【工业4.0案例分析之五六】ABB工业4.0现场设备集成（FDI）方案

现场设备使现实世界中的自动化功能得以真正实现，它们是信息物理生产系统（CPPS）中不可或缺的组成部分。

ABB现场设备集成（FDI）为现场智能设备的管理信息提供了一个通用解决方案，适用于生命周期各阶段有关的各项任务，包括配置、调试、诊断、校准。这为各种陈旧设备提供了不同的方案。FDI是真正意义上的统一解决方案，能满足各类用户的最终需求。

ABB现场设备集成（FDI）使用户能够：不受协议（HART协议、过程现场总线标准、现场总线基础）限制的统一设备管理，把控制系统与工程环境简单而灵活地结合，以及通过对现有设备的反向兼容实现投资保护。从用户的视角看，ABB现场设备集成（FDI）可使现场设备在整个生命周期中更便于管理和操作。ABB现场设备集成（FDI）仍然在很大程度上独立于现场总线技术，并配有一个统一的操作方案。

具体的FDI方案如下:为基于现场设备集成标准的设备建立统一的信息模型，通过基于OPC UA标准的接口实现工程工具与控制系统的简单融合，以及通过直观的用户指导带来简单的使用方法。

ABB公司推出市场上首个FDI软件

2011年，现场设备集成（FDI）标准正式开始修订。多家机构（HART、PROFIBUS、FF、FDT、OPC）以及世界范围内自动化技术的供应商都参与了标准的修订。为了根本上简化设备集成，上述机构深入研究多年，最终于2014年11月颁布现场设备集成标准，并在此基础上演示了FDI公共主机组件（FDI Common Host Components）以及 FDI设备包的集成开发环境（FDI Package IDE）。

借助适用于所有应用案例的设备包、公共主机组件以及使用指南，FDI标准可以满足所有最重要的用户需求。但仅仅使用新技术是不可能解决目前用户在使用设备管理软件时遭遇的所有问题的。市场一直在等待相应产品的出现。ABB早就在2009年着手开始相关研发，并在2015年春季的Achema展会上展示了现场信息管理系统（FIM）的第一个版本。Achema展会宣布了现场设备集成(FDI)的开发工作的结束。这项开发工作把基于文本的设备集成（DD、EDDL等）与基于图形（FDT/DTM等）的设备集成的优点结合起来，参与者都为这项工作的成功感到高兴。当下有个重大任务，即通过实践检验FDI技术。这意味着，生产商必须将相应产品投入市场。而用户也应该尽可能快地在其设备中集成相应技术。

在一项包含所有相关行业的全球用户调查中，ABB调研了企业在日常设备管理方面面临的挑战。ABB将首个FDI软件以现场信息管理系统（FIM）的形式引入市场。ABB产品管理现场总线部的Marko Schlüter表示：“ABB现场信息管理系统软件在Achema展会上引起了广泛的兴趣，并将被频繁下载。”借助该软件，现场设备的连接、运转与调整将会更加快速。      

设备三分钟内便可联网

此类管理软件的安装、设备的连接以及在线访问，目前需要大约30~90分钟。不管用户使用的是台式电脑、服务器或是手提电脑，使用现场信息管理系统（FIM）只需要三分钟。现场信息管理系统可安装在Windows平板电脑上，并支持必要的触摸导航系统。这样用户就可在工作中享有更多的自由。

查阅所需设备信息只需轻轻一点

现场信息管理系统（FIM）创新的“设备”菜单确保了所有重要的设备信息都可通过轻松点击获得。“设备”菜单简化了标准菜单（比如“操作”、“诊断”、“设备设置”）以及其他设备特有菜单的查看过程。用户如今不需要再在上下文菜单或是菜单树中查找正确的功能，而可以直接通过手指的移动打开。

