工业自动化正在经历快速的技术变革，传统工艺行业的企业开始尝试开放自动化技术，更加关注可扩展性和可操作性结构。云技术、工业物联网和人工智能(AI)在先进技术的支持下，基于标准和开放的数字架构为传统的工艺自动化技术带来了创新活力。流程工业专门策划了开放自动化技术论坛专栏The Open Group开放过程自动化论坛的两位专家Mohan Kalyanaraman与张金福讨论开放自动化技术的进步及其如何促进行业的进步。
为了更好地服务于终端用户和供应商的市场需求，开放流程自动化论坛启动了在线研究。欢迎参文章末尾的研究！
埃克森美孚研究与工程公司
（ExxonMobil Research & Engineering）
技术收购顾问
The Open Group论坛开放过程自动化
营销和外联Co-Chair
浙江中控技术有限公司
International Business Vice President
The Open Group开放过程自动化本地化工作组Co-Chair
随着智能工厂数字化、网络化、智能化的发展，传统工业控制系统的封闭性和专用性成为技术发展的最大瓶颈IT在技术飞跃发展的时代，这种封闭性和专用性极大地阻碍了DCS/PLC升级迁移，以及OT与IT深度高效融合。在这种发展背景下，自动化系统系统结构的开放、互操作、安全设计尤为重要。同时，终端用户将从他们控制的操作中获得新的价值和利润。
The Open Group是引领开发商中立的开放技术标准和认证的全球联合机构。其开放过程自动化论坛旨在建立一个基于标准、安全和相互操作的过程控制结构。论坛有120多个会员单位，包括石油和天然气、石化、特种化学品、制药、造纸、采矿和金属冶炼。；关注如何使用最新的分布式云计算技术和虚拟化技术，重新定义20多年来日益陈旧和不变的架构DCS和PLC，先进控制与优化操作密切相关MES。它打破了现有的工业控制系统架构，形成了平面的网络和交互模式，实施了组件化和标准化。论坛确定了开放系统结构系统中最重要的质量属性（QA）。关键质量属性包括:互操作性、可移植性、模块性、互换性、安全性、标准一致性、负担性、可用性、可发现性等。
OPA的目标是对ISA95的L1和L2的功能标准化，包括现场设备和仪器的基本输入和输出，以及实施调节控制的功能块。目前这些功能都是专用的DCS和PLC规模约为100-1000PID回路功能块。而OPAF它认为，可以使用更多但更小的边缘设备作为过程控制器，每个小的硬件设备可以控制少于一两个电路，实际上实现了流程自动化的微服务。今天工厂使用的任何东西DCS和PLC系统的HMI先进控制算法的操作功能和功能MES在开放式软件环境下，可以利用服务器组成的虚拟系统实现所有功能。也就是说，下一代控制系统将被虚拟服务器和许多需要足够小计算资源和存储资源的自动化边缘设备所取代。
OPA概念已经在行业内广为流传、影响深远，引起了工业控制领域各科研机构、供应商和最终用户的广泛关注和重视。大型自动化控制系统供应商和研发机构纷纷加入联盟OPA结构的研究和推广。
论坛已经发布O-PAS?标准1.0 版、2.0版、2.以及一系列配套应用指南和白皮书。O-PAS标准1.0 版本描述了互操作性；2.0版本描述了可移植性和控制功能的配置；
图示：O-PAS?标准参考架构
目前OPA标准应用正处于迭代改进和试点应用阶段。
在选择现有有效的适用工业标准的基础上，综合开发新的系列标准O-PAS，总体规划为7个部分(见下图)。OPAF论坛希望通过每年发布新版本，促进开放过程自动化在行业中得到认可和推广，促进自动化供应商开始开发新产品，反馈技术意见，反映最终用户的意见。
图示：O-PAS?标准总体规划的7个部分
