簡(jiǎn)化自動(dòng)化設(shè)備的使用和連接——全集成自動(dòng)化軟件

作者 |?John DeTellem, Siemens

在工業(yè)4.0 時(shí)代，為了維持高效運(yùn)營(yíng)，標(biāo)準(zhǔn)化、跨平臺(tái)通信、有效的仿真和其它先進(jìn)自動(dòng)化工具，比以往任何時(shí)候都更為關(guān)鍵。

在工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)中，數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，越來越多的終端用戶開始質(zhì)疑自動(dòng)化設(shè)備的傳統(tǒng)局限性，并尋求提高可用性的解決方案。幾乎每個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）程序員，都經(jīng)歷過令人沮喪的軟件和固件版本不匹配、混亂的狀態(tài)位指示和其它令人頭痛的問題。

供應(yīng)商之間不兼容的通信協(xié)議和編程庫，也持續(xù)困擾著該行業(yè)。由于大量數(shù)據(jù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)，與云端通訊往來，人們比以往任何時(shí)候都更需要簡(jiǎn)化自動(dòng)化設(shè)備的使用和連接。

通過正確地集成軟、硬件套件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，企業(yè)可以獲得以下好處：

? 系統(tǒng)和過程診斷

??可復(fù)用的邏輯庫

??跨設(shè)備工程工具集

??長(zhǎng)期可維護(hù)性和版本兼容性

??數(shù)字孿生與仿真

系統(tǒng)與過程診斷

在許多自動(dòng)化系統(tǒng)中，運(yùn)行人員對(duì)指示基本設(shè)備狀態(tài)（如斷線、短路、電源故障、通信故障和緩沖區(qū)溢出）的系統(tǒng)診斷時(shí)常表示懷疑。這種質(zhì)疑不一定是因?yàn)橛布豢煽?，更常見的原因可能是設(shè)施內(nèi)的不同機(jī)器，容易誤解診斷報(bào)警或未實(shí)現(xiàn)報(bào)警的標(biāo)準(zhǔn)化。這些診斷通常是手動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)的，并因程序員而異。

用戶可以通過配置具有可靠、一致的系統(tǒng)診斷功能的商用軟件和硬件來避免這個(gè)問題。這是原始設(shè)備制造商（OEM）的一個(gè)賣點(diǎn)，為其提供可以簡(jiǎn)化運(yùn)營(yíng)和減少終端用戶停機(jī)時(shí)間的能力。此外，OPC UA協(xié)議的最新進(jìn)展支持跨平臺(tái)傳輸系統(tǒng)診斷，而無需定制編程。

除了系統(tǒng)診斷之外，將過程診斷集成到標(biāo)準(zhǔn)PLC代碼塊中也很重要，過程診斷可以提醒運(yùn)行人員過程或設(shè)備運(yùn)營(yíng)中的問題。與零散的編程和標(biāo)記映射相比，這提高了可靠性，使設(shè)備操作更容易。

PLC 和HMI 的可復(fù)用邏輯庫

在許多自動(dòng)化環(huán)境中，包含具有各種功能和不同規(guī)格的PLC 和人機(jī)界面（HMI）。在實(shí)施多個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品時(shí)，開發(fā)人員經(jīng)常會(huì)遇到庫不兼容的問題，導(dǎo)致不得不在多個(gè)編程環(huán)境中重新編寫相似的代碼塊。即使是同一個(gè)設(shè)備制造商，供應(yīng)商也經(jīng)常提供不同的軟件來為其不同產(chǎn)品編程。這使得導(dǎo)出或復(fù)用可編程功能塊變得困難或不切實(shí)際。

即使在PLC 和HMI 編程模板可以重復(fù)使用的情況下， 一些軟件環(huán)境也不支持在線編輯。這就意味著當(dāng)更新、打補(bǔ)丁和改進(jìn)編程的時(shí)候需要停機(jī)，而且這會(huì)給程序員帶來額外的壓力，需要他們?cè)谟邢薜恼{(diào)試時(shí)間內(nèi)快速完成編輯任務(wù)。

通過集成項(xiàng)目組合，使用標(biāo)準(zhǔn)的編程和設(shè)備來消除這些限制，從而使不同項(xiàng)目間的復(fù)用更容易（圖1）。此外， 標(biāo)準(zhǔn)化使項(xiàng)目擴(kuò)展更簡(jiǎn)單。

▎圖1： 簡(jiǎn)化了自動(dòng)化系統(tǒng)管理，將所有組件和現(xiàn)代產(chǎn)品系列的配置和編程整合到一個(gè)軟件框架中。

除了快速開發(fā)之外，代碼復(fù)用還可以減少經(jīng)測(cè)試的代碼塊出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)使用通常只需要最少的測(cè)試（如果有的話）。隨著時(shí)間的推移，企業(yè)可以建立完整的PLC 和HMI 編程標(biāo)準(zhǔn)庫，簡(jiǎn)化和加快開發(fā)、調(diào)試和測(cè)試。

