工业网络新技术FDTDTM.doc

工业网络新技术FDT/DTM A New Industrial Network TechnologyFDT/DTM 【摘 要】 本文介绍了解决工业网络多样性产生困扰的FDT/DTM技术，这是一套用来为现场设备与控制系统或资产管理系统的软件组件之问的数据交换实现标准化的接口规范。然后介绍了FDT/DTM技术的原理特点，最后,本文给出FDT/DTM技术应用举例，将FDT/DTM技术和故障诊断技术相结合, 并分析其系统结构模型和工作原理。【关键词】 工业网络 FDT/DTM 设备集成 故障诊断Abstract: The paper introduced the new solution to close the field bus gap that presented, and the principle of FDT & DTM technology, and the association based on FDT, DTM technology。This technology standardizes the communication interface between field device and systems. Then, the paper introduced the characteristics of FDT/DTM. Finally, this paper dives a system structure model of the combination, and then gives an analysis of its work.Key words: Industrial network FDT/DTM Device Integration Fault Diagnosis1引言在一个控制系统项目中大量的来自不同供应商的不同类型设备使系统的组态任务十分费时费力。工程人员必须掌握不同的工具使数据在这些工具之间交换。由于数据交换方式没有标准化，所以经常必须将数据进行转换，这需要很精深的专业知识。为了保证数据、文件、组态信息完全转换，必须对系统进行十分严格的测试。现在工业网络通信协议越来越多，成为国际标准的现场总线和工业以太网就有数十种，而每一种协议都以其独特的方式管理、控制连接网络的设备，各设备厂商更是以其个性化的方式提供各式各样的设备，这一切都给用户的系统集成带来很多困惑和困难。为了把不同标准的网络、不同厂商的设备集成到一起并整合到同一用户界面，用户不得不承受很高代价，承担很大的系统稳定和安全风险。FDT(Field Bus Tool)是一套用来为现场设备与控制系统或资产管理系统的软件组件之间的数据交换实现标准化的接口规范。FDT技术的解决方法是一种创建高级设备管理用户界面的标准方法，它要求厂商提供的智能化高级设备内置有符合要求的通信接口控件，使得无论厂商的设备使用的是什么工业网络，任何一个提供此通信接口的系统都能轻松的访问设备，进行配置，就可以和主机系统的资源管理器通信。2 FDT/DTM技术介绍FDT是一项真正开放的技术，用户可以毫不费力地将设备数据转化为有用的信息，而不会受其所选的现场总线协议、设备厂商或设备型号的限制。FDT还有助于真正实现现场总线的承诺，并对其它技术起到辅助作用。FDT技术同工业网络协议不会有冲突，同现场设备不会有冲突，甚至可以为已经运行的设备创建FDT用户接口插件。对于现场设备供应商来说，FDT是一种方法，在其设备中嵌入带有描述设备特性的通信控件，在主机系统中如有另一个相类似的控件，主机系统的资源管理器就可以根据设备描述符创建通用的组态工具。对于用户而言，有两方面的好处。一方面是通过主机系统供应商的资源管理器可以看到系统中的所有设备，另一方面由设备供应商提供的设备分析工具可以掌握设备运行状况。FDT对现场设备的通信控件和控制系统（或资源管理系统）的通信控件之间的数据交换方式进行规范化。FDT使现场设备方便地接入系统并通过主机系统接口界面进行组态。FDT规范不依赖于某个供应商，它开放、公开，可以免费下载。FDT技术可以贯穿一个工厂或一个应用系统的整个生命周期，包括该周期中的工程规划、安装、调试、生产和维护等各个阶段。FDT/DTM技术是基于软件的设备集成解决方案，采用具有统一接口规范的FDT框架和DTM软件组件，其基本思想是提供标准的方法来管理现场设备，包含三个重要的组成部分:FDT框架应用、设备DTM和通信DTM，如图1所示。为了更好地理解这三个要素的功能，可以用互联网做一个类比。一个标准的网页浏览器能让用户浏览不同内容的不计其数的网页，这是因为在计算机上安装了一个框架应用，这个程序可以是微软公司IE网页浏览器，也可以是其它浏览器。