傳感器智能化：IO-Link、OPC UA、單對以太網(wǎng)
發(fā)布時間：2023-12-29 作者：Suzanne Gill
本文圖片來源：FDT、易福門、OPC和ODVA
通過讓現(xiàn)場設(shè)備和傳感器更智能，使其成為助力制造企業(yè)實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵要素。
傳統(tǒng)上，傳感器和驅(qū)動器通常都是具有單一功能的設(shè)備，例如，接近傳感器檢測物體是否在其附近，閥門驅(qū)動器只打開或關(guān)閉閥門。就現(xiàn)場設(shè)備而言，這類單一功能后來被稱為“主要變量”。
據(jù)FDT集團董事總經(jīng)理Steve Biegacki介紹，智能這個形容詞最早是在1985 年應(yīng)用于Fisher Rosemount的3051壓力變送器，它可能是有史以來生產(chǎn)的第一款數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備，也第一款采用微處理器處理變送器直接測量并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號類型的現(xiàn)場設(shè)備。數(shù)字信號處理的使用使變送器與自動化層次結(jié)構(gòu)中的更高層次之間實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)交換，使設(shè)備能夠交換比主變量更多的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了多變量數(shù)據(jù)傳輸和有關(guān)變送器狀態(tài)的詳細(xì)診斷信息。
01 更智能的現(xiàn)場設(shè)備
為了實現(xiàn)這類設(shè)備的智能功能，需要將設(shè)備描述符集成到更高級別的系統(tǒng)中，以告知設(shè)備所提供智能功能的范圍。FDT/DTM（IEC62453）規(guī)范就是這類功能。根據(jù)Steve的說法，智能這個詞應(yīng)用于設(shè)備需要滿足以下要求：
1 使用數(shù)字微處理器（通常是ASIC）來收集變送器生成的過程數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。
2 傳輸主要變量之外更多數(shù)據(jù)的能力，最好使用某種數(shù)字信號編碼方法。
3 支持與控制系統(tǒng)或資產(chǎn)管理應(yīng)用程序進行數(shù)字編碼的雙向通信。
4 能夠執(zhí)行連續(xù)的自我診斷，并將診斷狀態(tài)信息傳輸?shù)阶詣踊Y(jié)構(gòu)的上層，從而通過狀態(tài)監(jiān)測進行預(yù)防性維護。
5 能夠通過控制系統(tǒng)、資產(chǎn)管理應(yīng)用或?qū)Ｓ镁幊淘O(shè)備遠(yuǎn)程配置、設(shè)置參數(shù)和調(diào)試設(shè)備。
6 通過同一數(shù)字通信信道交換所有附加功能信息的能力。
7 具有基于標(biāo)準(zhǔn)化信息模型架構(gòu)的設(shè)備描述符，可以實現(xiàn)更高控制級別的設(shè)備檢測。
因此，可以將智能設(shè)備定義為對其環(huán)境和自身具有一定程度的態(tài)勢感知的儀器，還應(yīng)具有以數(shù)字編碼與自動化設(shè)備上層進行雙向通信并交換信息的能力。“此外，智能設(shè)備必須由更高級別的控制系統(tǒng)、資產(chǎn)管理和維護系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)信息模型明確識別。通過執(zhí)行此程序，設(shè)備可以適應(yīng)不同的工作條件?！盨teve總結(jié)道。
02 IO-Link的優(yōu)勢
易福門電子公司的業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Peter Wienzek也認(rèn)為，傳感器并非天生智能。幾十年來，它們只提供開關(guān)點或模擬值。微處理器技術(shù)的發(fā)展使其體積更小、成本更低，這樣自動化設(shè)備制造商就能在其設(shè)備中集成更多功能。傳感器的數(shù)字化可以實現(xiàn)新的智能功能。智能傳感器由測量單元、智能軟件功能和通信接口（如IO-Link）等組成。
IO-Link 是一種用于信號傳輸和能源供應(yīng)的串行、雙向點對點連接。Peter在談到IO-Link的優(yōu)勢時說：“帶IO-Link的智能傳感器，為循環(huán)過程數(shù)據(jù)和非循環(huán)設(shè)備數(shù)據(jù)提供邏輯數(shù)據(jù)通道?！币粋€典型例子是過程傳感器，除了壓力、流量、消耗或液位信號外，還可以傳輸溫度信號、服務(wù)數(shù)據(jù)和事件。其結(jié)果是機器和過程的圖像變得越來越大。不僅傳輸傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)量和多樣性增加了，而且速度和可靠性也提高了。此外，傳感器還可直接提供智能附加功能，如自動校準(zhǔn)、漂移檢測和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
