西门子PCS 7标准化和模块化编程之路 - 控制模块类型(CMT)

写在前面

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今天分享西门子PCS 7标准化和模块化编程之路 - 控制模块类型（CMT）~



1.控制模块类型（CMT）之

前世今生

1.1

背景



流程行业由仪表回路发展而来，通常具有模拟量监视及 PID 调节回路多、连锁逻辑相对较少、程序规模大、控制对象重复率高、可扩展性强及多人协作的特点。因此流程行业的编程一般具有如下需求：标准的控制对象模板，能够满足智能仪表的需求，模板生成实例时具有灵活的变型，程序具有高可用性以及高效的编程方式。

伴随着工业4.0的浪潮席卷而来，工程标准化和模块化是持续提高竞争力和实现更高规划质量的重要因素。然而不同的工艺步骤和程序、不同的设备以及生产过程中的灵活性加大了该任务实现的困难程度，基于上述需求的一种解决方案是使用控制模块类型（CMT）来创建自动化程序。CMT 将注意力集中在标准化和模块化上，减少对特定实例定制的需要。



1.2

CMT 简介



CMT 是以 CFC 为基础构建的典型过程控制模型，例如：模拟量监视、电动机控制、阀门控制、PID 调节控制等。其示意图如下图所示：



图 1 CMT 示意图

对于非连续生产过程，CMT 遵循 ANSI/ISA 88 标准（过程工业中使用的批量控制的参考模型及相关术语）。该标准定义了工厂生产的四个层级：

过程单元 - Process Cell，完成批生产所需的所有单元、设备模块和控制模块的集合。

单元 - Unit，由设备模块和控制模块构成，实现主要的批生产处理活动，如反应釜。

设备模块 – Equipment module，由控制模块组成，完成特定功能，如加热、搅拌、温度控制。

控制模块 – Control module，现场的单体控制设备，比如传感器、阀门、电动机等。对应本文要说的控制模块类型和控制模块。

ANSI/ISA 88 标准的工厂层级划分及与 PCS 7 的对应关系如下：



图 2 基于 ANSI/ISA 88 标准的工厂层级划分

连续生产过程也有与之对应的标准，即ISA-106。该标准定义了三种模型：物理模型、程序需求模型和程序实施模型。CMT 和 CM 被分配给程序实施模型。其基本架构与 ISA-88 相似，将自动化工厂分为如下四层结构：工厂（Plant）、单元（Unit）、成套设备（Equipment）、物理设备（Device）。

一个工厂可以划分为多个单元，每个单元由若干个完成某些特定活动的成套设备组成。每个成套设备是不同物理设备的集合。

CMT 和 CM 的应用，具有如下优势：

◾显著减少测试的工作量：基于控制模块类型的测试，无需逐个实例测试。

◾模板到实例的灵活变型：基于同一模板可以创建满足不同需求的实例。

◾更高效快捷的组态：从以前的复制黏贴到基于类型的实例化，而且可以通过Advanced ES、Plant Automation Accelerator、COMOS 进行批量数据交互实现高效组态。

◾PCS7 V9.1版本中集成的 Plant generator （需 IEA 授权），可以批量创建 CM 实例，配合工艺列表编辑器（Technological list editor）对导入数据进行信号、参数设置等。

◾改变更新：可以通过同步功能实现控制模块类型到控制模块实例的改变更新，同时控制模块实例中的特殊修改，在同步过程中不会丢失，保持控制模块实例的特性。



2.控制模块类型（CMT）之

用武之地

为了提升大家对于 CMT 的了解，在此处对 CMT 的一部分优势进行详细说明。



2.1

模板到实例的灵活结构

-变型和替代对象



◾变型的应用场景：

以电动机控制模板为例，在实际编程过程中可能会有如下需求：有的电动机可能不包含任何外部连锁；有的可能需要启动允许；有的则需要启动允许和不带复位的互锁。在CMT之前可能没有太好的方式实现此功能，只能每种情况对应一个过程标签类型，甚至没有使用类型每个电动机都是一个 CFC。

而使用 CMT 可以轻松实现上述功能。仅需定义该 SubCM（子控制模块，比如下图中的 Permit、Interlock 等）为可选即可。



图 3 CMT 的变型

在 PCS 7 侧定义 CMT 的 SubCM 为可选项的位置如下图所示：



图 4 CMT 的变型在 PCS 7 中的组态

◾替代对象的应用场景：

仍然以电动机控制模板为例，不同的电动机实例相关的连锁数量也不尽相同：有的没有连锁；有的连锁较少；有的连锁相对较多。与变型类似，以往也没有太好的解决方案。而使用 CMT 的替代对象功能则如探囊取物，垂手可得。



