模塊類(lèi)型包（MTP）在流程工業(yè)中的應用日益廣泛，首批工業(yè)應用的成功實(shí)施就很好地證明了這一點(diǎn)。然而，潛在用戶(hù)面臨著(zhù)必須充分熟悉該項標準以充分利用其優(yōu)勢的挑戰。另一個(gè)問(wèn)題是，不同的應用場(chǎng)景很容易引起混淆，尤其是在已有項目中。本概述頁(yè)全面介紹了倍?；?PC 的控制技術(shù)在新項目和已有項目現場(chǎng)輕松實(shí)施模塊化過(guò)程裝置結構的多種方式。

新建項目中的 MTP 過(guò)程裝置結構

MTP 方案可以幫助用戶(hù)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(gè)獨立的過(guò)程裝置組件（PEA 或簡(jiǎn)稱(chēng)為模塊）組成，通過(guò)符合 MTP 標準，以最小的工程量實(shí)現最大的靈活性。打包的 AML 文件詳細描述了所有功能、各個(gè)控制組件、通信層面和模塊結構?？偭鞒叹幹茖樱≒OL）利用這些信息，完全獨立于制造商地自動(dòng)將模塊集成到流程中，并實(shí)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(guān)的用戶(hù)界面。唯一需要手動(dòng)處理的是功能的編制，它通常通過(guò)步驟鏈編程實(shí)現。

MTP 方案不僅適用于新建過(guò)程裝置，而且對于已有項目還具有可自動(dòng)集成到控制層的優(yōu)勢。POL 功能通常會(huì )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(guò)程裝置就能夠即插即用地將 MTP 模塊集成到流程中，從而簡(jiǎn)化擴展程序。由此產(chǎn)生的混合架構結合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并可根據需要逐步擴展。這也意味著(zhù)不再需要使用映射表進(jìn)行復雜的集成，甚至能夠不需要在 DCS 中額外開(kāi)發(fā)控制代碼。這些模塊可以獨立于控制系統進(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時(shí)間。模塊的尺寸并非固定不變，而是可以根據應用場(chǎng)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)可以在獨立于制造商的基礎上標準化使用和集成類(lèi)似于過(guò)程分析技術(shù)（PAT）中使用的精密分析儀器。集成在帶 MTP 的 DCS 系統中的邊緣設備確保集成來(lái)自不同制造商的分析儀器，無(wú)需重新配置。這是通過(guò)標準化過(guò)程自動(dòng)化現場(chǎng)設備信息模型實(shí)現的：PA-DIM。

已有項目中的 MTP 過(guò)程裝置結構

除了在過(guò)程裝置層區分新建和已有項目之外，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 模塊通常由現場(chǎng)設備、I/O、控制器構成，可能還會(huì )包含一臺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 標準。數據點(diǎn)通過(guò)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(wú)需直接更換整個(gè)模塊，從而減少相應產(chǎn)生的停機時(shí)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(jiàn)。這意味著(zhù)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(gè) 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(diǎn)，可以通過(guò) EtherCAT 熱連接或類(lèi)似技術(shù)靈活集成。也可以通過(guò) 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(zhuān)有設備，就必須在控制程序中定義并預先配置一個(gè)固定的、可兼容的 FEA 庫，以便在需要時(shí)（甚至在運行期間）連接或斷開(kāi) FEA。如果在過(guò)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(lái)說(shuō)，重要的是支持這種固有的靈活性，可以采用多種方法來(lái)實(shí)現這一目標：

每個(gè)支持的配置選項都有自己的定制化 MTP。其優(yōu)勢在于，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(lèi)的配置，FEA 可以通過(guò)專(zhuān)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前有效的 FEA 操作屏。FEA 的專(zhuān)用功能將使用額外的服務(wù)或專(zhuān)門(mén)的執行類(lèi)型（過(guò)程）進(jìn)行映射?？梢允褂面i定指示器來(lái)診斷服務(wù)或過(guò)程當前是否可執行；但這個(gè)過(guò)程可能會(huì )導致 MTP 變得過(guò)于混亂，因為必須忽略無(wú)效的元素。在目前的情況下，不同操作屏之間也沒(méi)有動(dòng)態(tài)跳轉標簽的選項，這意味著(zhù)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)用于翻新改造現有的裝置

