陳偉良

(科思創(chuàng)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(tǒng)，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(shè)備的維保來延長設(shè)備的使用壽命，但是由于產(chǎn)品技術(shù)老舊、備件缺失，急需在近期內(nèi)升級或更新現(xiàn)有系統(tǒng)。石油化工工藝要求過程控制系統(tǒng)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(tǒng)(DCS)和可編程序控制器(PLC)都是各個廠家專有的技術(shù)和產(chǎn)品，這導(dǎo)致升級和更新的成本很高且非常困難。ExxonMobil于是開始尋求現(xiàn)有過程控制系統(tǒng)之外的產(chǎn)品，它應(yīng)該易于維護，易于升級替換，使得ExxonMobil能專注于生產(chǎn)。

始于歐洲的工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)升級計劃，通過使用一些世界級的標(biāo)準(zhǔn)包括ISA95，OPC UA，PLC Open來達(dá)到不同廠家產(chǎn)品的開放和交互操作的目的，同時Lockheed Martin公司在其他工業(yè)領(lǐng)域有非常多的類似經(jīng)驗。ExxonMobil在2016年2月的ARC奧蘭多年會上宣布，ExxonMobil將聯(lián)合Lockheed Martin公司創(chuàng)建新一代多個供應(yīng)商產(chǎn)品可交互操作的過程控制系統(tǒng)模型，它是一個基于標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、安全的并且可交互操作的結(jié)構(gòu)，包括商業(yè)化的軟件和硬件。

1 開放過程控制系統(tǒng)組成愿景

1.1 目 標(biāo)

目前，NAMUR和Open Group(O-PAS)在領(lǐng)導(dǎo)如何定義開放過程控制系統(tǒng)，它的目標(biāo)是建立一個基于標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、安全的、可交互操作的系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)是包容前沿技術(shù)、保留用戶的應(yīng)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(yīng)本質(zhì)安全模型，提倡革新和創(chuàng)造價值，同時適用于現(xiàn)有和新建工廠的商業(yè)化應(yīng)用產(chǎn)品。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

自1970年，PLC和DCS進入過程控制工業(yè)以后，過程控制系統(tǒng)都運行在其特定的層，根據(jù)ISA95，過程控制工業(yè)一般劃分成以下5個層，結(jié)構(gòu)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(yīng)用軟件的更新以獲得較高的投資回報。而第1層的設(shè)備包括DCS的IO卡件和控制器，只是進行常規(guī)維護。然而已運行20～30 a的第1層設(shè)備壽命目前陸續(xù)終結(jié)，其備品備件、軟件也將得不到供應(yīng)商的支持，需要系統(tǒng)性的更換。由于現(xiàn)有的過程控制系統(tǒng)的硬件和軟件是專有和封閉的，每個系統(tǒng)供應(yīng)商都開發(fā)自己專有的軟件環(huán)境，并交付給最終用戶，最終在其軟件環(huán)境上開發(fā)適用于生產(chǎn)的應(yīng)用軟件來實現(xiàn)控制目標(biāo)，所以現(xiàn)有系統(tǒng)的升級和應(yīng)用軟件的遷移影響了生產(chǎn)的可靠運行。盡管ExxonMobil目前的控制系統(tǒng)的改造升級項目實施效果良好，但是升級原有控制系統(tǒng)內(nèi)的專有技術(shù)非常困難，ExxonMobil致力于打破現(xiàn)有的控制系統(tǒng)框架，將當(dāng)今操作技術(shù)(OT)和計算機技術(shù)(IT)結(jié)合，建立一套開放的、安全的控制系統(tǒng)，包括DCS和PLC，安全儀表系統(tǒng)(SIS)除外。

圖2是開放過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，符合O-PAS的過程控制系統(tǒng)組件，通過連接框架(OCF)將執(zhí)行IEC 6224.1，2，3層功能的各分散控制節(jié)點(DCN)連接起來。

圖2 開放過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

開放控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

1)連接框架。連接框架是常規(guī)的、安全并可交互操作硬件和軟件通信框架規(guī)格要求。圖2顯示的1個單個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中，通常使用分段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yōu)點是可以減少由于DCN故障對生產(chǎn)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(wǎng)關(guān)、設(shè)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(zhí)行的角色進行組態(tài)，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(tài)。

