【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】通過標(biāo)準(zhǔn)化過程工廠儀表和其它設(shè)備的數(shù)據(jù)表示，過程自動(dòng)化設(shè)備信息模型(PA-DIM)可以簡化訪問并擴(kuò)展兼容性，以將關(guān)鍵的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)級計(jì)算資源。
多年來，隨著通信和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，以及用戶對開放式架構(gòu)的需求，制造業(yè)的數(shù)據(jù)連接取得了長足的進(jìn)步。這推動(dòng)了互連選項(xiàng)的優(yōu)化，如今的設(shè)計(jì)者能夠使用一系列最適配的現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議來支持自動(dòng)化項(xiàng)目的各個(gè)方面。
然而，現(xiàn)在還不到慶祝的時(shí)候——從遠(yuǎn)程現(xiàn)場儀表到控制室，再到基于云的企業(yè)資源，在整個(gè)運(yùn)營體系中建立順暢的通信仍面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)流層級架構(gòu)需要嚴(yán)格且資源密集的策略來跨越這些區(qū)域，同時(shí)還要保障安全性。但現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)(IoT)模式要求實(shí)現(xiàn)全廠范圍內(nèi)的簡化通信，這必須通過標(biāo)準(zhǔn)信息模型和高效的機(jī)器對機(jī)器集成能力來實(shí)現(xiàn)。
基于這些原因，國際現(xiàn)場通信技術(shù)基金會(huì)FieldComm Group(簡稱FCG)與OPC基金會(huì)在2017年成立了聯(lián)合工作組，以制定過程自動(dòng)化設(shè)備信息模型(PA-DIM)。PA-DIM是一種基于OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)的標(biāo)準(zhǔn)化 “信息模型”，由九個(gè)成員組織組成的共同所有者參與開發(fā)，旨在更廣泛地支持工業(yè)應(yīng)用。其目標(biāo)是為企業(yè)計(jì)算資源創(chuàng)建一種獨(dú)立于協(xié)議的方式，以便高效訪問現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)。本文將介紹PA-DIM如何實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備到工廠網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，再到企業(yè)計(jì)算系統(tǒng)的連接標(biāo)準(zhǔn)化(圖1)。
彌合OT/IT的鴻溝
如今，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和實(shí)施人員認(rèn)識到，許多現(xiàn)場總線具有廣泛的安裝基礎(chǔ)，可以促進(jìn)運(yùn)營技術(shù)(OT)工廠安裝的各個(gè)方面。目前，基金會(huì)現(xiàn)場總線、Profibus, HART和WirelessHART等工業(yè)OT通信協(xié)議都已廣泛部署。OT世界了解與這些相關(guān)的各種物理層、使用的自動(dòng)化協(xié)議以及定義現(xiàn)場設(shè)備信息的設(shè)備描述符。
隨著危險(xiǎn)區(qū)域適用的以太網(wǎng)高級物理層(Ethernet-APL)和非危險(xiǎn)區(qū)域適用的單對以太網(wǎng)(SPE)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)協(xié)議正逐步融入這一環(huán)境。很快，我們將看到EtherNet/IP、PROFINET和 HART-IP等在OT領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。
以太網(wǎng)是信息技術(shù)(IT)領(lǐng)域的基礎(chǔ)。然而，這些協(xié)議與OT中使用的協(xié)議以及要求不同。OPC UA協(xié)議通常用于企業(yè)級應(yīng)用。在工廠層面，IT負(fù)責(zé)資產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)歷史存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)連接；在企業(yè)層面，IT資源用于分析和企業(yè)資源規(guī)劃等任務(wù)。對所有IT用戶而言，安全性是首要關(guān)注點(diǎn)。
