简化自动化设备的使用和连接——全集成自动化软件

作者 | John DeTellem, Siemens

在工业4.0 时代，为了维持高效运营，标准化、跨平台通信、有效的仿真和其它先进自动化工具，比以往任何时候都更为关键。

在工业自动化市场中，数字化发展趋势逐步占据主导地位，越来越多的终端用户开始质疑自动化设备的传统局限性，并寻求提高可用性的解决方案。几乎每个可编程逻辑控制器（PLC）程序员，都经历过令人沮丧的软件和固件版本不匹配、混乱的状态位指示和其它令人头痛的问题。

供应商之间不兼容的通信协议和编程库，也持续困扰着该行业。由于大量数据在工业网络中流动，与云端通讯往来，人们比以往任何时候都更需要简化自动化设备的使用和连接。

通过正确地集成软、硬件套件实现标准化，企业可以获得以下好处：

• 系统和过程诊断

• 可复用的逻辑库

• 跨设备工程工具集

• 长期可维护性和版本兼容性

• 数字孪生与仿真

系统与过程诊断

在许多自动化系统中，运行人员对指示基本设备状态（如断线、短路、电源故障、通信故障和缓冲区溢出）的系统诊断时常表示怀疑。这种质疑不一定是因为硬件不可靠，更常见的原因可能是设施内的不同机器，容易误解诊断报警或未实现报警的标准化。这些诊断通常是手动编程实现的，并因程序员而异。

用户可以通过配置具有可靠、一致的系统诊断功能的商用软件和硬件来避免这个问题。这是原始设备制造商（OEM）的一个卖点，为其提供可以简化运营和减少终端用户停机时间的能力。此外，OPC UA协议的最新进展支持跨平台传输系统诊断，而无需定制编程。

除了系统诊断之外，将过程诊断集成到标准PLC代码块中也很重要，过程诊断可以提醒运行人员过程或设备运营中的问题。与零散的编程和标记映射相比，这提高了可靠性，使设备操作更容易。

PLC 和HMI 的可复用逻辑库

在许多自动化环境中，包含具有各种功能和不同规格的PLC 和人机界面（HMI）。在实施多个供应商的产品时，开发人员经常会遇到库不兼容的问题，导致不得不在多个编程环境中重新编写相似的代码块。即使是同一个设备制造商，供应商也经常提供不同的软件来为其不同产品编程。这使得导出或复用可编程功能块变得困难或不切实际。

即使在PLC 和HMI 编程模板可以重复使用的情况下， 一些软件环境也不支持在线编辑。这就意味着当更新、打补丁和改进编程的时候需要停机，而且这会给程序员带来额外的压力，需要他们在有限的调试时间内快速完成编辑任务。

通过集成项目组合，使用标准的编程和设备来消除这些限制，从而使不同项目间的复用更容易（图1）。此外， 标准化使项目扩展更简单。

▎图1： 简化了自动化系统管理，将所有组件和现代产品系列的配置和编程整合到一个软件框架中。

除了快速开发之外，代码复用还可以减少经测试的代码块出现逻辑错误的风险。后续使用通常只需要最少的测试（如果有的话）。随着时间的推移，企业可以建立完整的PLC 和HMI 编程标准库，简化和加快开发、调试和测试。

跨设备的自动化工程工具集

在工厂车间和控制室中有大量的自动化设备，由于连接和配置每个设备所需的软件应用不同，因此很难管理和更新编程例程。现代集成自动化软件套件提供了一个管理中心，可以管理多种类型的兼容硬件，如PLC、HMI、远程输入/输出（I/O）、驱动控制器、安全控制器和网络交换机等。

大多数经验丰富的程序员和维护人员，至少经历过一次：在将工厂维护笔记本电脑连接到有问题的控制器上进行故障诊断时，却发现没有安装所需的PC软件。设备停机所需的停机时间，可以通过简化软件环境来减少，也可以通过选择在具有共享软件生态系统的设备上标准化所有配置和编程来减少。

这种统一的方法，将PLC、HMI、I/O、安全、运动和网络组件整合到一个通用的软件框架中，使自动化系统标准化更容易实现，创建了直观的以系统为中心的方法，以取代复杂的、设备专用的培训方案。

工业软件的长期可维护性和版本兼容性

另一个设备维护陷阱，涉及软件和固件版本的依赖性， 这可能会导致混乱和停机恢复时间长。应对复杂的依赖关系，开发人员必须将重点放在将程序安装到兼容版本框架中，以满足供应商的需求，这样他们往往需要从流程逻辑上分心。

可以使用的编程指令，有时会受到软件和固件版本的限制。在设备更换过程中，意外的版本不兼容会带来麻烦，因为它们会延长停机时间。

为了预防这些问题，用户应考虑采用支持跨版本兼容的自动化设备，配置可编程的固件和IP 寻址功能， 以匹配生态系统（图2）。在软件升级期间，这为用户提供继续使用先前版本编程块的能力，减少了重新设计和配置设备以及编写代码库的需求。