埃克森美孚OPAF它提供了最初的动力，并继续投资于该技术。并在自己的实验室和测试床上进行开放自动化实验。OPAF埃克森美孚和系统集成商的概念验证系统Lockheed Martin和Wood合作实施包括实时先进的计算平台(Dell EMC)支持IEC控制器在1499运行时，HMI、使用历史数据存储和许多其他服务OPCUA实时以太网(由加拿大(由加拿大)Matrikon公司提供)，连接分布控制节点(DCN)、智能I/O、操作控制台、安全保护系统、企业信息系统等。该系统基本实现了可互操作性、可交换或可替代性、组态和应用的可移植性，以及应用开发的灵活性。该系统基本实现了可互操作性、可交换性或可替代性、组态和应用程序的可移植性以及应用程序开发的灵活性。由十几家供应商提供的硬件和软件产品组成的系统按照标准实现产品之间的可操作性，无需通过网关或软件转换；参与系统的同类部件可以在供应商之间自由替换，而无需修改底层逻辑程序。
2019年，横河电机宣布被埃克森美孚选为开放流程自动化(OPA)系统集成商负责建立开放过程的自动化（OPA）测试平台合作中心。该中心位于德克萨斯州伍德兰休斯顿校园以北6英里处的埃克森美孚，将容纳用于评估候选人组件和标准的测试台。在测试平台上进行的开发和实验将支持埃克森美孚向建立基于标准、开放、安全和交互操作的过程控制系统结构迈进。埃克森美孚将使用测试平台来评估候选人和标准OPA技术初步进入工业现场测试提供依据。
此外，一个定义下一代自动化系统的项目也在美国启动，其名称是开放网络系统中的联合自动化逻辑控制(FALCONS)。该系统将从任何资源、设备和地点获取任何信息（包括历史信息），以优化场景感知和环境感知。基于分布式控制节点的系统结构(DCN)和单通道I/O在模块的基础上，支持与其他网络协议的实时应用处理和实时接口；系统由多个系统组成I/O的DCN和无I/O的DCN，与云连接，执行集中应用DCN构成，DCN数千个。
目前，由于专用、封闭、维护和升级的成本昂贵，许多在役控制系统组成的硬件和软件一旦需要部分升级或与第三方部件集成，技术风险大，成本高。特别是目前IT在技术快速、深入地渗透和整合到企业运营管理中的情况下，这些控制系统通常没有信息安全特征，造成了巨大的风险和隐患。
? 构建完全开放、可操作、可移植的架构体系，使各供应商的控制系统和数据无缝连接、互联；
? 为最终用户、供应商和集成人员提供论坛，共同开发和巩固这一愿景所需的开放标准、最佳实践和模型；
? 支持和维护开放体系结构和规范；
? 易于集成一流组件，及时访问领先性能；
? 使用自适应的内部安全模型，确保内部建筑安全的开放互联；
? 将采购和模块化集成认证的一致性组件带到系统，以满足最终用户的需求；
? 加快开发开放配置和信息模型应用程序；
? 系统的生命周期成本显著降低了未来替换的难度。
同时，由于技术的成熟度和OT/IT在推进过程中，可能会遇到以下问题和挑战。
(1)设置传统自动化系统与运维习惯的挑战
OPA架构将颠覆现有工业控制系统的架构和从业人员的传统思路，造成工业控制系统设计、运维服务以及最终用户的困惑和不理解，特别是OT和IT技术的融合，打破传统工厂内部的组织架构设计，信息中心和仪控部门将协同工作，甚至合二为一，这些因素都将导致OPA推广的困难和阻力。
（2）实时性和确定性的问题
OPA开放架构的推进，将导致多网络和多业务融合，控制网络上运行实时、非实时各种业务流，导致通信实时性和确定性的问题。因此基于TSN的有线/无线一体化的控制网络技术将势在必行。
（3）系统安全的风险
