化学加工行业的数字化转型需要开放式架构、企业范围内的互操作性和对可持续性的关注。本文讨论的进展正在推动行业朝着这个方向发展
化学加工工业(CPI)中的许多公司目前正在寻求数字化转型，以加速其业务战略。在广泛的数字技术的推动下，这种全面的变革赋予了人们力量，优化了流程，并使系统自动化，从而从根本上重新调整了业务绩效。
面对多种不断变化的市场动态，企业发现，参与数字化转型对于在“新常态”生态系统中竞争和发展提供灵活性是必要的。转型后的企业可以更迅速地应对新的用户需求、供应链问题和市场混乱。
实现敏捷性和响应性是数字化转型计划的标志，通常需要合并以前在竖井中运行的学科。例如，运营技术(OT)人员发现，在部署了实时分析、人工智能(AI)、云和边缘计算技术、数字双胞胎和工业物联网(IIoT)工具的新型协作、高度数据密集型环境中，他们的组织需要与信息技术(IT)人员紧密集成。
在降低资本和生命周期成本并提高盈利能力的压力下，OT员工已经认识到专有技术对数字化转型构成了严重障碍。封闭系统，例如那些用于过程自动化的系统，升级和维护是昂贵的。升级也有风险。为了避免长时间停机的风险，许多作业都放弃了迁移或更新技术。随着系统的老化，其他风险也在增加。这些问题包括硬件故障和无法更换的技术变化。
另一个风险是网络安全无法更新以安全保护运营、资产和资本投资。遗留系统与当前或未来的一流技术(如数字转换所需的技术)集成变得更具挑战性。数字化转型需要企业范围内的互操作性、网络安全、敏捷性和可持续性。具有定制集成的网络连接以前孤立的专有系统是昂贵的，难以利用，因此变得不可持续。
“巨大的人员变动”和即将到来的劳动力往往更年轻、更精通计算机，这始终是数字化转型的关键推动因素。数字转型项目团队发现，熟悉技术的新员工习惯了可互操作的消费产品，他们对工作场所的封闭、专有系统持非常悲观的态度。
有鉴于此，开放小组的开放过程自动化论坛(OPAF) (www.opengroup.org)于2016年开始致力于开发一套开放过程自动化标准(O-PAS)。开放组织是一个全球联盟，帮助组织通过技术标准实现业务目标。OPAF是终端用户、系统集成商、供应商、学术界和标准组织的国际论坛，共同致力于开发基于标准的、开放的、安全和可互操作的过程自动化体系结构。由行业标准支持的开放架构和互操作性为实现系统可持续性的数字化转型提供了坚实而必要的前进道路。
“标准中的标准”
OPAF的开放过程自动化“标准中的标准”确保未来的自动化系统采用并加强实现软硬件真正互操作性的标准，同时还提供内置安全性、面向未来的创新和极大简化的迁移。这将使最终用户从他们的运营中实现更多的价值。
标准的标准的想法是OPAF努力利用各种各样的组织已经完成的工作的结果。行业标准反映了整个行业的共识，并为开放系统奠定了坚实、可持续的基础。因此，在任何可能的情况下，O-PAS都参考来自最完善的全球性组织的现有标准-这些标准最有可能长期存在。
为了缩小差距，OPAF一直在与有关团体合作，更新他们的标准或纳入O-PAS要求。OPAF已与控制系统集成商协会(CSIA)、工业互联网联盟(IIC)、国际自动化学会(ISA)、NAMUR和OPC基金会等组织建立了联系。
O-PAS中引用了全球标准。技术架构基于IEC 62264 (ISA-95)，基于IEC 62862 (ISA-18.2)的报警管理，基于IEC 62443 (ISA-99)的整体网络安全。OPAF还与ISA安全合规研究所(ISCI)进行了讨论，ISCI是ISA/IEC 62443验证机构。
O-PAS集成了IEC 61131-3功能块、IEC 61499基于事件的编程、IEC 62714(自动化)控制应用和DMTF Redfish系统管理。连接框架、信息和交换模型基于IEC 62541 (OPC UA)。值得注意的是，OPC基金会已经超越了联络协议，成为OPAF的成员。
