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【全球趋势展望】变革中的工业自动化标准

来源:控制工程网2020.10.14阅读 5615

  尽管已经可以通过计算机和智能手机访问大多数家用设备,汽车技术也已经实现自动泊车和无人驾驶,但传统制造行业的发展步伐似乎更为谨慎。打破现有良好的流程和复杂的系统,存在着固有风险。但是,我们正处于真正变革的时代,随着新一代工人正逐步走入企业的领导层,将推动这种革命性的转型。
  曾经抵制信息技术(IT)和运营技术(OT)团队融合的制造业,现在意识到协作是企业成功的关键因素。对现有IT员工进行培训,同时确保新一代员工能够理解运营一个复杂的、有时甚至是危险的过程自动化工厂所面临的挑战,需要多个职能部门进行协作。

图1:技术进步将使未来更多的员工能够更有效地利用高级工具所带来优势。本文图片来源:FieldComm

  开发新标准的愿景
  国际现场通信技术基金会(FieldComm Group,简称FCG)意识到IT和OT协作所带来的文化变化,它们正在致力于新标准的开发,利用一系列新技术来解决现有产品和下一代产品之间的冲突。基于以下规划,愿景已经明确:
  1.更轻松地采集数据,辅助已安装的基础设施;
  2.基于下一代技术的新设备的设计规范;
  3.推动采用FDI(现场设备集成)技术,无论供应商是谁或采用何种协议,都可以无缝标准化设备集成,建立与下一代产品的桥梁。
  FCG与NAMUR开放式架构(NOA)紧密合作以实现数字化,这种方式不会破坏现有系统,并提供了将用户迁移到数字化的途径。NAMUR是国际过程工业自动化技术用户协会的简称。

图2:Ethernet-APL和PA-DIM技术将提高过程自动化的数据速率、数据集成和信息可用性。

  过程自动化开放架构
  NAMUR开放式架构建议未来的过程自动化设施:
  1.继续使用现有的仪表协议;
  2.利用新的基于IP的高速物理层;
  3.利用简化的集成工具,在企业范围内传输工厂车间数据;
  4.在核心过程控制范围之外,使用单向通信,以减少网络安全威胁。
  Namur开放式架构提供了一种方法,可以使用支持OPC UA协议的现场设备来交换数据。与OPC基金会合作,FCG开发了一种基于OPC UA的新标准,用于复制过程仪表中最常见的现场设备参数集。该技术被称为PA-DIM(过程自动化设备信息模型)。PA-DIM为标准OPC UA设备信息规范增加了特定功能,并定义了核心参数,以便为每类过程自动化设备建立标准数据集。不管提供该参数的供应商是谁,使用哪种协议,PA-DIM都以机器可读的格式提供这些参数,这样应用就可以无障碍使用这些参数。
  以太网到现场
  在开发基于Ethernet-APL(基于双绞线的以太网高级物理层)的下一代现场设备时,PA-DIM可以驻留在本地设备。给用户带来的好处是:使用FDI、具有25年历史的基于HART协议的设备,可以与未来新型Ethernet-APL设备共存,并且两者都使用相同的信息模型向云提供数据,而对云来讲没有任何区别。总之,Ethernet-APL、FDI和PA-DIM等新技术,为现有仪器和新系统架构、数据模型的数字化转型提供了更多途径。
  在这种转变中,FDI扮演着重要角色,它可以减少用户对设备协议的担心,而将注意力更多地放在如何使用数据上。简化设备与系统或云的集成,是“FDI设备包”的目的,该软件包是围绕设备所需相关信息的新标准“容器”。作为新标准,FDI设备包获得了HART通信协议、基金会现场总线、ISA100 Wireless、FDT(现场设备工具)和Profibus的支持。
  是否需要更多标准?
  归根结底,协作是关键。在数字化时代,标准组织必须共同努力,在标准方面加强合作,制定出最适合行业的标准。用户和供应商不需要更多的标准;这意味着:我们必须在哪种标准最适合大多数使用情况达成共识。行业组织之间正在就关键的行业问题,例如网络安全、下一代现场设备、集成和信息模型等,加强合作。不断融合的标准将有助于开发新兴技术,使行业更容易利用数据,更好地运营企业,更好的保护投资价值和实现面向未来的运营。

