开放系统如何支持终端用户

终端用户一直直言不讳地要求开放系统，而自动化供应商则通过交付符合国际标准的系统来回应。

通过山崎昌和中川渡 2021年4月7日

礼貌:横河

日本经济产业省最近发布了题为“克服IT系统‘2025悬崖’和DX的重大发展”的数字转型(DX)报告，将遗留的信息技术(IT)系统确定为阻碍DX的主要障碍。遗留系统障碍不仅限于IT系统;遗留的自动化控制和监控系统也会造成障碍。

该报告预测了各种问题，如由于技术过时而导致的黑盒，系统设计师的退休，以及随着新技术的引入而出现的进一步限制。[应用一个内部包含专有硬件和软件的“黑匣子”可能会暂时解决一些问题，但可能会造成不兼容技术的混乱。一旦引入自动化系统，预计它们将持续服役20或30年，这使得升级或更换变得困难。

鉴于这些情况，自动化系统或分布式控制系统(DCS)供应商的任务可以被认为是在不干扰操作的情况下提供最新技术，需要更多的开放系统。在科技世界里，开放通过使用标准化的开放接口，意味着规范和设计的标准化，从而消除自定义集成。

从封闭自动化到部分开放自动化

DCS供应商经常通过将专有产品集成到完整的系统中来满足最终用户的期望。厂商在开发产品以获得一致和稳定的性能时强调了差异化特性。一直以来，这些系统逐渐符合事实和国际标准，通常是通过使用现有的商业现成技术来改进系统以满足市场需求。到目前为止，这种演变不仅通过专有开发进行，而且还通过整合市场上可用的通用产品进行。

为了获得优势，供应商参与标准开发并收购其他公司。在强调最终用户利益的名义下，一场加强市场地位和产品组合的权力斗争出现了。同时，一些功能变得标准化，使现场设备与各种系统连接成为可能，通过减少对一个供应商的依赖，为最终用户提供了一些自由。OPC经典(DA、A&E、HDA)、基金会现场总线、ISA100无线和其他国际标准通信协议成为为系统增加价值的驱动力。

因此，许多DCS供应商现在将自己的角色视为向最终用户公司提供服务的系统集成商，而不是专有产品线的制造商。

标准使开放的自动化系统成为可能

部分开放的系统在满足最终用户需求方面发挥了作用，但随着时间的推移，它们被更新的系统所取代，这些系统经常更新以保持最新状态。为了支持最终用户，并采用诸如通用操作系统、以太网通信、虚拟化和其他进步等技术，这种演进是必要的(图1)。

图1:分布式控制系统(dcs)已经通过变得更加开放来满足最终用户的需求。礼貌:横河

然而，市场已经发生了变化，这种安排也有局限性。供应商可能需要从集成他们的系统转向开发终端用户的业务，同时与其他供应商公司合作，其中一些可能是直接竞争对手。

为了应对这种模式的转变，一个由公司组成的网络出现了，形成了一个商业生态系统。考虑技术标准和行业发展的代表性组织包括那慕尔(德国过程工业自动化系统用户组)和开放过程自动化论坛(OPAF)是开发开放过程自动化(O-PAS)系统的集团。

NAMUR开放架构(NOA)和OPAF致力于讨论与供应商无关的系统，这意味着它们可以在任何时候使用最新技术容纳设备和功能，兼容的系统在未来继续使用现有的软件应用程序作为资产。

在NOA的情况下，与现有系统分开准备一个称为监测和优化的独立领域，以直接从新的传感器(如振动、音频、腐蚀、气味)、机器人、无人机和其他设备获取数据。进一步，沟通标准来自OPC基金会的OPC UA用于从现有系统获取数据，用于高级控制、分析和诊断。在安全措施方面，该方法与IEC62443(控制系统安全)推荐的区域设计有很高的亲和力，便于系统设计和维护。OPAF通过倡导独立于现有系统来推广许多相同的思想。

由供应商开发的核心系统网络至关重要，因为它们在今天的许多制造现场使用，并且在安全性和稳定性方面受到信任。然而，当涉及到引入对系统增长至关重要的新技术时，这些网络可能会成为障碍，并且它们可能会阻碍对最终用户有益的解决方案的实现。此外，持续的措施是必要的，以解决潜在的未来安全问题，在这一领域，这些网络的原始规格可能存在限制。

OPC UA和Profinet正在提高其作为核心系统网络的地位，并作为符合国际标准的有能力的网络而受到关注。通过抛弃传统思想，DCS供应商可以从专有系统开发过渡到使用商用软件和硬件。因此，公司可以合作解决最终用户问题，同时利用他们的内部优势。

