【儀表網 行業科普】通過標準化過程工廠儀表和其它設備的數據表示，過程自動化設備信息模型(PA-DIM)可以簡化訪問并擴展兼容性，以將關鍵的現場數據傳輸到企業級計算資源。
多年來，隨著通信和數字技術的發展，以及用戶對開放式架構的需求，制造業的數據連接取得了長足的進步。這推動了互連選項的優化，如今的設計者能夠使用一系列最適配的現場總線、網絡技術和通信協議來支持自動化項目的各個方面。
然而，現在還不到慶祝的時候——從遠程現場儀表到控制室，再到基于云的企業資源，在整個運營體系中建立順暢的通信仍面臨挑戰。傳統的自動化數據流層級架構需要嚴格且資源密集的策略來跨越這些區域，同時還要保障安全性。但現代物聯網(IoT)模式要求實現全廠范圍內的簡化通信，這必須通過標準信息模型和高效的機器對機器集成能力來實現。
基于這些原因，國際現場通信技術基金會FieldComm Group(簡稱FCG)與OPC基金會在2017年成立了聯合工作組，以制定過程自動化設備信息模型(PA-DIM)。PA-DIM是一種基于OPC統一架構(OPC UA)的標準化 “信息模型”，由九個成員組織組成的共同所有者參與開發，旨在更廣泛地支持工業應用。其目標是為企業計算資源創建一種獨立于協議的方式，以便高效訪問現場設備數據。本文將介紹PA-DIM如何實現從現場設備到工廠網絡和控制系統，再到企業計算系統的連接標準化(圖1)。
彌合OT/IT的鴻溝
如今，自動化系統設計人員和實施人員認識到，許多現場總線具有廣泛的安裝基礎，可以促進運營技術(OT)工廠安裝的各個方面。目前，基金會現場總線、Profibus, HART和WirelessHART等工業OT通信協議都已廣泛部署。OT世界了解與這些相關的各種物理層、使用的自動化協議以及定義現場設備信息的設備描述符。
隨著危險區域適用的以太網高級物理層(Ethernet-APL)和非危險區域適用的單對以太網(SPE)的出現，以太網協議正逐步融入這一環境。很快，我們將看到EtherNet/IP、PROFINET和 HART-IP等在OT領域得到更廣泛的應用。
以太網是信息技術(IT)領域的基礎。然而，這些協議與OT中使用的協議以及要求不同。OPC UA協議通常用于企業級應用。在工廠層面，IT負責資產管理和數據歷史存儲的數據連接；在企業層面，IT資源用于分析和企業資源規劃等任務。對所有IT用戶而言，安全性是首要關注點。
OT領域的海量數據必須通過分析、機器學習(ML)和人工智能(AI)等手段轉化為IT可用的價值。這些應用均需歷史和實時數據，以推動流程優化、設備綜合效率(OEE)提升、預測性維護等工作。
數據來源：儀表和現場設備
大多數所需數據都來自現有儀器和現場設備的大量安裝基礎。對于新安裝項目，在可預見的未來，顯然不會有單一的介質和協議標準適用于所有應用場景。
即使系統和協議強調開放性，但在很多情況下，現場某些類型的源數據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，確保信息的發送方和接收方(通常是不同的OT或IT系統)明確理解傳輸內容。
語義重要性可以通過一個易于理解的例子來加以說明。兩個人站在一條繁忙的城市街道上。當車輛飛馳而過時，一個人對另一個人說：“哇，看看向我們駛來的Jaguar。”在這種情況下，聽眾會看向街道，期待看到一輛漂亮的捷豹汽車。現在，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，當提到Jaguar這個詞時，含義完全不同——它指的是一種兇猛的美洲豹。聽者更有可能轉身逃跑，而不是轉身去看！
類似地，機器或軟件應用之間的“對話”雖更難理解，但對嚴格定義的需求是一致的。PA-DIM 通過采用現有的IEC語義定義標準來滿足這一需求。
在整個工廠裝置中產生數據的方式，與高級IT系統如何將這些數據用于歷史記錄、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系統之間的通信提供一種獨立于所涉自動化協議的標準化方式。
PA-DIM：將數據傳輸到需要的地方
