開放流程自動化技術前瞻展望

2021/11/21 16:30:37 人評論 次瀏覽 分類:熱點聚焦  文章地址:http://www.wfcycy.cn/news/4047.html

工業自動化正在經歷快速的技術變革,對于可擴展性、互操作性架構的更多關注,傳統流程行業的企業開始嘗試開放自動化技術。在云技術、工業物聯網和人工智能(AI)等先進技術的加持下,基于標準的、開放的數字架構為傳統的流程自動化技術帶來創新活力。開放自動化技術領域的專家探討開放自動化技術進展及其如何推動行業進步,本文來自The Open Group開放流程自動化論壇的兩位專家Mohan Kalyanaraman和張金福的訪談記錄。

記者:什么是“開放流程自動化”?目前這一概念如何被自動化行業市場參與者所看待?

張金福:隨著智能工廠數字化、網絡化和智能化發展,傳統工業控制系統的封閉性和專用性成為技術發展的最大瓶頸,在IT技術飛躍發展的年代,這種封閉性和專用性,極大地阻礙了 DCS/PLC的升級遷移,以及OT與IT深入高效的融合。在這種發展背景之下建設開放的、可互操作的、設計安全的流程自動化系統體系結構就顯的尤為重要。The Open Group旗下開放流程自動化TM論壇(The Open Process Automation? Forum,簡稱OPAF)正是基于建設一個可以確保未來的自動化系統滿足真正異構的標準,并提供內在的安全性、多供應商的互操作性以及系統遷移的簡單途徑,同時滿足終端用戶將從他們所控制的運營中獲得新的價值和利潤。

The Open Group是引領開發廠商中立的開放技術標準和認證的全球性聯合機構。旗下開放流程自動化論壇旨在打造一個基于標準、安全并可互操作的流程控制架構。論壇會員單位超過120家,遍及石油與天然氣、石油化工、專用化學品、制藥業、造紙業、采礦業和金屬冶煉等行業。論壇致力于設計并制定一套流程控制層組成的軟硬件組件實現互操作性、模塊化和可移植性所需的標準和業務實踐;聚焦如何運用最新的分布式云計算技術和虛擬化技術,重新定義已經日趨陳舊、20多年沒有變動的架構,重新定義DCS和PLC,以及與優化運營密切相關的先進控制和MES。它打破了現有工業控制系統架構,形成扁平化的網絡和交互模式,推行組件化和標準化。論壇確定了開放體系結構系統中最需要的重要質量屬性(QA)。關鍵質量屬性包括:互操作性、可移植性、模塊性、互換性、安全性、標準一致性、可負擔性、可用性和可發現性等。


OPA的目標是對ISA95的L1和L2的功能標準化,包括現場設備和儀表的基本輸入和輸出,以及執行調節控制的功能塊。目前這些功能都是由專用的DCS和PLC來完成的,規模約為100至1000個PID回路的功能塊。而OPAF則認為,可以用更多、但更小的邊緣設備作為流程控制器,這些小的硬件設備每臺可以控制少到一兩個回路,實際上執行的是流程自動化的微服務。當今工廠中所用的任意DCS和PLC系統的HMI功能、先進控制算法的運算功能以及MES的功能,都可以運用由服務器構成的虛擬系統,在一種開放型的軟件環境下實現。也就是說,下一代控制系統將被這些由虛擬服務器和許許多多計算資源和存貯資源要求足夠小的自動化邊緣設備組成的新系統所替代。


OPA概念已經在行業內廣為流傳、影響深遠,引起了工業控制領域各科研機構、供應商和最 終用戶的廣泛關注和重視。OPA概念適應技術的發展趨勢,解決OT/IT融合的難題,并且為最終用戶創造價值,確保流程控制自動化生態系統中所有利益攸關者的可持續商業模式,實現所有人的“共贏”。大型自動化控制系統供應商、研發機構紛紛加入聯盟,參與OPA架構的研究和推廣。

O-PAS?標準參考架構
O-PAS?標準參考架構


記者:當前環境下,OPA標準在全球范圍有哪些應用突破和前沿發展?

Mohan Kalyanaraman:目前,論壇已經發布O-PASTM標準1.0版、2.0版、2.1版以及一系列配套應用指南和白皮書。O-PAS標準1.0版描述了互操作性;2.0版描述了配置可移植性和控制功能;3.0版本將解決物理平臺、編排和應用程序可移植性問題。論壇業務工作組和企業架構工作組正在討論如何促進行業采用、創造市場條件以及最終用戶部署產品。同時,論壇持續征集最終用戶在生產過程中的痛點,以及對應用程序可移植性、物理標準和編排元素的需求。

記者:目前OPA標準應用處于哪個階段?

