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传感器智能化:IO-Link、OPC UA、单对以太网

作者:Suzanne Gill2023.12.29阅读 11097

本文图片来源:FDT、易福门、OPC和ODVA
  通过让现场设备和传感器更智能,使其成为助力制造企业实施数字化转型的关键要素。
  传统上,传感器和驱动器通常都是具有单一功能的设备,例如,接近传感器检测物体是否在其附近,阀门驱动器只打开或关闭阀门。就现场设备而言,这类单一功能后来被称为“主要变量”。
  据FDT集团董事总经理Steve Biegacki介绍,智能这个形容词最早是在1985 年应用于Fisher Rosemount的3051压力变送器,它可能是有史以来生产的第一款数字现场设备,也第一款采用微处理器处理变送器直接测量并将其转换为标准信号类型的现场设备。数字信号处理的使用使变送器与自动化层次结构中的更高层次之间实现了双向数据交换,使设备能够交换比主变量更多的数据,从而实现了多变量数据传输和有关变送器状态的详细诊断信息。

  01  更智能的现场设备
  为了实现这类设备的智能功能,需要将设备描述符集成到更高级别的系统中,以告知设备所提供智能功能的范围。FDT/DTM(IEC62453)规范就是这类功能。根据Steve的说法,智能这个词应用于设备需要满足以下要求:
  1  使用数字微处理器(通常是ASIC)来收集变送器生成的过程数据,并将其转换为行业标准信号。
  2  传输主要变量之外更多数据的能力,最好使用某种数字信号编码方法。
  3  支持与控制系统或资产管理应用程序进行数字编码的双向通信。
  4  能够执行连续的自我诊断,并将诊断状态信息传输到自动化结构的上层,从而通过状态监测进行预防性维护。
  5  能够通过控制系统、资产管理应用或专用编程设备远程配置、设置参数和调试设备。
  6  通过同一数字通信信道交换所有附加功能信息的能力。
  7  具有基于标准化信息模型架构的设备描述符,可以实现更高控制级别的设备检测。
  因此,可以将智能设备定义为对其环境和自身具有一定程度的态势感知的仪器,还应具有以数字编码与自动化设备上层进行双向通信并交换信息的能力。“此外,智能设备必须由更高级别的控制系统、资产管理和维护系统使用标准信息模型明确识别。通过执行此程序,设备可以适应不同的工作条件。”Steve总结道。
  02  IO-Link的优势
  易福门电子公司的业务发展经理Peter Wienzek也认为,传感器并非天生智能。几十年来,它们只提供开关点或模拟值。微处理器技术的发展使其体积更小、成本更低,这样自动化设备制造商就能在其设备中集成更多功能。传感器的数字化可以实现新的智能功能。智能传感器由测量单元、智能软件功能和通信接口(如IO-Link)等组成。

  IO-Link 是一种用于信号传输和能源供应的串行、双向点对点连接。Peter在谈到IO-Link的优势时说:“带IO-Link的智能传感器,为循环过程数据和非循环设备数据提供逻辑数据通道。”一个典型例子是过程传感器,除了压力、流量、消耗或液位信号外,还可以传输温度信号、服务数据和事件。其结果是机器和过程的图像变得越来越大。不仅传输传感器数据的数量和多样性增加了,而且速度和可靠性也提高了。此外,传感器还可直接提供智能附加功能,如自动校准、漂移检测和数据转换。
  在举例说明智能执行器时,Peter 重点介绍了机器人和装配应用中使用的机械手。电动机械手只需一根电缆就能提供电源和 IO-Link 通信。伺服电动机械手有许多控制机械手位置、抓取力和抓取模式的选项。由于 IO-Link 具有双向通信能力,机械手的综合反馈信息也可通过 IO-Link 传输到控制器。这是一个典型的混合设备应用,它集成了执行器功能、传感器功能和用于智能控制的微处理器。
  很明显,从IO设备描述(IODD Finder)数据库中的大量IO-Link设备来看,IO-Link是一个用于智能设备的常用通信接口。它包括传感器、执行器、智能灯、显示器、电源、电子保险丝和驱动器等。每个IO-Link设备都配有IODD,其所有功能都必须以机器可执行的XML格式进行记录。有了这个通用的IODD标准,所有IO-Link设备都可以通过一个独立于制造商的软件来配置。