隨著終端用戶越來越多地承擔數字化轉型項目，他們正在尋找訪問工廠數據并將其傳輸到企業的最佳方式。其中一種推動力量來自終端用戶協會 NAMUR，該協會發布了NE 175 建議——《NAMUR 開放架構(NOA)概念》。NOA旨在安全、輕松地向更高級別的企業計算資源提供生產數據，以便用于監控、分析和優化。NOA引入了一個新的監控和優化(M+O)領域，可以與更傳統的過程自動化系統并行工作。
支持NOA M+O概念所需的技術基礎之一便是PA-DIM。在傳統架構中，智能OT設備提供DD文件，這些文件由以OT為中心的主機(如分布式控制系統(DCS))使用，這些主機理解這種格式，并可以用其來解釋可用的數據和功能。然而，它的主機和客戶端通常不能直接使用DD文件，因此開發了PA-DIM來實現OT數據的軟件參數化，使其適用于IT系統。
PA-DIM是數字化轉型、IIOT和OT/IT融合的統一技術標準，它帶來三大核心優勢：
·實現與其它技術標準之間的共存與合作。
·提供數據情境和語義，大大簡化了更高級別計算資源對這些數據的分析和其他目的的使用。
·充分利用邊緣數據所需努力的基礎信息模型。只有當數據易于使用時，才有可能從中獲得價值。
總之，PA-DIM模型為IT系統提供了一種途徑，可以輕松與現場設備實現只讀集成，這些設備可能支持不同的自動化協議，以完整的情境語義公開必要的數據。一組基本的設備信息被標準化，用于識別、診斷、過程變量、設備健康狀況和其它核心參數。
設備的唯一標識，由制造商定義的設備產品實例和用戶可寫的字母數字資產標識組成，它們向客戶端提供許多信號標簽。PA-DIM是一種新型的信息架構，專注于為信號提供標準化的語義架構，而不是為每類現場設備要求獨特的、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調，PA-DIM根據IEC 61987標準以標準化方式映射設備和語義信息。該IEC標準涉及工業過程測量與控制的數據結構和元素，定義了通用數據字典(CDD)、操作屬性列表(OLOP)和設備屬性列表(DLOP)等概念。建立CDD、OLOP和DLOP，對于使其能夠在不了解設備本身的情況下訪問設備信息至關重要。
OPC-UA是一種具有很強IT接受度的安全數據傳輸協議，是PA-DIM的賦能技術。最初，OPC UA和PA-DIM將作為第二條通道協同工作，直接將現場設備的 M+O(監控與優化)數據傳輸至企業層。隨著Ethernet-APL的普及以及OT/IT領域對 OPC UA作為安全高性能上下文控制和M+O協議的接受，OPC UA有望支持完全開放的架構，實現無縫信息流。
由于PA-DIM是公開可用的，并且符合OPC-UA，供應商和用戶可以結合已發布的供應商信息和特定的工廠配置數據，使用手動方法將自己的設備映射到PA-DIM。但此過程可能會引入錯誤，不太適合擴展到大型裝置。
更好的方法是使用支持PA-DIM的現場設備集成(FDI)包。使用FDI時，PA-DIM 數據將從與設備相關的電子設備描述符 (EDD) 文件創建。OT系統已經依賴此EDD文件進行設備的設置、配置和維護，但IT系統沒有，它們只是了解OPC-UA。通過使用FDI，最終用戶可以保證OT主機系統和IT企業系統使用的信息是相同的，因為它來自同一個基礎EDD文件。如果設備由用戶供應商或集成商手動映射，則無法保證這種可靠性。
簡化數據訪問
一旦源數據被映射到PA-DIM模型中，數據就可以很容易被IT客戶端使用。隨著PA-DIM技術的進一步發展，客戶端可以直接查詢PA-DIM服務器，以確定哪些數據可用，然后連接到它。
PA-DIM利用OPC-UA對情境數據的支持，用過程工廠或現場設備數據點的情境化所需的語法和語義擴展這一功能，使其易于被IT計算資源理解。使用HART和其它協議的儀器供應商可以將其現有和即將推出的設備映射到PA-DIM中，從而方便 IT 人員訪問這些產品中包含的寶貴數據。
隨著數字化簡化了對工廠車間數據的訪問，從挖掘這些數據中尋求價值的用戶群體不斷擴大，并發現了新的見解和運營改進。但是，源信息必須可靠、準確、易于理解，并在所有站點和企業運營中保持一致。由于OT和IT應用領域通常使用不同的協議、語言和架構，因此在所有目標應用程序之間正確對齊可用數據一直是一個挑戰。PA-DIM作為一項技術標準，通過IT用戶更熟悉的技術以標準化方式跨越OT與IT的信息鴻溝，助力從過程工廠數據中獲取價值。
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