張金福:目前OPA標準應用處于迭代完善和試點應用階段。
一、標準迭代升級
選擇現有的、卓有成效的適用工業標準的基礎上,綜合開發新的系列標準O-PAS,整體規劃為8個部分。OPAF論壇希望通過每年發布一個新版本的方式,促使開放流程自動化能在工業界到得認可和推進,促使自動化供應商啟動開發新產品,并反饋技術意見,同時也反映最終用戶的意見。

二、原型系統及測試床建設

埃克森美孚為OPAF提供了最初的動力,并繼續投資于該技術。并在自己的實驗室和測試床對開放自動化進行實驗。OPAF概念驗證系統由埃克森美孚和系統集成商洛克希德馬丁 (Lockheed Martin)和Wood合作實施,包括一個實時先進計算平臺(Dell EMC)支持IEC61499運行時控制器、HMI、歷史數據存儲、和許多其它服務,用OPC UA實時以太網(由加拿大Matrikon公司提供),連接分布控制節點(DCN)、智能I/O、操作控制臺、安全保護系統和企業信息系統等。該系統基本實現了可互操作性、可交換或可替代性、組態和應用的可移植性,以及應用開發的靈活性。由十幾家供應商提供的硬件、軟件產品構成的系統,產品之間的互操作性都按照標準實現,無需通過網關或通過軟件轉換;參與構成系統的同類型部件都可以個別地和自由地在供應商間替代,而無需修改底層的邏輯程序。

2019年橫河電機公司宣布被埃克森美孚公司選定為開放式流程自動化(OPA)系統集成商,負責建立開放流程自動化(OPA)測試平臺協作中心。該中心位于埃克森美孚位于德克薩斯州伍德蘭市,將容納用于評估候選組件和標準的測試臺。在測試平臺上進行的開發和實驗將支持埃克森美孚公司向建立基于標準、開放、安全、交互操作性強的流程控制體系結構邁進。埃克森美孚將使用試驗平臺評估候選部件和標準,為OPA技術初步進入工業現場測試提供依據。


此外,在美國還啟動了一個定義下一代自動化系統的項目,其名稱是《開放網絡系統上的聯 合自動化邏輯控制》(FALCONS)。這一系統將實現從任意資源、任意設備和任意地點獲得任意信息(包括歷史信息),以優化情景感知和環境感知。系統的結構建立在分布式控制節點(DCN)和單通道I/O模塊的基礎上,支持實時的應用處理和與其它網絡協議的實時接口;系統由許多個有I/O的DCN和無I/O的DCN,以及一個與云端連接、執行集中應用的DCN構成,DCN的數量可達數千個。

O-PAS?標準整體規劃分為8個部分
O-PAS?標準整體規劃分為8個部分


記者:在業務層面,企業實踐開放自動化技術標準可以獲得哪些價值?推進的流程中可能會遇到哪些問題和挑戰?

張金福:當前許多在役的控制系統其構成的硬件和軟件由于專用、封閉,維護和升級的成本昂貴,一旦需要部分升級,或者與第三方部件集成,存在很大技術風險和較高的費用。尤其在目前IT技術快速深入地滲透和融合到企業運營管理方方面面的形勢下,這些控制系統通常不具備本征的信息安全特質,造成了巨大的風險和隱患。在業務層面,企業實踐開放自動化技術標準可以獲得如下價值:
1)構建一套完全開放的、可互相操作、可移植的架構體系,新架構使各供應商的控制系統及數據無縫銜接,互聯互通;
2)統一最終用戶、供應商和集成人員的需求,共同開發和鞏固實現此遠景所需的開放標準、最佳實踐和模型;
3)通過完善的一致性認證程序支持和維護開放體系結構和規范;
4)輕松集成一流的組件,提供對領先性能的及時訪問;
5)使用自適應的、內在的安全模型,保證內建安全的開放互聯;
6)使采購和模塊化集成認證的一致性組件到系統,以滿足最終用戶的需求;
7)使用開放配置和信息模型加速應用程序的開發;
8)顯著降低了未來替換的難度和系統的生命周期成本。

與此同時,在OT/IT融合推進的過程中,可能會遇到如下問題和挑戰。

1)傳統自動化系統設計與運維習慣的挑戰
OPA架構將顛覆現有工業控制系統的架構和從業人員的傳統思路,造成工業控制系統設計、 運維服務以及最終用戶的困惑和不理解,特別是OT和IT技術的融合,打破傳統工廠內部的組織架構設計,信息中心和儀控部門將協同工作,甚至合二為一,這些因素都將導致OPA推廣的困難和阻力。
2)實時性和確定性的問題
OPA開放架構的推進,將導致多網絡和多業務融合,控制網絡上運行實時、非實時各種業務 流,導致通信實時性和確定性的問題。因此基于TSN的有線/無線一體化的控制網絡技術將勢在必行。
3)系統安全的風險
近幾年,網絡安全事件層出不窮,震網病毒、勒索病毒、挖礦病毒等等,針對工業設施的網 絡攻擊越來越多,網絡安全問題不容忽視。而OPA的推進,將加速IT技術和OT技術的融合,工控系統開放互聯,將加劇網絡安全的威脅。

記者:在流程行業有哪些比較成功的應用案例?

