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兩大開(kāi)放自動(dòng)化組織：NAMUR和OPAF

最終用戶(hù)一直在呼吁系統(tǒng)開(kāi)放，以更好的收集和集成來(lái)自不同供應(yīng)商的各種系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)。自動(dòng)化供應(yīng)商正在致力于通過(guò)提供符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放系統(tǒng)來(lái)幫助制造業(yè)用戶(hù)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省最近發(fā)布了一份題為“應(yīng)對(duì)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(bào)告，該報(bào)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(shí)，遺留系統(tǒng)的障礙并不限于 IT 系統(tǒng) ；遺留的自動(dòng)化控制和監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)造成障礙。

該數(shù)字化轉(zhuǎn)型報(bào)告指出了各種問(wèn)題，例如技術(shù)過(guò)時(shí)導(dǎo)致的黑箱、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的退休以及由于新技術(shù)的引入而造成的進(jìn)一步限制。使用帶有專(zhuān)有硬件和軟件的“黑匣子” 可能會(huì)暫時(shí)性的解決一些問(wèn)題，但這有可能會(huì)產(chǎn)生一堆不兼容的技術(shù)。已經(jīng)實(shí)施的自動(dòng)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(jí)或更換更困難。

鑒于這些情況，可以認(rèn)為自動(dòng)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(yùn)營(yíng)的情況下提供最新技術(shù)，而這需要更開(kāi)放的系統(tǒng)。在技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)放意味著實(shí)現(xiàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，并通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)放接口消除定制集成帶來(lái)的不便。

標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性包括認(rèn)證過(guò)程

從封閉到部分開(kāi)放的自動(dòng)化

一般情況下，DCS 供應(yīng)商將專(zhuān)有產(chǎn)品集成到完整系統(tǒng)中，利用這種方式來(lái)滿足最終用戶(hù)的期望。供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品除了具有一致和穩(wěn)定的性能，還強(qiáng)調(diào)差異化特性。一直以來(lái)，他們使用現(xiàn)有的商業(yè)技術(shù)來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)以滿足市場(chǎng)需求，使這些系統(tǒng)逐漸符合事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，這種演變不僅通過(guò)專(zhuān)有開(kāi)發(fā)，而且通過(guò)整合市場(chǎng)上可用的通用產(chǎn)品而取得進(jìn)展。

為了獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，供應(yīng)商參與標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)并收購(gòu)其它公司。以強(qiáng)調(diào)最終用戶(hù)利益的名義，出現(xiàn)了加強(qiáng)市場(chǎng)地位和產(chǎn)品組合的競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，一些功能變得標(biāo)準(zhǔn)化，使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與各種系統(tǒng)的連接成為可能，減少對(duì)同 一個(gè)供應(yīng)商的依賴(lài)，為最終用戶(hù)帶來(lái)更多選擇。OPC Classic（DA、A&E、HDA）、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、ISA100 Wireless 和其它國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，成為了增加系統(tǒng)價(jià)值的驅(qū)動(dòng)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(hù)提供服務(wù)的系統(tǒng)集成商，而不是專(zhuān)有產(chǎn)品的制造商。

標(biāo)準(zhǔn)賦能開(kāi)放式自動(dòng)化系統(tǒng)

在滿足最終用戶(hù)需求方面，部分開(kāi)放的系統(tǒng)發(fā)揮了作用，但隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)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?tīng)顟B(tài)。這種演變對(duì)于支持最終用戶(hù)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(jìn)展是必要的（圖 1）。

圖1 ：現(xiàn)在的DCS 系統(tǒng)更加開(kāi)放，可以滿足最終用戶(hù)的需求。圖片來(lái)源：橫河電機(jī)

然而，市場(chǎng)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_(kāi)發(fā)最終用戶(hù)的業(yè)務(wù)，同時(shí)與其他供應(yīng)商公司合作，而這其中一些可能是直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

為了應(yīng)對(duì)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(tái)，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(guó)的一個(gè)國(guó)際性過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化用戶(hù)協(xié)會(huì)，以及開(kāi)放過(guò)程自動(dòng)化論壇（OPAF），該組織負(fù)責(zé)制定和開(kāi)發(fā) O-PAS（開(kāi)放過(guò)程自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)） 系統(tǒng)。

NAMUR 開(kāi)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(shí)使用最新技術(shù)以接納設(shè)備和功能，而未來(lái)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(gè)被稱(chēng)為監(jiān)控和優(yōu)化的獨(dú)立域，以直接從新傳感器（如振動(dòng)、音頻、腐蝕、氣味）、 機(jī)器人、無(wú)人機(jī)和其它設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。此外， OPC 基金會(huì)的通信標(biāo)準(zhǔn) OPC UA 被用來(lái)從現(xiàn)有系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，以進(jìn)行高級(jí)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(jì)很相似，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)。OPAF 通過(guò)倡導(dǎo)獨(dú)立于現(xiàn)有系統(tǒng)來(lái)推廣更多相同的想法。

