本文*** FDT、ifm、OPC 和 ODVA
作者 |suzanne gill
通过使现场设备和传感器更加智能，它们是使制造企业能够实施数字化转型的关键因素。
传统上，传感器和执行器通常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，而阀门执行器仅打开或关闭阀门。 在现场设备的情况下，这种类型的单一功能被称为“主变量”。
据FDT集团董事总经理Steve Biegacki介绍，2024年，Fisher Rosemount的3051压力变送器首次采用了“smart”这个形容词，它可能是有史以来第一台数字现场设备，也是第一台使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。 使用数字信号处理可实现变送器与自动化层次结构中更高级别的双向数据交换，使设备能够交换比主变量更多的数据，从而实现多变量数据传输和有关变送器状态的详细诊断信息。
更智能的现场设备
为了实现此类设备的智能功能，需要将设备描述符集成到更高级别的系统中，以告知设备提供的智能功能范围。 FDT DTM（IEC62453）规范就是这样一种功能。 根据 Steve 的说法，智能一词在设备上的应用需要满足以下要求：
使用数字微处理器（通常为ASIC）收集变送器生成的过程数据并将其转换为行业标准信号。
传输比主变量更多的数据的能力，优选采用某种数字信号编码方法。
支持和控制系统或用于数字编码双向通信的资产管理应用程序。
能够进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，通过状态监测进行预防性维护。
能够通过控制系统、资产管理应用程序或专用编程设备，用于远程配置、参数化和调试设备。
通过相同的数字通信渠道能够交换有关所有附加功能的信息。
它基于标准化的信息模型体系结构的设备描述符，可在更高级别的控制下进行设备检测。
因此，智能设备可以定义为对其环境和自身具有一定程度的态势感知的仪器，并且还应该具有与自动化设备的上层在数字编码中双向通信和交换信息的能力。 “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进行清晰识别。 通过执行此程序，设备可以适应不同的工作条件。 史蒂夫总结道。
IO-LINK的优势
ifm Electronics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。 微处理器技术的进步使它们体积更小、成本更低，使自动化设备制造商能够将更多功能集成到他们的设备中。 传感器的数字化实现了新的智能功能。 智能传感器由测量单元、智能软件功能和通信接口（如 IO-Link）组成。
IO-Link 是一种串行双向点对点连接，用于信号传输和能量**。 在谈到IO-Link的优势时，Peter说：“带有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。 “一个典型的例子是过程传感器，除了传输压力、流量、消耗或液位信号外，它还传输温度信号、服务数据和事件。 因此，机器和流程的图像越来越大。 不仅传输的传感器数据的数量和种类增加了，而且速度和可靠性也提高了。 此外，该传感器还提供智能附加功能，例如自动校准、漂移检测和直接数据转换。
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。 电动机器人只需一根电缆即可提供电源和 IO-Link 通信。 伺服电动机械手有许多选项来控制夹持器位置、夹持力和夹持方式。 由于IO-LINK的双向通信能力，机器人的综合反馈也可以通过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，IO-Link是智能设备的通用通信接口，从IO设备描述（Iodd Finder）数据库中的大量IO-Link设备来看。 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 设备都配备了一个 iODD，其所有功能都必须以机器可执行的 XML 格式记录。 借助此通用 IODD 标准，所有 IO-Link 设备都可以通过独立于制造商的软件进行配置。
通信接口是关键
OPC现场通信主管Peter Lutz表示，如果现场设备具有某些功能，例如收集和处理数据，那么传感器和执行器都可以被认为是智能的。 “智能程度可以从一些基本的数据预处理和过滤开始，逐渐过渡到高度复杂的算法，包括机器学习和人工智能，”他说。 然而，现场设备通常不是孤立工作的，而是连接到各种其他设备，这意味着连接已成为数字化转型的关键驱动力之一。 ”
在智能现场设备中，通信接口在向执行数据采集和数据分析的外部设备或软件应用程序提供原始或预处理数据方面发挥着重要作用。
传统的现场通信接口通常仅限于现场应用。 该接口支持现场设备和控制器之间的点对点连接，或用于连接多个控制器或现场设备的现场总线。 但这些传统通信接口的主要缺点是它们无法扩展到边缘甚至云，而这正是工业 4 的实现方式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，具有内置的安全性，不仅满足工业通信的要求，而且还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，这些服务与不同的底层通信协议（例如UDP和MQTT）和合适的物理层（例如以太网APL）相结合。 Peter 解释说：“通过这种方法，结合全球众多组织开发的其他设备配套规范，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），流量计就会直接提供标准化的OPC UA流量测量数据。 同样，伺服驱动器直接处理标准化的 OPC UA 驱动器设定值，并在集成到配置了以太网 TSN（时间敏感网络）的机器网络中时提供标准化的 OPC UA 实际驱动器值。
Peter表示，“OPC UA设备和系统能够实现无缝通信，无论制造商或位置如何，无论是在IT领域还是在运营技术领域，都能提高互操作性并降低集成成本”。
OPC的现场通信（FLC）计划正在积极扩展OPC UA，以满足现场其他应用的需求，如确定性、功能安全、运动、仪器仪表和IO。 Peter总结道：“可以预期，未来，现场设备将通过添加增强功能（例如定期交换实时关键和安全关键数据）变得更加智能，同时通过OPC UA与边缘或云安全连接，并具有独立于供应商的数据语义。 ”
单对以太网
ODVA营销总监Steve Fales还解释说，使传感器和现场设备智能化的基本功能之一是微控制器，它包括一个处理器和存储器，可将传感器的模拟信号转换为数字通信提供设备诊断;传递多个进程变量;甚至可以进行内部计算。 智能传感器和设备还可以通过以太网 IP 等工业通信网络实现数字通信。
此外，智能传感器还可以通过另一种方式进行数字通信：IO-Link。 Steve解释说：“IO-Link的优势在于它可以生成数字信号;但是，缺点是网关需要将IO-Link转换为工业以太网协议，例如以太网IP。 他认为单对以太网 （SPE）。它是一种面向未来的解决方案，将使低成本传感器和设备更加智能。 单对以太网将允许设备通过单根双绞线电缆进行长距离供电和通信。 其主要优势之一是网关通常不需要转换来自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。
单对以太网的主要变体之一是以太网-APL它结合了 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，可实现 10 Mbit-秒的传输速度、长达 1000 米的传输距离、部署在危险区域的能力以及易于安装，以满足过程工业的需求。 Ethernet-APL 旨在通过将支持 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，从被动维护转变为诊断和功能，以及轻松与边缘或云进行通信。
虽然模拟设备通常不被认为是智能的，但其电信号可以由另一个智能设备转换为数字信号，从而允许其收集的信息被边缘设备、MES或CMMS系统使用，或发送到云端以改进操作。 根据 Steve 的说法，为关键设备制定数字计划非常重要，这样可以将现有的模拟输出转化为诊断，并**减少可能导致计划外停机的手动维护活动。
随着新型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的难度增加，维护人员拿着剪贴板收集数据和检查设备状况的日子已经一去不复返了。
关键概念：
智能程度可以从一些基础的数据预处理和过滤开始，逐渐过渡到包括机器学习和人工智能在内的高度复杂的算法。
为关键设备制定数字计划非常重要，这样可以将现有的模拟输出转换为诊断，并**减少可能导致计划外停机的手动维护活动。
想想吧：
您工厂的现场设备的智能程度如何？
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在 2023 年 9 月的《控制中国工程》杂志中，技术文章：如何使现场设备和传感器智能化？
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