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日本经济产业省最近发布了一份题为“应对信息技术(IT)系统‘2025悬崖’和数字化转型重大发展”的报告，该报告将遗留的IT系统确定为影响数字化转型发展的主要障碍。其实，遗留系统的障碍并不限于IT系统；遗留的自动化控制和监控系统也会造成障碍。
该数字化转型报告指出了各种问题，例如技术过时导致的黑箱、系统设计人员的退休以及由于新技术的引入而造成的进一步限制。使用带有专有硬件和软件的“黑匣子”可能会暂时性的解决一些问题，但这有可能会产生一堆不兼容的技术。已经实施的自动化系统，它们预期的服务年限为20年或30年，这使升级或更换更困难。
鉴于这些情况，可以认为自动化系统或分布式控制系统(DCS)供应商的任务，就是在不干扰运营的情况下提供最新技术，而这需要更开放的系统。在技术领域，开放意味着实现规范和标准化的设计，并通过使用标准化的开放接口消除定制集成带来的不便。
从封闭到部分开放的自动化
一般情况下，DCS供应商将专有产品集成到完整系统中，利用这种方式来满足最终用户的期望。供应商开发的产品除了具有一致和稳定的性能，还强调差异化特性。一直以来，他们使用现有的商业技术来改进系统以满足市场需求，使这些系统逐渐符合事实标准和国际标准。到目前为止，这种演变不仅通过专有开发，而且通过整合市场上可用的通用产品而取得进展。
为了获得竞争优势，供应商参与标准开发并收购其它公司。以强调最终用户利益的名义，出现了加强市场地位和产品组合的竞争。同时，一些功能变得标准化，使得现场设备与各种系统的连接成为可能，减少对同一个供应商的依赖，为最终用户带来更多选择。OPC Classic（DA、A&E、HDA）、基金会现场总线、ISA100 Wireless和其它国际标准通信协议，成为了增加系统价值的驱动力。
因此，现在很多DCS供应商将其角色定位为：向最终用户提供服务的系统集成商，而不是专有产品的制造商。
标准赋能开放式自动化系统
在满足最终用户需求方面，部分开放的系统发挥了作用，但随着时间的推移，它们会逐步被更新的系统所取代，这些系统需要经常更新以保持最新状态。这种演变对于支持最终用户和采用通用操作系统、以太网通信、虚拟化等技术以及其它技术进展是必要的（图1）。
图1：现在的DCS系统更加开放www.cechina.cn，可以满足最终用户的需求。图片来源：横河电机
然而，市场已经发生了变化，这种安排也有其局限性。供应商可能需要从整合他们的系统转变为开发最终用户的业务，同时与其他供应商公司合作，而这其中一些可能是直接竞争对手。
为了应对这种范式转变CONTROL ENGINEERING China版权所有，出现了由一些企业组建的网络平台，并形成了商业生态系统。例如，考虑技术标准和行业发展的代表性组织包括NAMUR，它是总部设在德国的一个国际性过程工业自动化用户协会），以及开放过程自动化论坛（OPAF），该组织负责制定和开发O-PAS（开放过程自动化标准）系统。
NAMUR开放式架构(NOA)和OPAF致力于讨论供应商中立的系统，这意味着它们可以随时使用最新技术以接纳设备和功能，而未来兼容系统将继续使用现有的软件应用。
以NOA为例，在现有系统之外，配置了一个被称为监控和优化的独立域www.cechina.cn，以直接从新传感器（如振动、音频、腐蚀、气味）、机器人、无人机和其它设备获取数据。此外，OPC基金会的通信标准OPC UA被用来从现有系统中获取数据，以进行高级控制、分析和诊断。在安全措施方面，这种方式与IEC 62443（控制系统安全）推荐的区域设计很相似，便于系统设计和维护。OPAF通过倡导独立于现有系统来推广更多相同的想法。
供应商开发的核心系统网络是至关重要的，因为它们今天被用于许多制造现场，在安全性和稳定性方面受到信任。然而，当涉及到引进对系统发展至关重要的新技术时，这些网络可能会成为障碍www.cechina.cn，并且在未来可能会阻碍最终用户实施对其有益的解决方案。此外，必须采取持续措施以解决未来潜在的安全问题，而这些网络的原始规范可能会带来某种程度的限制。
OPC UA和Profinet正在强化其作为核心系统网络的影响力，并作为符合国际标准的强大网络而受到关注。抛开传统思维，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，企业可以通过合作来解决最终用户的问题，同时充分利用其内部优势。
