作者 |Suzanne Gill

通過(guò)讓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和傳感器更智能，使其成為助力制造企業(yè)實(shí)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(dòng)器通常都是具有單一功能的設(shè)備，例如，接近傳感器檢測(cè)物體是否在其附近，閥門(mén)驅(qū)動(dòng)器只打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)。就現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備而言，這類(lèi)單一功能后來(lái)被稱(chēng)為“主要變量”。

據(jù)FDT集團(tuán)董事總經(jīng)理Steve Biegacki介紹，智能這個(gè)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(lái)生產(chǎn)的第一款數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也第一款采用微處理器處理變送器直接測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。數(shù)字信號(hào)處理的使用使變送器與自動(dòng)化層次結(jié)構(gòu)中的更高層次之間實(shí)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(shí)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(chǎng)設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)這類(lèi)設(shè)備的智能功能，需要將設(shè)備描述符集成到更高級(jí)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(lèi)功能。根據(jù)Steve的說(shuō)法，智能這個(gè)詞應(yīng)用于設(shè)備需要滿(mǎn)足以下要求：

1使用數(shù)字微處理器（通常是ASIC）來(lái)收集變送器生成的過(guò)程數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

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(hào)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(jìn)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?dòng)化結(jié)構(gòu)的上層，從而通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

5能夠通過(guò)控制系統(tǒng)、資產(chǎn)管理應(yīng)用或?qū)Ｓ?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程設(shè)備遠(yuǎn)程配置、設(shè)置參數(shù)和調(diào)試設(shè)備。

6通過(guò)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(shí)現(xiàn)更高控制級(jí)別的設(shè)備檢測(cè)。

因此，可以將智能設(shè)備定義為對(duì)其環(huán)境和自身具有一定程度的態(tài)勢(shì)感知的儀器，還應(yīng)具有以數(shù)字編碼與自動(dòng)化設(shè)備上層進(jìn)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(jí)別的控制系統(tǒng)、資產(chǎn)管理和維護(hù)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)信息模型明確識(shí)別。通過(guò)執(zhí)行此程序，設(shè)備可以適應(yīng)不同的工作條件。”Steve總結(jié)道。

02IO-Link的優(yōu)勢(shì)

易福門(mén)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(lái)，它們只提供開(kāi)關(guān)點(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)新的智能功能。智能傳感器由測(cè)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(hào)傳輸和能源供應(yīng)的串行、雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。Peter在談到IO-Link的優(yōu)勢(shì)時(shí)說(shuō)：“帶IO-Link的智能傳感器，為循環(huán)過(guò)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。”一個(gè)典型例子是過(guò)程傳感器，除了壓力、流量、消耗或液位信號(hào)外，還可以傳輸溫度信號(hào)、服務(wù)數(shù)據(jù)和事件。其結(jié)果是機(jī)器和過(guò)程的圖像變得越來(lái)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(dòng)校準(zhǔn)、漂移檢測(cè)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

在舉例說(shuō)明智能執(zhí)行器時(shí)，Peter 重點(diǎn)介紹了機(jī)器人和裝配應(yīng)用中使用的機(jī)械手。電動(dòng)機(jī)械手只需一根電纜就能提供電源和 IO-Link 通信。伺服電動(dòng)機(jī)械手有許多控制機(jī)械手位置、抓取力和抓取模式的選項(xiàng)。由于 IO-Link 具有雙向通信能力，機(jī)械手的綜合反饋信息也可通過(guò) IO-Link 傳輸?shù)?a target="_blank">控制器。這是一個(gè)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(kù)中的大量IO-Link設(shè)備來(lái)看，IO-Link是一個(gè)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(xiǎn)絲和驅(qū)動(dòng)器等。每個(gè)IO-Link設(shè)備都配有IODD，其所有功能都必須以機(jī)器可執(zhí)行的XML格式進(jìn)行記錄。有了這個(gè)通用的IODD標(biāo)準(zhǔn)，所有IO-Link設(shè)備都可以通過(guò)一個(gè)獨(dú)立于制造商的軟件來(lái)配置。

03通信接口是關(guān)鍵

OPC基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)通信主管Peter Lutz認(rèn)為，如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有某些功能（例如收集和處理數(shù)據(jù)），那么無(wú)論是傳感器還是執(zhí)行器，都可以被認(rèn)為是智能的。他說(shuō)：“智能化程度可以從一些基本的數(shù)據(jù)預(yù)處理和過(guò)濾開(kāi)始，逐步過(guò)渡到包括機(jī)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(chǎng)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(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素之一。”

