开放的过程控制系统的应用展望

陈伟良

(科思创有限公司，上海 200003)

历史悠久的美国石油化工公司ExxonMobil拥有各个时期、多个厂家的专有控制系统，包括控制器，IO卡件等。尽管它花费了很多的时间和资金用于设备的维保来延长设备的使用寿命，但是由于产品技术老旧、备件缺失，急需在近期内升级或更新现有系统。石油化工工艺要求过程控制系统具有非常高的可靠性和实时控制功能，目前使用的分散控制系统(DCS)和可编程序控制器(PLC)都是各个厂家专有的技术和产品，这导致升级和更新的成本很高且非常困难。ExxonMobil于是开始寻求现有过程控制系统之外的产品，它应该易于维护，易于升级替换，使得ExxonMobil能专注于生产。

始于欧洲的工业4.0产业升级计划，通过使用一些世界级的标准包括ISA95，OPC UA，PLC Open来达到不同厂家产品的开放和交互操作的目的，同时Lockheed Martin公司在其他工业领域有非常多的类似经验。ExxonMobil在2016年2月的ARC奥兰多年会上宣布，ExxonMobil将联合Lockheed Martin公司创建新一代多个供应商产品可交互操作的过程控制系统模型，它是一个基于标准的、开放的、安全的并且可交互操作的结构，包括商业化的软件和硬件。

1 开放过程控制系统组成愿景

1.1 目 标

目前，NAMUR和Open Group(O-PAS)在领导如何定义开放过程控制系统，它的目标是建立一个基于标准的、开放的、安全的、可交互操作的系统架构，该系统是包容前沿技术、保留用户的应用软件，大幅降低未来替换的成本，允许整合目前的硬件，采用自适应本质安全模型，提倡革新和创造价值，同时适用于现有和新建工厂的商业化应用产品。

1.2 硬件结构

自1970年，PLC和DCS进入过程控制工业以后，过程控制系统都运行在其特定的层，根据ISA95，过程控制工业一般划分成以下5个层，结构如图1所示。

图1 过程控制功能划分范围示意

以ExxonMobil为例，它的投资策略是集中于高层(即第2层和第3层)的应用软件的更新以获得较高的投资回报。而第1层的设备包括DCS的IO卡件和控制器，只是进行常规维护。然而已运行20～30 a的第1层设备寿命目前陆续终结，其备品备件、软件也将得不到供应商的支持，需要系统性的更换。由于现有的过程控制系统的硬件和软件是专有和封闭的，每个系统供应商都开发自己专有的软件环境，并交付给最终用户，最终在其软件环境上开发适用于生产的应用软件来实现控制目标，所以现有系统的升级和应用软件的迁移影响了生产的可靠运行。尽管ExxonMobil目前的控制系统的改造升级项目实施效果良好，但是升级原有控制系统内的专有技术非常困难，ExxonMobil致力于打破现有的控制系统框架，将当今操作技术(OT)和计算机技术(IT)结合，建立一套开放的、安全的控制系统，包括DCS和PLC，安全仪表系统(SIS)除外。

图2是开放过程控制系统的结构，符合O-PAS的过程控制系统组件，通过连接框架(OCF)将执行IEC 6224.1，2，3层功能的各分散控制节点(DCN)连接起来。

图2 开放过程控制系统结构示意

开放控制系统主要由以下几个部分组成：

1)连接框架。连接框架是常规的、安全并可交互操作硬件和软件通信框架规格要求。图2显示的1个单个网络结构，在实际应用中，通常使用分段的网络结构来保证其安全性和性能。

2)DCN。DCN是单回路控制器，是高度分散的控制模块，1个系统中可能需要非常多的DCN，每个DCN都有自己的微处理器和存储器。优点是可以减少由于DCN故障对生产的影响并易于扩展。

a)可能的DCN类型包括： 带有输入输出卡的DCN、没有输入输出卡的DCN、先进控制平台(ACP)、网关、设备，诸如DCS，PLC，分析仪等，可能含有1个或多个集散控制框架(DCF)。

b)每个DCN或嵌入式DCF能基于其在整个自动化或操作策略所执行的角色进行组态，这使得替换DCN时，维护的工作仅限于该DCN的角色而不用进行繁琐的组态。

试验在湖南省畜牧兽医研究所试验鸭场进行，试鸭采用网上平养，自由饮水和采食，并按常规免疫，24 h光照；舍内自然通风，定期打扫卫生和消毒，保持正常温度，相对湿度为（60±5）%。