供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的核心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈兘裉毂挥糜谠S多制造現(xiàn)場(chǎng)，在安全性和穩(wěn)定性方面受到信任。然而，當(dāng)涉及到引進(jìn)對(duì)系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要的新技術(shù)時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)成為障礙，并且在未來(lái)可能會(huì)阻礙最終用戶(hù)實(shí)施對(duì)其有益的解決方案。 此外，必須采取持續(xù)措施以解決未來(lái)潛在的安全問(wèn)題，而這些網(wǎng)絡(luò)的原始規(guī)范可能會(huì)帶來(lái)某種程度的限制。

OPC UA 和 Profinet 正在強(qiáng)化其作為核心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的影響力，并作為符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)而受到關(guān)注。拋開(kāi)傳統(tǒng)思維， DCS 供應(yīng)商可以從專(zhuān)有系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)渡到使用商用軟件和硬件。因此，企業(yè)可以通過(guò)合作來(lái)解決最終用戶(hù)的問(wèn)題，同時(shí)充分利用其內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)。

正在進(jìn)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(kuò)展性。所有這些屬性對(duì)于開(kāi)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(duì)于建立關(guān)系至關(guān)重要。這些屬性強(qiáng)調(diào)了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的需求，這些系統(tǒng)促進(jìn)最終用戶(hù)、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(kāi)放的世界需要整合，不管是哪個(gè)制造商。

開(kāi)放性面臨的挑戰(zhàn)

開(kāi)放性對(duì)最終用戶(hù)很有吸引力，并很自然地認(rèn)為可以構(gòu)建靈活的系統(tǒng)，以允許市場(chǎng)和用戶(hù)決定隨著時(shí)間的推移他們將如何發(fā)展。 對(duì)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(chǎng)，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(yùn)行的應(yīng)用軟件也很重要，供應(yīng)商在推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)該考慮這些問(wèn)題。此外，還需要對(duì)國(guó)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(lái)看，必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并需要通過(guò)第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)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(dòng)在未來(lái)將會(huì)持續(xù)進(jìn)行。

對(duì)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(jī)密性和可用性的身份驗(yàn)證和加密問(wèn)題，以防止信息泄漏，即使在檢測(cè)到欺騙、 偽造或竊聽(tīng)時(shí)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，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(xiàng)目，來(lái)推進(jìn) NAMUR 開(kāi)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(dá)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(jìn)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(jī)會(huì)的模型和擴(kuò)展

對(duì)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的支持

NOA 和 OPAF 倡導(dǎo)的開(kāi)放性，旨在在不干擾現(xiàn)有系統(tǒng)的情況下融入先進(jìn)技術(shù)。例如，橫河電機(jī)開(kāi)發(fā)的協(xié)同信息服務(wù)器（CI 服務(wù)器），就可以為用戶(hù)提供開(kāi)放系統(tǒng)選項(xiàng)（圖 4）。CI 服務(wù)器可以集成處理來(lái)自工廠設(shè)施和 系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)活 動(dòng)的優(yōu)化管理，并提供從任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 和控制操作所需的環(huán)境。

橫河電機(jī)的協(xié)同信息服務(wù)器提供符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)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(dòng)力和創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)。它們代表了一種集成運(yùn)營(yíng)功能，整合了現(xiàn)場(chǎng)和工廠的所有自動(dòng)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(hù)端 / 服務(wù)器和發(fā)布者 / 訂閱者功能）、消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 和開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接。 MQTT 是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 實(shí)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(dòng)化系統(tǒng)主要針對(duì)過(guò)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(lài)于特定的系統(tǒng)，可以利用 OPC  UA 的配套規(guī)范信息模式來(lái)創(chuàng)建增值信息。

開(kāi)放自動(dòng)化未來(lái)的發(fā)展

采用 IT 最新技術(shù)，可以加速開(kāi)放性的進(jìn)展，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的期望正從安全性和穩(wěn)定性，擴(kuò)大到通過(guò)有效運(yùn)營(yíng)提高盈利能力。 這意味著應(yīng)對(duì)快速的市場(chǎng)變化、優(yōu)化成本、提高質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)效率以及進(jìn)行其它改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，重要的是將分布在整個(gè)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(dòng)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(dòng)化，節(jié)省了時(shí)間，并確保將正確的信息實(shí)時(shí)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(chǎng)變化，幫助優(yōu)化成本和提高運(yùn)營(yíng)效率，不僅適用于單個(gè)工廠， 而且適用于整個(gè)企業(yè)的制造運(yùn)營(yíng)。 通過(guò)為工廠運(yùn)營(yíng)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(lèi)型的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)實(shí)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(lái)

在數(shù)字化工廠中，自動(dòng)化的數(shù)據(jù)循環(huán)支持著運(yùn)營(yíng)，通過(guò)自動(dòng)化的收集和存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析、 建模并使用生成的大數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)運(yùn)營(yíng)和業(yè)務(wù)決策。部署開(kāi)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?dòng)操作。

關(guān)鍵概念：

• 隨著標(biāo)準(zhǔn)的不斷變化，控制系統(tǒng)越來(lái)越依賴(lài)于開(kāi)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(hù)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(hù)提供了一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)選擇，減輕了工廠人員的負(fù)擔(dān)。