開放的過程控制系統的應用展望

陳偉良

(科思創有限公司，上海 200003)

歷史悠久的美國石油化工公司ExxonMobil擁有各個時期、多個廠家的專有控制系統，包括控制器，IO卡件等。盡管它花費了很多的時間和資金用于設備的維保來延長設備的使用壽命，但是由于產品技術老舊、備件缺失，急需在近期內升級或更新現有系統。石油化工工藝要求過程控制系統具有非常高的可靠性和實時控制功能，目前使用的分散控制系統(DCS)和可編程序控制器(PLC)都是各個廠家專有的技術和產品，這導致升級和更新的成本很高且非常困難。ExxonMobil于是開始尋求現有過程控制系統之外的產品，它應該易于維護，易于升級替換，使得ExxonMobil能專注于生產。

始于歐洲的工業4.0產業升級計劃，通過使用一些世界級的標準包括ISA95，OPC UA，PLC Open來達到不同廠家產品的開放和交互操作的目的，同時Lockheed Martin公司在其他工業領域有非常多的類似經驗。ExxonMobil在2016年2月的ARC奧蘭多年會上宣布，ExxonMobil將聯合Lockheed Martin公司創建新一代多個供應商產品可交互操作的過程控制系統模型，它是一個基于標準的、開放的、安全的并且可交互操作的結構，包括商業化的軟件和硬件。

1 開放過程控制系統組成愿景

1.1 目 標

目前，NAMUR和Open Group(O-PAS)在領導如何定義開放過程控制系統，它的目標是建立一個基于標準的、開放的、安全的、可交互操作的系統架構，該系統是包容前沿技術、保留用戶的應用軟件，大幅降低未來替換的成本，允許整合目前的硬件，采用自適應本質安全模型，提倡革新和創造價值，同時適用于現有和新建工廠的商業化應用產品。

1.2 硬件結構

自1970年，PLC和DCS進入過程控制工業以后，過程控制系統都運行在其特定的層，根據ISA95，過程控制工業一般劃分成以下5個層，結構如圖1所示。

圖1 過程控制功能劃分范圍示意

以ExxonMobil為例，它的投資策略是集中于高層(即第2層和第3層)的應用軟件的更新以獲得較高的投資回報。而第1層的設備包括DCS的IO卡件和控制器，只是進行常規維護。然而已運行20～30 a的第1層設備壽命目前陸續終結，其備品備件、軟件也將得不到供應商的支持，需要系統性的更換。由于現有的過程控制系統的硬件和軟件是專有和封閉的，每個系統供應商都開發自己專有的軟件環境，并交付給最終用戶，最終在其軟件環境上開發適用于生產的應用軟件來實現控制目標，所以現有系統的升級和應用軟件的遷移影響了生產的可靠運行。盡管ExxonMobil目前的控制系統的改造升級項目實施效果良好，但是升級原有控制系統內的專有技術非常困難，ExxonMobil致力于打破現有的控制系統框架，將當今操作技術(OT)和計算機技術(IT)結合，建立一套開放的、安全的控制系統，包括DCS和PLC，安全儀表系統(SIS)除外。

圖2是開放過程控制系統的結構，符合O-PAS的過程控制系統組件，通過連接框架(OCF)將執行IEC 6224.1，2，3層功能的各分散控制節點(DCN)連接起來。

圖2 開放過程控制系統結構示意

開放控制系統主要由以下幾個部分組成：

1)連接框架。連接框架是常規的、安全并可交互操作硬件和軟件通信框架規格要求。圖2顯示的1個單個網絡結構，在實際應用中，通常使用分段的網絡結構來保證其安全性和性能。

2)DCN。DCN是單回路控制器，是高度分散的控制模塊，1個系統中可能需要非常多的DCN，每個DCN都有自己的微處理器和存儲器。優點是可以減少由于DCN故障對生產的影響并易于擴展。

a)可能的DCN類型包括： 帶有輸入輸出卡的DCN、沒有輸入輸出卡的DCN、先進控制平臺(ACP)、網關、設備，諸如DCS，PLC，分析儀等，可能含有1個或多個集散控制框架(DCF)。

b)每個DCN或嵌入式DCF能基于其在整個自動化或操作策略所執行的角色進行組態，這使得替換DCN時，維護的工作僅限于該DCN的角色而不用進行繁瑣的組態。

試驗在湖南省畜牧獸醫研究所試驗鴨場進行，試鴨采用網上平養，自由飲水和采食，并按常規免疫，24 h光照；舍內自然通風，定期打掃衛生和消毒，保持正常溫度，相對濕度為（60±5）%。