近几年，网络安全事件层出不穷，震网病毒、勒索病毒、挖矿病毒等等，针对工业设施的网络攻击越来越多，网络安全问题不容忽视。而OPA的推进，将加速IT技术和OT技术的融合，工控系统开放互联，将加剧网络安全的威胁。
最终用户带头推动O-PAS标准的制定。在标准被制定的同时，成员公司也在不断根据标准做测试、完善其原型。最终用户公司还宣布了基于O-PAS标准和可用组件的现场试验计划。这里罗列了部分OPA的概念验证。
2018年初，埃克森美孚利用洛克希德·马丁公司作为系统集成商，成功展示了概念验证（PoC）。PoC由10个不同供应商的组件组成，集成为一个操作系统。最终用户的关键质量属性值，如互操作性、互换性、配置可移植性和应用程序可移植性已得到证明。利用异构组件系统对燃烧炉进行了高保真动态模拟。使用了37个4-20 mA传感器和最终元件的模拟器，并将其连接到IO设备。
2018-2019年，埃克森美孚建造了一个原型系统，用于控制其研究设施中的催化剂测试装置。中试装置用于在8.2 MPa和316℃的温度下测试、运行和控制馏出物脱硫装置。系统集成商是洛克希德·马丁公司和伍德公司。该装置由泵、反应器、加热器、流量控制和分析仪组成。该系统于2020年1月成功上线，并一直运行到3月底，对泵和其他故障造成的干扰具有鲁棒性。目前，埃克森美孚公司已经与横河公司合作建立了一个测试平台，作为系统集成商。该系统用于根据O-PAS标准对组件进行测试，并准备在其制造工厂进行现场试验。
巴斯夫构建了一个便携式O-PAS系统，该系统于2019年在NAMUR大会上首次演示。它包括一个水箱、两个加热器、四个冷却器和12个阀门。巴斯夫报告说，该系统符合O-PAS标准和NAMUR开放式体系结构和模块式封装概念。
沙特阿美已宣布与系统集成商施耐德电气合作建立试验台，宣布将使用该试验台进行学习、测试，并正在制定实地试验计划。乔治亚太平洋公司和马石油公司也宣布建立演示装置和试验台。陶氏曾与合作伙伴公司和密歇根大学合作，创建先进的制造能力的示范，利用开放式体系结构的O-PAS部署节约成本的自动化和数字孪生能力。
制造业务是工业流程的核心。在当前的制造体系结构中，现场仪表、传感器、基本控制和监督控制在可访问性方面位于层次结构的底部（称为1级和2级）。虽然3级的制造执行系统（MES）和业务流程系统（4级）在商业IT硬件上运行，但L1和L2硬件和软件系统是封闭和专有的。由于控制系统的封闭性，很难将新技术插入该控制系统层或升级到最新的可用硬件和软件。O-PAS标准旨在通过接口标准化来解决这一问题，以便以轻松的方式插入新的硬件或软件。这还允许数据的轻松移动，并允许控制制造操作与MES和业务系统同步运行的能力。由于OPA提供的灵活性，系统（业务、MES和控制系统）可以以更协调的方式运行，从而直接根据业务需求调整运营，因此有可能计划提高生产率、优化供应链并应对异常外部事件（如自然灾害）。
人们非常重视工业物联网（IIoT），并对广泛部署直接连接到云的有线和无线传感器感兴趣。各公司正在试验IIoT设备，以检测流程变量、监控旋转设备，并将它们结合起来，使用AI/ML的复杂算法开发预测模型。OPATM参考体系结构支持与各种现场设备（有线和无线）的通信。它还为公司内部、更高级别的计算能力或公共或私有云平台提供数据通道。
安全对于现代工业系统至关重要。使用O-PAS组件构建的控制系统使用行业标准协议是安全的。O-PAS需要校准（如适用），以满足62443-4-2 SL2要求。当调试新系统时，业主-运营商有责任指定生产设施所需的安全等级。最终用户和SI应根据用户规范和要求咨询安全专家和62443标准中适用于系统（特别是62443-3-3）、配置和控制系统生命周期的其他章节。然后，系统集成商从可用的O-PAS一致性组件中进行选择以构建系统。
