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NAMUR 開放式架構(gòu)（NOA）
過程分析技術（PAT）在化工行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。例如，為了提高效率并從傳統(tǒng)的基于時間的定期維護轉(zhuǎn)變?yōu)榛跔顟B(tài)的優(yōu)化維護，拜耳集團采用了先進的 NOA 方案，即在不改變現(xiàn)有控制技術的情況下，通過倍福的 CX8110 嵌入式控制器、EL3182 EtherCAT HART 端子模塊和 TwinCAT OPC UA 服務器無縫集成緊湊型邊緣設備來實現(xiàn)這一目標。
由嵌入式控制器、HART 端子模塊
和 OPC UA 服務器組合打造的緊湊型 NOA 邊緣設備
拜耳是一家在醫(yī)療保健和營養(yǎng)生命科學領域擁有核心競爭力的國際知名企業(yè)。公司致力于通過產(chǎn)品和服務，幫助人們克服全球人口不斷增長和老齡化帶來的重大挑戰(zhàn)，造福人類和地球繁榮發(fā)展。拜耳目前在多馬根化工園區(qū)（Chempark Dormagen）建有一家生物制劑工廠和六家生產(chǎn)活性藥物成分的工廠，約有 1230 名員工在園區(qū)工作。拜耳在該生產(chǎn)基地生產(chǎn)的產(chǎn)品主要包括殺菌劑、除草劑和殺蟲劑使用的 35 種活性成分和 10 種有機中間體，著名產(chǎn)品品牌有殺菌劑 Luna、除草劑 Laudis 和殺蟲劑 Movento。
項目團隊：拜耳生產(chǎn)計劃工程師 Roger Rossmann 博士（中）與來自倍福流程工業(yè)部門的 Lennart Winkler（左）和 Sebastian Böse（右）
通過現(xiàn)場設備監(jiān)控嚴把產(chǎn)品質(zhì)量關
在生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)進行適當?shù)臏y評是確保產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。借助過程分析技術 (PAT) 可以在生產(chǎn)過程中實時在線測評產(chǎn)品質(zhì)量，直接向生產(chǎn)操作人員提供進一步過程控制相關的反饋信息。在這種情況下，傳統(tǒng)的分析質(zhì)量測量方法采用的是介質(zhì) pH 值測定法。
由于 PAT 在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用，因此確保其正常運行尤為重要。因此，化工行業(yè)在過去已經(jīng)建立了 PAT 預防性維護機制，通常采用基于時間的定期維護計劃。大量的 PAT 設備可同時提供大量的狀態(tài)信息，但這些信息目前在很大程度上仍未得到充分利用。這是因為狀態(tài)信息沒有進行標準化處理，需要完成大量的數(shù)據(jù)編譯前期準備工作。換句話說，借助標準化的狀態(tài)信息，就有機會將基于時間的定期維護轉(zhuǎn)變?yōu)榛跔顟B(tài)的優(yōu)化維護，從而進一步提高 PAT 的運行效率。
倍福 CX8110 嵌入式控制器后插接了 EL3182 EtherCAT 模擬量輸入端子模塊，以連接 HART 現(xiàn)場設備
NOA 可為已有過程裝置帶來優(yōu)勢
從現(xiàn)場設備中提取更多的實時數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息是一項特殊的挑戰(zhàn)，尤其是在已有的過程裝置中。目前，現(xiàn)有的自動化結(jié)構(gòu)幾乎只能記錄與過程控制相關的測量數(shù)據(jù)，并不打算通過集成新技術來改變。這也是流程工業(yè)自動化技術用戶協(xié)會（NAMUR）開發(fā) NAMUR 開放式架構(gòu)（NOA）的初衷。NAMUR 推薦性規(guī)范 NE 175 中描述的方案在不改變現(xiàn)有控制系統(tǒng)的情況下擴展自動化架構(gòu)。因此，NOA 的核心任務是提供從現(xiàn)場層到更高層級應用的信息，以監(jiān)測現(xiàn)場設備和優(yōu)化過程裝置（監(jiān)測和優(yōu)化 — M+O）。現(xiàn)場傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型取決于所使用的現(xiàn)場設備和具體的分析工具。重點是要包含設備狀態(tài)或過程質(zhì)量信息的循環(huán)參數(shù)。
