现场总线设备描述技术的研究与探讨 - 上海仪器仪表行业协会

现场总线设备描述技术的研究与探讨 - 上海仪器仪行业协会 现场总线设备描述技术的研究 上海自动化仪表股份有限公司技术中心 包伟华 摘要:本文详细介绍了两种主流设备描述技术:电子设备描述语言(EDDL)和现场设备工具/设备类型管理器(FDT/DTM)，两者的目的都在于为现场总线设备的描述提供一个统一的方法。同时，本文对这两种设备描述技术进行了具体的技术和比较。 关键词:现场总线，设备描述，电子设备描述语言，现场设备工具/设备类型管理器 0 引言 在经历了十多年的现场总线国际大战以后，无论是自动化行业的从业人员还是最终用户，对源自80年后期的现场总线技术都已经耳熟能详。多年的现场总线标准之争，虽然最终也没有达成统一的国际标准，颁布的是多标准并存的国际标准IEC61158，但这是参与标准制订各方相互妥协的结果，也真实得反映了当今数字通信技术的现实，也就是说，还没有哪一种现场总线标准可以满足所有行业的需求。在今后相当长的一段时间内，可能都是多种现场总线标准共存，并由此形成了在同一生产现场可能存在多种异构网络互连的局面。 技术和标准在不断涌现的同时，也在不断地消亡，可能原先认为是很有前途的技术，在较短时间内就失去竞争优势了，甚至消亡。对于最终用户，尤其对于使用年限在十年甚至二十年以上的过程自动化装备而言，技术的选择显得非常的慎重。因此，国际标准IEC61158的颁布，非但没有平息现场总线技术之争，而且争论延续到了现场总线相关的其他技术领域，比如工业以太网技术和设备描述技术。 在自动化程度不断提高的今天，加上用户的自动化需求千差万别，就象流程工业采用DCS系统的同时，还需要选择PLC完成一些辅助控制一样，人们往往在采用某种现场总线技术作为主要技术架构的同时，还需要其他现场总线技术作为补充。由于到目前为止，在现场总线设备的系统集成方面，还缺乏一个统一的平台，不同的现场总线设备仍然需要通过各自的软件工具组态，这就给系统集成带来了很大的不便。因此，用户在选择现场总线技术的同时，还需要评估其系统集成相关支持技术的先进性和发展潜力。因此在最近几年，国际上关于现场总线设备描述(Device Description)技术和标准的争论有愈演愈烈的趋势。 1 设备描述技术概述 在设备描述技术出现之前，人们主要通过手操器和专用软件工具对现场总线设备进行组态，但是随着工业现场的智能仪表和设备越来越多，也越来越复杂，而且厂商和设备种类的不同，其组态工具也存在很大的差异，这给工程人员带来极大的不便。因此在九十年代初，HART基金会(HCF)首先开发出设备描述语言(DDL)，采用DDL具体的描述一个HART设备，比如设备地址，设备变量，设备方法(例如标定，量程设置)，分层结构(菜单)，形成一个设备描述(DD)文件，提供给DDL解释程序，或直接存储在设备中。嵌入DDL解释程序的设备管理软件，从DD文件中就可以获取用于设备组态的相关信息。后来，大部分的现场总线都相继以类似的方法实现了自己的设备描述技术，例如，基金会现场总线(FF)的DDL，PROFIBUS现场总线的GSD(设备数据库)和EDDL等等。我认为，所有这些设备描述技术大致可以分成三大类: , 基于DDL的设备描述技术 这些描述方式主要从HART的DDL解决演化而来，典型代表包括FF现场总线的DDL和PROFIBUS的EDDL。 , 基于XML的设备描述技术 这种描述方式吸取了XML技术的优点，典型代表是FDT-JIG国际组织开发和推进的FDT/DTM设备描述技术，另外，还有INTERBUS和MODBUS相关国际组织提出的现场设备组态标记语言规范(FDCML)。我国具有自主知识产权的EPA标准和技术也开发了基于XML的设备描述技术(XDDL)。 , 与其现场总线技术密切相关的设备描述技术 这种方式一般采用简单的关键字来定义设备中现场总线相关的一些参数值。典型代表包括CANOpen和ContrloNet的电子数据表(EDS)，PROFIBUS的GSD等。 虽然这些设备描述技术的出现，一定程度上解决了各自现场总线设备的可互操作性和系统集成问题，可以较为方便地将不同厂商的现场设备集成到一个系统中，但无法解决不同现场总线的设备集成问题，进而满足最终用户的进一步需求。