兩大開放自動化組織：NAMUR和OPAF

　　最終用戶一直在呼吁系統(tǒng)開放，以更好的收集和集成來自不同供應(yīng)商的各種系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)。自動化供應(yīng)商正在致力于通過提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)的開放系統(tǒng)來幫助制造業(yè)用戶應(yīng)對挑戰(zhàn)。

　　日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省最近發(fā)布了一份題為“應(yīng)對信息技術(shù) (IT) 系統(tǒng)‘2025 懸崖’和數(shù)字化轉(zhuǎn)型重大發(fā)展”的報告，該報告將遺留的 IT 系統(tǒng)確定為影響數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的主要障礙。其實，遺留系統(tǒng)的障礙并不限于 IT 系統(tǒng) ；遺留的自動化控制和監(jiān)控系統(tǒng)也會造成障礙。

　　該數(shù)字化轉(zhuǎn)型報告指出了各種問題，例如技術(shù)過時導(dǎo)致的黑箱、系統(tǒng)設(shè)計人員的退休以及由于新技術(shù)的引入而造成的進一步限制。使用帶有專有硬件和軟件的“黑匣子” 可能會暫時性的解決一些問題，但這有可能會產(chǎn)生一堆不兼容的技術(shù)。已經(jīng)實施的自動化系統(tǒng)，它們預(yù)期的服務(wù)年限為 20 年或 30 年，這使升級或更換更困難。

　　鑒于這些情況，可以認(rèn)為自動化系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng) (DCS) 供應(yīng)商的任務(wù)，就是在不干擾運營的情況下提供最新技術(shù)，而這需要更開放的系統(tǒng)。在技術(shù)領(lǐng)域，開放意味著實現(xiàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，并通過使用標(biāo)準(zhǔn)化的開放接口消除定制集成帶來的不便。

標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性包括認(rèn)證過程。

　　從封閉到部分開放的自動化

　　一般情況下，DCS 供應(yīng)商將專有產(chǎn)品集成到完整系統(tǒng)中，利用這種方式來滿足最終用戶的期望。供應(yīng)商開發(fā)的產(chǎn)品除了具有一致和穩(wěn)定的性能，還強調(diào)差異化特性。一直以來，他們使用現(xiàn)有的商業(yè)技術(shù)來改進系統(tǒng)以滿足市場需求，使這些系統(tǒng)逐漸符合事實標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，這種演變不僅通過專有開發(fā)，而且通過整合市場上可用的通用產(chǎn)品而取得進展。

　　為了獲得競爭優(yōu)勢控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，供應(yīng)商參與標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)并收購其它公司。以強調(diào)最終用戶利益的名義，出現(xiàn)了加強市場地位和產(chǎn)品組合的競爭。同時，一些功能變得標(biāo)準(zhǔn)化，使得現(xiàn)場設(shè)備與各種系統(tǒng)的連接成為可能，減少對同 一個供應(yīng)商的依賴，為最終用戶帶來更多選擇。OPC Classic（DA、A&E、HDA）、基金會現(xiàn)場總線、ISA100 Wireless 和其它國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，成為了增加系統(tǒng)價值的驅(qū)動力。 

　　因此，現(xiàn)在很多 DCS 供應(yīng)商將其角色定位為：向最終用戶提供服務(wù)的系統(tǒng)集成商ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，而不是專有產(chǎn)品的制造商。

　　標(biāo)準(zhǔn)賦能開放式自動化系統(tǒng)

　　在滿足最終用戶需求方面，部分開放的系統(tǒng)發(fā)揮了作用，但隨著時間的推移，它們會逐步被更新的系統(tǒng)所取代，這些系統(tǒng)需要經(jīng)常更新以保持最新狀態(tài)。這種演變對于支持最終用戶和采用通用操作系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信、虛擬化等技術(shù)以及其它技術(shù)進展是必要的（圖 1）。

圖1 ：現(xiàn)在的DCS 系統(tǒng)更加開放，可以滿足最終用戶的需求。圖片來源：橫河電機

　　然而，市場已經(jīng)發(fā)生了變化，這種安排也有其局限性。供應(yīng)商可能需要從整合他們的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)最終用戶的業(yè)務(wù)，同時與其他供應(yīng)商公司合作，而這其中一些可能是直接競爭對手。

　　為了應(yīng)對這種范式轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了由一些企業(yè)組建的網(wǎng)絡(luò)平臺，并形成了商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。例如，考慮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)發(fā)展的代表性組織包括 NAMUR，它是總部設(shè)在德國的一個國際性過程工業(yè)自動化用戶協(xié)會，以及開放過程自動化論壇（OPAF），該組織負(fù)責(zé)制定和開發(fā) O-PAS（開放過程自動化標(biāo)準(zhǔn)） 系統(tǒng)。