EtherCAT 周期時(shí)間最短為 62.5 μs，AX8000 多軸伺服系統因此成為市場(chǎng)上速度最快的總線(xiàn)設備之一。這也足以滿(mǎn)足那些需要極高性能的應用場(chǎng)景，尤其是設定點(diǎn)變化速度極快的應用。分布式時(shí)鐘功能的運用可以確保實(shí)現所有軸的納秒級精確同步。每個(gè)軸模塊或軸均配備兩個(gè)高速數字量輸入，并自動(dòng)提供帶有當前位置信息和時(shí)間戳的信號。通過(guò)超采樣功能，即使在總線(xiàn)周期較慢較慢的情況下，也能確保設定點(diǎn)在當前的控制器周期內高精度、高度動(dòng)態(tài)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(chǎng)景中，最常見(jiàn)的是翻新改造現有的過(guò)程裝置，使其符合 MTP 標準。這種類(lèi)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(jiǎn)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(shí)現這一點(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(wǎng)關(guān)和現有控制器之間通常通過(guò) EtherCAT、OPC UA、PROFINET 或 ADS 接口等通信技術(shù)交換數據。例如，實(shí)驗室自動(dòng)化中現有的 LabVIEW? 控制器可通過(guò) MTP 功能擴展，且設備可通過(guò)串口集成。根據現有控制系統的性能和操作系統，網(wǎng)關(guān)也可作為虛擬化解決方案來(lái)實(shí)施。

基于 MTP 網(wǎng)關(guān)的過(guò)程裝置結構

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)傳統的 MTP 模塊結構通常包含一個(gè)控制器，通過(guò)專(zhuān)用的 OPC UA 服務(wù)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(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、現有的過(guò)程裝置結構，以及精簡(jiǎn)的部署優(yōu)勢和程序代碼維護。雖然模塊在同一個(gè)控制器上實(shí)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(guò)程裝置中或從過(guò)程裝置中移除。

基于 MTP 中樞的過(guò)程裝置結構

實(shí)現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，為每個(gè)可鎖定模塊實(shí)例化了一個(gè) PLC Runtime，在其中根據 MTP 標準實(shí)現了特定的過(guò)程邏輯，并分別導出了相關(guān)聯(lián)的 MTP 文件。通過(guò) MTP 中樞內OPC UA 服務(wù)器中的專(zhuān)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(gè)模塊。

就 POL 而言，除了模塊會(huì )共享相同的 IP 地址之外，與傳統方法相比并沒(méi)有什么區別。因此，在經(jīng)濟效益和實(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)勢是能夠互連實(shí)時(shí)系統中不同的 PLC Runtime，例如，在模塊之間實(shí)施專(zhuān)有的聯(lián)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(guò)使用靈活的 FEA 方法中的通信技術(shù)，可以在運行期間將預配置模塊連接到 MTP 中樞，而無(wú)需重新配置。像 MTP 網(wǎng)關(guān)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(guò)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(kāi)端，開(kāi)始生產(chǎn)高動(dòng)態(tài)、高品質(zhì)的伺服電機，同時(shí)創(chuàng )新性地引入了單電纜技術(shù)。在接下來(lái)的幾年里，倍福不斷拓展產(chǎn)品線(xiàn)，又研發(fā)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(dòng)式強制冷卻方案、陽(yáng)極氧化鋁外殼、用于苛刻環(huán)境條件的不銹鋼外殼，以及線(xiàn)性執行器和鐵芯直線(xiàn)電機。集成有伺服驅動(dòng)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(mǎn)足各類(lèi)應用場(chǎng)景的多樣化需求。

倍福行業(yè)專(zhuān)家  Laurids Beckhoff ，在 2024 年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )的 PNO 展臺上展示，如何使用模塊化自動(dòng)化系統構建和調整靈活的加工系統。

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