多年来，随着通信和数字技术的发展，以及用户对开放式架构的需求，制造业的数据连接取得了长足的进步。这推动了互连选项的优化，如今的设计者能够使用一系列最适配的现场总线、网络技术和通信协议来支持自动化项目的各个方面。
然而，现在还不到庆祝的时候——从远程现场仪表到控制室，再到基于云的企业资源，在整个运营体系中建立顺畅的通信仍面临挑战。传统的自动化数据流层级架构需要严格且资源密集的策略来跨越这些区域，同时还要保障安全性。但现代物联网（IoT）模式要求实现全厂范围内的简化通信，这必须通过标准信息模型和高效的机器对机器集成能力来实现。
基于这些原因，国际现场通信技术基金会FieldComm Group（简称FCG）与OPC基金会在2017年成立了联合工作组，以制定过程自动化设备信息模型（PA-DIM）。PA-DIM是一种基于OPC统一架构（OPC UA）的标准化 “信息模型”，由九个成员组织组成的共同所有者参与开发，旨在更广泛地支持工业应用。其目标是为企业计算资源创建一种独立于协议的方式，以便高效访问现场设备数据。本文将介绍PA-DIM如何实现从现场设备到工厂网络和控制系统，再到企业计算系统的连接标准化（图1）。
弥合OT/IT的鸿沟
如今，自动化系统设计人员和实施人员认识到，许多现场总线具有广泛的安装基础，可以促进运营技术（OT）工厂安装的各个方面。目前，基金会现场总线、Profibus, HART和WirelessHART等工业OT通信协议都已广泛部署。OT世界了解与这些相关的各种物理层、使用的自动化协议以及定义现场设备信息的设备描述符。
随着危险区域适用的以太网高级物理层（Ethernet-APL）和非危险区域适用的单对以太网（SPE）的出现，以太网协议正逐步融入这一环境。很快，我们将看到EtherNet/IP、PROFINET和 HART-IP等在OT领域得到更广泛的应用。
以太网是信息技术（IT）领域的基础。然而，这些协议与OT中使用的协议以及要求不同。OPC UA协议通常用于企业级应用。在工厂层面，IT负责资产管理和数据历史存储的数据连接；在企业层面，IT资源用于分析和企业资源规划等任务。对所有IT用户而言，安全性是首要关注点。
图1：作为综合数字自动化架构的一部分，PA-DIM 实现了从基于 OT 的现场设备到工厂网络和控制系统，再到以 IT 为中心的企业计算系统的连接标准化。本文图片来源：FCG
图2：PA-DIM提供了一种透明和可追溯的方法，可以在用户工厂P&ID的环境中唯一识别仪器及其多个信号，支持快速确定状态和任何偏差。
数据来源：仪表和现场设备
大多数所需数据都来自现有仪器和现场设备的大量安装基础。对于新安装项目，在可预见的未来，显然不会有单一的介质和协议标准适用于所有应用场景。
即使系统和协议强调开放性，但在很多情况下，现场某些类型的源数据根本无法清晰地映射到需要这些信息的高层级资源。因此，需要一套语义系统，确保信息的发送方和接收方（通常是不同的OT或IT系统）明确理解传输内容。
语义重要性可以通过一个易于理解的例子来加以说明。两个人站在一条繁忙的城市街道上。当车辆飞驰而过时，一个人对另一个人说：“哇，看看向我们驶来的Jaguar。”在这种情况下，听众会看向街道，期待看到一辆漂亮的捷豹汽车。现在，让我们把场景改成丛林小径，而不是繁忙的城市街道。在这种情况下，当提到Jaguar这个词时，含义完全不同——它指的是一种凶猛的美洲豹。听者更有可能转身逃跑，而不是转身去看！
类似地，机器或软件应用之间的“对话”虽更难理解，但对严格定义的需求是一致的。PA-DIM 通过采用现有的IEC语义定义标准来满足这一需求。
在整个工厂装置中产生数据的方式，与高级IT系统如何将这些数据用于历史记录、分析和其它目的之间存在差异。PA-DIM旨在弥合这种OT/IT鸿沟，从而为OT和IT系统之间的通信提供一种独立于所涉自动化协议的标准化方式。
图3：FDI解决了将现场设备与过程工业中使用的大量网络、操作系统和控制系统集成问题。
PA-DIM：将数据传输到需要的地方
