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模塊類型包（MTP）在流程工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，首批工業(yè)應(yīng)用的成功實(shí)施就很好地證明了這一點(diǎn)。然而，潛在用戶面臨著必須充分熟悉該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)以充分利用其優(yōu)勢(shì)的挑戰(zhàn)。另一個(gè)問題是，不同的應(yīng)用場景很容易引起混淆，尤其是在已有項(xiàng)目中。本概述頁全面介紹了倍福基于 PC 的控制技術(shù)在新項(xiàng)目和已有項(xiàng)目現(xiàn)場輕松實(shí)施模塊化過程裝置結(jié)構(gòu)的多種方式。

新建項(xiàng)目中的 MTP 過程裝置結(jié)構(gòu)

MTP 方案可以幫助用戶新產(chǎn)品快速上市、縮短維修時(shí)間并降低單元化生產(chǎn)成本。這在新建項(xiàng)目中尤為有利，因?yàn)檫@些項(xiàng)目中使用的裝置完全采用模塊化設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)由各個(gè)獨(dú)立的過程裝置組件（PEA 或簡稱為模塊）組成，通過符合 MTP 標(biāo)準(zhǔn)，以最小的工程量實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。打包的 AML 文件詳細(xì)描述了所有功能、各個(gè)控制組件、通信層面和模塊結(jié)構(gòu)。總流程編制層（POL）利用這些信息，完全獨(dú)立于制造商地自動(dòng)將模塊集成到流程中，并實(shí)現(xiàn)即插即用功能。除了標(biāo)簽映射之外，還可以生成具有統(tǒng)一外觀的用戶界面。唯一需要手動(dòng)處理的是功能的編制，它通常通過步驟鏈編程實(shí)現(xiàn)。

MTP 方案不僅適用于新建過程裝置，而且對(duì)于已有項(xiàng)目還具有可自動(dòng)集成到控制層的優(yōu)勢(shì)。POL 功能通常會(huì)被整合到現(xiàn)有的 SCADA 或 DCS 系統(tǒng)中。因此，在更新軟件后，現(xiàn)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(kuò)展程序。由此產(chǎn)生的混合架構(gòu)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并可根據(jù)需要逐步擴(kuò)展。這也意味著不再需要使用映射表進(jìn)行復(fù)雜的集成，甚至能夠不需要在 DCS 中額外開發(fā)控制代碼。這些模塊可以獨(dú)立于控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，并可在必要時(shí)快速更換，以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。模塊的尺寸并非固定不變，而是可以根據(jù)應(yīng)用場景的不同而變化。這表示多個(gè)工藝步驟可以組合成一個(gè)較大的模塊，同時(shí)可以在獨(dú)立于制造商的基礎(chǔ)上標(biāo)準(zhǔn)化使用和集成類似于過程分析技術(shù)（PAT）中使用的精密分析儀器。集成在帶 MTP 的 DCS 系統(tǒng)中的邊緣設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化過程自動(dòng)化現(xiàn)場設(shè)備信息模型實(shí)現(xiàn)的：PA-DIM。

已有項(xiàng)目中的 MTP 過程裝置結(jié)構(gòu)

除了在過程裝置層區(qū)分新建和已有項(xiàng)目之外，還可以在模塊層進(jìn)行這種分析。在自動(dòng)化技術(shù)方面，新建的 MTP 模塊通常由現(xiàn)場設(shè)備、I/O、控制器構(gòu)成，可能還會(huì)包含一臺(tái)用于本地操作的控制面板。在控制器上實(shí)施 PLC 程序，以實(shí)例化 MTP 接口并確保符合 MTP 標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)通過集成的 OPC UA 服務(wù)器提供給 POL。至于模塊本身，它可以由多個(gè)功能單元或功能性設(shè)備組件（FEA）組成。在不同的模塊中，F(xiàn)EA 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(nèi)的 FEA 出現(xiàn)故障，可以輕松更換這些組件，而無需直接更換整個(gè)模塊，從而減少相應(yīng)產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間。

