在很多應(yīng)用領(lǐng)域，制造企業(yè)和工廠需要一套內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)其自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件的最佳實(shí)踐。這些標(biāo)準(zhǔn)有助于確保軟硬件的一致性和安全性，同時(shí)為新項(xiàng)目提供了清晰的指導(dǎo)方針。這些內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)不但要符合行業(yè)規(guī)定，而且還會(huì)更加具體，對(duì)于工廠和車間來說更易于實(shí)施和操作。
圖1：HMI面對(duì)各式各樣的圖形化用戶界面應(yīng)用都應(yīng)該很容易配置、安裝和維護(hù)。圖片來源：AutomationDirect
這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該覆蓋4個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：
（1）安全、電氣以及液壓。
�。�2）人機(jī)界面（HMI）和操作員接口終端（OIT）。
�。�3）控制器和輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)。
（4）傳感器和儀表。
安全、電氣和液壓
很多國家和國際機(jī)構(gòu)都明確規(guī)定了安全、電氣和液壓標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該包括一個(gè)適用的國家和國際標(biāo)準(zhǔn)的列表，同時(shí)提供關(guān)于如何嚴(yán)格遵守這些標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)原則。
內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該要求遵守所有適用的地方和國家規(guī)范，應(yīng)該列出這些規(guī)范并具體說明。這些規(guī)范規(guī)定了機(jī)器和設(shè)備的安裝和運(yùn)行，根據(jù)區(qū)域不同而有所不同，而且經(jīng)常隨著時(shí)間的變化而變化。工廠人員要負(fù)責(zé)確定應(yīng)該遵循哪些規(guī)范，并且要驗(yàn)證設(shè)備、安裝和運(yùn)行是否符合這些規(guī)范的最新版本。
在美國，內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)必須要遵循NFPA 70-2017的所有適用部分：國家電氣規(guī)范（NEC）、國家防火協(xié)會(huì)（NFPA）、以及國家電氣制造業(yè)協(xié)會(huì)（NEMA）。其他國際規(guī)范也可能適用，特別是對(duì)于將要運(yùn)輸?shù)胶Ｍ獾哪切㎡EM制造商生產(chǎn)的機(jī)器。
NFPA 79-2018: 用于工業(yè)機(jī)械的電氣標(biāo)準(zhǔn)是很好的保護(hù)操作員、機(jī)械以及設(shè)施免于電氣和火災(zāi)危險(xiǎn)的規(guī)范。監(jiān)管機(jī)構(gòu)或政府部門可能會(huì)提供額外的要求。這些機(jī)構(gòu)可以幫助確定確定哪些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于機(jī)器的安全安裝和運(yùn)行是必要的。
如果沒有遵循適用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)人員或機(jī)器造成的嚴(yán)重?fù)p害就可能會(huì)發(fā)生。如果發(fā)生任何事故，從法律角度來講不遵守國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都可能會(huì)增加需要承擔(dān)的責(zé)任。
內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)必須參考適用的標(biāo)準(zhǔn)，而且內(nèi)部人員和外部人員都要了解這些信息，例如工程師、機(jī)器制造商、以及系統(tǒng)集成商。這些標(biāo)準(zhǔn)也可以成為新項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的功能性基礎(chǔ)，以確保正確的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行。
列出并遵循適用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是朝著確保工廠車間實(shí)現(xiàn)一致的、可支持的自動(dòng)化邁出的第一步。為了確�？梢园凑兆罴褜�(shí)踐去做，內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)必須要涵蓋HMI、控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
HMI和OIT
對(duì)HMI和OIT的規(guī)格要求應(yīng)該從運(yùn)行條件（請(qǐng)見圖1和2）開始。例如，要求的運(yùn)行溫度高達(dá)122華氏度以及將NEMA 12作為保護(hù)的最低等級(jí)在大多數(shù)的工廠車間里都運(yùn)行得很好。
圖2：小型操作員接口終端（OIT）提供的功能比HMI少，不過更加經(jīng)濟(jì)且更加緊湊。
一家企業(yè)內(nèi)部的HMI和OIT規(guī)格要求通常會(huì)列出用戶可接受的一系列指定供應(yīng)商的產(chǎn)品。嚴(yán)格按照該產(chǎn)品列表執(zhí)行能保證不同應(yīng)用之間的一致性、簡化設(shè)計(jì)、執(zhí)行和運(yùn)行。