正在进行的关于架构需求的OPAF讨论涉及互操作性、模块化、标准一致性、安全标准遵从性和可伸缩性。所有这些属性都是开放所必需的，需要持续的努力。此外，他们认为，对于扮演不同角色的公司来说，建立关系将是至关重要的。这些属性强调了对促进最终用户、系统集成商、供应商和服务提供商之间合作的业务生态系统的需求。在封闭系统的世界里，照看自己的产品就足够了，但在开放的世界里，无论制造商是谁，都需要集成。

开放、挑战和解决方案

开放对终端用户很有吸引力，因此很自然地会认为，有可能构建具有灵活性的系统，让市场和用户决定它们将如何随着时间的推移而发展。对于DCS供应商来说，重要的是不仅要将符合标准的产品推向市场，而且还要决定如何构建和参与业务生态系统。使用在现有系统上运行的应用程序软件也很重要，供应商在进行系统开发时应该考虑这些问题。在未来，将需要对国际标准、安全措施和系统互操作性的支持。

从系统集成的角度来看，必须符合国际标准，并通过第三方认证机构的认证。公司应确保其系统产品符合IEC62443(控制系统安全)和IEC62541 (OPC UA)，这些活动将在未来继续进行。

图2:标准遵从包括一个认证过程。礼貌:横河

安全措施

对于安全措施，制造商必须遵守IEC62443中的规定，特别是获得ISASecure SDLA和CSA认证。IEC62541 (OPC UA)也提到了安全措施，主要集中在通信方面。它针对数据完整性、机密性和可用性进行身份验证和加密，以防止信息泄露——即使在检测到欺骗、伪造或窃听时也是如此。

系统互操作性，自动化信息模型

关于系统互操作性，NOA和OPA提倡信息模型的标准化，并通过利用OPC UA元模型和内置信息模型，IEC 62814(自动化ML)，以及IEC62541中规定的其他项目，推进NAMUR开放体系结构信息模型和O-PAS信息模型。

通过OPC UA和AutomationML标准，可以统一以不同格式表示相同信息的不同规则和数据结构。目前，AutomationML是作为OPC UA配套规范信息模型的一部分处理的，因此支持OPC UA信息模型是优先考虑的(图3)。

图3:OPC UA包括提供标准化和定制机会的模型和扩展。礼貌:横河

支持开放标准

NOA和OPAF所倡导的开放性旨在在不干扰现有系统的情况下整合尖端技术。协作信息服务器(CI服务器)可以为用户提供一个开放的系统选项(图4)。

CI Server背后的概念是水平和垂直集成、广域集成、节省劳动力的操作和创新的操作。它们代表了一个集成的操作功能，结合了现场和工厂的所有自动化组件、系统和设备，使其易于管理获取的数据和结果信息。

作为主要的通信协议，CI服务器支持工业通信标准OPC UA(客户机/服务器和发布者/订阅者功能)、消息队列遥测传输(MQTT)和开放数据库连接。MQTT是物联网(IoT)实现的最佳通信标准，在物联网中，各种各样的数据和信息在设备之间交换。

图4:横河的协同信息服务器提供了一个符合国际标准的自动化系统架构。礼貌:横河

传统自动化系统主要针对过程数据(温度、压力、流量、液位等)。然而，从控制各种设备和装置的设备和系统中获取数据已经成为可能，从而提供了集中管理所有工厂数据和信息的能力。

通过遵循OPC UA的信息模型标准规范，获取的数据不再依赖于特定的系统，可以使用OPC UA配套规范信息模式创建增值信息。

开放自动化的未来发展

随着通过采用IT技术的进步而加速开放，对自动化系统的期望正在从安全性和稳定性扩展到包括通过高效运营提高盈利能力。这意味着应对快速的市场变化，优化成本，提高质量和运营效率，并进行其他改进。为了实现这些目标，重要的是将分布在整个工厂的数据作为相关信息提供给适当的人员。

CI服务器将所有类型的数据之间的关联数字化。通过为工厂操作及其相关数据创建一个全球信息模型，它可以提供数字化和数字孪生环境(图5)。

图5:横河的CI服务器统一了整个工厂或企业的数据收集、存储和传播。礼貌:横河

在数字化工厂中，通过自动化数据周期来支持运营，通过收集和存储现场数据，对产生的大数据进行分析、建模，并用于改善运营和业务决策。CI服务器部署减轻了工厂人员的负担，否则他们将不得不部署定制的解决方案或求助于手动措施。

这些类型的产品与开放系统携手合作，提供终端用户日益需要的解决方案。

学者山崎，系统业务及产品规划经理，横河电力公司.；Wataru中川，横河电力公司系统产品内容营销经理，克里斯·瓦夫拉，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．