1  具有靈活功能單元的模塊

模塊設(shè)計(jì)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(tǒng)的情況下靈活連接或移除各個(gè) FEA。這些 FEA 通常包括帶傳感器和執(zhí)行器的 IP67 級(jí)遠(yuǎn)程 I/O 站點(diǎn)，可以通過 EtherCAT 熱連接或類似技術(shù)靈活集成。也可以通過 Ethernet-APL 將智能設(shè)備直接集成到模塊中。

MTP 模塊若要集成這些專有設(shè)備，就必須在控制程序中定義并預(yù)先配置一個(gè)固定的、可兼容的 FEA 庫，以便在需要時(shí)（甚至在運(yùn)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(duì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：

每個(gè)支持的配置選項(xiàng)都有自己的定制化 MTP。其優(yōu)勢(shì)在于，所提供的功能始終與實(shí)際情況完全一致；但這僅適用于配置數(shù)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(yīng)的 MTP

如果有更多種類的配置，F(xiàn)EA 可以通過專用的操作屏顯示，這樣 MTP 就包含了一個(gè)主操作屏和一個(gè)額外用于顯示每個(gè) FEA 的操作屏。顯示元素可以參考當(dāng)前有效的 FEA 操作屏。FEA 的專用功能將使用額外的服務(wù)或?qū)ｉT的執(zhí)行類型（過程）進(jìn)行映射。可以使用鎖定指示器來診斷服務(wù)或過程當(dāng)前是否可執(zhí)行；但這個(gè)過程可能會(huì)導(dǎo)致 MTP 變得過于混亂，因?yàn)楸仨毢雎詿o效的元素。在目前的情況下，不同操作屏之間也沒有動(dòng)態(tài)跳轉(zhuǎn)標(biāo)簽的選項(xiàng)，這意味著必須使用所顯示的有效配置手動(dòng)切換操作屏

2  MTP 網(wǎng)關(guān)用于翻新改造現(xiàn)有的裝置

EtherCAT 周期時(shí)間最短為 62.5 μs，AX8000 多軸伺服系統(tǒng)因此成為市場上速度最快的總線設(shè)備之一。這也足以滿足那些需要極高性能的應(yīng)用場景，尤其是設(shè)定點(diǎn)變化速度極快的應(yīng)用。分布式時(shí)鐘功能的運(yùn)用可以確保實(shí)現(xiàn)所有軸的納秒級(jí)精確同步。每個(gè)軸模塊或軸均配備兩個(gè)高速數(shù)字量輸入，并自動(dòng)提供帶有當(dāng)前位置信息和時(shí)間戳的信號(hào)。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(shè)定點(diǎn)在當(dāng)前的控制器周期內(nèi)高精度、高度動(dòng)態(tài)地傳輸。

3  用于配置、調(diào)試和維護(hù)的軟件

在模塊的已有應(yīng)用場景中，最常見的是翻新改造現(xiàn)有的過程裝置，使其符合 MTP 標(biāo)準(zhǔn)。這種類型的裝置可能已經(jīng)有自己的控制器，或者像 FEA 一樣，它可能只是一個(gè)簡單的 I/O 解決方案。對(duì)于現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，通常需要盡可能少地調(diào)整當(dāng)前設(shè)置。若要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要集成一個(gè)額外的控制器作為 MTP 網(wǎng)關(guān)，將現(xiàn)有的模塊映射到 MTP 模型中。這樣就可以按照 MTP 標(biāo)準(zhǔn)提供信息和性能。

網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)有控制器之間通常通過 EtherCAT、OPC UA、PROFINET 或 ADS 接口等通信技術(shù)交換數(shù)據(jù)。例如，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化中現(xiàn)有的 LabVIEW? 控制器可通過 MTP 功能擴(kuò)展，且設(shè)備可通過串口集成。根據(jù)現(xiàn)有控制系統(tǒng)的性能和操作系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)也可作為虛擬化解決方案來實(shí)施。

