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 OT和IT融合的重要基础——

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分布式开放软件开发技术之工业自动化应用综述(二)
 OT和IT融合的重要基础——现场仪表设备的信息模型PAD-IM

助工
2019-07-08 17:07:09    评分

引言

为了进行控制、分析、优化、预测,智能制造、工业4.0需要数据的实时采集和状态感知的支撑。这些数据包括设定的工艺参数和状态、实际的运行参数和状态、设备参数和状态,以及对环境影响的感知等等。显然,这些数据不仅仅是一系列数值,还应该具有结构化、蕴含着物理意义、而且具有语义互操作性。目前在世界范围内围绕流程工业开放自动化的未来发展,已经出现了两条明显不同的技术路线。一条以美国开放流程自动化论坛OPAF为代表,走的是对现有DCS、PLC的重新定义,以及对APC和MES、HMI等的虚拟化(见图1);另一条是德国NAMUR倡议的NOA(见图2),坚持在不改动现有工业信息化、自动化金字塔结构的前提下,引入确实有效的IT技术,与OT技术深度融合,提升运行维护的优化能力。这些流程自动化行业开展的影响深远和广泛的创新活动,都有一个共同的基础,就是如何高效地按现场设备标识获得上述的数据,如何按行业要求建立标准化的设备信息模型。

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图1 DCS系统演进为开放流程自动化OPA架构

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图2 NOA的开放架构

QQ图片20190708165933.png图3  NAMUR的NOA架构框图

NAMUR开放架构的概念

图3进一步诠释了NOA架构的构想,在这个体系中,核心的过程控制是具有确定性的控制系统DCS,这是现存的专用系统,不具备开放性。为实现运维监控和优化,NOA的解决方案是在流程工业的装置这一级引入具有开放性和可靠性的IT基础架构,这是一个相关工业软件APP平台,执行作业调度、先进过程控制、报警管理,同时也实现对工业4.0设备的管理(即按工业4.0要求完成资产管理壳的管理);为配合优化和预测性维护所加装的低成本、多参数传感器和对生产装置执行监控的振动检测系统,全都纳入这一系统。现存的DCS系统通过开放的OPC UA与装置级M+O系统连接,再在多个已建成的装置级M+O系统之上,建立集中的全局的M+O系统,执行排产、先进的分析、历史记录、可靠性管理、集中的HMI,以及生产网络的仿真等功能。这同样应该是一个开放可靠的工业APP平台。虽然现有的DCS系统只有专用接口,但为了与集中的M+O系统连接,需要将其转换为开放性的接口。NOA采用这样的设计构架达到了不对现有DCS系统进行大幅改动的初衷。

流程自动化现场设备信息模型PA-DIM的开发要求

尽管在如何实现开放性上,特别是DCS如何升级迁移上,OPAF与NOA大相庭径,不过他们还是找到了在基础要求方面的共同点,即它们都需要完善的描述现场设备的信息模型。因此,它们都支持由现场通信集团(FielComm Group)、OPC基金会和Profibus/Profinet国际组织正在合作开发的流程自动化现场设备的信息模型PA-DIM。

PA-DIM的开发必须顾及到满足工业4.0资产管理壳的复杂而完善的要求,使之成为带有完整描述的现场设备物理实体的数字孪生体;还要顾及按互操作性要求集成现场设备的开发过程中已经形成的标准。这样才能为已在现场安装使用的所有设备也能够完整地纳入开放型的自动化架构提供必要的基础。为此它应包含以下内容:工业4.0的管理壳所要求的各种要素项,符合OPC UA现场设备信息标准的相关信息(IEC 62541-100), FDI标准规定的现场设备的一般信息(IEC 62769)等,还要为制造厂商开辟其特定的技术规格的信息空间。图4详细表达了这些要求。

完整的流程自动化设备的信息模型包括PA-DIM规定的标准化内容和FDI标准规定的通用信息。其中,PA-DIM规定的标准化内容有设备识别、设备诊断、流程变量、服务和核心参数;FDI标准规定的通用信息包括用户互动和业务规则。由此可见,开发PA-DIM的基础具体表现为:满足NAMUR的NOA开放架构的要求,符合NAMUR的标准NE107(现场设备的自监控和诊断)和NE131(标准设备—标准应用的现场设备)。

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图4  PA-DIM信息模型传输现场设备的各种信息

PA-DIM可在下列各种场合运用:向HMI 、信息APP、报警APP、日志APP等提供信息和接收信息;为仓储管理和远程监控提供信息;为实时控制应用提供信息;设备组态和参数化;为设备的信息安全组态和为监控设备当前的固化状态提供接口;为设备的仪表板提供信息等。