大多数用户都想要快速在相同或者不同设备的不同视角之间导航。为此，在使用大部分软件时，用户必须打开总览界面，再切换到一个其他视角。若用户使用现场信息管理系统（FIM），他便可在所有打开的设备视角之间来回切换，还可以通过更简单的方式从一个设备切换到另一个设备，而不用一次又一次返回总览界面。因为设备管理程序大多在工厂里使用，而不是在后勤办公室，所以，像ABB控制系统800xA高性能人机界面（HMI）一样，ABB现场信息管理系统（FIM）尽量减少用户界面中的不必要信息，。

创新而简便：高效的设备管理

设备管理软件的用户必须频繁地编辑不同设备中的相同参数（比如名称、初始变量等）。他们还希望可以从刚才所在的菜单出发，以相同的方式，快速简便地查阅不同设备上的这些参数。为简化这些任务，ABB现场信息管理系统（FIM）加入了如“常用参数”或者“最近使用参数”这样的标记。软件能够学习设备的参数和功能是如何被使用的，并生成一张列表，方便用户查阅。用户可将特定的参数/标记标为“收藏”。这些收藏的数据便会出现在列表的上方，以便查阅。

打下坚实基础

目前发布的现场信息管理系统（FIM）“设备窗口编辑”只是一个开始。正如现场设备集成公共主机组件（（FDI Common Host Components）的开发取得了进展，新一代设备管理(NGDM)也将加入新的特色与功能。开发工作的目标是将未来的版本开发成一个现场资产管理的全套系统，其中包括研究对控制系统与企业资源计划(ERP)系统的集成的可能性。其中包含基于OPC统一架构的、用于统一访问设备信息的FDI设备模型。用户可更新其版本，在无需支付额外费用的情况下享受最新开发成果。为了加快FDI技术的采用，从2015年5月起，“设备窗口编辑”可在ABB官网上免费下载并使用。

现场设备集成（FDI）解决工业4.0迁移成本和风险问题

工业4.0是一项宏伟的事业，目的是在整个材料流和供应链上将工业信息技术与工业生产各个环节结合起来，纵贯自动化系统的各个层面。它的目标是实现自组织的柔性生产，减少资源消耗和上市时间，甚至能使最小批量变得切实可行。分布式通信技术是实现工业4.0的先决条件。

过去的10~20年里，光纤分布式数据接口技术（FDDI）的标准“现场设备工具”(FDT)和“电子设备描述语言”(EDDL) 已分别在市场上确立了地位。任何新的、更高级的技术都需要解决成本和风险的迁移的问题。事实上，在过去的20年里，现场设备集成（FDI）一直向下兼容现有电子设备描述（EDD）文件。

ABB现场设备集成（FDI）为每个设备提供“现场设备集成程序包”，该程序包用于设备驱动。使用该程序包，用户可以将设备参量化，调试、并监控设备。为此，该包程序包还包含一份符合电子设备描述语言规范最新版本的电子设备描述（EDD）文件。这使得ABB客户的所有设备可以实现从现有的电子设备描述（EDD）文件到现场设备集成的迁移。在现场设备集成主机系统内，现有的现场设备集成程序包被加载到所谓的电子设备描述（EDD）引擎上，引擎会在运行时解释电子设备描述（EDD）文件。这将使系统比独立工具或现场设备工具设备种类管理有更高的稳定性。电子设备描述（EDD）引擎由现场设备集成合作的成员所开发，作为一个可重用的软件组件。它是现场设备集成参考主机系统的一部分，也是官方现场设备集成发展和认证环境的一部分。系统供应商们可以直接将此组件嵌入到自己的设备管理系统，以保证能达到标准。