图3:NAMUR开放式架构为现有仪器、更强大的过程自动化工业以太网、Ethernet-APL和PA-DIM提供了更多空间。

  面向未来的标准
  标准组织过去所从事的活动只是制定标准,除了提供纸质的标准文件外,并没有太多的实际价值。标准的开发通常是作为终结单一供应商的一种手段。一家供应商与其它公司合作,可能主要是为了采用它们正在开发的标准。多年来,许多标准组织逐渐认识到,有必要制定供应商在产品和系统中广泛采用的标准。
  随着数字化的不断深入,标准组织、最终用户和技术供应商应该如何衡量标准的价值?
  1.对于制定开放标准的标准组织来讲,真正的价值主张是根据标准的采用程度来衡量是否成功。标准组织推动技术的发展,并在新兴技术的出现以及它们在整个行业中的部署中发挥重要作用。在不断变化的技术领域中,标准组织应专注于提供旨在解决实际问题的标准、技术、过程和认证。标准组织需要认识到标准成功的原因:如果采用其技术,可以为最终用户和供应商解决现实问题并提供投资回报。标准必定是有用的,标准组织也不必竞争。标准有很多融合和统一的机会。
  2.为了使最终用户能够为众多技术创新做好准备,最重要的技术和标准策略是与供应商紧密合作,以制定和采用正确的标准,从而在工厂自动化和过程自动化中取得成功。通力合作,开发出完整的开放系统架构,或标准化各自行业的数据和信息模型,大家都可以从中受益。有许多标准制定的举措,都需要供应商在最终用户及其组织的指导下工作。
  3.对于供应商而言,将有用的标准集成到产品中,有助于提高客户的投资回报率,并使供应商的产品、软件和服务的用途变得更广泛。供应商明白,要想提高竞争力,必须提供与竞争对手可互操作的产品和服务。最终用户对自动化有各种不同的要求,它们的系统通常包括来自多个不同公司的硬件、网络和软件产品。最终用户使用单一供应商和单一网络的日子已经一去不复返了。最终用户还需集成IT和OT系统,而标准的价值在IT和OT融合中扮演着非常重要的角色。
  虽然OT与IT领域不同,但是双方都认识到:在系统之间集成数据和信息的重要性。行业标准在IT和OT融合中扮演着非常重要的角色。最终用户和供应商合作的示例包括:MDIS、开放式过程自动化、Open-SCS、VDMA、OMAC和MT Connect等。OPC基金会认识到,在各自行业开发自己的信息模型时,标准组织之间的合作非常重要。OPC UA可帮助这些标准组织制定配套规范,以将其信息模型集成到统一架构中。
  消费电子产品标准化的成功,使供应商愿意采用这些标准,并在最终用户需求的产品中使用这些标准。在大量可用的技术创新面前,工业最终用户和供应商有时会不知所措,因此实现融合和标准化很重要,标准和技术需要解决与现实相关的问题。

图4:制定标准所花费的时间和精力,应该为最终用户和相关供应商带来更多收益。图片来源:CFE

  提升互操作性
  面向未来的工业标准应该实现真正的即插即用互操作性,并应用自适应学习和机器学习相关的技术。随着技术的进步,以及编程环境的标准化和商品化,设备旧的编程模型已经发生了变化。越来越多的标准化组织认识到融合的重要性,要想在激烈的竞争中获得一席之地,他们必须制定正确的标准和技术,最终用户采用和部署这些标准和技术,并能够获得更多收益。(作者:Ted Masters)