OT領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)必須通過分析、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)和人工智能(AI)等手段轉(zhuǎn)化為IT可用的價(jià)值。這些應(yīng)用均需歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以推動(dòng)流程優(yōu)化、設(shè)備綜合效率(OEE)提升、預(yù)測性維護(hù)等工作。
數(shù)據(jù)來源：儀表和現(xiàn)場設(shè)備
大多數(shù)所需數(shù)據(jù)都來自現(xiàn)有儀器和現(xiàn)場設(shè)備的大量安裝基礎(chǔ)。對于新安裝項(xiàng)目，在可預(yù)見的未來，顯然不會(huì)有單一的介質(zhì)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)適用于所有應(yīng)用場景。
即使系統(tǒng)和協(xié)議強(qiáng)調(diào)開放性，但在很多情況下，現(xiàn)場某些類型的源數(shù)據(jù)根本無法清晰地映射到需要這些信息的高層級資源。因此，需要一套語義系統(tǒng)，確保信息的發(fā)送方和接收方(通常是不同的OT或IT系統(tǒng))明確理解傳輸內(nèi)容。
語義重要性可以通過一個(gè)易于理解的例子來加以說明。兩個(gè)人站在一條繁忙的城市街道上。當(dāng)車輛飛馳而過時(shí)，一個(gè)人對另一個(gè)人說：“哇，看看向我們駛來的Jaguar。”在這種情況下，聽眾會(huì)看向街道，期待看到一輛漂亮的捷豹汽車?，F(xiàn)在，讓我們把場景改成叢林小徑，而不是繁忙的城市街道。在這種情況下，當(dāng)提到Jaguar這個(gè)詞時(shí)，含義完全不同——它指的是一種兇猛的美洲豹。聽者更有可能轉(zhuǎn)身逃跑，而不是轉(zhuǎn)身去看！
類似地，機(jī)器或軟件應(yīng)用之間的“對話”雖更難理解，但對嚴(yán)格定義的需求是一致的。PA-DIM 通過采用現(xiàn)有的IEC語義定義標(biāo)準(zhǔn)來滿足這一需求。
在整個(gè)工廠裝置中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的方式，與高級IT系統(tǒng)如何將這些數(shù)據(jù)用于歷史記錄、分析和其它目的之間存在差異。PA-DIM旨在彌合這種OT/IT鴻溝，從而為OT和IT系統(tǒng)之間的通信提供一種獨(dú)立于所涉自動(dòng)化協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化方式。
PA-DIM：將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫枰牡胤?/strong>
隨著終端用戶越來越多地承擔(dān)數(shù)字化轉(zhuǎn)型項(xiàng)目，他們正在尋找訪問工廠數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)狡髽I(yè)的最佳方式。其中一種推動(dòng)力量來自終端用戶協(xié)會(huì) NAMUR，該協(xié)會(huì)發(fā)布了NE 175 建議——《NAMUR 開放架構(gòu)(NOA)概念》。NOA旨在安全、輕松地向更高級別的企業(yè)計(jì)算資源提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便用于監(jiān)控、分析和優(yōu)化。NOA引入了一個(gè)新的監(jiān)控和優(yōu)化(M+O)領(lǐng)域，可以與更傳統(tǒng)的過程自動(dòng)化系統(tǒng)并行工作。
支持NOA M+O概念所需的技術(shù)基礎(chǔ)之一便是PA-DIM。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，智能OT設(shè)備提供DD文件，這些文件由以O(shè)T為中心的主機(jī)(如分布式控制系統(tǒng)(DCS))使用，這些主機(jī)理解這種格式，并可以用其來解釋可用的數(shù)據(jù)和功能。然而，它的主機(jī)和客戶端通常不能直接使用DD文件，因此開發(fā)了PA-DIM來實(shí)現(xiàn)OT數(shù)據(jù)的軟件參數(shù)化，使其適用于IT系統(tǒng)。
PA-DIM是數(shù)字化轉(zhuǎn)型、IIOT和OT/IT融合的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它帶來三大核心優(yōu)勢：
·實(shí)現(xiàn)與其它技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的共存與合作。
·提供數(shù)據(jù)情境和語義，大大簡化了更高級別計(jì)算資源對這些數(shù)據(jù)的分析和其他目的的使用。
·充分利用邊緣數(shù)據(jù)所需努力的基礎(chǔ)信息模型。只有當(dāng)數(shù)據(jù)易于使用時(shí)，才有可能從中獲得價(jià)值。
總之，PA-DIM模型為IT系統(tǒng)提供了一種途徑，可以輕松與現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)只讀集成，這些設(shè)備可能支持不同的自動(dòng)化協(xié)議，以完整的情境語義公開必要的數(shù)據(jù)。一組基本的設(shè)備信息被標(biāo)準(zhǔn)化，用于識別、診斷、過程變量、設(shè)備健康狀況和其它核心參數(shù)。
