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结合PROFINET和OPC UA的优势监控现代化设备

供稿：Softing 中国

关键词：PROFINET,OPC,网络监控
摘要：Softing即将推出的smartlink HW-PN是一种能够收集PROFINET网络数据的边缘网关，并且可以根据配套规范来使用OPC UA。由于smartlink HW-PN具有两个速率为100 Mbit的PROFINET交换端口，因此该网关可以主动地发送请求，以及被动地对报文进行分析并确定设备资产和诊断数据。如此一来，单个设备可以包含由配套规范所定义的所有可用信息。smartLink HW-PN网关所收集的数据可由独立于自动化网络的千兆位接口来提供。

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现代化设备不仅为运营商提供了I/O数据，还提供了有关工厂运营的大量信息。从现场设备收集到的信息（例如诊断数据、设备状态信息和特定设备参数等）也可以帮助运营商规划预测性维护计划。

流程工业领域中的现代化设备不仅可以为运营商提供I/O数据，还可以提供很多有关整个工厂状态的信息。在管理系统中，从现场设备采集到的诊断数据、设备状态和特定设备参数等信息，都可以帮助运营商规划预测性维护计划，还有助于避免计划外的停机，以及缩短停机时间，由此可降低维护成本。为了使工厂运营商能够更好地优化过程和降低成本，所有数据采集必须是透明化且标准化的。

| 自动化网络监控

随着自动化领域中的网络技术不断发展，与PROFINET通信技术相平行的TCP/IP通信技术也得到了更多的应用。因此，有关网络当前状态的信息，以及网络通信过程和通信质量的信息也变得越来越重要。

在IT领域里，已经有由系统管理员来操作的复杂监控系统了，并且网络监控系统也正式进入了自动化领域。但无论是在IT领域还是OT领域里，网络可用性都非常重要，因为功能失灵会导致计划外的设备停机，严重的还会导致设备损毁，从而带来巨大的财产损失。

对自动化网络进行永久性监控可以尽早发现问题，并及时解决问题。对于串行的现场总线系统，例如PROFINET现场总线系统，需要重点关注的是系统的物理特性，即电缆、导线和插接连接件的质量。在包括PROFINET在内的以太网系统中，物理结构不太可能会导致停机。由于现场仪器设备和网络日益复杂，因此需要在逻辑层面上对大量的数据进行定性评估。当今现代化的网络故障诊断包括从网络设备主动请求和通信内容分析中获取的信息。原则上，其所获取的信息有下列两种应用：

• 资产管理：

经过认证的PROFINET设备可以提供大量的自我诊断信息、模块和子模块的配置信息以及与相邻设备的信息。根据这些数据，可以生成系统的完整图像，并且通过周期性地访问这些数据，还可以准确地记录所有更改情况，例如固件的更新、交换机端口的交换或者模块的更改等。

• 故障诊断：

PROFINET现场总线的仪器设备除了可以提供大量的状态信息外，还可以提供与其相连接的传感器和执行器的广泛信息。它们能够记录所有的故障情况，例如连接中断或故障以及网络中的统计变量（如通信内容重复、信号抖动增加等）。这些信息被发送到控制器并存储在设备专用数据库后，可供查询。

| 标准的缺失

由于越来越多的生产企业开始认识到智能工厂监控的重要性，因此必要的监控工具也逐渐成为建设新工厂的常规需求。对此，网络监控和故障诊断技术的供应商们都推出了自己的产品。他们所提供的大多数系统都是通过连接在网络中的辅助设备来进行故障诊断和设备信息的采集，并通过集成的Web服务器将信息清晰地显示在面板上。PROFINET现场总线定义了一个统一且用于显示数据的框架结构，故不同的工具在功能方面几乎没有区别。

由于没有其他传输方式，因此要将采集到数据传输到更高级别的IT系统是不可能的。尽管所要传输的数据始终是同一数据，并且有着相似的表达方式，但没有支持非专有数据交换的标准便无法实现数据传输，因此需要用到OPC UA统一架构的接口技术规范。

| OPC UA配套规范

2017年6月，PROFINET现场总线用户组织PNO协会成立了“OPC UA I4.0@PI”工作组。这一工作组的成立目的是创建一个“Joint OPC UA Companion Specification”，以便将从PROFINET现场总线仪器设备中采集到的数据映射到OPC UA。2019年11月，“OPC 30140 – UA Companion Specification for PROFINET”已正式被发布。该规范的第一版本侧重于资产管理和故障诊断两大应用领域，并且实施这一规范的OPC UA服务器可以在控制器、边缘网关或者IO设备上运行。

OPC UA的信息模型包含了PROFINET网络中的两种视图：控制器/应用程序视图和设备视图。控制器/应用程序视图包含了在PROFINET控制器中配置的PROFINET连接（应用程序关系）、模块和子模块等，而设备视图是由PROFINET设备及其实际的现有模块和子模块组成。通过OPC UA的引用，这两个视图可以相互链接。并且，根据OPC UA服务器的运行位置，可以使用对应的部分视图。此外，边缘网关可以提供PROFINET网络的这两种视图。

（OPC UA信息模型包含PROFINET网络的两种视图）

另外，OPC UA的信息模型还包括了PROFINET网络的物理拓扑映射。这使得OPC UA信息模型能够包含PROFINET仪器设备布线连接的准确情况，包括它们的以太网接口、端口和电缆。并且，所有这些信息均可用于网络故障诊断。在PROFINET网络接口和端口中使用的子模块都通过参考接口来连接。

OPC UA信息模型是基于V1.04版的OPC UA规范，并使用了OPC UA V1.04第7修订版中的“Interfaces and AddIns（接口和插件）”附录。该修订版中的这一附录介绍了信息模型应怎样使用V1.02版的“OPC UA Part 100 – Devices”。服务器通过标准对象“DeviceSet”和“NetworkSet”来提供PROFINET OPC UA信息模型的入口点。“DeviceSet”包含了PROFINET控制器和PROFINET IO设备，而“NetworkSet”则包含了PROFINET域。