在智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)通信接口通常僅限于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。這種接口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，或者利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接多個(gè)控制器或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。但這些傳統(tǒng)通信接口的主要缺點(diǎn)是，它們不能擴(kuò)展到邊緣甚至云，而云是實(shí)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(gè)完整、開(kāi)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(mǎn)足了工業(yè)通信的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)到云的一致性和語(yǔ)義互操作性，反之亦然。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，OPC UA正與不同的服務(wù)（客戶(hù)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(guò)世界各地眾多組織開(kāi)發(fā)的附加設(shè)備配套規(guī)范，如果可能的話(huà)，可以直接在數(shù)據(jù)源中以標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)義提供信息。”

例如，一旦插入APL（高級(jí)物理層），流量計(jì)就直接提供標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA流量測(cè)量數(shù)據(jù)。類(lèi)似地，伺服驅(qū)動(dòng)器直接處理標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA驅(qū)動(dòng)設(shè)定值，并在集成到配置以太網(wǎng)TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）的機(jī)器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，提供標(biāo)準(zhǔn)化OPC UA實(shí)際驅(qū)動(dòng)值。

Peter認(rèn)為：“借助OPC UA設(shè)備和系統(tǒng)，無(wú)論是在信息技術(shù)領(lǐng)域還是在運(yùn)營(yíng)技術(shù)領(lǐng)域，無(wú)論其制造商或所處位置如何，都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信，從而提高互操作性并降低集成成本”

OPC基金會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)通信（FLC）計(jì)劃正在積極擴(kuò)展OPC UA，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)其它應(yīng)用的需求，如確定性、功能安全、運(yùn)動(dòng)、儀表和I/O。Peter總結(jié)道：“可以預(yù)計(jì)，在未來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將通過(guò)添加增強(qiáng)的功能變得更智能，例如定期交換實(shí)時(shí)關(guān)鍵和安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)OPC UA與邊緣或云的安全連接，具有獨(dú)立于供應(yīng)商的數(shù)據(jù)語(yǔ)義。”

04單對(duì)以太網(wǎng)

ODVA營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Steve Fales也解釋說(shuō)，使傳感器和現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器，用于將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字通信；提供設(shè)備診斷；傳遞多個(gè)過(guò)程變量；甚至執(zhí)行內(nèi)部計(jì)算。智能傳感器和設(shè)備還支持通過(guò)EtherNet/IP等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字通信。

此外，智能傳感器還可以通過(guò)另一種方式：IO-Link進(jìn)行數(shù)字通信。Steve解釋道：“IO-Link的優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)；然而，缺點(diǎn)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。”他認(rèn)為，單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）是面向未來(lái)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(duì)以太網(wǎng)將允許設(shè)備通過(guò)一根雙絞線(xiàn)進(jìn)行長(zhǎng)距離供電和通信。它的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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?yàn)樗鼈円呀?jīng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

單對(duì)以太網(wǎng)的一個(gè)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(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電纜結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)10 Mbit/秒的傳輸速度、長(zhǎng)達(dá)1000米的傳輸距離、在危險(xiǎn)區(qū)域部署的能力，并易于安裝以滿(mǎn)足過(guò)程行業(yè)的需求。Ethernet-APL旨在通過(guò)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(lái)徹底改變過(guò)程自動(dòng)化。這些設(shè)備將實(shí)現(xiàn)多個(gè)過(guò)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(hù)轉(zhuǎn)移到具有診斷和預(yù)測(cè)功能的預(yù)測(cè)性維護(hù)，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(hào)可以被另一個(gè)智能設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(jìn)行運(yùn)行改進(jìn)。Steve認(rèn)為，制定關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字化計(jì)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(cè)，以減少可能導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)的手動(dòng)維護(hù)活動(dòng)。

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(hù)人員拿著剪貼板收集數(shù)據(jù)和檢查設(shè)備狀況的時(shí)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(guò)濾開(kāi)始，逐步過(guò)渡到包括機(jī)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(jì)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(cè)，以減少可能導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)的手動(dòng)維護(hù)活動(dòng)。

思考一下：

您工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化程度如何？

審核編輯：湯梓紅