流程工业数字化转型
在过程自动化领域，高效、可靠的生产过程是确保过程装置经济运行的先决条件。现代系统方案不仅支持高效的装置维护，而且还能够持续优化工艺流程。通过实施 NOA、Ethernet-APL 和 MTP 等前沿技术，倍福能够为现有及新建系统打造面向未来的解决方案。工业 4.0 和物联网等方案注重收集过程装置的所有运行数据，并将其提供给各种应用。分析工具会对这些数据进行评估，例如，可以及早识别现场设备的故障等。这些数据还可用于优化工作流程和提高生产效率。
通过 NOA 进行过程装置监测和优化
NAMUR 开放式架构（NOA）推荐性规范 NE 175 中描述的方案在不改变现有控制系统的情况下扩展自动化架构。因此，NOA 的核心任务是提供从现场层到更高层级应用的信息，以监测现场设备和优化过程装置（监测和优化 — M+O）。现场传输的数据类型取决于所使用的现场设备和具体的分析工具。重点是需要循环读出的参数，这些参数包含设备状态或过程质量信息。
NOA 边缘设备
过程自动化领域涉及到的协议和通信技术种类非常多。倍福选择使用 HART 协议初步实现了 NOA 方案。该协议的应用范围非常广泛，因此被不同制造商的很多现场设备所使用在实际的 4-20 mA 测量值上叠加数字信号，可以传输更多数据，例如现场设备的状态信息此外，通过特殊的馈电隔离器（已成为很多过程装置自动化结构的一部分），可以轻松打开第二个通道。这意味着与现场设备的连接被分为 4-20 mA 信号、HART 通信和电源电压，因此，与过程控制系统的现有连接不会被中断。相应的数据可通过第二通道接收，并用于 M+O。
借助倍福的 EL3182 EtherCAT 模拟量输入端子模块可以在非常紧凑的安装空间内通过 HART 协议连接两台现场设备。嵌入式控制器（如 CX8110）和 TwinCAT 自动化软件相结合，无需专门开发硬件，即可构建一个模块化、可扩展的边缘设备。
边缘设备具有以下三个主要功能：
- 通过 HART 协议接收实时数据
- 转换数据
- 为上一级分析工具提供信息
命令必须由边缘设备发送，才能通过 HART 协议读取实时数据。读出的数据以及将这些数据存储在现场设备中的命令取决于具体的设备类型（pH 值、氧气、温度等）和制造商。倍福为此开发了一个用于存储读取实时数据所需信息的数据库。相应的文件会被读入 TwinCAT，从而实现与数据库中存储的所有现场设备的通信。如果有一台现场设备连接到了边缘设备，就会自动检测到该设备，并发送相应的 HART 命令，然后使用存储的转换表和 TwinCAT 功能对接收到的数据进行转换。
“确保所有过程装置都能够顺畅地访问数据依然是过程自动化领域面临的最大挑战之一。随着过程装置的数量日益庞大，形成了错综复杂的互联互通系统网络，现场设备中的大量信息往往难以访问。NAMUR 开放式架构的开发，旨在为来自现场的所有信息提供一个标准化的接口，以便快速、便捷地访问数据。我们推出的结构紧凑且可扩展的 NOA 边缘设备能够优化升级旧系统，并且确保在未来持续高效运行。” – Lennart Winkler，倍福流程工业部门
此时存储在 PLC 中的实时数据必须能够提供用于下一个步骤中的进一步分析。NAMUR 推荐使用 OPC UA 来实现这一目标。倍福产品系列种类丰富，包括 TwinCAT OPC UA 服务器。它以存储的信息模型为基础，直接填充 PLC 中的实时数据。该模型基于过程自动化设备信息模型（PA-DIM），但用户可通过使用附加参数对其进行扩展。可以根据检测到的现场设备类型自动移除或添加每个 OPC UA 节点。
如果除了采集现有现场设备中的数据之外，还需要通过额外的传感器获取诊断数据，例如振动或温度测量数据，则适合使用可直接安装在现场设备上的防护等级高达 IP67 的 EP 系列 I/O 端子盒。一个模块可连接多个传感器，信号通过一根电缆集体传输给边缘设备。这种型号既能减少电缆布线的工作量，又能节省控制柜内的安装空间。
Ethernet-APL 助力实现数据全采集
NOA 方案还可为新建项目带来优势：在过程装置规划阶段就可以安装更多监测传感器，为监测和优化提供更多数据。Ethernet-APL 等新技术简化了实施过程。
