本文*** FDT、ifm、OPC 和 ODVA
作者 |suzanne gill
通過使現場裝置和感測器更加智慧型，它們是使製造企業能夠實施數位化轉型的關鍵因素。
傳統上，感測器和執行器通常是具有單一功能的裝置，例如，接近感測器檢測物體是否在其附近，而閥門執行器僅開啟或關閉閥門。 在現場裝置的情況下，這種型別的單一功能被稱為“主變數”。
據FDT集團董事總經理Steve Biegacki介紹，2024年，Fisher Rosemount的3051壓力變送器首次採用了“smart”這個形容詞，它可能是有史以來第一台數字現場裝置，也是第一台使用微處理器處理變送器直接測量並將其轉換為標準訊號型別的現場裝置。 使用數字訊號處理可實現變送器與自動化層次結構中更高階別的雙向資料交換，使裝置能夠交換比主變數更多的資料，從而實現多變數資料傳輸和有關變送器狀態的詳細診斷資訊。
更智慧型的現場裝置
為了實現此類裝置的智慧型功能，需要將裝置描述符整合到更高階別的系統中，以告知裝置提供的智慧型功能範圍。 FDT DTM（IEC62453）規範就是這樣一種功能。 根據 Steve 的說法，智慧型一詞在裝置上的應用需要滿足以下要求：
使用數字微處理器（通常為ASIC）收集變送器生成的過程資料並將其轉換為行業標準訊號。
傳輸比主變數更多的資料的能力，優選採用某種數碼訊號編碼方法。
支援和控制系統或用於數字編碼雙向通訊的資產管理應用程式。
能夠進行連續的自我診斷並將診斷狀態資訊傳輸到自動化結構的上層，通過狀態監測進行預防性維護。
能夠通過控制系統、資產管理應用程式或專用程式設計裝置，用於遠端配置、引數化和除錯裝置。
通過相同的數字通訊渠道能夠交換有關所有附加功能的資訊。
它基於標準化的資訊模型體系結構的裝置描述符，可在更高階別的控制下進行裝置檢測。
因此，智慧型裝置可以定義為對其環境和自身具有一定程度的態勢感知的儀器，並且還應該具有與自動化裝置的上層在數字編碼中雙向通訊和交換資訊的能力。 “此外，智慧型裝置必須由更高階別的控制系統、資產管理和維護系統使用標準資訊模型進行清晰識別。 通過執行此程式，裝置可以適應不同的工作條件。 史蒂夫總結道。
IO-LINK的優勢
ifm Electronics業務發展經理Peter Wienzek也認為，感測器並非天生智慧型。 幾十年來，它們只提供開關點或模擬值。 微處理器技術的進步使它們體積更小、成本更低，使自動化裝置製造商能夠將更多功能整合到他們的裝置中。 感測器的數位化實現了新的智慧型功能。 智慧型感測器由測量單元、智慧型軟體功能和通訊介面（如 IO-Link）組成。
IO-Link 是一種序列雙向點對點連線，用於訊號傳輸和能量**。 在談到IO-Link的優勢時，Peter說：“帶有IO-Link的智慧型感測器為迴圈過程資料和非迴圈裝置資料提供邏輯資料通道。 “乙個典型的例子是過程感測器，除了傳輸壓力、流量、消耗或液位訊號外，它還傳輸溫度訊號、服務資料和事件。 因此，機器和流程的影象越來越大。 不僅傳輸的感測器資料的數量和種類增加了，而且速度和可靠性也提高了。 此外，該感測器還提供智慧型附加功能，例如自動校準、漂移檢測和直接資料轉換。
在舉例說明智慧型執行器時，Peter重點介紹了機械人和裝配應用中使用的機械手。 電動機械人只需一根電纜即可提供電源和 IO-Link 通訊。 伺服電動機械手有許多選項來控制夾持器位置、夾持力和夾持方式。 由於IO-LINK的雙向通訊能力，機械人的綜合反饋也可以通過IO-LINK傳輸到控制器。 這是乙個典型的混合裝置應用，它整合了執行器功能、感測器功能和用於智慧型控制的微處理器。
很明顯，IO-Link是智慧型裝置的通用通訊介面，從IO裝置描述（Iodd Finder）資料庫中的大量IO-Link裝置來看。 它包括感測器、執行器、智慧型燈、顯示器、電源、電子保險絲和驅動器等。 每個 IO-Link 裝置都配備了乙個 iODD，其所有功能都必須以機器可執行的 XML 格式記錄。 借助此通用 IODD 標準，所有 IO-Link 裝置都可以通過獨立於製造商的軟體進行配置。
通訊介面是關鍵
OPC現場通訊主管Peter Lutz表示，如果現場裝置具有某些功能，例如收集和處理資料，那麼感測器和執行器都可以被認為是智慧型的。 “智慧型程度可以從一些基本的資料預處理和過濾開始，逐漸過渡到高度複雜的演算法，包括機器學習和人工智慧，”他說。 然而，現場裝置通常不是孤立工作的，而是連線到各種其他裝置，這意味著連線已成為數位化轉型的關鍵驅動力之一。 ”
在智慧型現場裝置中，通訊介面在向執行資料採集和資料分析的外部裝置或軟體應用程式提供原始或預處理資料方面發揮著重要作用。