为了把其他自动化层次结构中的系统与现场设备集成起来，ABB现场设备集成（FDI）中的OPC-UA信息模型起到关键作用。基于设备的OPC-UA标准，该模型定义了设备类型目录、现场设备的实例、以及通过总线层次结构访问在线数据的通信路径。即使是用户接口也可通过OPC-UA来部署。OPC-UA信息模型还允许批量数据导入，以便我们可以重新使用来自IO列表或设备描述eCl@ss分类标准的信息。最后，它还有可能根据加工行业自动化技术用户协会（NAMUR）的建议标准NE107，通过OPC-UA描述设备资产的运作状况。虽然推行OPC-UA信息模型对现场设备集成的主机系统并不是强制性，但这个模型有利于实施工程、调试、状态监测以及更好的纵向集成。

现场设备集成（FDI）解决工业4.0连接性和保密性问题

物联网（IoT）使网络中所有节点都可以直接访问的大量数据。我们通常假设：工业物联网是工业大数据分析的基础，互联网使得对任何数据的无缝访问变得可行。在工业背景下，这种假设却可能被证明是错误的，主要原因有两个：

• 当今绝大多数设备的安装基础不支持IP通信︰通常情况下，控制器、电气设备和机器人是通过以太网连接的，但大多数的传感器却不是。
• 工业企业内部有高度的保护要求，从数据的保密性、生产资产的保护，不间断生产，到功能安全和对人身安全的保护。

多数客户感兴趣的是不间断生产，因此特别关注安全性和保密性。人们常说自动化金字塔将因工业4.0而解体。ABB认为，自动化金字塔的这种解体不必意味着生产过程中递阶控制的损失，反而使企业资源规划、制造执行系统和控制水平之间的分层连接更加灵活。换句话说，自组织系统需要保护利益相关者的利益。对数据访问的严格分层控制比以往任何时候都更加重要。

对不同的人有不同的访问权限，例如工程师和操作人员。工程师通常可以改变系统的任何方面，然而操作员在最坏情况下也只能关闭生产过程。工程师是为了确保经营者决不违背系统的完整性。在工程方面的水平上，授权仍是系统具有的唯一保障。考虑到程序的远程请求式重配置是并不是通过设置对数据的访问权限就能完成的。

我们要走近工业4.0，因此预计需要这种信任区域更细的粒度，以及对系统完整性更有意义的保护。在更深层次的横向集成和纵向集成上，第三方可以合法地对内部数据进行访问，这方面有许多例子：

• 分散控制系统供应商的附加系统（例如状态监测、生产优化、数据分析）
• （在本地或远程运营的）公司外部服务提供商
• （对装机量感兴趣的）设备供应商
• （对部分产品感兴趣的）供应商
• （对产品成品感兴趣的）最终用户
• （对审核追踪感兴趣的）政府机构

对于工业4.0来说，如何确定系统架构中各方的合法权益，仍是一个悬而未决的问题。现场设备集成（FDI）已经提供了IP融合和标准化的信息模型。现场设备集成（FDI）将有助于满足其他关键要求：

• 保护商业秘密的数据保密性；
• 保护人类的生活、生产和生产资产的功能完整性；
• 对互联网的服务和人类的无缝数据访问。

ABB现场信息管理工具（FIM）

ABB公司的现场信息管理工具（FIM）是第一套完全接纳现场设备集成（FDI）通用主机组件的设备管理软件工具，它使现场总线工具的配置、调试、诊断和维护变得比以往更加便捷。ABB的现场信息管理工具采用了FDI技术，并配有高性能的创新图形用户界面，能帮助技术人员更高效地使用制程仪表工作。ABB现场信息管理工具的用户通常会提出下面两个问题。

哪种协议最好？

正确的答案是：“这取决于应用程序及已经安装的设备”。一个优化方案可能会使用不止一种现场总线类型。比如，新的“离散式”设备可以采用现场总线技术（PROFIBUS）、以太网通信（ PROFINET）、设备网（DeviceNet）和以太网工业协议（ Ethernet/IP）。机电一体化取决于设备所支持的协议，IEC61850标准、以太网工业协议和现场总线技术都被证明有用。最普遍的看法是，无论是标准数据公路（HART）、现场总线技术、设备网、通讯接口协议（MODBUS）或其他协议，都要视已安装的设备而定。