跨設(shè)備的自動(dòng)化工程工具集

在工廠車間和控制室中有大量的自動(dòng)化設(shè)備，由于連接和配置每個(gè)設(shè)備所需的軟件應(yīng)用不同，因此很難管理和更新編程例程?，F(xiàn)代集成自動(dòng)化軟件套件提供了一個(gè)管理中心，可以管理多種類型的兼容硬件，如PLC、HMI、遠(yuǎn)程輸入/輸出（I/O）、驅(qū)動(dòng)控制器、安全控制器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員和維護(hù)人員，至少經(jīng)歷過一次：在將工廠維護(hù)筆記本電腦連接到有問題的控制器上進(jìn)行故障診斷時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)沒有安裝所需的PC軟件。設(shè)備停機(jī)所需的停機(jī)時(shí)間，可以通過簡(jiǎn)化軟件環(huán)境來減少，也可以通過選擇在具有共享軟件生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)備上標(biāo)準(zhǔn)化所有配置和編程來減少。

這種統(tǒng)一的方法，將PLC、HMI、I/O、安全、運(yùn)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)組件整合到一個(gè)通用的軟件框架中，使自動(dòng)化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化更容易實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建了直觀的以系統(tǒng)為中心的方法，以取代復(fù)雜的、設(shè)備專用的培訓(xùn)方案。

工業(yè)軟件的長(zhǎng)期可維護(hù)性和版本兼容性

另一個(gè)設(shè)備維護(hù)陷阱，涉及軟件和固件版本的依賴性， 這可能會(huì)導(dǎo)致混亂和停機(jī)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。應(yīng)對(duì)復(fù)雜的依賴關(guān)系，開發(fā)人員必須將重點(diǎn)放在將程序安裝到兼容版本框架中，以滿足供應(yīng)商的需求，這樣他們往往需要從流程邏輯上分心。

可以使用的編程指令，有時(shí)會(huì)受到軟件和固件版本的限制。在設(shè)備更換過程中，意外的版本不兼容會(huì)帶來麻煩，因?yàn)樗鼈儠?huì)延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間。

為了預(yù)防這些問題，用戶應(yīng)考慮采用支持跨版本兼容的自動(dòng)化設(shè)備，配置可編程的固件和IP 尋址功能， 以匹配生態(tài)系統(tǒng)（圖2）。在軟件升級(jí)期間，這為用戶提供繼續(xù)使用先前版本編程塊的能力，減少了重新設(shè)計(jì)和配置設(shè)備以及編寫代碼庫的需求。

▎圖2：西門子提供本機(jī)兼容模式，不同固件版本的設(shè)備可以一起運(yùn)行，并使用相同的軟件編程。

在處理故障設(shè)備時(shí)兼容性很重要，因?yàn)闊o論與故障組件相關(guān)的固件和軟件版本如何，都可以在線更換。此外，一些現(xiàn)代控制器支持設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)卡（保存最新的程序配置），只需在故障控制器上插入存儲(chǔ)卡，即可恢復(fù)設(shè)備程序。

?數(shù)字化孿生技術(shù)和PLC仿真軟件?

最新的軟、硬件配置了擴(kuò)展仿真工具集。傳統(tǒng)的項(xiàng)目生命周期要求自動(dòng)化編程團(tuán)隊(duì)盡早訂購(gòu)PLC硬件，并等待設(shè)備到貨，以便開始重要的開發(fā)。他們打開自動(dòng)化組件的包裝，將其掛在辦公桌上，然后開始編程。

即使PLC包含仿真軟件，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)仍然經(jīng)常遵循這一傳統(tǒng)路線，因?yàn)榉抡婀ぞ咄y以訪問、容易被誤解或難于使用?，F(xiàn)代控制器提供了增強(qiáng)的仿真體驗(yàn)，將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來，使工程師能夠在零件可用之前，就能設(shè)計(jì)和測(cè)試自動(dòng)化設(shè)備。

將PLC和HMI仿真與數(shù)字孿生技術(shù)相連接，工程師可以在物理調(diào)試和運(yùn)營(yíng)之前，實(shí)現(xiàn)工廠配置的可視化。他們還可以將這些工具用于投標(biāo)和移動(dòng)演示，或作為初始階段的操作員培訓(xùn)。