　　NAMUR 開放式架構(gòu) (NOA) 和 OPAF 致力于討論供應(yīng)商中立的系統(tǒng)，這意味著它們可以隨時使用最新技術(shù)以接納設(shè)備和功能，而未來兼容系統(tǒng)將繼續(xù)使用現(xiàn)有的軟件應(yīng)用。

　　以 NOA 為例，在現(xiàn)有系統(tǒng)之外，配置了一個被稱為監(jiān)控和優(yōu)化的獨立域，以直接從新傳感器（如振動、音頻、腐蝕、氣味）、 機器人、無人機和其它設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。此外， OPC 基金會的通信標(biāo)準(zhǔn) OPC UA 被用來從現(xiàn)有系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，以進行高級控制、分析和診斷。在安全措施方面，這種方式與 IEC  62443（控制系統(tǒng)安全）推薦的區(qū)域設(shè)計很相似，便于系統(tǒng)設(shè)計和維護。OPAF 通過倡導(dǎo)獨立于現(xiàn)有系統(tǒng)來推廣更多相同的想法。

　　供應(yīng)商開發(fā)的核心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的，因為它們今天被用于許多制造現(xiàn)場，在安全性和穩(wěn)定性方面受到信任。然而，當(dāng)涉及到引進對系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要的新技術(shù)時，這些網(wǎng)絡(luò)可能會成為障礙，并且在未來可能會阻礙最終用戶實施對其有益的解決方案。 此外，必須采取持續(xù)措施以解決未來潛在的安全問題，而這些網(wǎng)絡(luò)的原始規(guī)范可能會帶來某種程度的限制。

　　OPC UA 和 Profinet 正在強化其作為核心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的影響力，并作為符合國際標(biāo)準(zhǔn)的強大網(wǎng)絡(luò)而受到關(guān)注。拋開傳統(tǒng)思維， DCS 供應(yīng)商可以從專有系統(tǒng)開發(fā)過渡到使用商用軟件和硬件。因此，企業(yè)可以通過合作來解決最終用戶的問題，同時充分利用其內(nèi)部優(yōu)勢。

　　正在進行的關(guān)于架構(gòu)要求的 OPAF 討論， 涉及互操作性、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)一致性、安全標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性和可擴展性。所有這些屬性對于開放都是必不可少的，需要不斷努力。此外，他們表示公司各司其職對于建立關(guān)系至關(guān)重要。這些屬性強調(diào)了對生態(tài)系統(tǒng)的需求，這些系統(tǒng)促進最終用戶、系統(tǒng)集成商、供應(yīng)商和服務(wù)提供商之間的合作。在封閉系統(tǒng)領(lǐng)域，管好自己的產(chǎn)品就足夠了，但開放的世界需要整合，不管是哪個制造商。

　　開放性面臨的挑戰(zhàn)

　　開放性對最終用戶很有吸引力控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，并很自然地認(rèn)為可以構(gòu)建靈活的系統(tǒng)，以允許市場和用戶決定隨著時間的推移他們將如何發(fā)展。 對于 DCS 供應(yīng)商而言，重要的是不僅要將符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品推向市場，還要決定如何構(gòu)建和參與商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。使用在現(xiàn)有系統(tǒng)上運行的應(yīng)用軟件也很重要，供應(yīng)商在推進系統(tǒng)開發(fā)時應(yīng)該考慮這些問題。此外，還需要對國際標(biāo)準(zhǔn)、安全措施和系統(tǒng)互操作性的支持。

　　從系統(tǒng)集成的角度來看，必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)，并需要通過第三方認(rèn)證機構(gòu)進行認(rèn)證。 企業(yè)應(yīng)確保其系統(tǒng)產(chǎn)品符合 IEC 62443（控 制系統(tǒng)安全）和 IEC 62541（OPC UA）的要求，這些活動在未來將會持續(xù)進行。

　　對于安全措施， 制造商需要遵循 IEC 62443 中的規(guī)定，特別是要獲得 ISA Secure SDLA 和 CSA 認(rèn)證。IEC 62541（OPC  UA）也提到了安全措施，主要集中在通信方面。它解決了數(shù)據(jù)完整性、機密性和可用性的身份驗證和加密問題，以防止信息泄漏，即使在檢測到欺騙、 偽造或竊聽時也是如此。

　　系統(tǒng)互操作性 

　　在系統(tǒng)互操作性方面， NOA 和 OPA 提倡信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化www.cechina.cn，并利用 OPC  UA 元模型、內(nèi)置信息模型以及 IEC 62814（AutomationML）以及 IEC  62541 中規(guī)定的其它項目，來推進 NAMUR 開放架構(gòu)信息模型和 O-PAS 信息模型。