FDT框架应用类似于网页浏览器，所不同的是网页浏览器打开含有各种信息的网络页面，而框架应用打开的是设备供应商的各种DTM。主机系统装有支持工业网络协议的通信DTM,可保证PC机、网络、接口卡以及主机系统的传输协议与设备供应商的DTM进行透明且无缝的连接。同样也可以用互联网进行类比：不管使用什么品牌的PC网卡，不管是通过宽带还是DSL上网，用户都可以在PC机上看到相同的网页。图1 FDT结构Fig.1 FDT Structure3 FDT/DTM工作原理及特点DTM封装了所有设备数据、功能和逻辑，可以是一个简单的设置设备参数的用户界面，也可以提供复杂的包括诊断、维护和校准的功能。任何支持FDT规范，可以调用DTM标准接口的应用程序统称为FDT框架程序，包括组态软件，工程控制工具，操作台或资产管理系统等等。FDT框架程序初始化并连接各个DTM。框架程序和DTM，以及DTM之间可以进行数据通讯。然后根据框架程序的不同目的对DTM的各种功能进行调用。COM提供一个行之有效的将DTM集成与FDT框架程序的客户服务器架构。COM是一套不受编程语言限制，面向对象的二进制标准，支持跨进程通信和动态对象生成。COM组件的功能通过所提供的接口实现。FDT规范制定了DTM和FDT框架程序间的COM接口。用户界面使用ActiveX技术。ActiveX是对COM的扩展，规范了用户界面如何集成到应用程序。DTM的用户界面通过FDT框架程序打开，并连接到DTM实现数据交换。XML是一套通过等级结构来描述数据的标准。在FDT规范里，数据是通过XML文档的形式来实现通讯的。XML的格式通过FDT规范所提供的schema定义，而内容由DTM和FDT框架程序提供。3.1 FDT框架应用(FDT Frame Application)FDT框架应用通过标准的接口与DTM进行通信，它可以是现场设备的参数设置与组态工具、工程工具或者资产管理工具，并目_对所有通信协议都是开放的。通常情况卜，框架应用具有相同的格式和表示方法。框架应用同网页游览器相似，也有菜单条、工具条和导航目录，显示出来的框架应用内含有来自各个设备供应商的DTM软件。就像在导航目录中的收藏夹内点击一个链接一样，FDT用户也可以方便地使用现场设备树形图，点击其中一个，便可以方便地进入该设备供应商提供的DTM。3. 2设备DTM （Device DTM)设备DTM是由设备制造商开发的软件组件，它封装了所有的设备特定数据、功能和管理方法，并且包含图形用户界面。设备DTM提供了对包含高级操作与诊断参数在内的所有设备参数的访问，并且向上定义如何与框架应用交换信息。DTM一般不单独执行，需要一个框架应用作为实时运行环境。设备DTM供应商可以创建图形丰富的用户界面,就如Windows界面一样。如同网页能让用户与厂家在订购系统上进行采购互动一样,设备DTM能以各种方式使用户与现场设备进行互动。3. 3通信DTM (Comm DTM)通信DTM在上位机内提供一个标准化的通信应用进程接口API，以连接设备制造商的Device DTM和上位机系统的特定驱动器，处理PC机到现场网络接口的通信。由此可见，FDT/DTM实现了设备集成所必需的二个功能。但实际上FDT框架应用和DTM同样需要由系统集成工具软件开发商和设备制造商分别提供，只不过FDT技术规定了标准化的软件接口，这些接口用通用方法进行定义，以此设计出的工程环境能够管理不同制造商提供的适用不同现场总线的现场设备。FDT/DTM的实现基于Client/Server结构，局限性在于实现与操作系统密切相关，所有组件都基于微软的Windows操作系统和Active X控件(COM/DCOM)。但正是由于基于组件的实现，非常便于设备管理，例如:当替换设备时，如果替换相同现场总线、不同类型的设备时，只需更换相应的Device DTM即可；同样，当替换不同现场总线、相同类型的设备时，只需更换相应Comm DTM即可，而这些，对FDT框架应用没有任何影响。综上所述,FDT定义了框架应用和DTM之间的接口,为独立开发控制系统嵌入软件提供了一种标准化方法。它支持工厂自动化和过程自动化有关的现场总线协议,可以使用与Windows兼容的任何语言或软件来开发控件。FDT框架应用就如PC软件环境一样,提供用户管理、DTM管理、数据管理、网络组态和导航。设备DTM由设备制造商提供,代表一个设备的全部逻辑和参数,拥有与FDT框架应用通信的标准化接口,可以用于任何FDT框架应用,还带有DTM应用导则(Style Guide)和图形用户界面。通信DTM是像PC通信网卡、耦合器、网关和其它链接设备一样的通信设备。4.FDT/DTM在故障诊断中的应用4.1故障诊断概念 故障诊断通常和状态监测相结合，发挥作用。