流程設備的自動化監控

文/ Thomas Rummel, Thomas Schwarzenb?ck

OPC UA 信息模型包含Profinet 網絡上的兩個視圖

Profinet 現場總線的故障診斷和OPC UA 規范——過去，自動化是設備監控的重點，它能讓你了解設備的工作參數和測量值，但在互聯網時代，自動化系統的故障診斷成為了重點工作，并為設備操作者帶來了更多新的可能性。

流程工業領域中的現代化設備不僅能夠為運營商提供I/O 數據，而且還提供很多生產過程的深層數據。在管理系統中，從現場儀中采集到的例如故障診斷數據、儀器狀態的常規信息以及特定設備參數等，都能幫助運營商制定預防性的維護保養計劃，并有助于避免計劃外的停機，縮短停機時間，從而降低維護保養的成本。為了更好地實現過程優化和成本節約，所有采集的數據都必須是透明化和標準化的。

自動化領域中的網絡技術不斷發展，與Profinet 通信技術平行的TCP/IP 通信技術也得到了越來越多的應用。因此，有關網絡當前狀態的信息，以及網絡通信過程和通信質量的信息也越來越重要。在IT 領域中，已經有必須由系統管理員操作的復雜監控系統了，網絡監控系統也正式進入了自動化領域。但在OT 領域中，很高的網絡可用性和IT 系統中的網絡可用性一樣重要，因為功能失靈會導致計劃外設備停機，嚴重的時候還會導致設備損毀，從而帶來巨大的財產損失。

把握物理特性

對自動化網絡的永久性監控可以盡早發現錯誤，并及時糾正錯誤。對于串行的現場總線系統，例如Profinet 現場總線系統，其重點主要是系統的物理特性，即電纜、導線和插接連接件的質量。

在包括Profinet 在內的以太網系統中，物理結構幾乎不會導致故障。現場儀器設備和網絡復雜性的不斷提高，需要在邏輯層別對大量的數據進行定性評估。當今現代化的網絡故障診斷包括從網絡設備主動請求以及從通信內容的分析中獲取的信息。原則上，所獲得的信息有下列兩種應用：

●資產管理：經過認證的Profinet 設備可以提供大量自我診斷信息、模塊和子模塊的配置信息以及與相鄰設備的信息。根據這些數據，系統可以生成真實設備的完整圖像，周期性地訪問這些數據可以準確記錄所有更改情況，例如固件更新、交換機端口的交換或者模塊的更改等。

●故障診斷：Profinet 現場總線的儀器設備除了可提供大量的狀態信息外，還可以提供所連接的傳感器和執行器的廣泛信息。它們能夠記錄下所有的故障情況，例如連接中斷或故障以及網絡中的統計變量，例如重復的通信內容、提高了的信號抖動等。這些信息在提交給流程設備控制系統后，會保存在設備自己的數據庫備查。

標準的缺失

生產企業越來越意識到目標監控系統的重要性，合適的工具也逐漸成為流程設備設計中的常規要求。有鑒于此，現在各個網絡監控技術和故障診斷技術供應商都已經推出了自己的產品。市場上銷售的大多數這類系統，都通過連接在網絡中的輔助設備來采集故障診斷和設備信息，并通過集成的Web 服務器將信息清晰地在設備上顯示。由于Profinet 現場總線定義了一個統一的、用于顯示數據的框架結構，因此不同的工具在功能方面幾乎沒有區別。

如果要把采集到的數據傳輸給上一級控制系統時，則不會有其他的傳輸方式。盡管所要傳輸的數據始終是同一數據，并且有著相似的表達方式，但是沒有實現專屬數據交換的標準，此時就要采用OPC UA 統一架構的接口技術規范了。

OPC UA 伴侶規范

2017 年6 月，Profnet 現場總線用戶組織PNO 協會成立OPC UA in I4.0@PI 工作組。成立這一工作組的目的是創建一個OPC UA 的伴侶規范，以便將Profinet現場總線儀器設備采集到的數據映射到OPC UA 之中。自2019 年7 月起，OPC 30140-UA Profinet伴侶規范已經開始審查，計劃于2019 年11 月正式發布。第一版的這一規范側重于資產管理和故障診斷兩大應用領域，實施這一規范的OPC UA 服務器可以在控制器、邊界網關或者IO 設備中運行。

OPC UA 的信息模型包含了Profinet 網絡中的兩種信息視圖模式：控制器/應用程序的視圖模式和設備信息視圖模式。控制器/應用程序視圖模式包含了在Profinet控制器中配置的Profinet 連接（應用程序關系）、模塊和子模塊等。設備信息的視圖模式則是由Profinet 設備及其實際的現有模塊和子模塊組成。這兩個模式通過OPC UA 的引用可以相互鏈接，根據OPC UA 服務器的運行位置，僅有這些視圖的一部分可以使用。邊界網關向Profnet 網絡提供這兩個視圖。

另外，信息模型還包括了Profinet網絡物理的網絡拓撲映射。這就使OPC UA 信息模式能夠包含Profinet 儀器設備準確的布線連接情況，包括它們的以太網接口、端口和電纜，從而可以用于網絡故障診斷。Profinet 網絡接口和端口中使用的子模塊也都通過參考連接表示出來。

專業技術規范

OPC UA 信息模型是按照V1.04 版OPC UA 技術規范建立的，使用了V1.04 版OPC UA 第7 修訂版中“接口和插件”附錄中的有關規定。這一附錄介紹了信息模型應怎樣使用V1.02 版的OPC UA Part 100 -設備。服務器通過標準對象“設備集”和“網絡集”為Profinet OPC US 提供信息模型的入口。Profinet 控制器和Profinet IO 設備包含在“設備集”中。“網絡集”則包含了Profinet 域。

利用這些透明的技術標準不僅可以使現場總線儀器設備的狀況，也可以使整個自動化過程變得更加透明。它的應用潛力非常巨大，如果可以避免計劃外的流程設備停機，則可以大大地降低運行成本。