标准部署的好处是深远的。最新版本的O-PAS严格定义和控制系统数据，要求统一上报告警。横河公司的Dave Emerson是OPAF企业架构工作组的联合主席，他解释说，在过去，每个供应商习惯于以不同的格式发布警报和事件条件，因此用户不得不在不同类型的消息上浪费时间。现在，一致的报告意味着他们可以节省时间。
范围和愿景
O-PAS能够开发由独立供应商提供的内聚、松散耦合、可分割的功能元素组成的系统。这些元素很容易通过结构化的模块化架构进行集成。O-PAS不定义产品的功能知识产权(IP);知识产权仍然是供应商的专利。相反，我们的目标是定义开放标准接口。互操作性是关键。
图1所示。O-PAS的范围包括DCS、PLC和制造执行系统。业务系统、安全仪表系统和现场设备不在O-PAS范围之内
如图1所示，O-PAS范围包括当今用于连续和混合过程工业的分布式控制系统(DCS)和可编程逻辑控制器(PLC)。超出范围的是业务系统和输入输出(I/O)与现场仪器之间的通信协议。OPAF还决定安全仪表系统(SIS)将超出范围，因为必须有单独和独立的传感器、逻辑求解器和最终元件的组合，才能达到ISA84和IEC 61511标准所要求的安全完整性水平。
开放式过程自动化(OPA)系统是一种软件定义的控制系统。它是一个开放的系统，具有传统DCS或PLC系统的所有优点，而且没有供应商硬件或软件锁定带来的限制。终端用户或集成商可以使用来自多个供应商和技术的广泛互操作软件和硬件功能来设计、操作和扩展功能。
通过解耦硬件和软件并采用面向服务的体系结构，必要的软件功能可以位于许多不同的位置或处理器中。软件应用程序不仅可以在大多数硬件上运行，而且还可以访问任何I/O，以增加设计系统时的灵活性。
图2。O-PAS参考体系结构显示由O-PAS兼容产品以及遗留或不兼容产品组成的混合系统
图2显示了一个参考OPA体系结构，其中包含兼容o - pa的产品和不兼容的或遗留的产品。对于许多终端用户来说，一个现实的场景是“从小处开始”，使用一个结合了OPA和专有组件的混合系统，然后从遗留系统稳步过渡到完全开放、可互操作和可持续的系统。
在OPA系统中，大多数应用程序和工作负载都被容器化，以一种可互操作的方式灵活运行，利用O-PAS通信框架(OCF)。OCF在o - pa兼容的软件功能之间提供了安全、标准化的互连。OCF基于OPC统一架构(UA)，提供受保护的、基于标准的、可靠的数据传输。
分布式控制节点(DCN)被认为是O-PAS的基本构建块。边缘设备，它是一个可扩展的控制器，I/O或网关设备，可以处理I/O和计算功能。由于硬件和控制软件是分离的，特定DCN的确切功能取决于系统架构师。DCN由硬件和系统软件组成，使其能够在OCF上通信并运行控制软件。DCN可以是硬件的，也可以是虚拟的。一个系统可以使用几个或几千个dcn。
设备供应商允许终端用户根据自己的需求添加、配置和编程硬件设备的软件组件。为了使设备作为DCN对系统的其余部分可见，可以将O-PAS通信接口(OCI)软件层作为嵌入式应用程序添加到任何此类不兼容的、基于灵活体系结构的设备中。
高级计算平台(ACP)支持DCN功能，但包括可扩展的计算组件，如CPU核心、内存和存储媒体，以处理需要比DCN中通常可用的更多资源的应用程序。acp还可以用于不能轻松或有效地分发的应用程序。acp可以是内部服务器，也可以在云中
获得动力
O-PAS每天都在增长势头。OPAF联合主席兼协同系统集成总裁Don Bartusiak报告称，截至2023年初，OPAF拥有110个组织成员，包括22家运营公司、6家主要DCS供应商以及许多其他供应商和系统集成商。
巴斯夫(BASF)、陶氏化学(Dow Chemical)和佐治亚太平洋公司(Georgia Pacific)都有完善的O-PAS示范和试验台，此外，沙特阿美(Aramco)和施耐德(Schneider)在中东的合作试验台，以及埃克森美孚(ExxonMobil)与横河(Yokogawa)在德克萨斯州Woodlands的合作试验台。
