在工业自动化发展历程中，由最终用户提出功能性要求，而由自动化系统和设备供应商开发相应系统的案例，最为成功的莫过于PLC（可编程逻辑控制器）。这个故事发生在上世纪的60年代末，由通用汽车GM提出的诸多功能要求，由Modicon推出的商品化PLC完美实现。到了二十一世纪的10年代，在DCS（分散控制系统）这一领域，似乎又在重演精彩的故事，不过这次革命性的发动虽然仍由最终用户提出功能性要求，不过鉴于开放性的要求已处于决定性的位置，云计算技术已蓬勃发展和应用于各行各业，这一次就不可能由一家公司独立承担。这就是正在积极稳健开创的开放流程自动化的进程。
Q：为什么在工业自动化行业会发生这样颠覆性的活动呢？我们还是从最终用户的实际体验说起。
对于最终用户来说，现今流程工业自动化的控制系统DCS的最大问题可以归结于其封 闭和专用的特性，在IT技术飞跃发展的年代，这成了阻碍DCS的升级迁移和OT与IT的深入高 效融合的壁垒。而且目前的DCS一般缺乏内在的保护运营、资产设备和其它投资所需要的信 息安全。经过三十多年的发展和运用，不少用户发现DCS的系统和技术面临着一些亟待解决的重要问题：
亟待解决的重要问题
（1）许多正在运行的DCS系统已经服役二三十年，备品备件所需的元器件已经停 产或改型，如何低成本且不停产或少停产的进行升级改造，这是最终用户十分关心、亟待解 决的事务。
（2）经过多年运行，控制系统积累了大量的生产运行数据和智能运营的知识库，在 控制系统的升级改造的过程中如何继承和保护这些软资产。
（3）在IT技术以高度密集和高速 度的方式进入流程工业的今天，OT技术如何能够跟上IT的步伐，又不失时机的与之融合。
未来的控制系统追求的目标很具体：能够低成本替代原有控制系统，且可按现场需要 配置系统；运用先进的边缘设备，但仍可沿用原有的I/O及其电缆布线；具备良好的APP工业 软件的可移植性；方便与一流的部件和第三方软件集成。还要求用高可用性的实时数据中心 构成虚拟化的系统，对下连接由边缘设备、单通道的模块构成的分布式控制节点DCN，执行 常规的或智能的I/O数据采集和执行，以及调节现场的控制回路；而在虚拟化的系统中可以 运用工业APP市场流动性强的、精巧的开发工具，方便加强OT与IT的融合。
这些颠覆现有和以往控制系统的技术，强烈地受到近些年来IT行业并发的若干个重要技术的影响和推动。其中最重要是大量应用的系统虚拟化，以及云计算、运用广泛的开源软件（OSS，open source software）、新软件技术集成和软件开发和部署（DevOps），以及超高 可用性的部署平台。
在一些有远见的最终用户的积极推动下，流程自动化行业出现了开发下一代开放的分布式自动化技术的迫切要求。
发展历程
我们简单地回顾这一发展的历程。埃克森美孚的研究和工程部门公开倡议开发一个全新的、基于标准的过程控制架构，已经有好多年了。2014年他们产生了一个基本特性的文件，在ARC咨询集团召开的2015年的ARC论坛上分发。自此引发了三天的讨论，受到相当的关注，也得到具有相同要求的其它最终用户的支持。由于美国开放的组织 The Open Group在为其它工业部门创建标准方面的专业性和成功表现，埃克森美孚决定委托这个非盈利的第三方，组织一个新的标准化活动，面向流程控制工业中业务和技术的挑战，开发一个新的系列标准。接着The Open Group创建了开放流程自动化论坛OPAF（the Open ProcessAutomation™ Forum），吸收一批最初的成员，并于2016年11月在旧金山召开了第一次会议。截至2019年5月，论坛已经有超过133个团体成员，包括最终用户、硬件和软件供应商、系统集成商、学术单位和标准化组织。其中超大型的最终用户（如埃克森美孚、巴斯夫、英国石油BP、DOW等），自动化的跨国集团（如西门子、ABB、施耐德、横河、GE等），IT大鳄IBM、ORACLE等，通信设备制造商如华为、思科等，知名的咨询集团如ARC，流程工业工业软件的巨头Aspentech，工业标准化组织如OPC基金会、PLCopen等，都集合在一起共同为新一代流程工业的架构绘制蓝图。
值得注意的是，DCS的架构已经20多年没有变动了，显得日趋陈旧，OPAF正在进行的工 作将运用最新的云计算技术重新定义DCS和PLC。还包括与优化运营密切相关的先进控制和 MES。OPAF的目标是对ISA 95的L1和L2的功能标准化，包括现场设备和仪表的基本输入和 输出，以及执行调节控制的功能块。目前这些功能都是由专用的DCS和PLC来完成的，规模约 为100至1000个PID回路的功能块。