  03  通信接口是关键
  OPC基金会现场通信主管Peter Lutz认为,如果现场设备具有某些功能(例如收集和处理数据),那么无论是传感器还是执行器,都可以被认为是智能的。他说:“智能化程度可以从一些基本的数据预处理和过滤开始,逐步过渡到包括机器学习和人工智能在内的高度复杂的算法。然而,现场设备通常不是孤立工作的,而是与各种其它设备相连,这意味着连接已成为推动数字化转型的关键因素之一。”
  在智能现场设备中,通信接口发挥着重要作用,用于向执行数据采集和数据分析的外部设备或软件应用提供原始数据或预处理数据。
  传统的现场通信接口通常仅限于现场应用。这种接口实现现场设备和控制器之间的点对点连接,或者利用现场总线连接多个控制器或现场设备。但这些传统通信接口的主要缺点是,它们不能扩展到边缘甚至云,而云是实现工业4.0和IIoT概念的关键。该解决方案由网关或协议转换器提供,或者由控制器执行协议或数据转换任务。
  OPC UA(IEC 62541)框架提供了一个完整、开放、标准化和可互操作的通信解决方案,它具有内置的安全性,不仅满足了工业通信的要求,同时实现了从现场到云的一致性和语义互操作性,反之亦然。

  为了实现这一点,OPC UA正与不同的服务(客户端/服务器和发布/订阅)结合使用,这些服务与不同底层通信协议(例如UDP和MQTT)和合适的物理层(例如Ethernet-APL)相结合。Peter解释道:“有了这种方法,通过世界各地众多组织开发的附加设备配套规范,如果可能的话,可以直接在数据源中以标准化语义提供信息。”
  例如,一旦插入APL(高级物理层),流量计就直接提供标准化的OPC UA流量测量数据。类似地,伺服驱动器直接处理标准化的OPC UA驱动设定值,并在集成到配置以太网TSN(时间敏感网络)的机器网络中时,提供标准化OPC UA实际驱动值。
  Peter认为:“借助OPC UA设备和系统,无论是在信息技术领域还是在运营技术领域,无论其制造商或所处位置如何,都可以实现无缝通信,从而提高互操作性并降低集成成本”
  OPC基金会的现场通信(FLC)计划正在积极扩展OPC UA,以满足现场其它应用的需求,如确定性、功能安全、运动、仪表和I/O。Peter总结道:“可以预计,在未来,现场设备将通过添加增强的功能变得更智能,例如定期交换实时关键和安全关键数据,同时通过OPC UA与边缘或云的安全连接,具有独立于供应商的数据语义。”
  04  单对以太网
  ODVA营销总监Steve Fales也解释说,使传感器和现场设备智能化的基本特征之一是微控制器,它包括处理器和存储器,用于将传感器的模拟信号转换为数字通信;提供设备诊断;传递多个过程变量;甚至执行内部计算。智能传感器和设备还支持通过EtherNet/IP等工业通信网络进行数字通信。

  此外,智能传感器还可以通过另一种方式:IO-Link进行数字通信。Steve解释道:“IO-Link的优势是产生数字信号;然而,缺点是需要网关将IO-Link转换为工业以太网协议,如Ethernet/IP。”他认为,单对以太网(SPE)是面向未来的解决方案,将使低成本的传感器和设备变得更智能。单对以太网将允许设备通过一根双绞线进行长距离供电和通信。它的一个关键优势是,网关通常不需要转换智能传感器和设备的数据,因为它们已经通过工业以太网进行通信。
  单对以太网的一个主要变体是Ethernet-APL,它将10BASE-T1L SPE、IEC TS 60079-47 2-WISE本质安全和IEC 61158-2 A类现场总线电缆结合在一起,可实现10 Mbit/秒的传输速度、长达1000米的传输距离、在危险区域部署的能力,并易于安装以满足过程行业的需求。Ethernet-APL旨在通过从支持4-20 mA的设备转移到支持以太网的设备来彻底改变过程自动化。这些设备将实现多个过程变量,在几秒钟而不是几分钟内完成调试,还可以远程调试,从响应性维护转移到具有诊断和预测功能的预测性维护,以及轻松地与边缘或云相互通讯。
  虽然一般认为模拟设备不是智能的,但它的电信号可以被另一个智能设备转换为数字信号,使其收集的信息能够被边缘设备、MES或CMMS系统使用,或者发送到云端进行运行改进。Steve认为,制定关键设备的数字化计划很重要,这样现有的模拟输出就可以转化为诊断和预测,以减少可能导致计划外停机的手动维护活动。
  考虑到新的低成本智能传感器和设备的出现,以及寻找执行低附加值任务的工人难度的增加,维护人员拿着剪贴板收集数据和检查设备状况的时代已经一去不复返了。
  关键概念:
  ■ 智能化程度可以从一些基本的数据预处理和过滤开始,逐步过渡到包括机器学习和人工智能在内的高度复杂的算法。
  ■ 制定关键设备的数字化计划很重要,这样现有的模拟输出就可以转化为诊断和预测,以减少可能导致计划外停机的手动维护活动。
  思考一下:
  您工厂现场设备的智能化程度如何?


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