1.3 分散控制平台

分散控制平台(DCP)是DCN的软硬件平台，它提供DCF的环境和应用，包括物理基础设施和相互替换的能力。

1)DCF。DCF是通过1套接口来执行各种应用程序的环境，DCF提供了应用程序可以从1个DCN移到另1个DCN的环境，同时它也包括了对功能块类型和功能块实例知识产权保护的方法，这对O-PAS应用市场非常重要。基于云平台的外部办公数据中心也可独立运行DCF，然后通过防火墙连到OCF上，这样它可以运行离线仿真程序。

2)应用。应用是由程序和相关配置组成的单个的不可拆分的元件和数据，用来执行1套相关功能。其他业务平台，如计算机交易平台，可以通过DCF上的应用程序和OCF进行通信而非直接连到OCF上。O-PAS标准定义了如下不同类型的应用：

a)协同配置格式应用。这是一种特定的独立平台型的应用，它由一种或多种工业标准独立平台的控制语言编写，通过协同配置格式来定义，例如： IEC 61131-3或IEC 61499-1语言。由于该应用是基于独立平台语言，本质上更便于移植到不同的平台。

b)独立平台应用。该类应用是通过使用DCF服务运行在DCF环境下，例如IEC 61131-3应用程序、人机接口应用或数据历史等。

c)特定平台应用。该类应用使用固有的DCP O/S和服务，例如使用专有操作系统应用或使用固有硬件特性的人机接口。

1.4 软件结构

软件是项目成功的关键因素，因此严格的软件设计框架将保证平台的独立性并要求软件仅用于交互操作指定的接口。

服务于美国国防部的公司几年前开发了名叫未来机载能力环境(FACE)的软件框架，该框架目前用于开发美国军用飞机包括无人机，其主要目的是通过重新使用已验证过的应用软件来加速新系统的交付并能快速和简化安装在现有军用飞机上的软件性能。该目标与工程控制系统的升级是一致的，所以构想的控制系统软件架构将基于FACE。FACE架构如图3所示。

图3 FACE软件架构段和接口示意

2 最新进展

开放集团(Open Group)下的开放过程控制论坛(Open Process Automation)成立于2016年，致力于新一代开放控制系统标准的制订。目前共有来自22国家的132个成员单位，包括最终用户(ExxonMobil，BASF等)，系统集成商，供应商，如HIMA，Rockwell，施耐德电气等和支持机构，其中包括来自中国的8家单位。

2018年1月，开放过程控制论坛发布了业务导则，2019年1月，第一个开放过程控制标准(O-PASTM1.0)发布。它集成现有的由其他机构开发的标准，如ANSI/ISA62443(IEC62443)网络安全标准，OPC UA连接标准等，包括如下5部分：

1)第一部分。技术架构综述。

2)第二部分。基于IEC 62443的开放过程控制系统网络安全要求。

3)第三部分。符合O-PAS设备功能要求以及如何使得元件连接和系统管理满足交互操作性的要求。

4)第四部分。开放OCF。

5)第五部分。过程控制系统的管理，包括硬件、操作系统、软件平台、应用和网络。

同时，ExxonMobil和系统集成Lockheed Matin正在进行设计和建造基于OPA的模型机用于实验工厂的控制，独立于供应商的系统集成商Wood帮助实施该项目，样机将用来控制位于新泽西州的化工工艺试验装置的温度、压力和其他工艺参数，包括130个输入输出点和30个回路。样机计划于2019年中期试车。样机系统结构如图4所示。

图4 样机系统结构示意

3 结束语

可以设想，在不久的将来，过程控制系统的升级更新能像现在的手机一样，控制系统应用软件APP可以适用于任何DCN，更换DCN后，只要将原来的控制应用APP下载到新的DCN即可应用，而不局限于DCN供应商。标准的、开放的、安全和可交互操作的过程控制系统将是过程控制系统的未来，技术上是大势所趋。

由于涉及现有利益的再分配，业务模式上还有两种对立的观点。OPAF认为利益攸关者包括最终用户、系统集成商、硬件供应商、软件供应商和服务提供商，从现在单一的DCS供应商转化为系统集成商将是过程控制系统的重塑。而DCS供应商，如EMRESON，认为该系统太复杂，用户应依赖战略供应商提供系统集成的能力并于2018年推出了OPAF。