傳統的現場通訊介面通常僅限於現場應用。 該介面支援現場裝置和控制器之間的點對點連線，或用於連線多個控制器或現場裝置的現場匯流排。 但這些傳統通訊介面的主要缺點是它們無法擴充套件到邊緣甚至雲，而這正是工業 4 的實現方式0 和 IIoT 概念的關鍵。 該解決方案由閘道器或協議轉換器提供，或者由控制器執行協議或資料轉換任務。
OPC UA （IEC 62541） 框架提供了乙個完整、開放、標準化和可互操作的通訊解決方案，具有內建的安全性，不僅滿足工業通訊的要求，而且還實現了從現場到雲的一致性和語義互操作性，反之亦然。
為了實現這一點，OPC UA與不同的服務（客戶端-伺服器和發布-訂閱）結合使用，這些服務與不同的底層通訊協議（例如UDP和MQTT）和合適的物理層（例如乙太網APL）相結合。 Peter 解釋說：“通過這種方法，結合全球眾多組織開發的其他裝置配套規範，如果可能的話，可以直接在資料來源中以標準化語義提供資訊。 ”
例如，一旦插入APL（高階物理層），流量計就會直接提供標準化的OPC UA流量測量資料。 同樣，伺服驅動器直接處理標準化的 OPC UA 驅動器設定值，並在整合到配置了乙太網 TSN（時間敏感網路）的機器網路中時提供標準化的 OPC UA 實際驅動器值。
Peter表示，“OPC UA裝置和系統能夠實現無縫通訊，無論製造商或位置如何，無論是在IT領域還是在運營技術領域，都能提高互操作性並降低整合成本”。
OPC的現場通訊（FLC）計畫正在積極擴充套件OPC UA，以滿足現場其他應用的需求，如確定性、功能安全、運動、儀器儀表和IO。 Peter總結道：“可以預期，未來，現場裝置將通過新增增強功能（例如定期交換實時關鍵和安全關鍵資料）變得更加智慧型，同時通過OPC UA與邊緣或雲安全連線，並具有獨立於供應商的資料語義。 ”
單對乙太網
ODVA營銷總監Steve Fales還解釋說，使感測器和現場裝置智慧型化的基本功能之一是微控制器，它包括乙個處理器和儲存器，可將感測器的模擬訊號轉換為數字通訊提供裝置診斷;傳遞多個程序變數;甚至可以進行內部計算。 智慧型感測器和裝置還可以通過乙太網 IP 等工業通訊網路實現數字通訊。
此外，智慧型感測器還可以通過另一種方式進行數字通訊：IO-Link。 Steve解釋說：“IO-Link的優勢在於它可以生成數碼訊號;但是，缺點是閘道器需要將IO-Link轉換為工業乙太網協議，例如乙太網IP。 他認為單對乙太網 （SPE）。它是一種面向未來的解決方案，將使低成本感測器和裝置更加智慧型。 單對乙太網將允許裝置通過單根雙絞線電纜進行長距離供電和通訊。 其主要優勢之一是閘道器通常不需要轉換來自智慧型感測器和裝置的資料，因為它們已經通過工業乙太網進行通訊。
單對乙太網的主要變體之一是乙太網-APL它結合了 10BASE-T1L SPE、IEC TS 60079-47 2-WISE 本質安全和 IEC 61158-2 A 類現場匯流排電纜，可實現 10 Mbit-秒的傳輸速度、長達 1000 公尺的傳輸距離、部署在危險區域的能力以及易於安裝，以滿足過程工業的需求。 Ethernet-APL 旨在通過將支援 4-20 mA 的裝置轉移到支援乙太網的裝置來徹底改變過程自動化。 這些裝置將實現多個過程變數，在幾秒鐘而不是幾分鐘內完成除錯，還可以遠端除錯，從被動維護轉變為診斷和功能，以及輕鬆與邊緣或雲進行通訊。
雖然模擬裝置通常不被認為是智慧型的，但其電訊號可以由另乙個智慧型裝置轉換為數碼訊號，從而允許其收集的資訊被邊緣裝置、MES或CMMS系統使用，或傳送到雲端以改進操作。 根據 Steve 的說法，為關鍵裝置制定數字計畫非常重要，這樣可以將現有的模擬輸出轉化為診斷，並**減少可能導致計畫外停機的手動維護活動。
隨著新型低成本智慧型感測器和裝置的出現，以及尋找執行低附加值任務的工人的難度增加，維護人員拿著剪貼簿收集資料和檢查裝置狀況的日子已經一去不復返了。
關鍵概念：
智慧型程度可以從一些基礎的資料預處理和過濾開始，逐漸過渡到包括機器學習和人工智慧在內的高度複雜的演算法。
為關鍵裝置制定數字計畫非常重要，這樣可以將現有的模擬輸出轉換為診斷，並**減少可能導致計畫外停機的手動維護活動。
想想吧：
您工廠的現場裝置的智慧型程度如何？
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在 2023 年 9 月的《控制中國工程》雜誌中，技術文章：如何使現場裝置和感測器智慧型化？
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