数字化为现场总线赋值

集成了OPC UA服务器的Hart网关

作者:Thilo Glas 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2019-08-30
传感器中包含了许多可用于过程优化的数据,但一直无法被读取。本文将介绍现如今是如何轻松访问这些数据,这些都归功于NOA、Hart和OPC UA之间的神奇组合。

NAMUR协会的NOA解决方案的目标是将一切未利用的信息,例如将现场总线仪器设备中目前尚无法读取的流程设备工作状况的数据和信息读取出来。除了读取流量计的流量数据之外,NOA解决方案还读取关于液体介质的压力、流速和温度的数据。另外传感器中还保存着许多其他的有用信息,例如生产厂家名称、序列号、版本号和测量范围等数据和信息。但流程设备运营商怎样才能获取这些信息呢?Hart通信技术协议就是获取这些信息的一种方式。在这一通信技术标准中,传感器通过传统的4~20 mA连接技术与流程设备的主控系统进行连接,另外它还有输送调制Hart信号的专用线。在大多数情况下,这种Hart连接仅仅用于传感器参数赋值,完成传感器的测试赋值之后就不再使用。这种连接方式尤其适用于那些配用传统控制系统的老旧流程设备,因为它不需要主控系统的干预。

数字化为现场总线赋值
利用好流程设备中产生的数据流并不是一件困难的事情,在NOA解决方案的基础上所有的数据都可以经Hart通信技术协议,转发给集成在OPC UA服务器中的Hart网关,并由OPC UA传送给上一级主控系统

安全可靠的云技术访问

NAMUR协会的一个工作重点就是NOA开放式构架解决方案的安全可靠性问题。这一解决方案中的数据和信息只能从流程设备中读取,同时还要防止这种数据读取时给流程设备自动化应用带来的任何影响。在这些要求的基础上协会开发出了数据二极管的模型,这就意味着数据只能在一个方向上传输。如果使用的是Hart现场总线通信技术协议,则数据的写入请求是被锁定的,这种方法非常接近理想状态。还有其他的安全保护方法,例如利用安全路由器实现安全连接路径,这种方法是通过安全的通讯渠道将数据源与目标连接。在这种情况下的通讯渠道,究竟是互联网还是化学工业园复杂的通讯基础设施都已经无关紧要了。

信息保存的地方也会有很大差异。本地数据库能够最大程度地保护未经授权的非法访问,这种说法乍眼一看是合乎逻辑的,但是服务器的使用情况如何呢?

谁负责硬件设备的维护保养呢?服务器是否采用了冗余配置,以防止硬件设备故障造成的数据丢失?当我们使用了云技术方案之后这些问题都会烟消云散。云技术解决方案的另一个优点是可访问性,它可以在全球范围内对云技术解决方案进行评估和分析。另外,外部的技术服务商也可以轻松访问云中的信息。

NOA技术方案示意图
NOA技术方案示意图

有效的改进措施

传感器提供的额外数据都能为流程设备运营商干些什么呢?第一,企业利用这些数据可以优化他们的流程设备。例如,利用这些新的辅助数据可以让流程设备运营商知道自己现有设备中的薄弱环节。另外,他们还能利用这些新的辅助数据附加进行一些可信度的测试。

第二种应用可能性就是数字化双胞胎。这一工业4.0所描述的未来型技术术语隐含着详细的数字化流程设备数据的表达方式。按照数字化双胞胎所描述的方法,传感器、执行器和系统其它元器件的所有信息都可以通过控制系统进行访问。设备只要有了相关数据,就可以智能化地完成例如流程设备维护保养等多项工作。此外,数字化双胞胎也简化了设备现场元器件的安装,例如能够更好、更快地完成生产现场传感器的安装。有了数字化双胞胎技术就能很快发现哪种性能和检测范围的传感器最适合完成现场检测的任务了。这些数据为企业负责人的决策提供了额外的支持和帮助。

OPC UA是另一种能够将生产现场采集到的数据传送到上一级主控系统中的接口技术。由于使用灵活,OPC UA有着很好的可扩展性能和访问安全性,因此已被证明是目前最先进的工业通信技术协议之一。这一通信技术协议包含了更多的传统接口技术,例如Modbus RTU技术,可以为用户提供更加复杂的服务,使他们的工作更加轻松。另外OPC UA也在安全性方面极具优势,因为该协议支持各种安全保护措施。OPC UA服务器将数据、信息传送给想要收集、而且也有权收集这些数据的系统。

上一级的控制系统可以选择它们想要使用的数据。到目前为止窃取数据的方式与老式商店里被盗商品的过程有些相似,柜台后的售货员能够准确知道买家想要的是什么,但他并不知道老板让不让卖这个东西。而OPC UA提供的方法则更像现代化的超级市场,买家在超市的通道中走来走去,寻找着自己想要的商品并最终找到自己真正需要的东西。但OPC UA又与经典的Modbus RTU有所不同,在传统的Modbus RTU中用户必须事先知道哪个变量存储在哪个寄存器中,而在OPC UA中,这些都可以通过浏览服务器来进行查阅,从而知道有哪些数据供人使用。用户能够收到存储数据格式、数据提交时间、链接无误的数据等信息,而所有的这些功能也都逐步提高了OPC UA的应用价值。

有效提高灵活性

上述场景描述中所缺少的一个重要环节就是Hart网关。Hart网关在现场总线系统的各个传感器之间起到了连接的作用,并将它们采集到的数据、信息提供给OPC UA服务器上的更高级别的控制系统中。因此,Phoenix Contact公司对其开发生产的、经过了审核认证的Hart网关性能加以扩展,补充了与OPC UA服务器连接通讯的性能。这一网关最多可以补充5个输入模块,因此一个网关可以连接40个传感器,同时每个通道都与Hart信号进行了屏蔽隔离。

所有过程数据或者维护保养人员在传感器上储存的信息等都会被循环读取。采用这一解决方案之后,从一个普通的压力传感器中可以获取多达40个附加信息,并且无需再进行任何的配置,DD设备描述或者DTM设备类型管理等也都不必存在。能够完成的通讯仅限于Hart现场总线通信技术协议的标准命令。由于这一网关还支持Hart IP标准,因此它也可以与FDT框架协议中的Pactware或者美国M&M软件技术公司的设备连接,为现场总线的传感器进行参数化赋值。

0
-1
收藏