在舉例說明智能執(zhí)行器時，Peter 重點介紹了機器人和裝配應(yīng)用中使用的機械手。電動機械手只需一根電纜就能提供電源和 IO-Link 通信。伺服電動機械手有許多控制機械手位置、抓取力和抓取模式的選項。由于 IO-Link 具有雙向通信能力，機械手的綜合反饋信息也可通過 IO-Link 傳輸?shù)娇刂破?。這是一個典型的混合設(shè)備應(yīng)用，它集成了執(zhí)行器功能、傳感器功能和用于智能控制的微處理器。
很明顯，從IO設(shè)備描述（IODD Finder）數(shù)據(jù)庫中的大量IO-Link設(shè)備來看，IO-Link是一個用于智能設(shè)備的常用通信接口。它包括傳感器、執(zhí)行器、智能燈、顯示器、電源、電子保險絲和驅(qū)動器等。每個IO-Link設(shè)備都配有IODD，其所有功能都必須以機器可執(zhí)行的XML格式進行記錄。有了這個通用的IODD標(biāo)準(zhǔn)，所有IO-Link設(shè)備都可以通過一個獨立于制造商的軟件來配置。
03 通信接口是關(guān)鍵
OPC基金會現(xiàn)場通信主管Peter Lutz認(rèn)為，如果現(xiàn)場設(shè)備具有某些功能（例如收集和處理數(shù)據(jù)），那么無論是傳感器還是執(zhí)行器，都可以被認(rèn)為是智能的。他說：“智能化程度可以從一些基本的數(shù)據(jù)預(yù)處理和過濾開始，逐步過渡到包括機器學(xué)習(xí)和人工智能在內(nèi)的高度復(fù)雜的算法。然而，現(xiàn)場設(shè)備通常不是孤立工作的，而是與各種其它設(shè)備相連，這意味著連接已成為推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素之一?！?/div>
在智能現(xiàn)場設(shè)備中，通信接口發(fā)揮著重要作用，用于向執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的外部設(shè)備或軟件應(yīng)用提供原始數(shù)據(jù)或預(yù)處理數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)的現(xiàn)場通信接口通常僅限于現(xiàn)場應(yīng)用。這種接口實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和控制器之間的點對點連接，或者利用現(xiàn)場總線連接多個控制器或現(xiàn)場設(shè)備。但這些傳統(tǒng)通信接口的主要缺點是，它們不能擴展到邊緣甚至云，而云是實現(xiàn)工業(yè)4.0和IIoT概念的關(guān)鍵。該解決方案由網(wǎng)關(guān)或協(xié)議轉(zhuǎn)換器提供，或者由控制器執(zhí)行協(xié)議或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。
OPC UA（IEC 62541）框架提供了一個完整、開放、標(biāo)準(zhǔn)化和可互操作的通信解決方案，它具有內(nèi)置的安全性，不僅滿足了工業(yè)通信的要求，同時實現(xiàn)了從現(xiàn)場到云的一致性和語義互操作性，反之亦然。
為了實現(xiàn)這一點，OPC UA正與不同的服務(wù)（客戶端/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱）結(jié)合使用，這些服務(wù)與不同底層通信協(xié)議（例如UDP和MQTT）和合適的物理層（例如Ethernet-APL）相結(jié)合。Peter解釋道：“有了這種方法，通過世界各地眾多組織開發(fā)的附加設(shè)備配套規(guī)范，如果可能的話，可以直接在數(shù)據(jù)源中以標(biāo)準(zhǔn)化語義提供信息?！?/div>
例如，一旦插入APL（高級物理層），流量計就直接提供標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA流量測量數(shù)據(jù)。類似地，伺服驅(qū)動器直接處理標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA驅(qū)動設(shè)定值，并在集成到配置以太網(wǎng)TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）的機器網(wǎng)絡(luò)中時，提供標(biāo)準(zhǔn)化OPC UA實際驅(qū)動值。
