正常情況下,車間/機器應以盡可能的蕞大生產(chǎn)率、蕞低的停機時間來運行。因此,診斷的目標是將車間/機器的停機時間降至蕞低。診斷可以幫助車間/機器在運行期間識別和避免干擾。維護人員需要快速標識干擾的源頭(哪里發(fā)生)、嚴重性(以何種速度響應)、類別(什么引起的干擾)及對策(精確預防)。
PROFINET診斷功能完美解決了維護人員的需求,診斷信息構(gòu)成如下:
(1)診斷(diagnosis source)識別干擾的源頭;(2)嚴重性(severity)表示維護的緊迫性; (3)診斷信息(diagnosis information)標識“問題/原因”并建議“應對措施”。
PROFINET把故障分為通信錯誤和外設(shè)錯誤。通信錯誤與網(wǎng)絡(luò)相關(guān),比如,布線錯誤、連接器錯誤、拓撲錯誤、不正確的設(shè)備名稱或IP地址、負載超載等。外設(shè)錯誤與設(shè)備輸入和輸出有關(guān)(傳感器和執(zhí)行器),比如,傳感器或執(zhí)行器導線接線錯誤、輸出功率損失或者甚至是機械問題等。外設(shè)錯誤不影響通信,外設(shè)錯誤一般由設(shè)備檢測并用PROFINET報警報告。通信錯誤可由設(shè)備報告、也可以由管理交換機和其他網(wǎng)絡(luò)組件報告。
需注意的是,本文所說的診斷由PROFINET IO設(shè)備自身基于制造商特定的方式探測,用于維護傳感器、設(shè)備、機器等車間裝備,診斷的發(fā)布方式與IO設(shè)備處于什么樣的應用中無關(guān)。而過程診斷是過程值(例如,溫度、壓力和濕度值的組合)元值,標識關(guān)鍵或無效過程狀態(tài),它們在機器接口、PLC或操作員站等上層應用程序中進行評估,IO設(shè)備不提供過程診斷。
1 PROFINET設(shè)備診斷基本模型
PROFINET診斷基本模型如圖1所示,診斷信息產(chǎn)生、發(fā)布、去除等規(guī)則如下: (1)子模塊應用確定增加/去除診斷信息; (2)診斷信息可通過Signaling在本地顯示; (3)診斷查詢功能用于外部應用訪問診斷信息;(4)診斷ASE通過Alarm AR(應用關(guān)系)將信息變化通知IO控制器。當前的子模塊診斷狀態(tài)可通過AlarmNotification PDU的元素AlarmSpecifier和/或MaintenanceItem提供,以支持在IO控制器快速發(fā)布診斷狀態(tài)。
圖1 診斷基本模型
PROFINET診斷信息通過診斷類型的報警報文進行非循環(huán)傳輸。
2 PROFINET診斷數(shù)據(jù)基本結(jié)構(gòu)
PROFINET通過ChannelErrorType(通道診斷報文元素)和ExtChannelErrorType(擴展通道診斷報文元素)定義錯誤Error原因。如果適用,強烈建議使用這些預定義的標準Error信息。如果標準Error不合適,IO設(shè)備制造商也可以額外定義其他錯誤信息,而這些錯誤信息需要在GSDML中進行描述并傳遞給診斷客戶端。
2.1 PROFINET診斷信息格式
PROFINET定義了兩種診斷信息格式,分別為標準格式和USI格式。標準格式診斷信息結(jié)構(gòu)如下:
(1)Severity,采取維護措施的緊迫性; (2)USI,用來表示診斷編碼; (3)ChannelErrorType,診斷類型; (4)(可選)ExtChannelErrorType,診斷的子類型;(5)(可選)ExtChannelErrorAddValue,關(guān)于診斷的附加信息。
USI格式的診斷信息結(jié)構(gòu)如下: (1)USI,表示診斷類型; (2)ManufacturerData,關(guān)于診斷的附加信息USI診斷格式限于子模塊使用(ChannelNumber為0x8000)。
2.2 診斷信息的尋址方式
診斷源通過以下信息定位,如表1所示。
API、slot和subslot僅僅是用于尋址。子模塊實際帶有對象:IO數(shù)據(jù)、診斷和記錄數(shù)據(jù)。子模塊可以用通道(channel)進一步結(jié)構(gòu)化,這些通道可以在參數(shù)化、IO數(shù)據(jù)和診斷中可見。那么,什么是通道呢?