應(yīng)該清楚定義特定HMI和OIT的使用場(chǎng)合。一個(gè)微型觸摸文本面板OIT可以為小的機(jī)器提供經(jīng)濟(jì)有效的圖形和操作員互動(dòng)，不過并不適合用于中大型機(jī)器、或者生產(chǎn)線。如果要在圖形化顯示設(shè)備上顯示一臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備的每個(gè)按鈕、開關(guān)、儀表和外圍設(shè)備，顯示屏的大小就是個(gè)問題了。因此，內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該清楚地說明屏幕尺寸的要求，同時(shí)針對(duì)每個(gè)應(yīng)用類型定義合適的屏幕數(shù)量的范圍。
畫面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該仔細(xì)定義。通用總畫面、手動(dòng)功能、數(shù)據(jù)以及默認(rèn)畫面（包括前后一致的導(dǎo)覽按鈕）應(yīng)該與實(shí)際的應(yīng)用案例一起進(jìn)行記錄在案。顏色的使用和顯示功能也應(yīng)該被記錄在案。強(qiáng)化這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以在所有的機(jī)器和設(shè)備上使用，會(huì)降低培訓(xùn)要求、簡化操作、而且縮短故障診斷時(shí)間。
在設(shè)計(jì)規(guī)格書中應(yīng)該包括特定的HMI和OIT編程軟件，同時(shí)包括一個(gè)流程確保每個(gè)人都使用正確的軟件以及正確的版本。
HMI和OIT連接到控制器、工廠網(wǎng)絡(luò)以及可能的云。內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該定義可接受的硬件連接和通訊協(xié)議。通用的硬件連接包括以太網(wǎng)、RS-232C/422/485串行、以及USB。有超過10種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以使用，這些協(xié)議的量已經(jīng)大到很不實(shí)用了，所以內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該定義盡量少種類的可使用協(xié)議。對(duì)于串口協(xié)議來說也是一樣的。
將可接受的以太網(wǎng)協(xié)議限制在幾個(gè)常用的選項(xiàng)之內(nèi)，例如Ethernet/IP和Modbus TCP，可以簡化連接，不過可能也需要例外。有一個(gè)例子是在需要特定機(jī)器的時(shí)候，需要通過在內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)里沒有定義的協(xié)議進(jìn)行通訊。
可以通過協(xié)議轉(zhuǎn)換來處理這些例外情況。根據(jù)需要轉(zhuǎn)換的特定協(xié)議的不同，轉(zhuǎn)換過程通�？梢栽诨赑C的HMI上完成。使用這些功能來制定HMI軟件在設(shè)計(jì)上是很好的做法。
要仔細(xì)考慮和定義遠(yuǎn)程訪問策略。有一些HMI允許遠(yuǎn)程用戶使用電腦、平板電腦、智能手機(jī)以及筆記本電腦來連接、監(jiān)控以及控制HMI。如果這樣的訪問得到許可，必須定義一個(gè)被授權(quán)的用戶名單，包括每個(gè)人的訪問水平信息。為了提供所需要的網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)，也應(yīng)該仔細(xì)定義登陸過程、多水平訪問控制以及程序通知標(biāo)簽。
控制器和I/O
對(duì)于工廠自動(dòng)化來說有三種主要的控制器類型：可編程邏輯控制器（PLC）、可編程自動(dòng)化控制器（PAC）以及工業(yè)PC。在某些場(chǎng)合下，可以指定單個(gè)供應(yīng)商和類型，但是通常需要一些靈活性。控制器的功能也在整合過程中，因此對(duì)于許多工廠和設(shè)施來說，指定來自于一個(gè)供應(yīng)商的某個(gè)控制器系列也可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求（請(qǐng)見圖3）。
圖3：先進(jìn)的可編程控制器具有多種構(gòu)成形式，可在相同的控制器系列中提供了基于機(jī)架的、微小模塊化的或者堆疊式的硬件。
每一種控制器都有很多不同的I/O可以選用。有一些I/O要求添加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括可接受的離散電壓水平、模擬量信號(hào)水平、以及特殊的模塊。對(duì)于離散信號(hào)來說，一種很好的標(biāo)準(zhǔn)是為輸入和輸出都采用24伏直流或120伏交流。也應(yīng)該指定模擬量信號(hào)水平的標(biāo)準(zhǔn)，例如4-20毫安。例如電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）、熱電偶以及稱重模塊等特殊模塊也應(yīng)該包括在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。
應(yīng)該對(duì)通訊協(xié)議及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄，以便用于與控制器使用。協(xié)議的首選項(xiàng)通常是由所選的控制器來決定的。不管選擇了哪種控制器，提供幾個(gè)通訊接口都是很好的做法。對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和智能制造來說，通訊協(xié)議的選擇也是非常重要的。