Mohan Kalyanaraman:最終用戶帶頭推動O-PAS標準的制定。在標準被制定的同時,成員公司也在不斷根據標準做測試、完善其原型。最終用戶公司還宣布了基于O-PAS標準和可用組件的現場試驗計劃。以下羅列了部分OPA的概念驗證。

2018年初,埃克森美孚利用洛克希德·馬丁公司作為系統集成商,成功展示了概念驗證(PoC)。PoC由10個不同供應商的組件組成,集成為一個操作系統。最終用戶的關鍵質量屬性值,如互操作性、互換性、配置可移植性和應用程序可移植性已得到證明。利用異構組件系統對燃燒爐進行了高保真動態模擬。使用了37個4-20mA傳感器和最終元件的模擬器,并將其連接到IO設備。


2018~2019年,埃克森美孚建造了一個原型系統,用于控制其研究設施中的催化劑測試裝置。中試裝置用于在8.2MPa和316℃的溫度下測試、運行和控制餾出物脫硫裝置。系統集成商是洛克希德·馬丁公司和伍德公司。該裝置由泵、反應器、加熱器、流量控制和分析儀組成。該系統于2020年1月成功上線,并一直運行到3月底,對泵和其他故障造成的干擾具有魯棒性。目前,埃克森美孚公司已經與橫河公司合作建立了一個測試平臺,作為系統集成商。該系統用于根據O-PAS標準對組件進行測試,并準備在其制造工廠進行現場試驗。


巴斯夫構建了一個便攜式O-PAS系統,該系統于2019年在NAMUR大會上首次演示。它包括一個水箱、兩個加熱器、四個冷卻器和12個閥門。巴斯夫報告說,該系統符合O-PAS標準和NAMUR開放式體系結構和模塊式封裝概念。


沙特阿美已宣布與系統集成商施耐德電氣合作建立試驗臺,宣布將使用該試驗臺進行學習、 測試,并正在制定實地試驗計劃。喬治亞太平洋公司也宣布建立演示裝置和試驗臺。陶氏曾與合作伙伴公司和密歇根大學合作,創建先進的制造能力的示范,利用開放式體系結構的O-PAS部署節約成本的自動化和數字孿生能力。


記者:在供應鏈升級、系統安全和工業互聯網領域,OPA標準可以解決哪些實際問題?

Mohan Kalyanaraman:制造業務是工業流程的核心。在當前的制造體系結構中,現場儀表、傳感器、基本控制和監督控制在可訪問性方面位于層次結構的底部(稱為1級和2級)。雖然3級的制造執行系統(MES)和業務流程系統(4級)在商業IT硬件上運行,但L1和L2硬件和軟件系統是封閉和專有的。由于控制系統的封閉性,很難將新技術插入該控制系統層或升級到最新的可用硬件和軟件。OPA標準旨在通過接口標準化來解決這一問題,以便以輕松的方式插入新的硬件或軟件。這還允許數據的輕松移動,并允許控制制造操作與MES和業務系統同步運行的能力。由于OPA提供的靈活性,系統(業務、MES和控制系統)可以以更協調的方式運行,從而直接根據業務需求調整運營,因此有可能計劃提高生產率、優化供應鏈并應對異常外部事件(如自然災害)。

人們非常重視工業物聯網(IIoT),并對廣泛部署直接連接到云的有線和無線傳感器感興趣。各公司正在試驗IIoT設備,以檢測流程變量、監控旋轉設備,并將它們結合起來,使用AI/ML的復雜算法開發預測模型。OPA參考體系結構支持與各種現場設備(有線和無線)的通信。它還為公司內部、更高級別的計算能力或公共或私有云平臺提供數據通道。


安全對于現代工業系統至關重要。使用O-PAS組件構建的控制系統使用行業標準協議是安全的。O-PAS需要校準(如適用),以滿足62443-4-2 SL2要求。當調試新系統時,業主-運營商有責任指定生產設施所需的安全等級。最終用戶和SI應根據用戶規范和要求咨詢安全專家和62443標準中適用于系統(特別是62443-3-3)、配置和控制系統生命周期的其他章節。然后,系統集成商從可用的O-PAS一致性組件中進行選擇以構建系統。


為清楚起見,O-PAS并未試圖指定系統級安全性。系統由多個組件組成,包括非OPAS組件以及到業務流程和其他系統的連接和網關。我們認為,有一個基于標準的安全性對于確定和設定市場的明確預期非常重要,這樣供應商和買家就可以有一個共同的理解,從而創造一個繁榮的市場。


記者:開放流程自動化標準對企業數字化轉型和可持續發展有何意義?