試驗在湖南省畜牧獸醫(yī)研究所試驗鴨場進行，試鴨采用網(wǎng)上平養(yǎng)，自由飲水和采食，并按常規(guī)免疫，24 h光照；舍內(nèi)自然通風(fēng)，定期打掃衛(wèi)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(huán)境和應(yīng)用，包括物理基礎(chǔ)設(shè)施和相互替換的能力。

1)DCF。DCF是通過1套接口來執(zhí)行各種應(yīng)用程序的環(huán)境，DCF提供了應(yīng)用程序可以從1個DCN移到另1個DCN的環(huán)境，同時它也包括了對功能塊類型和功能塊實例知識產(chǎn)權(quán)保護的方法，這對O-PAS應(yīng)用市場非常重要。基于云平臺的外部辦公數(shù)據(jù)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(yīng)用。應(yīng)用是由程序和相關(guān)配置組成的單個的不可拆分的元件和數(shù)據(jù)，用來執(zhí)行1套相關(guān)功能。其他業(yè)務(wù)平臺，如計算機交易平臺，可以通過DCF上的應(yīng)用程序和OCF進行通信而非直接連到OCF上。O-PAS標(biāo)準(zhǔn)定義了如下不同類型的應(yīng)用：

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

b)獨立平臺應(yīng)用。該類應(yīng)用是通過使用DCF服務(wù)運行在DCF環(huán)境下，例如IEC 61131-3應(yīng)用程序、人機接口應(yīng)用或數(shù)據(jù)歷史等。

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

1.4 軟件結(jié)構(gòu)

軟件是項目成功的關(guān)鍵因素，因此嚴(yán)格的軟件設(shè)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(wù)于美國國防部的公司幾年前開發(fā)了名叫未來機載能力環(huán)境(FACE)的軟件框架，該框架目前用于開發(fā)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(yīng)用軟件來加速新系統(tǒng)的交付并能快速和簡化安裝在現(xiàn)有軍用飛機上的軟件性能。該目標(biāo)與工程控制系統(tǒng)的升級是一致的，所以構(gòu)想的控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)將基于FACE。FACE架構(gòu)如圖3所示。

圖3 FACE軟件架構(gòu)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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)集成商，供應(yīng)商，如HIMA，Rockwell，施耐德電氣等和支持機構(gòu)，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(fā)布了業(yè)務(wù)導(dǎo)則，2019年1月，第一個開放過程控制標(biāo)準(zhǔn)(O-PASTM1.0)發(fā)布。它集成現(xiàn)有的由其他機構(gòu)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，如ANSI/ISA62443(IEC62443)網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA連接標(biāo)準(zhǔn)等，包括如下5部分：

1)第一部分。技術(shù)架構(gòu)綜述。

2)第二部分?；贗EC 62443的開放過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全要求。

3)第三部分。符合O-PAS設(shè)備功能要求以及如何使得元件連接和系統(tǒng)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(tǒng)的管理，包括硬件、操作系統(tǒng)、軟件平臺、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)。

同時，ExxonMobil和系統(tǒng)集成Lockheed Matin正在進行設(shè)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(yīng)商的系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 樣機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)束語

可以設(shè)想，在不久的將來，過程控制系統(tǒng)的升級更新能像現(xiàn)在的手機一樣，控制系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用APP下載到新的DCN即可應(yīng)用，而不局限于DCN供應(yīng)商。標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、安全和可交互操作的過程控制系統(tǒng)將是過程控制系統(tǒng)的未來，技術(shù)上是大勢所趨。

由于涉及現(xiàn)有利益的再分配，業(yè)務(wù)模式上還有兩種對立的觀點。OPAF認(rèn)為利益攸關(guān)者包括最終用戶、系統(tǒng)集成商、硬件供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商和服務(wù)提供商，從現(xiàn)在單一的DCS供應(yīng)商轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)集成商將是過程控制系統(tǒng)的重塑。而DCS供應(yīng)商，如EMRESON，認(rèn)為該系統(tǒng)太復(fù)雜，用戶應(yīng)依賴戰(zhàn)略供應(yīng)商提供系統(tǒng)集成的能力并于2018年推出了OPAF。