工业4.0下的总线应用规范

新版现场总线仪器设备配置文件

作者:Karl Büttner,Hartmut Flämig 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:37 发布时间:2019-03-11
利用V4.0版的PA-Profil现场总线仪器设备配置文件,就能在流程设备中使用新一代的、基于工业以太网技术的Profinet现场总线系统。利用V4.0版的PA-Profil现场总线仪器设备配置文件,就能在流程设备中使用新一代的、基于工业以太网技术的Profinet现场总线系统。
工业4.0下的总线应用规范

利用V4.0版的PA-Profil现场总线仪器设备配置文件,就能在流程设备中使用新一代的、基于工业以太网技术Profinet现场总线系统。它虽然是整个现场总线技术领域中很小的一个组成部分,但如果没有这种行业特定的PA-Profil配置文件,那么很难在流程设备自动化控制中应用现场总线。这一新版的现场总线仪器设备配置文件对现场总线系统中所使用仪器设备的功能和参数进行了定义,例如对变速器、执行器、阀门以及其他分析仪器,允许使用不同生产厂家生产的仪器设备。现在,升级版的配置文件已经能够满足未来发展的需要。

现场总线的仪器设备参与流程设备的工作运行。虽然各个生产厂家生产的现场总线仪器设备有着相同的工作原理,例如有相同的测量和控制原理,但却具有不同的版本和型号。它们的多样性增加了在流程设备中安装使用的难度,尤其是在需要更换受损仪器设备时的难度。因此,每一等级和类别的现场总线仪器设备都需要有共同的核心功能,例如压力检测仪、流量检测仪或者执行器等的核心功能。这一要求是依靠全球公认的“Profibus现场总线标准的过程控制仪器配置文件”(简称为PA-Profil应用规范或者配置文件)的形式来实现,而且今天使用的3.02版的配置文件规范已经取得了巨大的成功。利用这种PA-Profil现场总线应用规范可以使仪器设备更容易集成到控制系统中,并且在标准化配置文件的作用下,控制系统可以更加方便地对仪器设备功能进行控制。

现在需要重新定义仪器设备的功能和参数。新技术中最主要的是工业以太网技术以及用户的实际应用体验,Namur协会的意见是要求PA-Profil现场总线应用规范做进一步的完善改进。这一改进完善的任务就交给了PI现场总线国际用户组织下属的研究所、来自12家现场总线仪器设备生产厂和控制系统制造商或者相关技术供应商的技术开发专家组成的Profil工作组。他们在2018年6月已完成应用规范的全面修订,档案号为3.042,由PI现场总线国际用户组织以“4.0版过程控制设备的配置文件”的名称对外公布。

最理想的相互协调文件

4.0版PA-Profil现场总线应用规范满足了独立于通信技术协议的基本要求,也满足了用户简化使用的操作要求。另外,经过验证的配置文件属性也能与Profinet现场总线系统很好地相互配合、协调工作和运行。和旧的配置文件一样,其主要用于表达配置文件的内容,例如表达不同现场总线仪器设备物理模块模型的特性数据、功能模块中的参数和检测值处理功能以及转换模块中的参数和仪器设备的测量和设置状态等。

在应用规范的开发过程中始终注重应用层、设备功能和从属通信技术协议之间相互分离的一致性。另外,也删除了一些未被市场接受和使用的特性。

基于EN 131标准的参数选择

配置文件中所使用的参数已明显地减少。从仪器设备的操作特性和可靠的更换等角度来看,只剩下有“强制性要求”的属性了。所使用的参数也要根据修订版EN 131标准“标准仪器设备”中规定的参数进行选择。这些主要参数涵盖了大约80%的常规应用情况。基于Profil现场总线仪器设备配置文件的其他参数可以从生产厂家的技术规范中选取。

导入仪器设备启动参数

为了更加可靠地、跨生产厂家地更换现场总线仪器设备,4.0版的应用规范首次采用了仪器设备启动参数。在安装或者更换现场总线仪器设备之后,控制系统马上就会发现新的仪器设备,允许其立即进行初步调试。这就大大减少了现场总线仪器设备的集成或者更换时的工作量。NE 131标准中规定的参数可以用作启动参数。例如将希望的测量值单位传输给仪器设备,同时也将这一测量值单位传输给控制系统,以便控制系统调整、匹配控制功能。

仪器设备更换时的情况:有着最小的更改、修订工作量
仪器设备更换时的情况:有着最小的更改、修订工作量

固定标志的妙用

在过去版本的应用规范中,是利用参数在块中的相对位置、与仪器设备有关的块结构和目录中实例块的初始地址来表示达到了某个参数的设定值。这种方法会在相同类型的现场总线仪器设备中因不同的块结构导致不同的参数地址。而4.0版的配置文件将这些块规定了固定的标志,这些固定的标志极大地简化了例如编程一类的工作。用户能够清楚了解在哪个插槽或者子插槽中可以访问特定的功能或者特定的参数,流程设备主控系统的控制技术功能也能够非常节约资源的直接访问并控制仪器设备的所有功能。对于工业4.0和IIoT物联网的应用来讲,这种标准化的可访问性能提供了全新的应用可能性,例如无需复杂的手动参数映像就能生成数字化的映像数据。新版应用规范还利用IEC 61987标准的通用数据词典对技术术语的语义进行了标准化。

电子设备数据库

GSD电子设备数据库文件是现场总线仪器设备的电子数据表。这一电子数据表描述了现场总线仪器设备与控制系统和控制系统之间,在工程设计以及周期性的数据交换中所需的设备功能。这里包括了波特率、故障诊断信息、过程检测值的数量以及仪器设备的启动参数。但是Profibus和Profinet两大类型的现场总线系统中的GSD电子设备数据库文件是不同的。因此新版的4.0 PA Profil应用规范的GSD电子数据库不再关注功能块的内容,而是关注仪器设备的测量原理。这就有了温度变送器、压力变送器、电动执行器、电动-气动执行器、科里奥利流量检测仪和超声波流量检测仪等等的GSD电子设备数据库文件。这些GSD数据库文件记录了所有测量方法的细节,也记录了Namur协会要求的故障诊断记录。

特定测量原理配置文件的GSD电子设备数据库文件允许与仪器设备制造商无关的设备交换。在开始与新安装的仪器设备建立通讯时,同时也发送该仪器设备的启动参数(NE 131)。与测量原理有关的、特殊的故障诊断信息不会改变,因此可以继续使用(NE 107)。

如果新安装的仪器设备需要精确的微调时,可以为这一仪器设备单独分配1个特定的设备集成包(简称DIP)。而分配的这个设备集成包与该仪器设备使用的GSD电子设备数据库文件之间没有任何关系。流程设备现场总线的仪器设备也可以完全没有GSD电子设备数据库文件而单独工作(例如Profinet现场总线系统中的仪器设备),或者将GSD数据库文件与制造商特定的DIP设备集成包一起使用。

在自动化技术领域中,通信技术发展趋势非常明显地朝着工业以太网方面发展。PI现场总线国际标准组织用4.0版的PA-Profil现场总线应用规范为用户企业和现场总线仪器设备生产厂提供了一件非常重要的技术工具。过去由Profibus DP现场总线作为骨干网与Remote I/O远程输入输出系统相互连接,或者通过智能化的PA-现场总线仪器设备才能完成的任务,将来都可以由Profil 4.0版的Profinet现场总线仪器设备来完成。