在一项新的发展中，埃克森美孚宣布了超越其试验台的重要一步，在实际工厂过程中进行O-PAS现场试验，计划于2023年投入使用。壳牌和马来西亚国家石油公司最近也宣布了新的测试平台项目，而赢创则宣布了一个协作系统集成项目。
Bartusiak和OPAF的领导人表示，几个真实世界的原型项目正在产生每个人都能从中受益的重要知识，特别是当他们寻求在未来扩大互操作系统和流程应用时。
除了从这些由行业领先公司赞助的项目中学习之外，对于较小的潜在用户来说，还有其他方法可以加速他们的参与。最近，一些opaf成员供应商和系统集成商组成了开放过程自动化联盟(COPA)。该联盟包括Codesys、CPlane。ai、CSI、Phoenix Contact、Smar和西澳大学。为了提高小型终端用户的起点，COPA开发了一个使用O-PAS的控制系统互操作性的“快速入门”培训计划。
另一项最新进展是于2021年12月出版的O-PAS业务指南2.0版，该指南为O-PAS提供了价值主张，并描述了潜在参与者如何制定业务案例。
OPAF设想了一个由终端用户、系统集成商、硬件和软件产品供应商以及解决方案和服务提供商组成的商业生态系统。定义了o - pa认证产品的采购、设计、开发、集成、部署、运营和维护的角色和职责。一个公司可以在生态系统中扮演一个或多个角色。OPAF还定义了当前涉众的业务模型将如何受到OPA互操作性的影响。
系统供应商可能认为OPA是对其专有知识产权的威胁，他们的反对是温和的。毕竟，自动化供应商不是困在上世纪70年代的恐龙。他们开放了自己的体系结构，包括商用现货硬件和软件(如Microsoft Windows)、广泛的通信支持(如以太网和现场设备网络)以及虚拟平台。
尽管如此，大量的专有内容仍然存在。在新兴的商业生态系统中，必须保持敏捷、反应灵敏和创新的制造商认为这是有风险的。此外，尽管在用户响应性方面有很高的记录，但在需要敏捷性的市场中，依赖封闭系统供应商被认为是有风险的。
专有系统升级是昂贵的，即使在系统供应商提供了一个很好的交易的情况下，风险仍然存在，下一次升级将是昂贵的。此外，停机风险仍然存在。尽管最近一家大型海上石油生产商和一家领先的自动化公司之间的合作关系在没有停机时间的情况下完成了广泛的技术更新，但这种类型的壮举被认为是非常创新的。开放架构将允许“无停机技术刷新”成为标准实践。
有人担心，OPA可能会破坏主要自动化承包商(MAC)的概念，在这种概念中，主要系统供应商提供了对自己产品深入了解的优势。但是MAC的概念已经大大超越了这一点。最近的MAC项目已经大规模地包含了第三方内容。例如，作者的公司管理从分析仪到阀门的采购、IT和仪器仪表。考虑到这种专有的第三方平台的经验，我们可以很容易地认为OPA将极大地简化项目工程。广泛的系统集成商公司已经同意了这个想法。
许多终端用户还认为，开放架构和互操作性对于支持环境、社会和治理(ESG)目标是必要的，他们正在努力实现可持续发展目标。OPA不是一个是否会发生的问题，而是一个何时发生的问题。随着OPA成为主流，视野和能力不断扩展，该领域的参与者获得了动力。拥抱这种技术的企业将灵活地定义行业的轴心，而不是试图追赶它们。
编辑:斯科特·詹金斯
作者
凯文·芬南他是横河公司的市场情报和战略顾问(12530 West Airport Boulevard, Sugar Land, TX 77478;电子邮件:kevin.finnan@yokogawa.com)．Finnan之前是独立顾问，CSE-Semaphore的营销副总裁，Bristol Babcock的营销总监。他在各种垂直市场拥有超过30年的经验，并推出了40多种自动化和测量技术产品。