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宝洁公司通过以太网高级物理层APL技术让自动化更简单、更智能
来源: Jim Montague作者: Jim Montague时间:2022-07-26 14:42:34点击:1763

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在COVID-19期间,许多企业和行业缩减或关闭,但包装消费品(CPG)没有,并且经常扩大运营,因为在大流行期间,许多人在家的时间更多,需要更多的CPG产品。作为全球CPG的巨头之一,宝洁公司还需要保持并经常提高产量,以满足最近需求的增长。


“在COVID-19期间,我们通常表现良好。我们保持员工安全,继续为消费者服务,并为我们的社区做出贡献,“宝洁公司企业工程技术部电力控制和信息系统技术总监Paul Maurath说,”这意味着依靠多种类型的自动化来操作复杂的高速机器和包装设备的瓶子,盒子和袋子。


为了继续实现其性能目标,Maurath称,宝洁公司18个月前开始与其作为以太网高级物理层(APL)组织成员的供应商讨论在俄亥俄州西切斯特的公司工程技术实验室(CETL)开发以太网APL演示项目。该演示是在实验室的智能过程单元(SPC)上实现的,该单元用于研究和演示过程自动化技术。


Maurath 说: “我们计划分享我们学到的知识,包括如何应对全球供应链的挑战,以及其他用户实施以太网APL技术所需的条件。


现有过程网络的不足

Maurath解释说,他和他的宝洁同事受到启发,研究以太网APL,以提高CPG应用中现有过程仪表网络的功能。


这些网络通常是:

  • 由传统I      / O主导,这些I / O高度分布在以太网骨干上;

  • 为模拟设备提供广泛使用的HART协议,尽管它使用不多;

  • 采用分立、简单、开/关设备

  • 通常在隔离的专用网络上运行。

Maurath 说:“以太网变得越来越重要,它进一步深入网络架构,并接管分布式 I/O、各种驱动器以及复杂的多变量四线式仪器。“如今,我们拥有多达 80 台设备的 I/O 级网络,包括流量计、驱动器、远程 I/O、称重传感器和众多交换机。”

宝洁希望研究以太网APL,因为科里奥利流量计,pH变送器,雷达液位计和压力变送器等“更智能”的设备有更多的数据可以共享,更多的上层系统(如维护和数据分析)需要这些信息,它们都需要更有效的网络来做到这一点。同样,许多分立器件(如开/关阀)都与 IO-Link (io-link.com) 现场设备协议联网,并提供更多数据。

“然而,这些关键的过程行业需求并没有被主流的、基于IT的以太网技术所满足,”Maurath说。“我们已经看到由通信故障引起的随机关机,这些故障可以追溯到以太网电缆问题,例如电缆弯曲得太紧。我们需要不那么脆弱的布线,更长距离的布线,不必是光纤,以及可以更好地为环路供电设备和电气分类区域提供服务的电线。


APL技术来“拯救”

由于以太网 APL 是作为单对、双线、本质安全标准开发的,因此可以满足过程工业对双绞线布线、电气分类和危险区域的可部署性、更长的距离、更易于处理的技术、用于恶劣条件的连接器以及环路供电设备的要求。Ethernet-APL 基于 IEEE 802.3cg-2019 for 10BASE-T1L、IEC 60079 和 IEC61158 标准,独立于通信协议。


这些功能使宝洁及其合作伙伴能够在CETL中的智能过程单元上为其以太网APL演示设计架构,了解实施和维护以太网APL所需的内容,并评估其对公司的潜在好处。SPC演示的设备包括四个375至500 kg的储罐,六个带流量计的泵,以及三个执行连续和批量操作的装置。它以水作为工艺流体运行,并且完全独立且远程操作,因此用户可以在办公桌上甚至在家工作时检查水。