这种崭新的通信技术基于 10BASE-T1L 以太网标准，允许电缆最长可以达到 1000 米，传输速率为 10 Mbit/s。有了 Ethernet-APL，就可以通过一对线缆（单根以太网）进行供电和传输数据。整个防爆危险区域的电源限制由 IEC 60079-47（2-WISE）规范规定。为了简化安装工作并提高所在用设备的连接性，项目组还在 TS10186 技术标准中定义了端口规范：除了连接和网段等级信息之外，端口配置文件中还包含了各个设备接口的防爆认证。
Ethernet-APL 方案旨在基于以太网实现过程装置的整个通信过程：从现场级到上位控制系统。它不仅注重纯过程数据，而且更注重现场设备的状态信息。其传输速率比现场总线系统高，因此允许使用网络服务器进行参数设置或直接从现场设备下载数据表或证书。
但在实施过程中，用户也难免会遇到一些困难和挑战：需要配备支持 APL 的现场设备，才能立即全面地获取上述优势。然而，由于这项技术仍处于早期阶段，市场上还没有大量这样的产品。现有的过程装置中也缺少空间再安装交换机等其它基础组件。如果要将基于以太网的通信技术应用到现场层，还需要针对 IT 和 OT 安全制定新的功能和策略。
“Ethernet-APL 为用户带来了无限可能。如果要快速实施这项技术，就必须能够将其集成到现有的设备中，而 ELX6233 EtherCAT 端子模块为用户提供了实现这一目标所需的灵活性、模块化、可扩展性和安全性。”–Sebastian Böse，倍福流程工业部门
用户如何才能将 Ethernet-APL 集成到其过程装置中？并从其目前提供的众多优势中获益？一种解决方案是将新技术与 HART 协议等成熟标准相结合。通过这种方式，可以借助新的 APL 设备逐步实现现有的过程装置的数字化转型，消除完全转换的障碍。
倍福因此将 Ethernet-APL 技术集成到端子模块中：ELX6233 EtherCAT 端子模块为 Ethernet-APL 提供了一个双通道通信接口。与传统的现场交换机方案相反，它为集成 APL 现场设备提供了另一种选择。模块化系统让用户能够在控制柜中安装所需数量的 Ethernet-APL 通道，从而节省宝贵的空间，并实现应用的灵活扩展。
ELX6233 的可扩展性为在小型测试装置和大型过程装置中集成 Ethernet-APL 现场设备提供了高效的解决方案。作为 EtherCAT 端子模块系统的一部分，ELX6233 可以与其它数字量和模拟量 I/O 结合使用，因此除了 Ethernet-APL 之外，还可以集成标准电气信号或通信协议。CX 嵌入式控制器的直接连接也带来了很多优势，例如，NOA 应用可以处理来自现场设备的数据，并在过滤完这些数据后进行进一步共享。
与倍福产品系列中的很多 EtherCAT 端子模块一样，ELX6233 也可以安装在防爆区 2 区，并允许连接防爆区 0 区的 Ethernet-APL 现场设备。接口符合 IEC 60079-47 标准，并遵循 SPAA 端口规范。
由于采用了端到端以太网通信，Ethernet-APL 会在 IT 和 OT 安全方面带来进一步挑战。与很多 PROFINET 架构不同，控制器直接集成在 EtherCAT 端子模块中，而不是上一级控制器中。这种设计让用户能够灵活选择通过端子模块对所有数据流量进行精细过滤，并轻松安装防火墙以增强系统安全性。相较于现场交换机，端子模块还能减少未经授权访问流程数据的风险。这种架构在提升应用性能方面也带来了更多的优势。与传感器建立的点对点直接连接机制，有效规避了因不必要交叉流量引发的网络过载风险，而这一举措正是针对传统 PROFINET 网络中普遍存在的这一难题所做出的优化。与其它现场总线相比，EtherCAT 能够显著压缩过程数据的大小，进而缩短系统周期时间。
TwinCAT MTP 助力实现一致性、模块化的系统
流程工业的许多领域，例如制药业，正面临着一个新的挑战，即市场的波动性越来越大。企业必须缩短产品研发周期，加快新产品上市时间，并且具备小批量经济地进行定制化生产的能力。