與HMI和OIT一樣，支持以太網(wǎng)通信使遠(yuǎn)程訪問控制器成為可能，因此需要在內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)中定義規(guī)則。例如，不應(yīng)該允許使用默認(rèn)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）地址或默認(rèn)的網(wǎng)關(guān)，而應(yīng)該更改這個(gè)出廠設(shè)置。內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該將Web服務(wù)器的功能限制在只讀，而且要仔細(xì)定義遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用、賬戶名以及密碼。
定義遠(yuǎn)程訪問策略和執(zhí)行是至關(guān)重要的。要求只能通過HMI來對(duì)控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，一般來說可以提供更高的安全性靈活水平以及數(shù)據(jù)訪問，也應(yīng)該在內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)進(jìn)行考慮和定義。
控制器數(shù)據(jù)記錄巡檢功能是另一個(gè)需要內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化的領(lǐng)域。對(duì)標(biāo)簽數(shù)值定義周期性的或基于事件的數(shù)據(jù)記錄巡檢可以為設(shè)備綜合效率（OEE）和生產(chǎn)信息提供重要的歷史記錄，而且它還可以為上層系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)緩沖。數(shù)據(jù)傳輸安全也應(yīng)該被記錄。
對(duì)于控制器的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)該包括對(duì)應(yīng)用的考慮。例如，應(yīng)該提供以運(yùn)動(dòng)控制器或傳動(dòng)設(shè)備優(yōu)先的連接。應(yīng)該清楚定義通訊的優(yōu)先級(jí)以及同時(shí)控制多個(gè)傳動(dòng)設(shè)備的需求。與視覺系統(tǒng)的高速通訊方式也應(yīng)該定義好。此外，通訊方式和數(shù)據(jù)處理的需求也應(yīng)該被記錄。
控制器編程標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的需要定義的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該在一個(gè)單獨(dú)的手冊(cè)中記錄要求和編程方式，以及例子。如果沒有這些類型的標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)編程人員可能會(huì)按照他個(gè)人的方式，創(chuàng)造出各種難以辨識(shí)的軟件應(yīng)用程序。
傳感器和儀表
傳感器和儀表的標(biāo)準(zhǔn)有助于改善機(jī)器控制并減少所需的備件（請(qǐng)見圖4）。例如，一種常見的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)是要求在每個(gè)液壓缸或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程末端提供一個(gè)傳感器。對(duì)于不同的傳感應(yīng)用來說，首選的傳感器和電纜類型應(yīng)該詳細(xì)說明。
圖4：將傳感器類型限制在幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)類型內(nèi)會(huì)簡化維護(hù)工作，并降低對(duì)庫存的要求。
一個(gè)需要定義的重要標(biāo)準(zhǔn)是智能傳感器和儀表的使用標(biāo)準(zhǔn)。這些智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用數(shù)字化通訊協(xié)議來與控制器，有時(shí)候也與HMI或OIT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備比那些更簡單的同類產(chǎn)品更昂貴，所以只有當(dāng)它們提供的額外數(shù)據(jù)可以用于生產(chǎn)運(yùn)行的改進(jìn)才會(huì)使用它們。
在每臺(tái)機(jī)器上安裝來自不同傳感器供應(yīng)商或傳感器類型的產(chǎn)品，對(duì)于企業(yè)在設(shè)計(jì)、實(shí)施或維護(hù)方面都不夠高效。因此，包含傳感器、儀表供應(yīng)商和類型在內(nèi)的可接受的短名單應(yīng)該是任何內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的一部分。
不管是HMI、OIT、控制器、還是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，最大限度地減少供應(yīng)商和通信協(xié)議的數(shù)量都將有助于企業(yè)降低成本、簡化培訓(xùn)并提高生產(chǎn)力。從長遠(yuǎn)來看，花費(fèi)在記錄內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)上的時(shí)間，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些好處并且改善安全性來說都是非常值得的。
