PA-DIM：过程自动化-设备信息模型

工业物联网、工业互联网等概念闹了很久，那么从工业设备角度来看，到底怎么样拥抱这些概念呢？PA-DIM 可能是一个不错的入口。

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，我们来回顾一下工业总线的发展历史。

工业上普遍需要测量各种物理量，比如温度、压力、速度、角度、液位高度等。它们都需要转换成模拟量电信号才可以传输到控制室进行显示。工业上最广泛采用的是4-20 mA的电流进行传输。比如，测量范围是 0-100 摄氏度的温度传感器，发送 4mA 信号给控制器，表示 0 摄氏度，发送 20mA 信号给控制器，表示 100 摄氏度。

然而，用电流信号传输数据有很多限制。第一，连线多。控制器和现场设备之间是一对一的连线。距离越远，电路越长，安装成本、空间占用就越大。第二，调试困难。设备和控制室两边要来回对数据。第三，精度低。现场仪表要把物理量转换成电流值，转换过程必定损失一些精度。第四，管理难。控制器只能读到测量数据，没法获取设备标识信息和诊断信息。

为了解决部分问题，上世纪 80 年代，人们想到了个办法，在 4-20mA 的电流信号上叠加一个所谓的 FSK 频移键控信号，使得模拟信号和数字信号互不干扰在同一根物理导线上传输。频移键控就是设定两组不同的信号频率表示数字信号比特位 0 和 1 。这种协议就叫 HART - Highway Addressable Remote Transducer。

这一时期，也出现了各种工业总线。比如 Modbus， CAN ，FOUNDATION Feildbus， PROFIBUS 等串行通信总线，以及后来基于以太网的 PowerLink， HART-IP ， PROFINET，FF HSE，Modbus TCP 等。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。

如今，IT/OT融合，企业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。正如FieldComm Group（ FCG ）的 Paul Sereiko 所说：“There’s a big thirst for plant-floor-to-cloud communication.”

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。最基本的，控制系统要能获取现场设备的数据。然后现场操作员想要在移动终端进行现场诊断。现场车间的边缘分析服务器需要设备数据进行计算，做局部优化分析。而工业云则可以利用全局数据进行挖掘，辅助决策。这就对数据采集的便捷性、兼容性、通用型提出更高要求。

比如说，一套工具如果能通吃各种设备的话，不管是 PROFIBUS 还是 MODBUS 设备，只要连上设备，我就可以配置设备参数，调试设备功能，使用设备进行现场测量控制了。

而目前的现状如图所示 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。

首选，是要明确，为了实现数据互联互通的愿景，需要获取哪些数据？比如：

• 设备能提供什么样的功能？
• 应用程序可以调用设备的哪些服务？
• 需要用什么样的协议传输数据？什么样的格式保存数据？
• 设备和设备之间是什么关系？
• 实现这些功能需要哪些信息安全保障机制？

于是，针对这些个问题，各种现场总线的协会和标准组织也提出了很多解决方案：

• 工业4.0组织提出了资产管理壳（Asset Administration Shell，简称 AAS）
• W3C WoT 提出了Thing Description方案
• NAMUR 提出Module Type Package方案，简称 MTP
• Automation Markup Language，简称 AutomationML
• FDT Group 提出 Field Device Tool，简称 FDT
• FieldComm Group 提出了Field Device Integration方案，简称 FDI
• 以及OPC UA的 PA-DIM 过程自动化信息模型方案

以 FDT 和 FDI 为例，我们看看他们是怎么进行集成的。

FDT 的全称是 Field Device Tool/Technology，国际标准编号为 IEC 62453。 FDT 定义了一套厂商和协议中立的现场设备集成接口。FDT 提供一套叫作 FDT Frame 的应用框架来承载运行 DTM 模块（Device Type Manager）。不同的设备有一套自己的 DTM 程序，这套程序按照 FDT 的接口开发，导入到 FDT 应用框架中，就能把设备用起来。这个方式打印机的安装方式。我们如果想要用特定打印机，就要安装打印机的驱动程序。而 DTM 正是设备的驱动程序。

FDI 的全称是 Field Device Integration，国际标准编号为 IEC 62769。FDI 改进了 FDT 的设备描述机制，不再使用程序开发的 DTM 作为设备驱动，而是用 EDDL 编写的设备描述文件。FDI 也有一个应用框架叫作FDI Host System，它可以执行导入的 FDI Package，FDI Package包含了核心的 EDD 设备描述文件外，还有 UIP 和附件。UIP 是User Interface Plug-in，即用户界面插件。通过 UIP可以定义配置使用设备的工具界面。而附件则是设备的说明书、认证证书等。这样一来，就可以利用描述文件来构造程序，而不需要写代码开发 DTM 了。

后来，FDT 和 FDI 都支持在其运行系统之上提供OPC UA服务器，这样一来，各种不同的工业总线就可以通过FDT/FDI集成，提供数据给OPC UA客户端了。

但是，不同的现场总线的集成技术会设计出不同的OPC UA地址空间，互相不兼容。于是，多个厂商、用户协会共同开发了过程自动化设备信息模型（ PA-DIM ）。这些组织包括：现场通信组（FieldComm Group, FCG)、OPC 基金会（OPC Foundation, OPCF）、NAMUR 德国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 德国电气电子厂商协会（Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e. V.）、PROFIBUS & PROFINET 国际组织（PROFIBUS & PROFINET International, PI）、ODVA 开放 DeviceNet 厂商协会（Open DeviceNet Vendors Association）、ISA100 国际自动化协会（International Society of Automation）、VDMA 德国机械设备制造业联合会（Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.）、FDT Group（Field Device Technology Group）。

PA-DIM 的目的是为了更轻松的采集数据；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；同时又能沿用现有的设备集成技术。最终目的是，确保任何设备供应商、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：

• 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。

如图 2 所示，有了 PA-DIM 数据模型，就可以在 FDT 和 FDI 的基础上提供一个统一的数据模型给OPC UA客户端访问。这样同一个客户端实现就能访问各种不同的设备数据了。这就更不用关心现场的设备是通过什么总线通信，或者是通过什么设备总线集成技术了。

更进一步，如图 2 ，如果设备本身支持OPC UA，并实现了 PA-DIM就可以直接通过OPC UA客户端访问现场设备的数据了。不过，这时候，需要 Ethernet-APL 物理层通信技术的支持。

理顺了工业总线以及工业总线集成技术的发展之后，我们再来看看 PA-DIM 和各个标准及组织之间的关系。

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：

• NAMUR 开放架构（NAMUR Open Architecture, NOA, NE175）以 PA-DIM 为参考信息模型
• “开放流程自动化论坛”（Open Process Automation Forum， OPAF ）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（Open Process Automation Standard）。
• FDT/FDI 利用 PA-DIM 扩展 FDT 应用框架和FDI Host系统
• PA-DIM 基于OPC UA通信协议和一些现成信息模型
  • 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
• 通过FLC/OPC UA FX现场层通信倡议，设备的 PA-DIM 数据可以直接通过 Ethernet-APL 网络访问

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 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通信。
• 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，实现无缝的信息流。只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