PA-DIM：过程自动化-设备信息模型

本文介绍 PA-DIM。PA-DIM 的英文全称是 Process Automation - Device Information Model ，即过程自动化-设备信息模型。

首先，我们回顾下过程自动化行业的发展里程。过程自动化行业的工业现场仪器仪表设备、控制通信网络经过了几十年的发展，已经有了很好的基础。像 PROFIBUS, MODBUS, FOUNDATION Field, HART, WirelessHART 等工业现场协议，可以在 DCS/PLC 和各种现场仪器和执行器之间，建立稳定、安全、可靠的通信链接。

如图所示 1 ，上世纪 90 年代提出的普渡自动化金字塔层级架构，把工业企业的自动化应用和控制分成多个层级。最底下是所要管控的工业现场；往上一层是部署在现场的传感器、执行器和 SIS ，它们直接和物理世界进行交互；在这些现场设备上一层是 PLC ，DCS ，SCADA 等执行监控任务的控制设备；再上一层是数据历史系统、生产执行系统等运营管理软件；最上层则是企业信息系统，包括供应商管理软件、客户管理软件、财务管理软件等。

普渡自动化金字塔层级架构在过去几十年，构成了工业企业信息化的参考模型。但是，随着流程工业对数据的获取、理解、分析、利用的要求越来越高。如果们把关注点放在工业现场层，可以发现，IT/OT 的融合、全面的数字化，还是路漫漫其修远兮：

• 数据分散在不同的设备和系统中，汇集这些数据需要很多软件、硬件、资金和工作量的投入。
• 数据链路纷繁复杂，在现场设备和控制系统之间，看似简单的两个箭头，其实需要多种系统、多个协议、多个版本的工具、不同的工作人员互相交互才可以建立数据通路。这其中的连线和调试的复杂性可想而知。
• 数据接口繁多，不同的工具、设备和协议有不同的访问方式，获取数据的接口各不相同，数据的格式也不统一，所以数据处理的过程、展示数据的过程也各不相同。

从普渡自动化金字塔层级结构中，我们可以看到，过程自动化现场有分析仪器、测量仪器、执行仪器等，他们传统的来说会连接到工业主机控制器，由工程配置软件通过主机控制器对这些仪器进行配置，HMI 软件又通过主机控制器获取实时测量数据、实时运行参数、设备状态数据，并根据情况调整工艺参数、修改输出数据。但是，随着对数据利用的要求越来越多，行业内提出了工业 4.0 ，智能智造、工业物联网、工业互联网等愿景，为的是如何降低数据获取的复杂度，提升数据的利用度，获取数据的价值。所以，现场设备越来越多的需要通过移动设备进行便捷地访问，通过边缘服务器快速分析本地数据，通过云服务进行大数据的训练和分析。

针对这些诉求，现场通信组（FieldComm Group, FCG)、OPC 基金会（OPC Foundation, OPCF）、NAMUR 化学行业测量和控制技术标准工作组（Normen Arbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie, NAMUR）、ZVEI（Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e. V.）、PROFIBUS & PROFINET 国际组织（PROFIBUS & PROFINET International, PI）、ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）、ISA100（International Society of Automation）、 VDMA（Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.）、FDT Group（Field Device Technology Group） 合作开发了过程自动化-设备信息模型 PA-DIM。为的是更轻松的采集数据；又能兼容支持工业现场已经安装的设备；并且要基于最新的面向未来的技术标准推广现有设备集成技术；最后，任何设备供应商、任何协议，都能以标准化的方式集成设备。PA-DIM 的主要技术内容如下：

• PA-DIM 定义了设备标识、设备诊断、过程变量等常见参数。
• 用统一的层级结构和数据结构呈现这些参数数据。
• 套用标准的数据语义字典，确保数据名称的一致性。

