05 August 2023

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。