Peter認(rèn)為：“借助OPC UA設(shè)備和系統(tǒng)，無論是在信息技術(shù)領(lǐng)域還是在運營技術(shù)領(lǐng)域，無論其制造商或所處位置如何，都可以實現(xiàn)無縫通信，從而提高互操作性并降低集成成本”
OPC基金會的現(xiàn)場通信（FLC）計劃正在積極擴展OPC UA，以滿足現(xiàn)場其它應(yīng)用的需求，如確定性、功能安全、運動、儀表和I/O。Peter總結(jié)道：“可以預(yù)計，在未來，現(xiàn)場設(shè)備將通過添加增強的功能變得更智能，例如定期交換實時關(guān)鍵和安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時通過OPC UA與邊緣或云的安全連接，具有獨立于供應(yīng)商的數(shù)據(jù)語義?！?/div>
04 單對以太網(wǎng)
ODVA營銷總監(jiān)Steve Fales也解釋說，使傳感器和現(xiàn)場設(shè)備智能化的基本特征之一是微控制器，它包括處理器和存儲器，用于將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字通信；提供設(shè)備診斷；傳遞多個過程變量；甚至執(zhí)行內(nèi)部計算。智能傳感器和設(shè)備還支持通過EtherNet/IP等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)字通信。
此外，智能傳感器還可以通過另一種方式：IO-Link進行數(shù)字通信。Steve解釋道：“IO-Link的優(yōu)勢是產(chǎn)生數(shù)字信號；然而，缺點是需要網(wǎng)關(guān)將IO-Link轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如Ethernet/IP?！彼J(rèn)為，單對以太網(wǎng)（SPE）是面向未來的解決方案，將使低成本的傳感器和設(shè)備變得更智能。單對以太網(wǎng)將允許設(shè)備通過一根雙絞線進行長距離供電和通信。它的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，網(wǎng)關(guān)通常不需要轉(zhuǎn)換智能傳感器和設(shè)備的數(shù)據(jù)，因為它們已經(jīng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。
單對以太網(wǎng)的一個主要變體是Ethernet-APL，它將10BASE-T1L SPE、IEC TS 60079-47 2-WISE本質(zhì)安全和IEC 61158-2 A類現(xiàn)場總線電纜結(jié)合在一起，可實現(xiàn)10 Mbit/秒的傳輸速度、長達(dá)1000米的傳輸距離、在危險區(qū)域部署的能力，并易于安裝以滿足過程行業(yè)的需求。Ethernet-APL旨在通過從支持4-20 mA的設(shè)備轉(zhuǎn)移到支持以太網(wǎng)的設(shè)備來徹底改變過程自動化。這些設(shè)備將實現(xiàn)多個過程變量，在幾秒鐘而不是幾分鐘內(nèi)完成調(diào)試，還可以遠(yuǎn)程調(diào)試，從響應(yīng)性維護轉(zhuǎn)移到具有診斷和預(yù)測功能的預(yù)測性維護，以及輕松地與邊緣或云相互通訊。
雖然一般認(rèn)為模擬設(shè)備不是智能的，但它的電信號可以被另一個智能設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使其收集的信息能夠被邊緣設(shè)備、MES或CMMS系統(tǒng)使用，或者發(fā)送到云端進行運行改進。Steve認(rèn)為，制定關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字化計劃很重要，這樣現(xiàn)有的模擬輸出就可以轉(zhuǎn)化為診斷和預(yù)測，以減少可能導(dǎo)致計劃外停機的手動維護活動。
考慮到新的低成本智能傳感器和設(shè)備的出現(xiàn)，以及尋找執(zhí)行低附加值任務(wù)的工人難度的增加，維護人員拿著剪貼板收集數(shù)據(jù)和檢查設(shè)備狀況的時代已經(jīng)一去不復(fù)返了。
關(guān)鍵概念：
■ 智能化程度可以從一些基本的數(shù)據(jù)預(yù)處理和過濾開始，逐步過渡到包括機器學(xué)習(xí)和人工智能在內(nèi)的高度復(fù)雜的算法。
■ 制定關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字化計劃很重要，這樣現(xiàn)有的模擬輸出就可以轉(zhuǎn)化為診斷和預(yù)測，以減少可能導(dǎo)致計劃外停機的手動維護活動。
思考一下：
您工廠現(xiàn)場設(shè)備的智能化程度如何？
標(biāo)簽：傳感器,驅(qū)動器,ASIC,IO-Link,OPC UA,單對以太網(wǎng)
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