正常情況下，車間/機器應以盡可能的蕞大生產(chǎn)率、蕞低的停機時間來運行。因此，診斷的目標是將車間/機器的停機時間降至蕞低。診斷可以幫助車間/機器在運行期間識別和避免干擾。維護人員需要快速標識干擾的源頭（哪里發(fā)生）、嚴重性（以何種速度響應）、類別（什么引起的干擾）及對策（精確預防）。
PROFINET診斷功能完美解決了維護人員的需求，診斷信息構(gòu)成如下：
（1）診斷（diagnosis source）識別干擾的源頭；（2）嚴重性（severity）表示維護的緊迫性； （3）診斷信息（diagnosis information）標識“問題/原因”并建議“應對措施”。
PROFINET把故障分為通信錯誤和外設(shè)錯誤。通信錯誤與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，比如，布線錯誤、連接器錯誤、拓撲錯誤、不正確的設(shè)備名稱或IP地址、負載超載等。外設(shè)錯誤與設(shè)備輸入和輸出有關(guān)（傳感器和執(zhí)行器），比如，傳感器或執(zhí)行器導線接線錯誤、輸出功率損失或者甚至是機械問題等。外設(shè)錯誤不影響通信，外設(shè)錯誤一般由設(shè)備檢測并用PROFINET報警報告。通信錯誤可由設(shè)備報告、也可以由管理交換機和其他網(wǎng)絡(luò)組件報告。
需注意的是，本文所說的診斷由PROFINET IO設(shè)備自身基于制造商特定的方式探測，用于維護傳感器、設(shè)備、機器等車間裝備，診斷的發(fā)布方式與IO設(shè)備處于什么樣的應用中無關(guān)。而過程診斷是過程值（例如，溫度、壓力和濕度值的組合）元值，標識關(guān)鍵或無效過程狀態(tài)，它們在機器接口、PLC或操作員站等上層應用程序中進行評估，IO設(shè)備不提供過程診斷。
1 PROFINET設(shè)備診斷基本模型
PROFINET診斷基本模型如圖1所示，診斷信息產(chǎn)生、發(fā)布、去除等規(guī)則如下： （1）子模塊應用確定增加/去除診斷信息； （2）診斷信息可通過Signaling在本地顯示； （3）診斷查詢功能用于外部應用訪問診斷信息；（4）診斷ASE通過Alarm AR（應用關(guān)系）將信息變化通知IO控制器。當前的子模塊診斷狀態(tài)可通過AlarmNotification PDU的元素AlarmSpecifier和/或MaintenanceItem提供，以支持在IO控制器快速發(fā)布診斷狀態(tài)。
圖1 診斷基本模型
PROFINET診斷信息通過診斷類型的報警報文進行非循環(huán)傳輸。
2 PROFINET診斷數(shù)據(jù)基本結(jié)構(gòu)
PROFINET通過ChannelErrorType（通道診斷報文元素）和ExtChannelErrorType（擴展通道診斷報文元素）定義錯誤Error原因。如果適用，強烈建議使用這些預定義的標準Error信息。如果標準Error不合適，IO設(shè)備制造商也可以額外定義其他錯誤信息，而這些錯誤信息需要在GSDML中進行描述并傳遞給診斷客戶端。
2.1 PROFINET診斷信息格式
PROFINET定義了兩種診斷信息格式，分別為標準格式和USI格式。標準格式診斷信息結(jié)構(gòu)如下：
（1）Severity，采取維護措施的緊迫性； （2）USI，用來表示診斷編碼； （3）ChannelErrorType，診斷類型； （4）（可選）ExtChannelErrorType，診斷的子類型；（5）（可選）ExtChannelErrorAddValue，關(guān)于診斷的附加信息。
USI格式的診斷信息結(jié)構(gòu)如下： （1）USI，表示診斷類型； （2）ManufacturerData，關(guān)于診斷的附加信息USI診斷格式限于子模塊使用（ChannelNumber為0x8000）。
2.2 診斷信息的尋址方式
診斷源通過以下信息定位，如表1所示。
API、slot和subslot僅僅是用于尋址。子模塊實際帶有對象：IO數(shù)據(jù)、診斷和記錄數(shù)據(jù)。子模塊可以用通道（channel）進一步結(jié)構(gòu)化，這些通道可以在參數(shù)化、IO數(shù)據(jù)和診斷中可見。那么，什么是通道呢？
通道是服務器的輸入/輸出應用對象的單一物理或邏輯鏈接，目的是支持診斷信息的尋址。通道作為模塊或子模塊的實際接口，通常標識單一連接器或夾具。該引用被用來標識診斷PDU中的失敗點。