PA-DIM开发的几个基本方法

(1)统一的信息模型摆脱通信协议依赖

PA-DIM首先关注将特定分类的流程自动化设备的成组信息和行为特性进行标准化。所依据的标准是NAMUR的NE 131——摆脱通信协议依赖的现场设备的标准应用。只要遵循标准化的PA-DIM这一统一信息模型,即使通信协议未知,也可以让应用软件不必进行附加的变换,或另加特定的协议技术细节,就可直接存取设备信息;并且模型中的语义识别功能符合IEC 61987公共数据字典(Common Data Dictionary)的规定,将使应用软件能“理解”PA-DIM的内容。从通信要求来看,所谓摆脱通信协议的依赖,就是在未来PA-DIM信息模型将采用OPC UA(IEC 62541)和OPC UA for devices (DI, IEC 62541-100 ) 标准来实现,特别是再过几年,当采用一对双绞线、既传输以太网信号又能实现供电的先进物理层APL的应用已经成熟的时候,所有新上的项目都可以选用OPC UA作为一网到底的传输协议。至于数量巨大的已在现场安装的仪表设备,它们的信息将借助于这些设备中内含的FDI的机制映射到PA-DIM信息模型中去,即由FDI来提供一种手段,使现场设备的特定信息由FDI服务器变换到标准的信息模型PA-DIM中去。之所以必须考虑这一点,是因为这些多年积累下来的巨量的现场资产存在着极高的利用价值。据2018年的统计,流程工业现有的现场设备中采用HART通信协议的占48%,采用FF通信协议的占22%,采用Profibus PA通信协议的占14%,其余仍采用4-20mA的模拟信号。

(2) PA-DIM与工业4.0资产管理壳的关系

PA-DIM另一个重要的输入是德国工业4.0联合体所定义的资产管理壳AAS。资产管理壳(简称管理壳)是资产的标准化的数字表达,是运行于制造系统的各类管理应用之间的互操作性基础。通过管理壳对它所表达的资产进行自身识别, 通过管理壳所包含的各种不同的数字化模型(子模型)来构造管理壳的信息和技术功能性,并使其成为可以区别于其他管理壳的基础部分。每个子模型涉及一个已知的技术领域或主要内容。若对子模型实施标准化,便能形成子模型的类型。在构建PA-DIM信息模型时应满足管理壳的要求,同时对管理壳的子模型进行标准化。

(3)语义识别 

PA-DIM规定的语义信息遵照NUMAR开放架构NOA和工业4.0资产管理壳AAS的要求。即将发表的OPC UA规范Part 5 – 信息模型(IEC62541-5 )、FDI ( IEC 62679 )和电子设备描述语言EDDL (IEC 61804) 的新版本,将会规定语义识别的作用。PA-DIM 信息模型按照IEC 61987公用数据字典对语义识别赋能,这样就可以通过PA-DIM,以标准化、且可供机器读取的格式,向制造系统中所有需要的环节提供现场设备信息。 参照OPC UA的信息模型对外部数据字典(如IEC通用数据字典或eCl@ss)提供基本的基础架构,由此定义ObjectTypes 和ReferenceTypes ,并解释应该如何使用。ObjectTypes 用来表示在OPC UA的地址空间中的一个外部数据字典。ReferenceType 用来从地址空间中的节点(Nodes)向字典词目提供参照。这样的词目可看作为外部的分类或外部的语义。图5为OPC UA规范Part 5所定义的类型和实例。IEC 61987 规定的DictionaryEntry Type 表示一个例子,解释一个具体的子类型可参照一个具体的外部数据字典的字典条目来进行定义。 

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图5  语义信息字典参照类型

(4)采用逐步推进的开发方式

PA-DIM 将采用阶梯式的开发方式,允许信息模型的扩展向后兼容,随着时间的推移可通过进一步定义的子模型予以扩展。

PA-DIM规范的第一步将建立在OPC UA DI(IEC 62541-100)的基础上,并作为OPC UA 的伙伴规范发布。将为典型的流程自动化仪表设备(流量、温度、压力、物位和阀门定位器)建立标准化的子模型:其设备的识别码按OPC UA DI(IEC 62541-100)和IEC CDD (IEC 61987) ,设备诊断参数按NE 107规范,标准应用参数按照NE 131规范。

下一步再建立附加的子模型,包括复杂设备的组态和参数化子模型、安全机制子模型,以及向HMI提供信息的子模型等。

结束语

据美国《控制工程》杂志网站透露,PA-DIM 的首个规范将在今年上半年发布。这揭示出这一创新的标准化活动正在加速进行,同时也反映了当前流程工业OT与IT深度融合和工业互联网实际应用遇到的一个拦路虎——基础不扎实,数据量严重不足。

很显然,在OT和IT深度融合的条件下,满足于用仪表设备测量和调节一两个物理参数,是不能进入智能制造、工业互联网和工业4.0时代的,建立现场设备的信息模型是必不可少的基础。今后的仪表设备一定是一个具有适当计算资源和存储资源的嵌入式系统,它工作于严酷的工业现场环境,传输出各种必要的数据和信息,为制造系统的运行维护和优化提供强大的基础。

最后,我们呼吁中国的自动化工作者在这个节骨眼上应该紧跟创建流程自动化现场设备信息模型的步伐,应该有适当的技术投入,重视这一基础性的工作,不要等一切都完成和完善之后再从国外引进技术。

转帖自网络




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