1.3 分散控制平臺

分散控制平臺(DCP)是DCN的軟硬件平臺，它提供DCF的環境和應用，包括物理基礎設施和相互替換的能力。

1)DCF。DCF是通過1套接口來執行各種應用程序的環境，DCF提供了應用程序可以從1個DCN移到另1個DCN的環境，同時它也包括了對功能塊類型和功能塊實例知識產權保護的方法，這對O-PAS應用市場非常重要。基于云平臺的外部辦公數據中心也可獨立運行DCF，然后通過防火墻連到OCF上，這樣它可以運行離線仿真程序。

2)應用。應用是由程序和相關配置組成的單個的不可拆分的元件和數據，用來執行1套相關功能。其他業務平臺，如計算機交易平臺，可以通過DCF上的應用程序和OCF進行通信而非直接連到OCF上。O-PAS標準定義了如下不同類型的應用：

a)協同配置格式應用。這是一種特定的獨立平臺型的應用，它由一種或多種工業標準獨立平臺的控制語言編寫，通過協同配置格式來定義，例如： IEC 61131-3或IEC 61499-1語言。由于該應用是基于獨立平臺語言，本質上更便于移植到不同的平臺。

b)獨立平臺應用。該類應用是通過使用DCF服務運行在DCF環境下，例如IEC 61131-3應用程序、人機接口應用或數據歷史等。

c)特定平臺應用。該類應用使用固有的DCP O/S和服務，例如使用專有操作系統應用或使用固有硬件特性的人機接口。

1.4 軟件結構

軟件是項目成功的關鍵因素，因此嚴格的軟件設計框架將保證平臺的獨立性并要求軟件僅用于交互操作指定的接口。

服務于美國國防部的公司幾年前開發了名叫未來機載能力環境(FACE)的軟件框架，該框架目前用于開發美國軍用飛機包括無人機，其主要目的是通過重新使用已驗證過的應用軟件來加速新系統的交付并能快速和簡化安裝在現有軍用飛機上的軟件性能。該目標與工程控制系統的升級是一致的，所以構想的控制系統軟件架構將基于FACE。FACE架構如圖3所示。

圖3 FACE軟件架構段和接口示意

2 最新進展

開放集團(Open Group)下的開放過程控制論壇(Open Process Automation)成立于2016年，致力于新一代開放控制系統標準的制訂。目前共有來自22國家的132個成員單位，包括最終用戶(ExxonMobil，BASF等)，系統集成商，供應商，如HIMA，Rockwell，施耐德電氣等和支持機構，其中包括來自中國的8家單位。

2018年1月，開放過程控制論壇發布了業務導則，2019年1月，第一個開放過程控制標準(O-PASTM1.0)發布。它集成現有的由其他機構開發的標準，如ANSI/ISA62443(IEC62443)網絡安全標準，OPC UA連接標準等，包括如下5部分：

1)第一部分。技術架構綜述。

2)第二部分。基于IEC 62443的開放過程控制系統網絡安全要求。

3)第三部分。符合O-PAS設備功能要求以及如何使得元件連接和系統管理滿足交互操作性的要求。

4)第四部分。開放OCF。

5)第五部分。過程控制系統的管理，包括硬件、操作系統、軟件平臺、應用和網絡。

同時，ExxonMobil和系統集成Lockheed Matin正在進行設計和建造基于OPA的模型機用于實驗工廠的控制，獨立于供應商的系統集成商Wood幫助實施該項目，樣機將用來控制位于新澤西州的化工工藝試驗裝置的溫度、壓力和其他工藝參數，包括130個輸入輸出點和30個回路。樣機計劃于2019年中期試車。樣機系統結構如圖4所示。

圖4 樣機系統結構示意

3 結束語

可以設想，在不久的將來，過程控制系統的升級更新能像現在的手機一樣，控制系統應用軟件APP可以適用于任何DCN，更換DCN后，只要將原來的控制應用APP下載到新的DCN即可應用，而不局限于DCN供應商。標準的、開放的、安全和可交互操作的過程控制系統將是過程控制系統的未來，技術上是大勢所趨。

由于涉及現有利益的再分配，業務模式上還有兩種對立的觀點。OPAF認為利益攸關者包括最終用戶、系統集成商、硬件供應商、軟件供應商和服務提供商，從現在單一的DCS供應商轉化為系統集成商將是過程控制系統的重塑。而DCS供應商，如EMRESON，認為該系統太復雜，用戶應依賴戰略供應商提供系統集成的能力并于2018年推出了OPAF。