▎图2：西门子提供本机兼容模式，不同固件版本的设备可以一起运行，并使用相同的软件编程。

在处理故障设备时兼容性很重要，因为无论与故障组件相关的固件和软件版本如何，都可以在线更换。此外，一些现代控制器支持设备内存储卡（保存最新的程序配置），只需在故障控制器上插入存储卡，即可恢复设备程序。

 数字化孪生技术和PLC仿真软件 

最新的软、硬件配置了扩展仿真工具集。传统的项目生命周期要求自动化编程团队尽早订购PLC硬件，并等待设备到货，以便开始重要的开发。他们打开自动化组件的包装，将其挂在办公桌上，然后开始编程。

即使PLC包含仿真软件，项目团队仍然经常遵循这一传统路线，因为仿真工具往往难以访问、容易被误解或难于使用。现代控制器提供了增强的仿真体验，将虚拟世界与现实世界联系起来，使工程师能够在零件可用之前，就能设计和测试自动化设备。

将PLC和HMI仿真与数字孪生技术相连接，工程师可以在物理调试和运营之前，实现工厂配置的可视化。他们还可以将这些工具用于投标和移动演示，或作为初始阶段的操作员培训。

用户还应该寻找具有开放通信协议的自动化设备，提供与其它供应商产品进行本机集成的能力。工厂车间边缘的硬件在现代数据传输和处理中起着重要作用。这些边缘设备包括大量边缘应用程序来执行数据交换和处理（图3）。

▎图 3：西门子工业边缘产品组合，包括大量现成的边缘应用和连接选项库。

这些应用程序可以通过企业内部部署的中央系统或云进行管理。在云部署中，边缘应用可以与云应用集成， 用于控制、数据交换、数据分析、报警和其它任务， 并将人工智能带到工厂车间，以获得生产优化所需的见解。

在当今的网络环境中，自动化设备的安全性也必须达到现代标准。许多PLC 和其它自动化设备，在历史上都缺乏安全规范，或者默认情况下固有安全功能被禁用，并由用户自主选择添加。如今已经发生了翻天覆地的变化。默认情况下，这些保护措施是启用的。如有必要，可以移除网络安全层，但自动化供应商不建议这样做，因为针对制造商运营技术（OT）的攻击在不断增加。

保护数字化企业免受网络攻击需要一种更全面的方法。现代集成自动化套件可帮助管理员管理整个企业中设备上的安全功能和设置。企业应确保其设备的安全功能符合全球领先的工业网络安全标准 IEC 62443。

 升级后的水处理系统 

配置了过时的供水/废水处理系统的市政企业，缺乏可靠性、标准化和运营可视性。在检测到故障之前，设备可能已经出现故障几个小时了。通过升级自动化软、硬件，并将集成自动化套件标准化，市政企业可以更好地了解其基础设施的状态（图4），利用数据分析提高运营效率，并为水处理和分配编制可靠的过程自动化解决方案。

▎图4：西门子 TIA Portal 中的内置仪表板和可视化组件可提高操作员的态势感知，从而改善决策和效率。

该企业安装了HMI、PLC、变频器和RFID通信设备。中央监控和数据采集（SCADA）软件与内置的、基于网络的远程系统组件诊断相结合，提高运营的可视性，并有助于更快地解决问题，程序员利用该软件的原生组件创建了仪表板，以便一目了然地查看系统状态。 

 缓解自动化组件痛点的5个建议 

通过大量的迭代和改进，自动化组件比过去更容易部署和维护。制造企业可以通过评估和标准化部件，来缓解或减少本文中讨论的常见痛点，从而提高整体设备效率。以下是有助于缓解自动化软件和硬件痛点的5 个建议： 

• 确保统一、可靠的系统和过程诊断

• 利用可重复使用的功能块，实现编程一致性，在编程实践中封装诊断

• 尽可能整合跨设备工程工具集

• 随着时间的推移，通过版本兼容来改进设备维护，以支持轻松的程序迁移和快速的停机恢复

• 提供现代数字功能，如模拟和虚拟调试、内置设备安全性、边缘和云连接以及数据驱动的性能洞察力

这些重要的组件为设施提供了基本工具，以便在未来数年内高效地运行自动化。这些重要的构建块为设施提供了基本工具，使其能够在未来数年内高效且有益地运行其自动化系统。

关键概念： 

■ 通过数字孪生、云和VR技术，标准化集成软、硬件套件，可以帮助制造商获得数据洞察，减少痛点。 

■ 将PLC和HMI仿真与数字孪生技术结合起来，使工程师能够可视化工厂设置。