故障诊断技术是通过监测设备的状态参数，发现其异常情况，进而分析原因，并预测设备未来状态的一种技术。其基本功能是在不拆卸和基本不拆卸设备的情况下，掌握设备运行现状，定量地监测和评价设备的状态，如设备所承受的压力、强度和性能、劣化趋势等。根据状态判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，根据情况对异常进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等，以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备有效利用率。在设备发生故障的情况下，对故障原因、故障部位、危险程度进行评定，并确定正确的修复方法。4.2故障类型工业现场中，设备的种类繁多，很多设备工作环境较为恶劣，因此很容易发生故障。设备故障发生的原因是多方而的，主要有以下几种类型:1)零件本身的磨损、以及零件之间原有配合关系发生了变化。零件的磨损是指零件的现有尺寸、形态偏离了原始设计性能，这种偏离是设备在使用过程中，各种因素对零件发生作用的结果，如意外损伤和老化损伤等。 2)设备超负荷运转。每台设备都有一个设计输出参数极限，如果设备的实际输出参数超出其极限时，机械的正常状态将受到损坏，长久了便会形成故障。这就需要及时发现，并调整技术参数，提高设备承载能力，对故障设备采取修复措施。 3)网络故障:设备连接等网络故障。如现场总线出现通讯故障等。4.3故障诊断技术 设备故障状态的迹象通常表现为:输出参数的变化、振动异常、声响异常、过热现象等。目前，对各种设备的故障诊断实施技术，已从传统的感官自接判断，进入到利用现代振动、声、光、电学理论进行诊断，随着技术的发展和应用，诊断技术朝着现代测试技术、信息处理、识别技术和计算机技术的方向发展，出现了各种诊断软件及专家系统。4.4故障诊断与FDT/DTM技术的结合 制造商常常会面临相互矛后的要求:既要减少停机时问，又要降低维护成本。为了实现这两个目标，操作员必须对工厂内可能出现的问题提前做好准备，即对现场设备要进行管理、监测和诊断。利用FDT/DTM技术，解决设备的多样化带来的设备集成难题，从而实现对工业现场小同设备进行故障诊断，真正达到现代化设备管理。当然，随着人工智能应用的普及与发展，故障诊断技术也越来越多样化，虽然FDT技术也提供了一定的故障诊断接口, 比如IDtmDiagnosis和IDtmOnline Diagnosis接口,但是还小足以解决常见的各种故障，此外，框架应用程序和DTM之问的信息但是还不足以解决常见的各种故障，此外，框架应用程序和DTM之问的信息交互是基于XML格式的。XML的优势就在于它的标准化，一旦XML标准的文件格式制定好，小同系统之问的数据交换就可以通过XML解析器很容易的解决。因此，本文将利用FDT/DTM技术，结合故障诊断技术，将诊断结果转换为XML形式，形成一种新的架构，如图2所示。工作原理如下:首先，设备DTM请求建立连接；通信DTM对此做出响应，建立连接；这样，设备DTM就可以操作真正挂接在总线上的设备，其间的请求和响应都是XML String；然后，设备DTM根据地址参数，(比如， Profibus DPV 1根据Slots和Index来确定地址)，采集到的数据进入故障诊断模块，经过一系列的推理、解释后，将诊断结果进行统一的XML格式进行封装，并将结果显示在设备DTM的相应画面中；而客户可以从FDT的框架应用程序中，调用小同的DTM，不仅可以访问小同总线上的小同设备，还可以查看现场设备的故障预测及诊断信息，对生产进行全局把握，及时防治故障的发生。5.小结FDT应用新的理念、新的方法对于现场设备供应商来说，FDT是一种方法，在其设备中嵌入带有描述设备特性的通信控件，在主机系统中如有另设备DTM用户FDT框架应用程序DTM接口诊断结果进行XML转换故障诊断模块通信DTM现场设备图2 系统模型结构Fig.2 System Model Structure一个相类似的控件，主机系统的资源管理器就可以根据设备描述符创建通用的组态工具。对于用户而言，有两方面的好处。一方面是通过主机系统供应商的资源管理器可以看到系统中的所有设备，另一方面由设备供应商提供的设备分析工具可以掌握设备运行状况。FDT技术同工业网络协议不会有冲突，同现场设备不会有冲突，甚至可以为已经运行的设备创建FDT用户接口插件。FDT技术可以为用户带来如下效益：(1)通过先进的诊断技术和预测性维护，改进设备性能，提高设备利用率；(2)设备在系统中的透明化，插拔式的接入方式，内置式的使用指导，有助于充分挖掘设备的功能和能力；(3)开放的技术可使用户自由选择最合适的设备，拓宽选择工业网络和设备的范围，降低设备连接人机界面的成本。F