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                    應對“2025 懸崖”——開放式自動化系統

                    發表時間::2022-09-02

                    兩大開放自動化組織:NAMUR和OPAF

                      

                    最終用戶一直在呼吁系統開放,以更好的收集和集成來自不同供應商的各種系統和設備的數據。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來幫助制造業用戶應對挑戰。

                      

                    日本經濟產業省最近發布了一份題為“應對信息技術 (IT) 系統‘2025 懸崖’和數字化轉型重大發展”的報告,該報告將遺留的 IT 系統確定為影響數字化轉型發展的主要障礙。其實,遺留系統的障礙并不限于 IT 系統 ;遺留的自動化控制和監控系統也會造成障礙。

                      

                    該數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。已經實施的自動化系統,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或分布式控制系統 (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。在技術領域,開放意味著實現規范和標準化的設計,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中,利用這種方式來滿足最終用戶的期望。供應商開發的產品除了具有一致和穩定的性能,還強調差異化特性。一直以來,他們使用現有的商業技術來改進系統以滿足市場需求,使這些系統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,而且通過整合市場上可用的通用產品而取得進展。

                      

                    為了獲得競爭優勢,供應商參與標準開發并收購其它公司。以強調最終用戶利益的名義,出現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,使得現場設備與各種系統的連接成為可能,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)、基金會現場總線、ISA100 Wireless 和其它國際標準通信協議,成為了增加系統價值的驅動力。 

                      

                    因此,現在很多 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

                      

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


                    圖1 :現在的DCS 系統更加開放,可以滿足最終用戶的需求。

                    圖片來源:橫河電機

                      

                    然而,市場已經發生了變化,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轉變為開發最終用戶的業務,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,出現了由一些企業組建的網絡平臺,并形成了商業生態系統。例如,考慮技術標準和行業發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自動化用戶協會,以及開放過程自動化論壇(OPAF),該組織負責制定和開發 O-PAS(開放過程自動化標準) 系統。

                      

                    NAMUR 開放式架構 (NOA) 和 OPAF 致力于討論供應商中立的系統,這意味著它們可以隨時使用最新技術以接納設備和功能,而未來兼容系統將繼續使用現有的軟件應用。

                      

                    以 NOA 為例,在現有系統之外,配置了一個被稱為監控和優化的獨立域,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據。此外, OPC 基金會的通信標準 OPC UA 被用來從現有系統中獲取數據,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(控制系統安全)推薦的區域設計很相似,便于系統設計和維護。OPAF 通過倡導獨立于現有系統來推廣更多相同的想法。

                      

                    供應商開發的核心系統網絡是至關重要的,因為它們今天被用于許多制造現場,在安全性和穩定性方面受到信任。然而,當涉及到引進對系統發展至關重要的新技術時,這些網絡可能會成為障礙,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,必須采取持續措施以解決未來潛在的安全問題,而這些網絡的原始規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網絡的影響力,并作為符合國際標準的強大網絡而受到關注。拋開傳統思維, DCS 供應商可以從專有系統開發過渡到使用商用軟件和硬件。因此,企業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系統的需求,這些系統促進最終用戶、系統集成商、供應商和服務提供商之間的合作。在封閉系統領域,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

                      

                    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,以允許市場和用戶決定隨著時間的推移他們將如何發展。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生態系統。使用在現有系統上運行的應用軟件也很重要,供應商在推進系統開發時應該考慮這些問題。此外,還需要對國際標準、安全措施和系統互操作性的支持。

                      

                    從系統集成的角度來看,必須符合國際標準,并需要通過第三方認證機構進行認證。企業應確保其系統產品符合 IEC 62443(控 制系統安全)和 IEC 62541(OPC UA)的要求,這些活動在未來將會持續進行。

                      

                    對于安全措施, 制造商需要遵循 IEC 62443 中的規定,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。它解決了數據完整性、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。

                      

                    系統互操作性 

                      

                    在系統互操作性方面, 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,可以統一用不同格式表達相同信息的不同規則和數據結構。目前,將 AutomationML 作為 OPC UA 配套規范信息模型的一部分進行處理,因此優先支持 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,旨在在不干擾現有系統的情況下融入先進技術。例如,橫河電機開發的協同信息服務器(CI 服務器),就可以為用戶提供開放系統選項(圖 4)。CI 服務器可以集成處理來自工廠設施和 系統的各種數據,以實現對整個企業生產活 動的優化管理,并提供從任何地點遠程監控 和控制操作所需的環境。



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

                      

                    CI 服務器背后的理念,是橫向和縱向集成、廣域集成、節省勞動力和創新運營。它們代表了一種集成運營功能,整合了現場和工廠的所有自動化組件、系統和設備,從而可以輕松管理獲取的數據和結果信息。

                      

                    作為其主要通信協議,CI 服務器支持工業通信標準 OPC  UA(客戶端 / 服務器和發布者 / 訂閱者功能)、消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 和開放式數據庫連接。MQTT 是物聯網 (IoT) 實施的最佳 通信標準,可以在設備之間交換各種數據和信息。

                      

                    傳統的自動化系統主要針對過程數據(溫度、壓力、流量、 液位等)。然而,從控制各種設備和裝置的設備、系統中獲取數據已經成為可能,從而可以提供集中管理所有工廠數據和信息的 能力。

                      

                    遵循 OPC UA 的信息模型標準規范,所獲取的數據不再依賴于特定的系統,可以利用 OPC  UA 的配套規范信息模式來創建增值信息。

                      

                    開放自動化未來的發展 

                      

                    采用 IT 最新技術,可以加速開放性的進展,對自動化系統的期望正從安全性和穩定性,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、優化成本、提高質量和運營效率以及進行其它改進。為了實現這些目標,重要的是將分布在整個工廠的數據作為相關信息提供給適當人員。

                      

                    以前必須手動使用統一格式收集和組織所需數據。CI 服務器將這些任務自動化,節省了時間,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的制造運營。通過為工廠運營及其相關數據創建全局信息模型,CI 服務器將所有類型的數據之間的關聯實現數 字化。



                    CI 服務器能夠以統一的格式將數據鏈接起來。

                      

                    在數字化工廠中,自動化的數據循環支持著運營,通過自動化的收集和存儲現場數據,分析、 建模并使用生成的大數據來改進運營和業務決策。部署開放系統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。


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