现场总线与类似技术的价值何在？

资本支出：许多现场总线的安装与使用远程输入/输出的常规安装在资本支出上大抵相同。但通过降低其他方面的安装和调试费用，可以实现成本节约。例如，压力-温度-流量三合一传感器这种多功能设备如果采用现场总线可以减少所需设备三分之二的数量，这将是可观的节约。

运行费用：将现场总线应用于设备管理和维护的工厂运营者获益匪浅。即便是让设备以每秒1200波特速率进行通讯的标准数据公路，也能通过实施维护策略来优化资产的性能和利用率、取消不必要的维护、避免意外中断工厂运作或是延长工厂生命周期。比如，现场总线能够减少反应堆单元的维护费用并将资产利用率提高15%或以上，从而大幅缩减成本。

ABB现场信息管理工具（FIM）终端用户的主要问题

如今，每个大型的过程自动化制造商都有从仪器到充分成熟的控制系统的产品组合。大多数供应商还提供他们自己的工具来管理现场设备。相同的设备对于不同的工具可能对应不同的设备驱动程序。

在不同主机系统的现场设备驱动程序中，不一致的外观和感觉以及不一致的特性已经为最终用户最烦人的问题。尽管驱动更加标准化了，但为一个系统提供的设备驱动，并不与在其他系统中以相同方式运行，或是看起来、感受起来都一样。所以，对于相同的底层设备，用户可以保留不同工具的不同驱动程序。这对仪器仪表制造商来说也是一个问题，因为他们要对多个设备管理工具的设备驱动进行测试。造成这种情况的主要因素是：

• 每个主机设备描述只适合其自身的用户界面架构。
• 每个设备制造商对于“哪些工具参数对用户很重要”的理解不同。

不一致的外观和感觉以及不一致的特性已经为最终用户最烦人的问题。

ABB现场信息管理工具（FIM）解决上述问题

现场设备集成设备程序包：现场设备集成设备程序包将服务所有的设备和工具。每个设备都会附带一个所有工具或系统都能使用的现场设备集成设备程序包，包括独立的个人电脑、现场仪器以及过程控制和自动化系统。现场设备集成设备程序包可以确保所有的设备管理工具功能没有任何问题，且不论制造商。每个主机解释设备驱动程序略有不同，以适合其用户界面(UI)布局的设计。

通用主机组件：设备供应商通常把驱动程序作为一个首选工具。虽然该驱动程序可能适用其他工具，但多数时候仍是不能完美地工作。标准和制造商的建议不能解决这些问题，而这里则能体现现场设备集成（FDI）的最大优势︰通用主机组件。常见的主机组件由EDD引擎和UI引擎组成。所有的现场设备集成设备包将得到测试，并采用关于包含通用主机组件的现场设备集成参考主机。通用主机组件的使用确保了现场设备集成设备程序包的表示形式在各种工具中是相似的。重要的是，由于设备程序包的开发人员将在产品开发过程中使用现场设备集成参考主机，程序包中图形、图像、文本等的表示形式将按仪器供应商所需来高度优化。

用户界面设计：ABB现场信息管理工具（FIM）中包含了用户界面风格指南，该指南提供了控件或帧的图形表示的源代码或草图作为例子。它还规范了标签，例如入门级菜单像设备设置、诊断、操作和行动，变为“应用”、“取消”、“下一步”等等这些标签。最后，该指南还提供了主要语言的翻译（德语、法语、西班牙语、意大利语、中国、葡萄牙语、日语和俄语）。

此外，现场设备集成设备程序包将以适用于所有三大协议，即数据公路、现场总线技术和基金会现场总线的统一EDDL为基础。所有的新EDD必须使用最新的改良IEC 61804-3标准。“用户意见”的理念和EDDL的统一已经成为加工行业自动化技术用户协会（NAMUR）的关键要求。