如图1所示，PA-DIM 给那些支持不同工业总线协议的设备扩展了 OPC UA 设备信息模型。在这个信息模型中定义了设备的核心参数，建立设备的标准数据集，最后，用易于极其解析合理价的格式把这些数据提供出去。这样，不管哪家供应商，使用哪种协议，访问数据的客户端都能轻松读取数据。

如图 1 所示，PA-DIM 通过扩展 OPC UA 地址空间，简化设备的数据访问：

• 数据更标准。不论设备来自哪个厂家，各个厂家都遵循标准一致的数据层级结构。
• 数据更统一。不用关心设备类型，各个设备的数据都一样呈现。
• 意义更明确，套用通用数据字典（IEC 61987 CDD - Common Data Dictionary）， 参数和变量的描述都清晰准确。
• 组织更清晰，每个设备对应一个资产号，数据信号关联一个标签，设备、数据信号可以嵌套扩展。
• 标识唯一。基于 IEC 61406 IL 字符串的设备标识。
  • 可以通过 PA-DIM 信息模型读取。
  • 可以扫描设备外部的二维码获取。
  • 可以从基于 IEEE 802.1AR IDevID 的设备出厂安全数字证书中获取。

前面提到， PA-DIM 定义了过程设备数据的访问的标准方式，那么 PA-DIM 与其他工业标准有什么关系呢？如图 2 所示：

• 工业 4.0 AAS 使用 PA-DIM
• NOA NAMUR 开放架构（NE175）以 PA-DIM 为参考信息模型
  • 满足 NOA 的用例需求
  • 遵循 IEC 61987 CCD 的设备参数语义标识
• OPAF “开放流程自动化论坛”开放过程自动化系统正在和 FCG 合作，计划将 PA-DIM 纳入 O-PAS 标准。
• 基于 OPC UA 通信协议和信息模型
  • OPC UA part 100 设备信息模型 (OPC Foundation 2022) 是 PA-DIM 设备模型的基础
  • OPC UA part 8 数据访问模型 (OPC Foundation 2021) 是 PA-DIM 设备信号数据的基础
• 支持 FLC/OPC UA FX 现场层通信倡议，基于 IP 的设备使用 Ethernet-APL

PA-DIM 的开发计划：

• 第一步，主要目的是要保持现有的 DCS/PLC 和现有的现场通信技术。通过边缘网关把现场设备的数据映射到基于 OPC UA 的 PA-DIM 信息模型。提供 IT 层应用的访问通路，同时又保持 OT 层的独立运行。
• 第二，通过 APL 和 IP 协议把 OPC-UA PA-DIM 引入到现场侧的部分设备中。此时，系统有两个通道，一个是，基于传统模拟信号和/或现场总线的通信信道。另一个是，基于 OPC-UA 和 PA-DIM 的现场设备将可以直接与边缘网关甚至上层系统建立联系。
• 第三阶段，实现全面的 APL 以及实现单一的通信协议。即不管是用于生产控制、亦或是用于诊断/运维，都是用统一的 OPC UA 和统一的 APL 物理层，实现真正的开放架构，以及无缝的信息流。只是通过特定的网关兼容传统的现场设备。

最后，总接一下。

PA-DIM 描述过程自动化设备

• 统一的信息模型
• 标准的语义定义
• 协议和供应商中立的数据交换机制

PA-DIM 有广泛的支持：

• 标准组织和制造商的认可且支持：FCG, PI, FDT, ISA100, VDMA …
• 用户协会也推荐：NAMUR NOA, OPCF O-PAS

总之，基于 APL 物理层，基于 OPC UA 标准通信架构，基于 PA-DIM 的行业信息模型，就可以填补一部分过程自动化领域 IT/OT 的鸿沟，实现自底向上、和自上而下的数据连通：

• 不管来自哪家设备厂商的设备，都可以通过统一的方式访问设备数据
• 设备的数据以结构化的、层次化的方式展现
• 统一的数据访问机制和数据结构，各种工具、各种设备可以互相访问