通道是服務器的輸入/輸出應用對象的單一物理或邏輯鏈接,目的是支持診斷信息的尋址。通道作為模塊或子模塊的實際接口,通常標識單一連接器或夾具。該引用被用來標識診斷PDU中的失敗點。
為了實現(xiàn)診斷,一個通道等同于一個被監(jiān)視的實體。監(jiān)視可以由子模塊自身實現(xiàn)(例如,短路,斷線或過溫),也可以由附加的傳感器或執(zhí)行器實現(xiàn)(例如,傳感器故障)。特定的通道由ChannelNumber和Direction唯一標識,通道號標識診斷
2.3 Severity診斷嚴重性分類
嚴重性分級用來表達需要維護的急迫性,分類如表2所示。
Qualifier用來細分嚴重性等級。
3 如何通過PROFINET實現(xiàn)預測性診斷
預測性維護是以狀態(tài)為依據(jù)的維修,是對設(shè)備進行連續(xù)在線的狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析,診斷并預測設(shè)備故障的發(fā)展趨勢,提前制定預測性維護計劃并采取相應措施的行為。因此,狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是預測性維護實現(xiàn)的基礎(chǔ)。PROFINET診斷數(shù)據(jù)可通過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)(比如,PROFINET、以太網(wǎng))分級向上傳輸,然后在上層實現(xiàn)診斷信息語義化模塊;也可以通過OPC UA進行語義化建模后向上傳輸,可提高維護的效率。
3.1 PROFINET設(shè)備診斷數(shù)據(jù)通過OPC UA建模傳輸
PROFINET是開放的支持標準以太網(wǎng)的技術(shù)。這使得可以在傳感器/儀表中增加OPC UA接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接向“云”或邊緣網(wǎng)關(guān)的發(fā)送,而不對已有的自動化解決方案產(chǎn)生任何影響,這樣的方案對于現(xiàn)有系統(tǒng)中實現(xiàn)創(chuàng)新性的診斷方法提供了一種途徑。OPC UA接口也可以布置在控制層、控制設(shè)備與智能設(shè)備之間(中間件)、邊緣設(shè)備等處,提供診斷信息多路徑(見圖2)的向上傳遞,適應不同的系統(tǒng)設(shè)計方案。
圖2 PROFINET診斷信息傳輸路徑
3.2 通過PROFINET實現(xiàn)預測性維護實例–某汽車生產(chǎn)公司
汽車生產(chǎn)工廠的一個在線測量系統(tǒng),通過高度柔性軟管將鉚釘輸送到機械臂上的鉚接工具,鉚釘會對軟管產(chǎn)生磨損,因此,通常在傳輸一定量的鉚釘之后需更換軟管。傳統(tǒng)維護方式是根據(jù)經(jīng)驗,預估軟管出現(xiàn)問題的時間進行更換。為了降低維護成本和精準維護,通過創(chuàng)建時間分析序列,檢測軟管的磨損程度。軟管的磨損導致出現(xiàn)一些小的空洞,因此,軟管里就能檢測到更多的空氣。實時記錄這些數(shù)據(jù),并通過OPC UA技術(shù)將數(shù)據(jù)實時傳輸至PROFINET控制器。現(xiàn)場人員通過數(shù)據(jù)的實時反饋,可以及時發(fā)現(xiàn)軟管是否需要更換,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的精準維護。
4 結(jié)束語
基于對實驗室進行PROFINET認證測試的IO設(shè)備所實現(xiàn)的診斷信息分析,可以發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備制造商并沒有充分利用PROFINET的診斷機制,如此就不能在應用現(xiàn)場提供充分的診斷信息。如果沒有底層診斷數(shù)據(jù)的支撐,預測性維護將成為無源之水,難以實現(xiàn)。而當前工業(yè)4.0背景下,智能工廠對預測性維護的需求尤為迫切。
本文在給出工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET診斷機理的基礎(chǔ)上,結(jié)合智能制造專項研究以及工業(yè)智能儀表認證測試經(jīng)驗,提出智能設(shè)備診斷信息語義化(OPC UA)傳輸方式,以及智能儀表自身的診斷能力在工業(yè)控制系統(tǒng)預測性維護中的重要性。
原文刊載于《華夏儀器儀表》2021年第8期 :機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 謝素芬
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