過程自動化領域涉及到的協(xié)議和通信技術種類非常多。倍福項目團隊（由拜耳生產(chǎn)計劃工程師 Roger Rossmann 博士、來自倍福流程工業(yè)部門的 Lennart Winkler 和 Sebastian Böse 組成）決定使用 HART 協(xié)議初步實現(xiàn)拜耳的 NOA 方案。這個決定為項目帶來了三大明顯優(yōu)勢：
協(xié)議應用范圍廣泛，因此被不同制造商的很多現(xiàn)場設備所使用
在實際的 4-20 mA 測量值上疊加數(shù)字信號，可以傳輸更多數(shù)據(jù)，例如現(xiàn)場設備的狀態(tài)信息
通過特殊的饋電隔離器（已成為很多過程裝置自動化結(jié)構(gòu)的一部分），可以輕松打開第二個通道。這意味著與現(xiàn)場設備的連接被分為 4-20 mA 信號、HART 通信和電源電壓，因此，與過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)有連接不會被中斷。相應的數(shù)據(jù)可通過第二通道接收，并用于 M+O
借助倍福的 EL3182 EtherCAT 模擬量輸入端子模塊可以在非常緊湊的安裝空間內(nèi)通過 HART 協(xié)議連接兩臺現(xiàn)場設備。嵌入式控制器（如 CX8110）和 TwinCAT 自動化軟件相結(jié)合，無需專門開發(fā)硬件，即可構(gòu)建一個模塊化、可擴展的邊緣設備。其功能可分為三個部分：
通過 HART 協(xié)議接收實時數(shù)據(jù)
轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
為上一級分析工具提供信息
必須由邊緣設備發(fā)送命令，才能通過 HART 協(xié)議讀取實時數(shù)據(jù)。待讀出的數(shù)據(jù)以及將這些數(shù)據(jù)存儲在現(xiàn)場設備中的命令取決于具體的設備類型（pH 值、氧氣、溫度等）和制造商。倍福為此開發(fā)了一個用于存儲讀取實時數(shù)據(jù)所需信息的數(shù)據(jù)庫。相應的文件會被讀入 TwinCAT，從而實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫中存儲的所有現(xiàn)場設備的通信。如果有一臺現(xiàn)場設備連接到了邊緣設備，就會自動檢測到該設備，并發(fā)送相應的 HART 命令，然后使用存儲的轉(zhuǎn)換表和 TwinCAT 功能對接收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。
此時存儲在 PLC 中的實時數(shù)據(jù)必須能夠提供用于下一個步驟中的進一步分析。因此，NAMUR 推薦使用 OPC UA。倍福產(chǎn)品系列種類豐富，包括 TwinCAT OPC UA 服務器。它以存儲的信息模型為基礎，直接填充 PLC 中的實時數(shù)據(jù)。該信息模型基于過程自動化設備信息模型（PA-DIM），并通過 PAT 現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)進行擴展。此外，用戶也可以定制該信息模型，以包含更多參數(shù)。可以根據(jù)檢測到的現(xiàn)場設備類型自動移除或添加每個 OPC UA 節(jié)點。
由于嵌入式控制器和 EtherCAT 端子模塊組成的解決方案非常緊湊，因此 NOA 方案也可在安裝空間極小的系統(tǒng)中實施。
解決方案易于實施
Roger Rossmann 博士認為，倍福解決方案具有易于實施的特點。他還表示：“用于獲取標準化生命周期數(shù)據(jù)的庫管理方法不僅是開放式的，而且倍福正在對其進行進一步的開發(fā)。從長遠來看，倍福解決方案的優(yōu)勢還包括它能夠自動檢測現(xiàn)場設備的變化，即無需重新進行參數(shù)設置。最值得一提的是，邊緣設備易于擴展，因此可以在已有項目中持續(xù)進行擴展。防爆 I/O 端子模塊產(chǎn)品系列還允許在符合防爆要求的情況下，使用現(xiàn)場設備的第二個輸出端采集 HART 信息。”
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