Mohan Kalyanaraman:世界各地的公司都在努力通過數字化轉型來降低成本,提高生產率。在收集、處理和分析跨越整個操作范圍的數據方面,我們付出了巨大的努力。此外,他們正在尋找改善其業務可持續性的方法。為了實現這些目標,公司正試圖找到提高制造效率、減少停機時間、部署自主操作以及創建靈活的操作以應對不斷變化的市場條件的方法。人工智能和深度學習等復雜工具正被用于識別趨勢、使用數字孿生技術評估場景、尋找方法和預測失敗。然而,所有這些計劃都依賴于對數據和可互操作組件的無縫訪問,以及在生產車間實施糾正措施。封閉的專有系統不提供對數據的即時訪問,也不提供部署高級控制應用程序的簡單方法。開放式流程自動化(O-PAS)標準化了接口和數據模型,使需要的應用程序能夠輕松訪問數據,O-PAS中的高級計算平臺將允許直接部署低延遲和高可用性的高級應用程序。它擁抱了開放和互操作網絡的方向,越來越多的OT系統必須朝著這個方向前進,以真正實現全數字化轉型,提高制造效率,從而提高可持續性。

記者:OPA技術標準對中國發展智能制造會產生哪些影響?

張金福:OPA技術標準的推廣有助于智能制造的真正落地,加速智能制造的推進進程,實現 高質量發展。

首先,OPA的推進將迫使工業控制系統告別封閉和專用,走向徹底開放,加快智能制造的發展步伐。OPA技術標準將推動工業控制系統開放互聯,實現更好的擴展性、開放性,具備與信息系統數據交換的開放接口,充分滿足企業信息系統的各種信息需求,解決目前智能制造互聯互通的瓶頸,有助于智能工廠實現工業數據的全面感知、數據分析和預測預警,形成科學決策與智能化生產。


其次,OPA的推廣有助于結束智能工廠互聯和控制系統各自為政的混亂局面,統一智能制造 底層標準,加快實現智能制造。


目前,智能工廠工業協議種類繁多,各類工業系統各自獨立,很難形成網絡協同和實時數據交互,OPA的推廣可以統一底層標準,實現通用的互聯協議和標準規范,加速智能制造的落地。


再者,OPA技術標準引入容器化等新技術,推進工業控制系統和工業軟件的技術發展。OPAC技術標準綜合了容器化、云計算、OPC UA等各種新技術,以及新的開放開發模式和流程,為工業軟件和工業控制系統的技術提升提供有利幫助,從而加速智能工廠整體技術的提升。


在過去幾十年,如同全球成熟市場,中國在內的新興地區基本都沿襲傳統的制造模型(例如 Purdue模型或ISA 95)既體現在物理上,也體現在邏輯方面。多層模型(物理層和邏輯層)使得這些層級難以發生交叉。中國智能制造標準及戰略中的一個重要舉措是倡導建立一個更開放的,更容易搭建的、互操作性能達到高水平的自動化系統平臺。


開放流程自動化OPA技術標準在中國的本地化落地,使得中國IT和OT領域的人員多了一個可靠的參考標準。基于OPA的參考架構,OT領域的專家可以觀察到和IT專家相同的信息物理系統,雖然他們的視角可能截然不同。通常IT專家認為制造系統是由服務器、網絡、存儲資源、虛擬機、軟件容器、協調器、負載平衡器和服務組成。一旦實現生產系統(在OT視圖中)映射到一組標準化IT資源上,IT和OT專業將能夠在更高水平上進行智能制造協作,IT軟件工具和技術能夠在制造過程的所有環節有效發揮作用。從而真正實現IT/OT原生融合,加速中國智能制造新范式的進程。
張金福
張金福
浙江中控技術股份有限公司,SUPCON International Business Vice President,The Open Group開放流程自動化本地化工作組聯席主席
Mohan Kalyanaraman
Mohan Kalyanaraman
埃克森美孚研究與工程公司,ExxonMobil Research&Engineering技術收購顧問,The Open Group開放流程自動化論壇營銷和外聯聯席主席

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