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图 1:在俄亥俄州西切斯特的宝洁 CET 实验室,智能过程单元 (SPC) 上的以太网 APL 演示包括四个 375 至 500 kg 的储罐、6个带流量计的泵以及3个执行连续和批量操作的装置。它以水为工艺流体,完全独立且远程操作。SPC已经具有控制器,HMI和服务器,历史库,批处理服务器,工程站,传统和远程I / O以及变频驱动器。其新产品主要包括APL现场开关和更多IO-Link设备,可以引入额外的雷达液位,压力和温度模块。资料来源:ODVA和P&G。


Maurath补充说,宝洁还想使用演示来了解:

· 以太网APL交换机和仪器的基本安装和布线;

· 仪器配置和更换;

· 网络和交换机的配置和管理;

· 来自多个供应商的开关和仪器之间的互操作性;

· 与HART相比,仪器更新速率和更快通信的影响;

· 访问多个变量和诊断信息;

· 从四线制元件转换为双线制时,更高功率可用性的潜在影响;

· 将以太网 APL 与其他协议(如 4-20 mA HART 和      IO-Link)进行比较。


Maurath 说:“几年前,我们做了一个类似的演示项目来评估基金会现场总线FF,我们进行了实际构建,但得出的结论是,它不适合我们的流程。“与HART相比,APL具有吸引力,因为它的速度更快。另外,虽然目前的以太网APL标准无法实现,但我们希望通过从四线设备转换为双线以太网来获得更大的功率,我们正在向我们的供应商寻求帮助。以太网APL还可以与4-20 mA HART和IO-Link进行交互。例如,如果我们试图从雷达液位发射器获得回波曲线,HART需要很长时间才能获得该曲线,但使用APL要快得多。


虽然SPC的大部分自动化网络与2019年相同,但实施以太网APL意味着部署几个新组件。SPC已经具有控制器,HMI和服务器,历史库,批处理服务器,工程站,传统和远程I / O以及变频驱动器。其新产品主要包括带有APL液位,压力和温度传感器的APL现场开关。同时,系统中还添加了几个额外的IO-Link设备(图1)。


Maurath说:“SPC已经拥有几台使用以太网/IP的科里奥利流量计,APL测试增加了几台使用APL物理层的新的以太网/IP设备。“我们发现,在 APL 的初始台式测试中,最大的障碍是分配互联网协议 (IP) 地址。在初始测试期间,我们'砖砌'了三个原型设备,无法再与它们通信,因此我们将它们发回给制造商。


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图 2:宝洁的智能过程单元已经具有控制器、HMI 和服务器、历史库、批处理服务器、工程站、传统和远程 I/O 以及变频驱动器。其新产品主要包括以太网APL现场交换机和更多IO-Link设备,这些设备可以引入额外的雷达液位,压力和温度模块。资料来源:ODVA和P&G。


智能单页演示结果

Maurath报告说,SPC上的现场测试包括直接布线,更换4-20 mA HART仪器,以及多个IO-Link设备的并行测试。“我们发现以太网APL对控制器完全'不可见',网络上的设备看起来像任何其他EtherNet / IP设备,”Maurath说。“我们了解到布线非常可靠。而且,总的来说,到目前为止,我们对以太网APL的结果感到满意。


Maurath补充说,宝洁公司对以太网APL交换机和仪器之间的安装和布线以及来自不同供应商的组件之间的互操作性所学到的知识感到满意。它也对访问多个变量和诊断信息感到满意。它一直在使用的原型设备还没有真正的完整的以太网/ IP设备,但Maurath相信他们的问题将得到解决。


“当我们将EtherNet/IP放在网络顶部时,我们无法始终获得所需的访问权限,因此有时我们必须使用笔记本电脑连接到本地子网,并使用特定的HART IP连接。然而,这些设备中有许多是原型,因此它们的问题可能会在以后得到解决,“Maurath解释说。“作为我们演示项目的结果,我最大的要求是'帮助我们管理复杂性'。"