為了實現(xiàn)診斷，一個通道等同于一個被監(jiān)視的實體。監(jiān)視可以由子模塊自身實現(xiàn)（例如，短路，斷線或過溫），也可以由附加的傳感器或執(zhí)行器實現(xiàn)（例如，傳感器故障）。特定的通道由ChannelNumber和Direction唯一標識，通道號標識診斷
2.3 Severity診斷嚴重性分類
嚴重性分級用來表達需要維護的急迫性，分類如表2所示。
Qualifier用來細分嚴重性等級。
3 如何通過PROFINET實現(xiàn)預測性診斷
預測性維護是以狀態(tài)為依據(jù)的維修，是對設(shè)備進行連續(xù)在線的狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，診斷并預測設(shè)備故障的發(fā)展趨勢，提前制定預測性維護計劃并采取相應措施的行為。因此，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是預測性維護實現(xiàn)的基礎(chǔ)。PROFINET診斷數(shù)據(jù)可通過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)（比如，PROFINET、以太網(wǎng)）分級向上傳輸，然后在上層實現(xiàn)診斷信息語義化模塊；也可以通過OPC UA進行語義化建模后向上傳輸，可提高維護的效率。
3.1 PROFINET設(shè)備診斷數(shù)據(jù)通過OPC UA建模傳輸
PROFINET是開放的支持標準以太網(wǎng)的技術(shù)。這使得可以在傳感器/儀表中增加OPC UA接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接向“云”或邊緣網(wǎng)關(guān)的發(fā)送，而不對已有的自動化解決方案產(chǎn)生任何影響，這樣的方案對于現(xiàn)有系統(tǒng)中實現(xiàn)創(chuàng)新性的診斷方法提供了一種途徑。OPC UA接口也可以布置在控制層、控制設(shè)備與智能設(shè)備之間（中間件）、邊緣設(shè)備等處，提供診斷信息多路徑（見圖2）的向上傳遞，適應不同的系統(tǒng)設(shè)計方案。
圖2 PROFINET診斷信息傳輸路徑
3.2 通過PROFINET實現(xiàn)預測性維護實例–某汽車生產(chǎn)公司
汽車生產(chǎn)工廠的一個在線測量系統(tǒng)，通過高度柔性軟管將鉚釘輸送到機械臂上的鉚接工具，鉚釘會對軟管產(chǎn)生磨損，因此，通常在傳輸一定量的鉚釘之后需更換軟管。傳統(tǒng)維護方式是根據(jù)經(jīng)驗，預估軟管出現(xiàn)問題的時間進行更換。為了降低維護成本和精準維護，通過創(chuàng)建時間分析序列，檢測軟管的磨損程度。軟管的磨損導致出現(xiàn)一些小的空洞，因此，軟管里就能檢測到更多的空氣。實時記錄這些數(shù)據(jù)，并通過OPC UA技術(shù)將數(shù)據(jù)實時傳輸至PROFINET控制器。現(xiàn)場人員通過數(shù)據(jù)的實時反饋，可以及時發(fā)現(xiàn)軟管是否需要更換，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的精準維護。
4 結(jié)束語
基于對實驗室進行PROFINET認證測試的IO設(shè)備所實現(xiàn)的診斷信息分析，可以發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備制造商并沒有充分利用PROFINET的診斷機制，如此就不能在應用現(xiàn)場提供充分的診斷信息。如果沒有底層診斷數(shù)據(jù)的支撐，預測性維護將成為無源之水，難以實現(xiàn)。而當前工業(yè)4.0背景下，智能工廠對預測性維護的需求尤為迫切。
本文在給出工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET診斷機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能制造專項研究以及工業(yè)智能儀表認證測試經(jīng)驗，提出智能設(shè)備診斷信息語義化（OPC UA）傳輸方式，以及智能儀表自身的診斷能力在工業(yè)控制系統(tǒng)預測性維護中的重要性。
原文刊載于《華夏儀器儀表》2021年第8期 ：機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 謝素芬
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