模块化过程装置解决方案日益受到青睐，其优势在于能够灵活地将模块重复用于多种不同的应用目的。它涉及到将设备的整个过程分解为各个子过程，并使用模块进行映射。通过为每个模块配备独立的分布式控制器，实现完全的模块化设计。之后，通过将这些模块集成到更高级别的控制系统（如 DCS）中，就可以重新映射整个生产过程。因此，开发工作的重点可以从以过程装置为中心转移到以模块为中心，从而可以根据当前的应用需求轻松、灵活地对装置进行调整。这样就可以在装置中添加额外的模块，并根据需要重新排列或删除现有模块。在进行类似修改时，不再需要完全重新编程装置，因为大部分逻辑都存在于各个模块中。上一级控制器只是协调模块及它们所提供的服务，这就是为什么它被描述为流程编制层（POL）。
“MTP（模块类型包）方案的模块化设计彻底革新了过程装置的构造方式，具有上市速度快、灵活性更强、小批量经济生产等优势。MTP 的标准化接口极大地简化了专用模块到流程编制层的即插即用集成过程，确保了各模块间的无缝协同工作。TwinCAT MTP 提供了一个通过自动生成代码来轻松开发模块的环境。这种方法极大地降低了对深入掌握规范细节的依赖。在实际应用中，它简化了模块开发工作，并使流程工业领域中的专业人员能够高效、便捷地利用模块设计化带来的优势。”– Laurids Beckhoff，倍福流程工业部门
在实际应用中，这个概念是按照一个独立于厂商的过程模块描述标准实现的：模块类型包（MTP）。由 NAMUR 和 ZVEI 发起开发的MTP 包含了将特定过程模块集成到模块化过程设备中所需的所有信息，包括其功能（以服务形式）、通信规范和 HMI 模板。MTP 标准中定义的接口可以实现即插即用操作，尽可能减少重复使用过程装置的工作量和成本。因此模块只需开发一次，即可无缝集成到其它过程装置中，这一过程完全不受控制器厂商与 POL 的限制。
MTP 被公认为是工业领域数字化转型中不可或缺的组成部分。业界普遍达成共识，使用 MTP 技术将显著提升过程装置的关键绩效指标。据专家预测，引入 MTP 技术后，产品上市时间有望缩短一半，工程成本可降低 70%，灵活性可提高 80%。
总结
借助 NAMUR 开放式架构和 PA-DIM 技术，流程工业为在上一级分析工具中实现对不同系统结构的标准化和结构化映射奠定了坚实的基础。这意味着现有过程装置能够立即实现数字化转型，享受包括显著降低维护成本在内的诸多好处。独立于 NOA 构建如 PA-DIM 这样的标准化数据模型无疑也将成为未来一个极具吸引力的议题。例如，系统的不同部分可以整合在网关应用程序中，并以定义好的信息模型方式传输给 DCS。因此，DCS 将不再受限于传感器的过程数据，使得现场设备能够在不同的制造商之间无缝交换。此外，通过分布式部署控制回路，可以有效减轻 DCS 的负荷，并显著降低数据通信量。
MTP 方案中也采用了类似的方法，其中，过程装置采用模块化结构。每个模块都配备了自己的控制器，它通过标准化的接口描述集成到自动化架构中。这使得 MTP 能够依据市场需求的变化改变所使用的模块，灵活调整生产流程。当系统发生故障时，也可以快速、轻松地更换单个模块，从而减少设备停机时间。
在将 Ethernet-APL 集成到倍福产品系列中时，也继续采用了模块化方法。我们摒弃了传统的大型现场交换机，而是采用紧凑型 EtherCAT 端子模块集成 APL 现场设备。这些端子模块可与其它端子模块灵活组合，例如用于与数字传感器通信。与控制器的直接集成也为网关或边缘应用开辟了更多可能性。在倍福的支持下，Ethernet-APL 和 NOA 已成功实现了无缝融合。
“提升过程装置的可靠性、效率与灵活性是实现装置最优化运行的关键。这需要创新的数字技术。即便是在错综复杂的过程装置中，现场设备数据也必须快速且完整地传输，确保实现无缝监控和持续的过程优化。系统还可以采用模块化设计，以便企业能够灵活应对不断变化的市场需求。通过倍福基于 PC 的控制技术以及我们针对 NOA、Ethernet-APL 和 MTP 精心打造的产品和解决方案，您不仅能够轻松应对各项要求，还能实现过程装置的自动化，确保其在未来发展中保持领先地位。”– Franziska Rostan，倍福流程工业部门