需要有关复杂性的帮助

宝洁公司的以太网APL的SPC演示也揭示了该协议及其开发人员面临的一些额外的挑战和任务。


例如,在现场更换4-20 mA HART压力变送器时,旧的压力变送器被移除,新的压力变送器被连接。同时,应用程序/控制器失去与旧发射器的连接,获得与新发射器的有效连接,检查缩放并开始从中获取有效信号。“一旦控制器看到新设备并检查缩放比例,就可以在新变送器中设置变量,并且可以在短时间内备份该过程,”Maurath补充道。“最重要的是,E&I技术可以使用现有工具完成所有这些工作,并且知道新设备可能有效。


但是,更换智能压力变送器或其他连接到EtherNet/IP或IO-Link并通过Ether-Link进行通信的设备仍然意味着移除旧设备并连接新设备。

但是,它的通信也必须配置,这意味着要回答几个新问题:

· 新设备如何通信?

· 其新的配置文件是否可用?

· 是否必须重新启动或重新加载控制器才能到达新设备?

· 新设备的数据结构是否相同,或者是否必须更改应用程序代码?

· 完成这些任务并恢复流程需要多长时间?


“要添加或替换智能设备,用户必须配置通信并执行许多其他步骤,例如添加IP地址,或者找出他们是否需要新的配置文件或EDS,并且他们无法真正确定它有效,直到他们这样做,”Maurath解释说。“如果存储中有新设备,它可以使用相同的固件,还是需要修订?或者,它需要什么级别的更改才能到达控制器?在固件版本中是否更改了密钥变量的名称?而且,E&I技术人员需要什么技能来完成这些安装并完成这些配置,以便他们可以启动并运行?”


同样,如果E&I技术人员在凌晨3点。宝洁公司的周日班次在常规的4-20 mA设备方面存在问题,他们可以做很多事情来使用通常的手动工具,数字电压表(DVM)和HART通信来处理它。但是,如果他们使用智能设备,他们可能必须处理他们今天没有准备好的项目,包括新的和更复杂的技术,如BootP或动态主机配置协议(DHCP)等Internet协议,IO-Link的I / O设备描述,电气数据表(EDS),设备配置文件,固件修订和数据模型。


“需要多长时间才能让具有合适技能的人来修复系统?”Maurath问道。“如果我必须打电话给系统集成商工程师,而他们直到周一早上才有空,工厂经理会非常不高兴。


减少配置混乱

Maurath报告说,宝洁和其他最终用户在通信方面需要帮助,特别是IP地址分配,其中包括如何处理DHCP,BootP,本地显示器,dip开关和选择轮。他们还需要EDS,I / O设备描述(IODD)以及其他配置文件和驱动程序的帮助,并且更容易更换“同类”组件。“分配IP地址是一件痛苦的事情,但对于E&I技术人员来说,凌晨3点的班次更是一个问题,”他解释说。“他们可能有一台笔记本电脑,但如果它没有新设备所需的文件,他们就会死在水中。它必须比现在更容易导入文件并让它们存在于控制器中。


Maurath报告说,配置智能变送器和其他设备也令人困惑,因为有很多方法和地方可以做到这一点,例如在本地显示器,现场通信器,控制器编程软件,资产管理系统或基于Web的界面上。“它们都显示相同的信息吗?今天不行。那么谁有主副本呢?“Maurath问道。“控制器没有简单的方法来上传现场设备的配置。因此,如果技术人员向设备添加过滤器,则主控制器可能会在以后出现并清除这些更改。


“我们在宝洁公司有很多雾计算,包括本地、虚拟机服务器或堆栈,因此我们意识到要转向云计算,以及使用不同协议的更少以控制器为中心的应用程序,”Maurath补充道。“智能设备正在使我们的世界复杂化,因此对我们来说,制定标准至关重要,这些标准允许它们一起工作,尽管它们的字母表协议很丰富。市场将决定哪些标准会成功,但我们仍然需要更简单的功能性技术,随着时间的推移,这些技术更容易实施、维护和迁移。


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