　　借助 OPC UA 和 Automation ML 標(biāo)準(zhǔn)，可以統(tǒng)一用不同格式表達相同信息的不同規(guī)則和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。目前，將 AutomationML 作為 OPC UA 配套規(guī)范信息模型的一部分進行處理，因此優(yōu)先支持 OPC UA 信息模型（圖 3）。

圖3 ：OPC UA 包括提供標(biāo)準(zhǔn)化和定制機會的模型和擴展

　　對開放標(biāo)準(zhǔn)的支持 

　　NOA 和 OPAF 倡導(dǎo)的開放性，旨在在不干擾現(xiàn)有系統(tǒng)的情況下融入先進技術(shù)。例如，橫河電機開發(fā)的協(xié)同信息服務(wù)器（CI 服務(wù)器），就可以為用戶提供開放系統(tǒng)選項（圖 4）。CI 服務(wù)器可以集成處理來自工廠設(shè)施和 系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對整個企業(yè)生產(chǎn)活 動的優(yōu)化管理，并提供從任何地點遠(yuǎn)程監(jiān)控 和控制操作所需的環(huán)境。

橫河電機的協(xié)同信息服務(wù)器提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)的自動化系統(tǒng)架構(gòu)。

　　CI 服務(wù)器背后的理念，是橫向和縱向集成、廣域集成、節(jié)省勞動力和創(chuàng)新運營。它們代表了一種集成運營功能，整合了現(xiàn)場和工廠的所有自動化組件、系統(tǒng)和設(shè)備，從而可以輕松管理獲取的數(shù)據(jù)和結(jié)果信息。

　　作為其主要通信協(xié)議，CI 服務(wù)器支持工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn) OPC  UA（客戶端 / 服務(wù)器和發(fā)布者 / 訂閱者功能）、消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 和開放式數(shù)據(jù)庫連接。 MQTT 是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 實施的最佳 通信標(biāo)準(zhǔn)，可以在設(shè)備之間交換各種數(shù)據(jù)和信息。

　　傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)主要針對過程數(shù)據(jù)（溫度、壓力、流量、 液位等）。然而，從控制各種設(shè)備和裝置的設(shè)備、系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能，從而可以提供集中管理所有工廠數(shù)據(jù)和信息的 能力。

　　遵循 OPC UA 的信息模型標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所獲取的數(shù)據(jù)不再依賴于特定的系統(tǒng)，可以利用 OPC  UA 的配套規(guī)范信息模式來創(chuàng)建增值信息。

　　開放自動化未來的發(fā)展 

　　采用 IT 最新技術(shù)，可以加速開放性的進展，對自動化系統(tǒng)的期望正從安全性和穩(wěn)定性控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，擴大到通過有效運營提高盈利能力。 這意味著應(yīng)對快速的市場變化、優(yōu)化成本、提高質(zhì)量和運營效率以及進行其它改進。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，重要的是將分布在整個工廠的數(shù)據(jù)作為相關(guān)信息提供給適當(dāng)人員。

　　以前必須手動使用統(tǒng)一格式收集和組織所需數(shù)據(jù)。CI 服務(wù)器將這些任務(wù)自動化，節(jié)省了時間，并確保將正確的信息實時傳遞給正確的人，以便快速有效地做出決策。CI 服務(wù)器能夠快速響應(yīng)市場變化，幫助優(yōu)化成本和提高運營效率，不僅適用于單個工廠， 而且適用于整個企業(yè)的制造運營。 通過為工廠運營及其相關(guān)數(shù)據(jù)創(chuàng)建全局信息模型，CI 服務(wù)器將所有類型的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)數(shù) 字化。

CI 服務(wù)器能夠以統(tǒng)一的格式將數(shù)據(jù)鏈接起來。

　　在數(shù)字化工廠中，自動化的數(shù)據(jù)循環(huán)支持著運營，通過自動化的收集和存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析、 建模并使用生成的大數(shù)據(jù)來改進運營和業(yè)務(wù)決策。部署開放系統(tǒng)有助于減輕工廠人員的負(fù)擔(dān)，否則他們將不得不部署定制的解決方案或?qū)嵤┦謩硬僮鳌?/p>

　　關(guān)鍵概念： 

　　■ 隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷變化，控制系統(tǒng)越來越依賴于開放技術(shù)。 

　　■ 當(dāng)前很多標(biāo)準(zhǔn)都是供應(yīng)商中立的，這讓用戶可以更自由地使用他們的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。 

　　■ 協(xié)作信息服務(wù)器為用戶提供了一個開放的系統(tǒng)選擇，減輕了工廠人員的負(fù)擔(dān)。

　　思考一下： 

　　在處理工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時您遇到了哪些挑戰(zhàn)或問題？