图 5 CMT 的替代对象功能示意

在 PCS 7 侧定义 CMT 替代对象的方式如下图所示。与 CFC 不同，在工艺 IOs 中，多个可选对象的输出可以连接到同一个工艺输入管脚。生成实例时，根据所选择的可选对象进行自动互连（仅可自动互连一个）。



图 6 CMT 的替代对象功能设置



2.2

Plant Generator 助力实现

批量生成实例



很多人对于 CMT 望而却步的原因，可能是因为之前 PCS 7 软件本身没有集成通过 Excel 导入的功能。PCS 7 V9.1 版本起已经自带 Plant Generator 这个全新工具，能够通过表格的方式批量生成 CM 实例，再配合工艺列表编辑器对导入数据进行信号、参数设置等。

如下图所示，Plant Generator 在生成 CMs 具有如下功能：



图 7 Plant Generator 批量生成 CMs 的功能

Plant Generator 批量生成的步骤如下：

第一步：导出当前项目的生成器列表为 CSV 格式。



图 8 Plant Generator 导出生成器列表

第二步：根据实际需求新增或修改的 CMs 填充表格。



图 9 Plant Generator 生成器列表内容填充

第三步：导入修改完成的生成器列表（参考第一步，选择导入生成器列表）。导入过程中会弹出数据传输的对话框，可以比较项目和生成器列表的区别。在该对话框还可以自定义选择部分导入（默认全选）。



图 10 数据传输对话框

导入完成后的结果如下图所示，已经自动创建所需的工厂层级和CMs。



图 11 导入结果



2.3

改变更新-实力见分晓



CMT 的另一大优势是支持 CMT 到 CM 的同步。即使项目前期考虑再周全也难免在实际调试中遇到特殊实例的情况。如果使用早期的 PTT（过程标签类型） 功能，只能删除后重新导入或逐个修改这些特殊实例。而基于 CMT 模板时，无论何时都可以实现 CMT 到 CM 的同步更新。

比如电动机模板最初没有为 Permit 管脚添加 Interlock 功能块，且已经生成了多个实例。后期调试过程中，实例需要为 Permit 管脚添加 Interlock 功能块。如下图所示：



图 12 电动机模板的 CMT 和 CM 最初形态

需要通过修改 CMT 模板并同步更新到 CM 实例，如下图所示：



图 13 修改 CMT 模板并同步 CM

在 PCS 7 侧的实际组态步骤为：初始情况下 CMT 和 CM 均未添加 Permit 管脚互连的 Interlock 功能块。



图 14 CM 实例的初始状态

修改 CMT，新增 Interlock 的联锁块，并添加到 SubCM。将其输出管脚 Out 连接到 Permit，如下图所示：



图 15 修改 CMT 的模板

执行 CMT的同步（参考图 8 ，选择同步），更新到 CM 实例。更新过程中可以只选择所更改的 CMT 及需要更新的 CM。



图 16 CMT 同步 – 选择要同步的 CMT



图 17 CMT 同步 – 选择要同步的 CM

同步后的结果如下图所示：



图 18 CMT 同步结果

CMT 的同步并非简单粗暴，而是具有规则的智能同步。知道哪些内容该同步，哪些内容不该同步。对于存在冲突的情况，比如上述新增 Permit 的连锁块例子，同步之前在 CM 中已经为该管脚手动互连其他功能块。此时由用户自己决定是否同步，选择同步则被 CMT 同步，不选择则保留 CM 实例特定的修改。



3.控制模块类型（CMT）总结

CMT 在 PCS 7 标准化和模块化编程道路上的优势不言而喻，前文仅介绍了其冰山一角。相较于 CFC 程序手动拷贝粘贴的方式，CMT 优势显而易见。与 PTT（模板批量生成实例）的方式相比，CMT 的优势也不遑多让，具体如下表所示。





表 1 PTT 和 CMT 比对

伴随着工艺工程越来越重要，我们之前编程方式也需要重新进行思考。我们的注意力需要更加集中在标准化和模块上。如上表所示，尽管 CMT 会增加项目前期的工作，但减少了特定实例定制的需求。在工艺工程的组态中使用预定义的模板，可以显著提高工程效率。强大的同步器支持模板及实例的持续一致性。

是否已经对 CMT 这种标准化的编程组态方式燃起了兴趣？然而又实在不想看枯燥的文档？针对这些客户需求，在西门子工业 1847 平台上将推出《PCS 7 标准化编程 之CMT系列视频》。深入浅出地从理论到实操的讲解和演示 CMT 的具体使用。