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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商的各種系統(tǒng)和設備的數(shù)據(jù)。自動化供應商正在致力于通過提供符合國際標準的開放系統(tǒng)來幫助制造業(yè)用戶應對挑戰(zhàn)。

日本經(jīng)濟產業(yè)省最近發(fā)布了一份題為“應對信息技術 (IT) 系統(tǒng)‘2025 懸崖’和數(shù)字化轉型重大發(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)字化轉型報告指出了各種問題，例如技術過時導致的黑箱、系統(tǒng)設計人員的退休以及由于新技術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，但這有可能會產生一堆不兼容的技術。已經(jīng)實施的自動化系統(tǒng)，它們預期的服務年限為 20 年或 30 年，這使升級或更換更困難。

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

標準合規(guī)性包括認證過程

從封閉到部分開放的自動化

一般情況下，DCS 供應商將專有產品集成到完整系統(tǒng)中，利用這種方式來滿足最終用戶的期望。供應商開發(fā)的產品除了具有一致和穩(wěn)定的性能，還強調差異化特性。一直以來，他們使用現(xiàn)有的商業(yè)技術來改進系統(tǒng)以滿足市場需求，使這些系統(tǒng)逐漸符合事實標準和國際標準。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品而取得進展。

為了獲得競爭優(yōu)勢，供應商參與標準開發(fā)并收購其它公司。以強調最終用戶利益的名義，出現(xiàn)了加強市場地位和產品組合的競爭。同時，一些功能變得標準化，使得現(xiàn)場設備與各種系統(tǒng)的連接成為可能，減少對同 一個供應商的依賴，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 和其它國際標準通信協(xié)議，成為了增加系統(tǒng)價值的驅動力。

因此，現(xiàn)在很多 DCS 供應商將其角色定位為：向最終用戶提供服務的系統(tǒng)集成商，而不是專有產品的制造商。

標準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、虛擬化等技術以及其它技術進展是必要的（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。供應商可能需要從整合他們的系統(tǒng)轉變?yōu)殚_發(fā)最終用戶的業(yè)務，同時與其他供應商公司合作，而這其中一些可能是直接競爭對手。

為了應對這種范式轉變，出現(xiàn)了由一些企業(yè)組建的網(wǎng)絡平臺，并形成了商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。例如，考慮技術標準和行業(yè)發(fā)展的代表性組織包括 NAMUR，它是總部設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），該組織負責制定和開發(fā) O-PAS（開放過程自動化標準） 系統(tǒng)。

NAMUR 開放式架構 (NOA) 和 OPAF 致力于討論供應商中立的系統(tǒng)，這意味著它們可以隨時使用最新技術以接納設備和功能，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、無人機和其它設備獲取數(shù)據(jù)。此外， OPC 基金會的通信標準 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)域設計很相似，便于系統(tǒng)設計和維護。OPAF 通過倡導獨立于現(xiàn)有系統(tǒng)來推廣更多相同的想法。

供應商開發(fā)的核心系統(tǒng)網(wǎng)絡是至關重要的，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，當涉及到引進對系統(tǒng)發(fā)展至關重要的新技術時，這些網(wǎng)絡可能會成為障礙，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)絡的影響力，并作為符合國際標準的強大網(wǎng)絡而受到關注。拋開傳統(tǒng)思維， DCS 供應商可以從專有系統(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，同時充分利用其內部優(yōu)勢。

正在進行的關于架構要求的 OPAF 討論， 涉及互操作性、模塊化、標準一致性、安全標準合規(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系至關重要。這些屬性強調了對生態(tài)系統(tǒng)的需求，這些系統(tǒng)促進最終用戶、系統(tǒng)集成商、供應商和服務提供商之間的合作。在封閉系統(tǒng)領域，管好自己的產品就足夠了，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，并很自然地認為可以構建靈活的系統(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 供應商而言，重要的是不僅要將符合標準的產品推向市場，還要決定如何構建和參與商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。使用在現(xiàn)有系統(tǒng)上運行的應用軟件也很重要，供應商在推進系統(tǒng)開發(fā)時應該考慮這些問題。此外，還需要對國際標準、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，必須符合國際標準，并需要通過第三方認證機構進行認證。 企業(yè)應確保其系統(tǒng)產品符合 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 提倡信息模型的標準化，并利用 OPC  UA 元模型、內置信息模型以及 IEC 62814（AutomationML）以及 IEC  62541 中規(guī)定的其它項目，來推進 NAMUR 開放架構信息模型和 O-PAS 信息模型。

借助 OPC UA 和 Automation ML 標準，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)結構。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 包括提供標準化和定制機會的模型和擴展

對開放標準的支持

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

橫河電機的協(xié)同信息服務器提供符合國際標準的自動化系統(tǒng)架構。

CI 服務器背后的理念，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)和設備，從而可以輕松管理獲取的數(shù)據(jù)和結果信息。

作為其主要通信協(xié)議，CI 服務器支持工業(yè)通信標準 OPC  UA（客戶端 / 服務器和發(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 通信標準，可以在設備之間交換各種數(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，從控制各種設備和裝置的設備、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 的信息模型標準規(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，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，擴大到通過有效運營提高盈利能力。 這意味著應對快速的市場變化、優(yōu)化成本、提高質量和運營效率以及進行其它改進。為了實現(xiàn)這些目標，重要的是將分布在整個工廠的數(shù)據(jù)作為相關信息提供給適當人員。

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 服務器將這些任務自動化，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 服務器能夠快速響應市場變化，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數(shù)據(jù)創(chuàng)建全局信息模型，CI 服務器將所有類型的數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)實現(xiàn)數(shù) 字化。

CI 服務器能夠以統(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)務決策。部署開放系統(tǒng)有助于減輕工廠人員的負擔，否則他們將不得不部署定制的解決方案或實施手動操作。

關鍵概念：

• 隨著標準的不斷變化，控制系統(tǒng)越來越依賴于開放技術。
• 當前很多標準都是供應商中立的，這讓用戶可以更自由地使用他們的工業(yè)網(wǎng)絡。
• 協(xié)作信息服務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擔。