正在进行的关于架构要求的OPAF讨论，涉及互操作性、模块化、标准一致性、安全标准合规性和可扩展性。所有这些属性对于开放都是必不可少的，需要不断努力。此外，他们表示公司各司其职对于建立关系至关重要。这些属性强调了对生态系统的需求，这些系统促进最终用户、系统集成商、供应商和服务提供商之间的合作。在封闭系统领域，管好自己的产品就足够了，但开放的世界需要整合，不管是哪个制造商。
开放性面临的挑战
开放性对最终用户很有吸引力，并很自然地认为可以构建灵活的系统www.cechina.cn，以允许市场和用户决定随着时间的推移他们将如何发展。对于DCS供应商而言，重要的是不仅要将符合标准的产品推向市场，还要决定如何构建和参与商业生态系统。使用在现有系统上运行的应用软件也很重要，供应商在推进系统开发时应该考虑这些问题。此外，还需要对国际标准、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，并需要通过第三方认证机构进行认证。企业应确保其系统产品符合IEC 62443（控制系统安全）和IEC 62541（OPC UA）的要求，这些活动在未来将会持续进行。
对于安全措施，制造商需要遵循IEC 62443中的规定，特别是要获得ISA Secure SDLA和CSA认证。IEC 62541（OPC UA）也提到了安全措施，主要集中在通信方面。它解决了数据完整性、机密性和可用性的身份验证和加密问题，以防止信息泄漏，即使在检测到欺骗、伪造或窃听时也是如此。
图2：标准合规性包括认证过程。
系统互操作性
在系统互操作性方面，NOA和OPA提倡信息模型的标准化，并利用OPC UA元模型、内置信息模型以及IEC 62814（AutomationML）以及IEC 62541中规定的其它项目，来推进NAMUR开放架构信息模型和O-PAS信息模型。
借助OPC UA和Automation ML标准，可以统一用不同格式表达相同信息的不同规则和数据结构。目前，将AutomationML作为OPC UA配套规范信息模型的一部分进行处理，因此优先支持OPC UA信息模型（图3）。
图3：OPC UA包括提供标准化和定制机会的模型和扩展。
对开放标准的支持
NOA和OPAF倡导的开放性，旨在在不干扰现有系统的情况下融入先进技术。例如，横河电机开发的协同信息服务器（CI服务器），就可以为用户提供开放系统选项（图4）。CI服务器可以集成处理来自工厂设施和系统的各种数据，以实现对整个企业生产活动的优化管理，并提供从任何地点远程监控和控制操作所需的环境。
图4：横河电机的协同信息服务器提供符合国际标准的自动化系统架构。
CI服务器背后的理念，是横向和纵向集成、广域集成、节省劳动力和创新运营。它们代表了一种集成运营功能，整合了现场和工厂的所有自动化组件、系统和设备，从而可以轻松管理获取的数据和结果信息。
作为其主要通信协议，CI服务器支持工业通信标准OPC UA（客户端/服务器和发布者/订阅者功能）、消息队列遥测传输(MQTT)和开放式数据库连接。MQTT是物联网(IoT)实施的最佳通信标准，可以在设备之间交换各种数据和信息。
传统的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、系统中获取数据已经成为可能，从而可以提供集中管理所有工厂数据和信息的能力。
遵循OPC UA的信息模型标准规范，所获取的数据不再依赖于特定的系统，可以利用OPC UA的配套规范信息模式来创建增值信息。
开放自动化未来的发展
采用IT最新技术，可以加速开放性的进展，对自动化系统的期望正从安全性和稳定性，扩大到通过有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以及进行其它改进。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人员。
以前必须手动使用统一格式收集和组织所需数据。CI服务器将这些任务自动化，节省了时间，并确保将正确的信息实时传递给正确的人，以便快速有效地做出决策。CI服务器能够快速响应市场变化，帮助优化成本和提高运营效率，不仅适用于单个工厂，而且适用于整个企业的制造运营。通过为工厂运营及其相关数据创建全局信息模型，CI 服务器将所有类型的数据之间的关联实现数字化（图5）。
图5： CI服务器能够以统一的格式将数据链接起来。
在数字化工厂中，自动化的数据循环支持着运营，通过自动化的收集和存储现场数据，分析、建模并使用生成的大数据来改进运营和业务决策。部署开放系统有助于减轻工厂人员的负担，否则他们将不得不部署定制的解决方案或实施手动操作。（作者：Masaru Yamazaki）
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