为清楚起见，O-PAS并未试图指定系统级安全性。系统由多个组件组成，包括非O-PAS组件以及到业务流程和其他系统的连接和网关。我们认为，有一个基于标准的安全性对于确定和设定市场的明确预期非常重要，这样供应商和买家就可以有一个共同的理解，从而创造一个繁荣的市场。
世界各地的公司都在努力通过数字化转型来降低成本，提高生产率。在收集、处理和分析跨越整个操作范围的数据方面，我们付出了巨大的努力。此外，他们正在寻找改善其业务可持续性的方法。为了实现这些目标，公司正试图找到提高制造效率、减少停机时间、部署自主操作以及创建灵活的操作以应对不断变化的市场条件的方法。人工智能和深度学习等复杂工具正被用于识别趋势、使用数字孪生兄弟评估场景、寻找方法和预测失败。然而，所有这些计划都依赖于对数据和可互操作组件的无缝访问，以及在生产车间实施纠正措施。封闭的专有系统不提供对数据的即时访问，也不提供部署高级控制应用程序的简单方法。
OPA技术标准的推广有助于智能制造的真正落地，加速智能制造的推进进程，实现高质量发展。
首先，OPA技术标准将推动工业控制系统开放互联，实现更好的扩展性、开放性，具备与信息系统数据交换的开放接口，能够充分满足企业信息系统的各种信息需求。解决目前智能制造互联互通的最大瓶颈，有助于智能工厂实现工业数据的全面感知、数据分析和预测预警，形成科学决策与智能化生产。
其次，目前，智能工厂工业协议种类繁多，各类工业系统各自独立，很难形成网络协同和实时数据交互，OPA的推广可以统一底层标准，实现通用的互联协议和标准规范，加速智能制造的落地。
再者，OPAC技术标准综合了容器化、云计算、OPC UA等各种新技术，以及新的开放开发模式和流程，为工业软件和工业控制系统的技术提升提供有利帮助，从而加速智能工厂整体技术的提升。
在过去几十年，如同全球成熟市场，中国在内的新兴地区基本都沿袭传统的制造模型（例如 Purdue 模型或 ISA 95）既体现在物理上，也体现在逻辑方面。多层模型 （物理层和逻辑层）使得这些层级难以发生交叉。中国制造2025、智能制造标准及战略其中一个重要举措旨在倡导一个更开放的，更容易搭建的、互操作性能达到高水平的一个自动化系统平台。
基于OPA的参考架构， OT 领域的专家可以观察到和IT专家完全相同的信息物理系统，虽然他们的视角可能截然不同。通常IT 专家认为制造系统是由服务器、网络、存储资源、虚拟机、软件容器、协调器、负载平衡器和服务组成。一旦实现生产系统（在 OT 视图中）映射到一组标准化IT资源上，IT 和 OT 专业将能够在全新的更高水平上进行智能制造协作，并且 IT 领域的高级软件工具和技术能够在制造过程的所有环节有效发挥作用。从而真正达到IT/OT原生融合，加速中国智能制造新范式的进程。
本文刊载于《流程工业》杂志2021年第11期。专家观点部分结合了上海工业自动化仪表研究院教授级高级工程师、PLCopen中国组织名誉主席彭瑜，ARC Advisory Group过程自动化市场研究全球数字化战略顾问分析师、The Open Group开放流程自动化本地化工作组Co-Chair孙必云的观点。
The Open Group开放流程自动化论坛对成员和公众发起了一项针对终端用户和供应商的调研。
调研的目标：
• 确定终端用户希望购买哪种类型的设备
• 确定这些设备何时进入市场的时间线
• 确定O-PAS认证计划的优先次序
供应商：请为您计划认证的每个潜在产品填写一份表格。
终端用户：请为您计划购买的每个潜在产品填写一份表格。
欢迎在您的社交媒体和其他途径上分享这项调查。输入的数据将仅对The Open Group的工作人员可见。期待您的参与！