基于 MTP 網(wǎng)關(guān)的過程裝置結(jié)構(gòu)

4  在同一個(gè)控制器上實(shí)施多個(gè)模塊的 MTP 中樞

一個(gè)傳統(tǒng)的 MTP 模塊結(jié)構(gòu)通常包含一個(gè)控制器，通過專用的 OPC UA 服務(wù)器將所需的數(shù)據(jù)提供給 POL；但很多其它項(xiàng)目尤其是在已運(yùn)行項(xiàng)目并不需要這種結(jié)構(gòu)，而是需要在同一個(gè)控制器上實(shí)施多個(gè)模塊。影響因素可能包括多個(gè)控制器的額外成本、現(xiàn)有的過程裝置結(jié)構(gòu)，以及精簡的部署優(yōu)勢(shì)和程序代碼維護(hù)。雖然模塊在同一個(gè)控制器上實(shí)施，但仍需獨(dú)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(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)這一功能行為的方法是將 MTP 網(wǎng)關(guān)的功能與靈活的 FEA 方法相結(jié)合，并將其整合到同一個(gè)控制器上的 MTP 中樞中。在 MTP 中樞內(nèi)，為每個(gè)可鎖定模塊實(shí)例化了一個(gè) PLC Runtime，在其中根據(jù) MTP 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了特定的過程邏輯，并分別導(dǎo)出了相關(guān)聯(lián)的 MTP 文件。通過 MTP 中樞內(nèi)OPC UA 服務(wù)器中的專用命名空間和生成的 MTP 文件，POL 可以繼續(xù)獨(dú)立、靈活地集成各個(gè)模塊。

就 POL 而言，除了模塊會(huì)共享相同的 IP 地址之外，與傳統(tǒng)方法相比并沒有什么區(qū)別。因此，在經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)施方面，MTP 中樞在有許多小模塊的情況下更具意義。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠互連實(shí)時(shí)系統(tǒng)中不同的 PLC Runtime，例如，在模塊之間實(shí)施專有的聯(lián)鎖或安全邏輯。模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)化通信在 MTP 標(biāo)準(zhǔn)的后幾節(jié)中有概述。

通過使用靈活的 FEA 方法中的通信技術(shù)，可以在運(yùn)行期間將預(yù)配置模塊連接到 MTP 中樞，而無需重新配置。像 MTP 網(wǎng)關(guān)一樣，僅帶 I/O 組件或現(xiàn)有控制器的模塊也可集成到 MTP 中樞中。當(dāng)然，這里所顯示的方案可以在過程裝置層相互結(jié)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(chǎn)高動(dòng)態(tài)、高品質(zhì)的伺服電機(jī)，同時(shí)創(chuàng)新性地引入了單電纜技術(shù)。在接下來的幾年里，倍福不斷拓展產(chǎn)品線，又研發(fā)了眾多新的電機(jī)型號(hào)，包括配備更大的轉(zhuǎn)子慣量、性能更強(qiáng)的主動(dòng)式強(qiáng)制冷卻方案、陽極氧化鋁外殼、用于苛刻環(huán)境條件的不銹鋼外殼，以及線性執(zhí)行器和鐵芯直線電機(jī)。集成有伺服驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)適用于低壓（24 或 48 V DC）和高壓應(yīng)用中都展現(xiàn)出卓越的性能和適用性。AM8000 電機(jī)系列覆蓋了 24 V...480 V 的電壓范圍，全面滿足各類應(yīng)用場景的多樣化需求。

倍福行業(yè)專家  Laurids Beckhoff ，在 2024 年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)的 PNO 展臺(tái)上展示，如何使用模塊化自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)建和調(diào)整靈活的加工系統(tǒng)。

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