用戶還應(yīng)該尋找具有開放通信協(xié)議的自動(dòng)化設(shè)備，提供與其它供應(yīng)商產(chǎn)品進(jìn)行本機(jī)集成的能力。工廠車間邊緣的硬件在現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸和處理中起著重要作用。這些邊緣設(shè)備包括大量邊緣應(yīng)用程序來執(zhí)行數(shù)據(jù)交換和處理（圖3）。

▎圖 3：西門子工業(yè)邊緣產(chǎn)品組合，包括大量現(xiàn)成的邊緣應(yīng)用和連接選項(xiàng)庫。

這些應(yīng)用程序可以通過企業(yè)內(nèi)部部署的中央系統(tǒng)或云進(jìn)行管理。在云部署中，邊緣應(yīng)用可以與云應(yīng)用集成， 用于控制、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警和其它任務(wù)， 并將人工智能帶到工廠車間，以獲得生產(chǎn)優(yōu)化所需的見解。

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，自動(dòng)化設(shè)備的安全性也必須達(dá)到現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)。許多PLC 和其它自動(dòng)化設(shè)備，在歷史上都缺乏安全規(guī)范，或者默認(rèn)情況下固有安全功能被禁用，并由用戶自主選擇添加。如今已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。默認(rèn)情況下，這些保護(hù)措施是啟用的。如有必要，可以移除網(wǎng)絡(luò)安全層，但自動(dòng)化供應(yīng)商不建議這樣做，因?yàn)獒槍?duì)制造商運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）的攻擊在不斷增加。

保護(hù)數(shù)字化企業(yè)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊需要一種更全面的方法。現(xiàn)代集成自動(dòng)化套件可幫助管理員管理整個(gè)企業(yè)中設(shè)備上的安全功能和設(shè)置。企業(yè)應(yīng)確保其設(shè)備的安全功能符合全球領(lǐng)先的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 62443。

?升級(jí)后的水處理系統(tǒng)?

配置了過時(shí)的供水/廢水處理系統(tǒng)的市政企業(yè)，缺乏可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化和運(yùn)營(yíng)可視性。在檢測(cè)到故障之前，設(shè)備可能已經(jīng)出現(xiàn)故障幾個(gè)小時(shí)了。通過升級(jí)自動(dòng)化軟、硬件，并將集成自動(dòng)化套件標(biāo)準(zhǔn)化，市政企業(yè)可以更好地了解其基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)（圖4），利用數(shù)據(jù)分析提高運(yùn)營(yíng)效率，并為水處理和分配編制可靠的過程自動(dòng)化解決方案。

▎圖4：西門子 TIA Portal 中的內(nèi)置儀表板和可視化組件可提高操作員的態(tài)勢(shì)感知，從而改善決策和效率。

該企業(yè)安裝了HMI、PLC、變頻器和RFID通信設(shè)備。中央監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）軟件與內(nèi)置的、基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)組件診斷相結(jié)合，提高運(yùn)營(yíng)的可視性，并有助于更快地解決問題，程序員利用該軟件的原生組件創(chuàng)建了儀表板，以便一目了然地查看系統(tǒng)狀態(tài)。?

?緩解自動(dòng)化組件痛點(diǎn)的5個(gè)建議?

通過大量的迭代和改進(jìn)，自動(dòng)化組件比過去更容易部署和維護(hù)。制造企業(yè)可以通過評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)化部件，來緩解或減少本文中討論的常見痛點(diǎn)，從而提高整體設(shè)備效率。以下是有助于緩解自動(dòng)化軟件和硬件痛點(diǎn)的5 個(gè)建議：?

? 確保統(tǒng)一、可靠的系統(tǒng)和過程診斷

??利用可重復(fù)使用的功能塊，實(shí)現(xiàn)編程一致性，在編程實(shí)踐中封裝診斷

??盡可能整合跨設(shè)備工程工具集

??隨著時(shí)間的推移，通過版本兼容來改進(jìn)設(shè)備維護(hù)，以支持輕松的程序遷移和快速的停機(jī)恢復(fù)

??提供現(xiàn)代數(shù)字功能，如模擬和虛擬調(diào)試、內(nèi)置設(shè)備安全性、邊緣和云連接以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的性能洞察力

這些重要的組件為設(shè)施提供了基本工具，以便在未來數(shù)年內(nèi)高效地運(yùn)行自動(dòng)化。這些重要的構(gòu)建塊為設(shè)施提供了基本工具，使其能夠在未來數(shù)年內(nèi)高效且有益地運(yùn)行其自動(dòng)化系統(tǒng)。

關(guān)鍵概念：?

■ 通過數(shù)字孿生、云和VR技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化集成軟、硬件套件，可以幫助制造商獲得數(shù)據(jù)洞察，減少痛點(diǎn)。?

■ 將PLC和HMI仿真與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合起來，使工程師能夠可視化工廠設(shè)置。