语义来制定信息模型。语义通过情境信息来增强原始数据，包括描述性信息和缩放信息，从而可以创建系统组件能够理解的面向对象的信息。信息模型还具有将信息的存在以及结构或语义是否发生变更的信息通知接收者（客户端）的功能。

例如，在PLC程序中实例化某种类型的泵时，发现服务可以通知客户端系统：新的泵对象被创建及其所处的位置。泵对象可以包括用于运行状态、转速命令以及入口/出口温度和压力的数据标签。如果稍后将轴承温度标签添加到泵，则可以更新数据结构，并通知客户系统。

通过使用语义，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使用同一语言有效地进行交互。

诸如NAMUR模块类型包（MTP）之类的行业标准，在提升模块化和封装系统的概念方面发挥了重要作用。

机器即对象和模块类型包

逻辑、数据和封装的发展，是机器即对象（MaaO）概念实现的必要条件。当供应商使用机器即对象方法配置设备时，他们会封装机器自动化系统，以便它们可以自我发布，并能够自组装到其它系统中。

诸如NAMUR模块类型包（MTP）之类的行业标准，在提升模块化和封装系统的概念方面发挥了重要作用。MTP确定了自动化的某些方面，并指明了它们与外部或监控系统交互的方式。将基于MTP的自动化设备连接到监控系统后，系统可以将设备理解为功能机器对象。

MTP为开发人员提供了一种识别和定义可用设备功能以及如何调用它们的方法。所有必需的数据标签都在情境下公开，用于命令、监视、报警和诊断子系统。子系统供应商甚至可以开发HMI显示器，并将其导入监控系统。

使用MTP配置的机器，可能包含大量内部使用的逻辑和数据标签。但是，监控系统只能访问高级操作所需的内容。例如，一个打包了PLC控制的混合料罐系统，可以与使用MTP模型的监控系统集成在一起。监控系统可以调用填充、混合和排放循环。然后，机器的自动化系统负责处理定时、打开和关闭阀门、运行搅拌器，生成状态和警报标签的详细信息。

工业自动化的发展一直在向更加集成化的系统方向发展，模块类型包和机器即对象等概念将原始数据和基本功能提升为情境化的信息和功能。前瞻性的公司正在确保他们的PLC、PAC、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。