設(shè)備的唯一標(biāo)識，由制造商定義的設(shè)備產(chǎn)品實(shí)例和用戶可寫的字母數(shù)字資產(chǎn)標(biāo)識組成，它們向客戶端提供許多信號標(biāo)簽。PA-DIM是一種新型的信息架構(gòu)，專注于為信號提供標(biāo)準(zhǔn)化的語義架構(gòu)，而不是為每類現(xiàn)場設(shè)備要求獨(dú)特的、以功能為中心的模型的舊方法(圖2)。
PA-DIM的部署
通過與NAMUR NOA的要求和信息模型相協(xié)調(diào)，PA-DIM根據(jù)IEC 61987標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)準(zhǔn)化方式映射設(shè)備和語義信息。該IEC標(biāo)準(zhǔn)涉及工業(yè)過程測量與控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和元素，定義了通用數(shù)據(jù)字典(CDD)、操作屬性列表(OLOP)和設(shè)備屬性列表(DLOP)等概念。建立CDD、OLOP和DLOP，對于使其能夠在不了解設(shè)備本身的情況下訪問設(shè)備信息至關(guān)重要。
OPC-UA是一種具有很強(qiáng)IT接受度的安全數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是PA-DIM的賦能技術(shù)。最初，OPC UA和PA-DIM將作為第二條通道協(xié)同工作，直接將現(xiàn)場設(shè)備的 M+O(監(jiān)控與優(yōu)化)數(shù)據(jù)傳輸至企業(yè)層。隨著Ethernet-APL的普及以及OT/IT領(lǐng)域?qū)?OPC UA作為安全高性能上下文控制和M+O協(xié)議的接受，OPC UA有望支持完全開放的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無縫信息流。
由于PA-DIM是公開可用的，并且符合OPC-UA，供應(yīng)商和用戶可以結(jié)合已發(fā)布的供應(yīng)商信息和特定的工廠配置數(shù)據(jù)，使用手動(dòng)方法將自己的設(shè)備映射到PA-DIM。但此過程可能會(huì)引入錯(cuò)誤，不太適合擴(kuò)展到大型裝置。
更好的方法是使用支持PA-DIM的現(xiàn)場設(shè)備集成(FDI)包。使用FDI時(shí)，PA-DIM 數(shù)據(jù)將從與設(shè)備相關(guān)的電子設(shè)備描述符 (EDD) 文件創(chuàng)建。OT系統(tǒng)已經(jīng)依賴此EDD文件進(jìn)行設(shè)備的設(shè)置、配置和維護(hù)，但I(xiàn)T系統(tǒng)沒有，它們只是了解OPC-UA。通過使用FDI，最終用戶可以保證OT主機(jī)系統(tǒng)和IT企業(yè)系統(tǒng)使用的信息是相同的，因?yàn)樗鼇碜酝粋€(gè)基礎(chǔ)EDD文件。如果設(shè)備由用戶供應(yīng)商或集成商手動(dòng)映射，則無法保證這種可靠性。
簡化數(shù)據(jù)訪問
一旦源數(shù)據(jù)被映射到PA-DIM模型中，數(shù)據(jù)就可以很容易被IT客戶端使用。隨著PA-DIM技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，客戶端可以直接查詢PA-DIM服務(wù)器，以確定哪些數(shù)據(jù)可用，然后連接到它。
PA-DIM利用OPC-UA對情境數(shù)據(jù)的支持，用過程工廠或現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)的情境化所需的語法和語義擴(kuò)展這一功能，使其易于被IT計(jì)算資源理解。使用HART和其它協(xié)議的儀器供應(yīng)商可以將其現(xiàn)有和即將推出的設(shè)備映射到PA-DIM中，從而方便 IT 人員訪問這些產(chǎn)品中包含的寶貴數(shù)據(jù)。
隨著數(shù)字化簡化了對工廠車間數(shù)據(jù)的訪問，從挖掘這些數(shù)據(jù)中尋求價(jià)值的用戶群體不斷擴(kuò)大，并發(fā)現(xiàn)了新的見解和運(yùn)營改進(jìn)。但是，源信息必須可靠、準(zhǔn)確、易于理解，并在所有站點(diǎn)和企業(yè)運(yùn)營中保持一致。由于OT和IT應(yīng)用領(lǐng)域通常使用不同的協(xié)議、語言和架構(gòu)，因此在所有目標(biāo)應(yīng)用程序之間正確對齊可用數(shù)據(jù)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。PA-DIM作為一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過IT用戶更熟悉的技術(shù)以標(biāo)準(zhǔn)化方式跨越OT與IT的信息鴻溝，助力從過程工廠數(shù)據(jù)中獲取價(jià)值。
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