从寻求一种统一开放的DD技术的角度考虑，上述第三类DD技术显然无法满足需求，对于基于XML的FDCML规范而言，由于侧重于网络相关特性的描述，没有定义设备的功能，作为通用的解决方案有一定的困难。 2000年开始，HART基金会，FF基金会和PROFIBUS国际组织(PI)联手开发独立于各自现场总线协议的EDDL，新的EDDL实质上是原有三种DDL技术的协调，形成一种通用的EDDL解决方案，同时又可以兼容各自原有的DDL技术。因此，EDDL技术得到了包括爱默生公司、西门子等许多知名国际厂商的支持，并于2004年成为国际标准IEC61804-2。 1999年，ZVEI(德国电工器材公会)和PROFIBUS国际组织首先提出了FDT(Field Device Tool)技术规范，采用了微软成熟的COM和ActiveX技术，基于XML标准和软件组件的开发思想，将设备厂商开发的DTM(Device Type Manager)作为一个软件组件集成到FDT的框架应用软件中，实现了独立于现场总线协议的设备集成技术。FDT技术得到了ABB，E+H，西门子和Rockwell等众多国际知名厂商的支持，并于2003年成立了非盈利性的国际组织FDT-JIG，共同推进FDT技术的开发应用及国际标准化工作。 至此，围绕EDDL和FDT这两种主流设备描述技术，国际上逐渐形成了相互竞争的两大阵营，虽然有不少知名厂商同时是两大阵营的成员，但两者之间的竞争态势依然有愈演愈烈的趋势。 2 EDDL技术的工作原理 EDDL是一种基于结构化文本的描述性语言，提供了一整套可裁减的基本结构元素，用于处理简单，复杂或模块化的设备。EDD技术是将HART、FF和PROFIBUS现场总线设备集成到主系统的软件技术，这就使得上述三种现场总线采用统一的组态工具软件成为可能。 EDDL技术由两部分组成:EDD文件和EDD解释程序，对于FF，还需要包括能力文件(Capability File)，对于PROFIBUS，另外需要GSD的支持。EDDL技术的工作原理如图1左半部分所示。 EDD文件是设备厂商开发的ASCII格式文本文件，通过EDDL规范提供的16 种基本结构元素，定义了现场总线设备的变量，结构和功能，以一种被动的方式对设备数据进行封装。EDD技术从逻辑结构上可以分为三层，并且层与层之间的实现是技术无关的: , 设备参数的可视化描述:包括参数的逻辑分组(即菜单显示)和图形化显示 等。 , 设备参数和功能的描述:包括参数和参数相关性的描述，所支持的设备功能的 选择和实现。 , 现场总线通信协议的映射:通过COMMAND等基本结构元素描述设备参数的 访问方式和物理地址等。 在主系统的设备管理软件或任何一种组态工具中，嵌入EDD解释程序(EDDI)以后，无论现场设备使用的是HART、FF还是PROFIBUS通信协议，确保所有的设备有统一的处理方式，与设备的类型和设备供应商无关，只要EDD解释程序(EDDI)导入并解释现场设备的EDD文件，就可以对现场设备进行组态、维护、诊断和标定等任务。 3 FDT/DTM技术的工作原理 FDT规范定义了框架应用程序FDT对象及其接口，设备厂商提供的设备相关软件组件(即设备DTM)和主系统厂商的工程软件之间的标准接口，使得主系统厂商通过一个工程工具软件就可以集成不同厂商、不同通信协议、不同类型的现场总线设备。 图1 EDDL技术与FDT/DTM技术的工作原理示意图 FDT技术由三个关键组件组成:FDT框架应用程序(Frame-Application)，设备DTM，通讯DTM。其工作原理如图1右半部分所示。 , FDT 框架应用程序 FDT框架应用程序通过一组标准化的ActiveX接口与DTM之间交换数据，他们之间的数据交换基于XML技术。FDT框架应用程序可以是设备组态软件，工程工具、监控软件或资产管理软件等。FDT框架应用程序对所有的通讯技术开放，包括专用协议。例如，PACTWARE就是一个独立的第三方FDT框架应用软件。 , 设备DTM 设备DTM是描述现场设备的软件组件，通常由设备厂商随同设备一起提供，每个DTM负责一个设备类型或一组设备类型，通过通信DTM提供的通信通道，可以与相关现场设备通信。 (1)封装了所有设备相关的数据，报警，事件，帮助和功能相关的方法，包括组态、调校、标定和诊断等; (2)包含设备厂商提供的图形化的用户界面; (3)提供了对设备所有数据的访问，包括组态和诊断等功能的参数。 , 通信DTM / 网关DTM 通信DTM提供了一个标准化的通信API(Application Process Interface)，实现了设备厂商的设备DTM与主系统厂商的具体驱动(指处理PC到其现场总线接口卡之间的通道通信)之间的连接。主系统厂商为每一种支持的现场总线协议提供一个通信DTM，这就确保主系统的PC，网络，接口卡和驱动等具体细节对于设备DTM是透明的，同时允许FDT框架应用程序对主系统各层的所有数据进行透明访问。网关DTM是通信DTM的一种，支持不同现场总线协议的转换。 为了更好的理解FDT技术三大组件之间的关系，我们可以通过互联网的比喻来加以说明。我们可以将主系统厂商的FDT框架应用程序比做“微软的IE浏览器”，一个标准的Web浏览器，可以打开无数的不同的人创建的不同的网页，设备DTM就是不同厂商为不同的设备创建的“网页”，而通讯DTM的作用，相当于使“微软的IE浏览器”对“网页”的访问是透明的，与所在的PC，网络接口卡类型和带宽等无关。 4 EDDL技术和FDT技术的比较分析 EDDL和FDT/DTM技术代表了两大阵营在现场设备系统集成技术上各自不同的解决方案，根据图1所示的EDDL和FDT/DTM技术工作原理，我们可以发现，两种设备描述解决方案之间最大的区别在于: , EDDL技术是以一种被动的方式在EDD文件中将设备数据和功能封装起来; 而FDT/DTM技术以一种主动的方式在设备DTM中通过设备驱动方式封装 设备数据和功能。 , EDD文件仅是一个结构化文本，无法与被描述的设备进行通信，基于EDDL 技术的集成环境需要嵌入EDD解释程序，并通过相应的接口与设备之间实 现通信;而对于FDT技术而言， DTM就是与被描述设备之间的接口，负责 与设备之间通信交换数据，FDT框架应用程序再通过标准接口与DTM之间 实现数据交换。 4.1 EDDL技术的优势与不足 EDDL的设计理念是为最终用户和现场设备厂商提供一个一致和丰富的集成环境，根据作者对EDDL技术的国际标准IEC61804-2的研究和基于SIMATIC PDM的PROFIBUS现场总线设备EDD的开发和应用经验，EDDL技术具有如下优势: , 独立于主系统平台的操作系统。EDDL技术基于结构化文本语言，EDD文件 不包含操作系统相关的特殊命令或技术，维护和升级的问题容易解决。 , 支持包括HART、FF和PROFIBUS在内的三种主流现场总线协议。 , 基于EDDL技术的设备组态或管理软件，对于不同厂商、不同协议或不同类 型的现场设备，提供感观一致的用户界面。 , 对于设备厂商而言，EDDL易于开发、更新和存储，并支持多种国际语言(包括 帮助文件)。 当然，EDDL技术也存在一定的局限性，由于EDDL是一种简单的结构化文本的描述语言，对复杂现场设备的描述，设备的可视化描述，高级诊断功能的实现等方面存在一定的局限性。根据我们的开发经验，主要有以下几点: , 设备的可视化描述，仅支持菜单、对话框和动态变量的棒图显示，虽然感观 一致，但相对单调。 , 设备的功能性描述的语法通过一个Builtin行规定义，虽然Builtin行规可以扩展 使用，但需要设备厂商EDD文件和主系统厂商EDD解释器的同时支持，造成 版本控制的困难。 , 不支持历史数据的永久存储和追忆，限制了复杂设备高级诊断功能的实现。 在国际标准IEC61804-2颁布的同时，HCF、FF和PI三大组织也在联手完善EDDL技术，提升EDDL的功能，上述的大部分局限性都在其扩展EDDL技术的考虑范围内。 4.2 FDT技术的优势与不足 FDT技术代表了另外一种可选的DD技术解决方案，在某种程度恰好弥补了现有EDDL技术的不足，为最终用户提供了更加丰富和一致的集成环境。采用FDT技术给用户带来的好处在于: , 支持更多的现场总线协议，除了EDDL技术支持的HART、FF和PROFIBUS， 还包括INTERBUS，MODBUS，DEVICENET和CONTROLNET等等，提 供了更大的自由选择空间。 , 支持复杂设备的描述，包括高级诊断和预测性维护等功能的描述。 , 支持设备厂商自主开发更丰富且复杂的图形化可视描述，同时又提供了可视 化描述风格指南，在保持灵活性的同时确保集成环境感观上的一致。 EDDL技术的坚定支持者对FDT技术的批评主要集中在以下两点: , 一方面，由于FDT技术采用了微软专有软件技术，包括COM/DCOM和 ActiveX技术，使得FDT技术架构依赖微软Windows操作系统的支持，使FDT 技术的更新和维护面临IT行业相同的问题; , 另一方面，在FDT技术架构下，DTM的开发给设备厂商提供了使自己的设备 描述区别于别的厂商的同时，也使集成环境难以形成统一的风格或一致的感 观，同时，给DTM的开发者提出了更高的要求，除了掌握智能仪表技术，现 场总线协议和FDT技术，还需要在熟悉更多的IT技术，例如COM和ActiveX 技术，VC++开发环境下的编程等等。 5 FDT融合EDDL技术的解决方案 FDT技术的出发点不是为了替代EDDL技术，而是为了包容和扩展DD技术 的性能，因此FDT技术专门针对原有的设备描述技术(如EDDL、GSD、EDS等)，甚至专门的组态工具，都提出了相应的DTM解决方案，如图2所示，为最终用户提供了更加丰富和一致的集成环境。FDT提供的这种兼容原有DD技术的解决方案，对FDT技术的推广是非常有利的。 , 在一个通用DTM中实现基于原有DD技术的EDD解释器，利用原有的EDD 解释器还可以减少集成环境系统的COM/DCOM组件的数量，提高了系统的 稳定性; , 将原有的专用组态软件通过FDT接口与FDT框架应用集成; , 为已有的设备开发一个符合规范的DTM。 图2 其他设备描述技术的DTM解决方案 6 发展趋势与展望 通过上述的两大主流设备描述技术的分析和比较，我们可以发现，两者之间的设计理念基本相同，也同时得到了OPC基金会的支持，只是技术选择的理念不同，形成了不同的解决方案。以笔者的观念，从计算机技术介入工业自动化领域开始，更多的采用成熟的IT技术已是必然的趋势，比如，在今天的自动化技术领域，工业以太网技术已经得到广泛的认同，而且已经列入国际标准IEC61158，OPC技术已经不可或缺，其他如嵌入式WEB和无线通信等技术也得到越来越多的应用。 就设备描述技术而言，增强的EDDL技术，确实可以给三大主流现场总线的 用户提供一个很好的设备集成环境，但FDT技术和EDDL技术的融合，可以给 用户提供一个更加完整的解决方案，而且现有成熟技术之间的重用互补，可以更 加快速有效地满足用户的需求。虽然关于EDDL和FDT技术的争论还会继续， 但我们有理由相信，就象现场总线技术融合了以太网技术一样，EDDL和FDT 技术的融合最终也会成为现实。 参考文献 [1] 包伟华，陈华. PROFIBUS产品的设备描述技术. 自动化仪表，2005-11: 12,14 //www fdt-jig.org [2] FDT Interface Specification Version 1.2 , http: [3] IEC/PAS 61804-2: Function Blocks for process control – Part 2: Specification of FB concept and Electronic Device Description Language (EDDL)，2002 [4] Specification for PROFIBUS Device Description and Device Integration, 2001 [5] Lestin Andreas. FDT TECHNOLOGY’S PICKS UP WHERE DDL LEAVES OFF, IEE Computing & Control Engineering, 2004-8/9:12~14 [6] Wolfgang Kastner, Friedrich Kastner-Masilko. EDDL inside FDT/DTM, Proceedings 2004 IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS 2004), T. Sauter, F. Vasques (ed.); IEEE, Piscataway, (2004), 0-7803-8734-1; 365 - 368