随着终端用户越来越多地承担数字化转型项目，他们正在寻找访问工厂数据并将其传输到企业的最佳方式。其中一种推动力量来自终端用户协会 NAMUR，该协会发布了NE 175 建议——《NAMUR 开放架构（NOA）概念》。NOA旨在安全、轻松地向更高级别的企业计算资源提供生产数据，以便用于监控、分析和优化。NOA引入了一个新的监控和优化（M+O）领域，可以与更传统的过程自动化系统并行工作。
支持NOA M+O概念所需的技术基础之一便是PA-DIM。在传统架构中，智能OT设备提供DD文件，这些文件由以OT为中心的主机（如分布式控制系统（DCS））使用，这些主机理解这种格式，并可以用其来解释可用的数据和功能。然而，它的主机和客户端通常不能直接使用DD文件，因此开发了PA-DIM来实现OT数据的软件参数化，使其适用于IT系统。
PA-DIM是数字化转型、IIOT和OT/IT融合的统一技术标准，它带来三大核心优势：
·实现与其它技术标准之间的共存与合作。
·提供数据情境和语义，大大简化了更高级别计算资源对这些数据的分析和其他目的的使用。
·充分利用边缘数据所需努力的基础信息模型。只有当数据易于使用时，才有可能从中获得价值。
总之，PA-DIM模型为IT系统提供了一种途径，可以轻松与现场设备实现只读集成，这些设备可能支持不同的自动化协议，以完整的情境语义公开必要的数据。一组基本的设备信息被标准化，用于识别、诊断、过程变量、设备健康状况和其它核心参数。
设备的唯一标识，由制造商定义的设备产品实例和用户可写的字母数字资产标识组成，它们向客户端提供许多信号标签。PA-DIM是一种新型的信息架构，专注于为信号提供标准化的语义架构，而不是为每类现场设备要求独特的、以功能为中心的模型的旧方法（图2）。
PA-DIM的部署
通过与NAMUR NOA的要求和信息模型相协调，PA-DIM根据IEC 61987标准以标准化方式映射设备和语义信息。该IEC标准涉及工业过程测量与控制的数据结构和元素，定义了通用数据字典（CDD）、操作属性列表（OLOP）和设备属性列表（DLOP）等概念。建立CDD、OLOP和DLOP，对于使其能够在不了解设备本身的情况下访问设备信息至关重要。
OPC-UA是一种具有很强IT接受度的安全数据传输协议，是PA-DIM的赋能技术。最初，OPC UA和PA-DIM将作为第二条通道协同工作，直接将现场设备的 M+O（监控与优化）数据传输至企业层。随着Ethernet-APL的普及以及OT/IT领域对 OPC UA作为安全高性能上下文控制和M+O协议的接受，OPC UA有望支持完全开放的架构，实现无缝信息流。
由于PA-DIM是公开可用的，并且符合OPC-UA，供应商和用户可以结合已发布的供应商信息和特定的工厂配置数据，使用手动方法将自己的设备映射到PA-DIM。但此过程可能会引入错误，不太适合扩展到大型装置。
更好的方法是使用支持PA-DIM的现场设备集成（FDI）包（图3）。使用FDI时，PA-DIM 数据将从与设备相关的电子设备描述符 (EDD) 文件创建。OT系统已经依赖此EDD文件进行设备的设置、配置和维护，但IT系统没有，它们只是了解OPC-UA。通过使用FDI，最终用户可以保证OT主机系统和IT企业系统使用的信息是相同的，因为它来自同一个基础EDD文件。如果设备由用户供应商或集成商手动映射，则无法保证这种可靠性。
简化数据访问
一旦源数据被映射到PA-DIM模型中，数据就可以很容易被IT客户端使用。随着PA-DIM技术的进一步发展，客户端可以直接查询PA-DIM服务器，以确定哪些数据可用，然后连接到它。
PA-DIM利用OPC-UA对情境数据的支持，用过程工厂或现场设备数据点的情境化所需的语法和语义扩展这一功能，使其易于被IT计算资源理解。使用HART和其它协议的仪器供应商可以将其现有和即将推出的设备映射到PA-DIM中，从而方便 IT 人员访问这些产品中包含的宝贵数据。
随着数字化简化了对工厂车间数据的访问，从挖掘这些数据中寻求价值的用户群体不断扩大，并发现了新的见解和运营改进。但是，源信息必须可靠、准确、易于理解，并在所有站点和企业运营中保持一致。由于OT和IT应用领域通常使用不同的协议、语言和架构，因此在所有目标应用程序之间正确对齐可用数据一直是一个挑战。PA-DIM作为一项技术标准，通过IT用户更熟悉的技术以标准化方式跨越OT与IT的信息鸿沟，助力从过程工厂数据中获取价值。