而OPAF则认为，可以用更多、但更小的边缘设备作为过程控制器，这些小的硬件设备每台可以控制少到一两个回路，实际上执行的是流程自动化的微服务。当今工厂中所用的任意DCS和PLC系统的HMI功能、先进控制算法的运算功能以及MES的功能，都可以运用由服务器构成的虚拟系统，在一种开放型的软件环境下实现。也就是说，下一代控制系统将被这些由虚拟服务器和许许多多计算资源和存贮资源要求足够小的自动化边缘设备组成的新系统所替代。
OPAF概念验证系统（详见图1）由埃克森美孚和系统集成商洛克希德马丁（LockheedMartin）和Wood合作实施，包括一个实时先进计算平台（Dell EMC）支持IEC 1499运行时控制器、HMI、历史数据存储、和许多其它服务，用OPC UA实时以太网（由加拿大Matrikon公司提供），连接分布式控制节点（DCN）、智能I/O、操作控制台、安全保护系统和企业信息系统等。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。由十几家供应商提供的硬件、软件产品构成的系统，产品之间的互操作性都按照标准实现，无需通过网关或通过软件转换；参与构成系统的同类型部件都可以各别地和自由地在供应商间替代，而无需修改底层的逻辑程序。据称该系统将在今年在埃克森美孚的一个碳氢试验装置投入运行控制，比原定计划大大提前。
图1 OPAF原型系统参与试验的公司
图2给出了从现有已在役的DCS/PLC系统逐步地升级迁移到这些小的边缘设备，以及预置的高可用性服务器的发展趋势。
图2 DCS/PLC系统演变为新一代分布式控制系统
《The OpenProcess Automation™ 业务指南》
在紧锣密鼓制定开放流程自动化系列标准的同时，OPAF首先发布的是：《The OpenProcess Automation™ 业务指南》，明确地阐述了开放流程自动化标准的价值主张和业务案例。在指南的引言中开宗明义的指出：
工业制造商正面临着日益增长的降低其控制流程的系统的资本和生命周期成本，以及提高其运营的盈利能力的压力。由于当前在役的控制系统其主要性质是封闭的和专有的，因此很难实现这些目标。封闭系统的升级和维护成本很高。尽管最新的自动化系统包含了一些方面的改进，但是将一流的第三方组件集成到封闭的、专有的系统中，却是一个挑战。此外，尽管自动化供应商正在努力采用信息安全的行业标准和最佳实践，但如今的系统普遍缺乏保护操作运营、设备资产和其他资本投资所需的内在的信息安全。
一个开放的、可互操作的、在设计过程就体现出信息安全的自动化体系结构，可以缓解这些障碍。开放的、可互操作的系统将通过增加选择和竞争，培育供应商市场的增长，并降低成本。此外，开放系统还可以赋予集成来自多个供应商的产品，从而采用最佳匹配和一流组件的能力。确保未来自动化系统采用并强化达到真正异构性的标准，同时提供内在的信息安全性、多供应商互操作性、面向未来的创新以及系统迁移升级的简易途径，将有助于最终用户从其控制的运营中获得更大的价值和盈利能力。
The Open Group开放流程自动化论坛（OPAF）正在为开放的、可互操作的、信息安全的流程自动化体系架构选择标准和规范。这些标准将使具有下属特征的系统的开发成为可能，即系统由从多个独立供应商提供的、易于通过结构化模块化架构集成，且虽松散耦合但还能聚合集成、可分隔的功能组件和部件组成，而这些功能组件和部件之间有开放的标准接口。OPAF论坛和将要制定的标准并不定义功能组件和部件内的所有构成元素；这些将为其供应商保有专有权。
论坛将制定一个“标准的标准”。也就是说，第一要务是从现有的行业标准中进行选择。只有在没有可用或可接受的标准时，才会尽力与适当的标准开发组织一起开发标准。
业务指南列出包括生物制药、采矿和金属、特殊化学品和半导体、纸浆和造纸，以及工业控制系统升级的在线转换和离线转换等各种业务应用场景，这也是指南的精彩之处，具体而有启发性。
指南还专门描述了开放流程自动化业务生态系统的角色，包括最终用户、系统集成商、硬件供应商、子系统集成商、软件供应商
开放流程自动化的活动在国内还是一个新生事物，The Open Group决定发行业务指南的中文版，相信会大大推动这一生命力极强的技术和业务在国内落地生根。
特邀资深专家： 彭瑜
教授级高工，上海工业自动化仪表研究院技术顾问，PLCopen中国组织名誉主席，工信部智能制造标准化体系建设工作组专家，国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家。