圖片來源 ：YOKOGAWA
不要讓早期運營技術 (OT) 連接的成功，阻礙了工業物聯網 (IIoT) 和工業數字化轉型的技術創新。先進的過程控制系統設計，將更好的融合互操作性、模塊化、標準、可擴展性和便攜性。
傳統過程控制系統的挑戰
40 多年前，誕生了世界上第一個分布式控制系統 (DCS)，從那時起過程自動化系統就由獨立的控制和可視化組件組成。監控和數據采集 (SCADA) 系統通常用于管道系統和井口等資產。這兩種架構都從過程儀表收集數據，并向執行器發送動作指令來響應，并且都可以同時控制多個回路，以處理復雜的過程。隨著可編程邏輯控制器 (PLC) 變得越來越復雜，它們也開始用于小型控制器。?
起初，由于人機界面 (HMI) 不支持遠程訪問，因此運行人員不得不呆在集中控制室或指揮中心。要想給運行以外的人員提供任何信息，都需要通過報告，而這通常會有很長的時間滯后。
商用技術助力工業運營?
隨著時間的推移，專有硬件和軟件讓位于商業現成 (COTS) 設備（主要是 PC），為工業連接提供了新的機制。通過這種連接，過程自動化系統可以將與設施中的企業網絡的連接擴展到互聯網。可以從任何位置訪問數據甚至執行實際控制功能。一個過去孤立的 DCS 或SCADA 系統（圖 1 左）最終發現自己是一個更大的實時網絡（圖 1 右）的一部分，它最終可以連接到任何東西。?
圖1：早期的過程控制系統（左）是孤立的系統并建立在專有設備上。一旦它們連 接到更大的網絡（右）上，它們就會變得更加復雜并獲得廣泛的功能。本文圖片來源：橫河電機
想要實施工業數字化轉型戰略的前瞻性公司，必須考慮如何將 DCS 和 SCADA 平臺融入到更大規劃藍圖中。在更復雜的環境中，隨著自動化金字塔各層之間的界限變得模糊（圖2），也就失去了獨特性，這些系統將如何執行其傳統功能？
圖 2 ：隨著數字化轉型的增長以及 IT 和 OT 的融合，傳統的普渡模型層變得越來越不明顯。開放平臺可以同時支持 DCS 和 SCADA 環境。
虛擬化、云和開放架構?
隨著 IT 和 OT 融合的出現以及虛擬化技術的應用，許多工程和軟件應用正逐步遷移到云中。集成云技術，允許過程控制系統執行邊緣計算并可作為 IIoT 的數據源。基于云的環境可以集成多個數據源并提高數據的可用性，以支持分析和決策制定。利用基于云的環境、 IIoT 和邊緣計算，過程制造商可以對老化的 DCS 和 SCADA 平臺進行現代化改造。推動數字化轉型的一個好處是獲得具有更開放、更安 全的系統架構和設計。
NAMUR 開放架構 (NOA) 和開放過程自動化論壇 (OPAF)，正在通過擺脫專有架構，來推動工業自動化領域的開放架構計劃（圖3）。兩者都描述了供應商中立的系統，如何使用最先進的設備和功能，來避免對供應商的依賴。OPAF 的關鍵概念包括互操作性、模塊化、符合標準、符合安全標準、可擴展性和可移植性。
圖3
在 NOA 內部，配置了區別于現有系統的監控和優化 (M+O) 的獨立域。它直接從機器人和無人機以及用于腐蝕、聲音、振動和與維護相關的新傳感器收集數據。現有系統中的數據通過 OPC UA 導入，因此可以在現場實現高級控制、分析和診斷。
數字化轉型和網絡安全?
為了提供安全性，增強了與區域設計的兼容性（根據 ISA/IEC 62443 工業自動化和控制系統安全性的建議），因此可以輕松執行系統設計和維護。該標準提供了一個框架來解決和減輕過程控制系統中的安全漏洞。
用戶在嘗試實施這些概念時經常遇到的主要問題是與舊的控制系統平臺不兼容。多年來，未逐步升級的舊安裝可能無法支持新功能。如果推薦的解決方案是直接更換完整系統升級，則與原始供應商的討論可能會很困難。由于購買和集成的價格不菲，再加上安裝期間損失的生產時間和緩慢的重新啟動，這些都可能會帶來很高昂的成本。
好的一面是，由于當今的控制系統是開放的且可互操作的，因此不再需要再次進行這樣的大規模更換，因此可以在必要時升級任何部件，而對整體的中斷最小或沒有中斷。
許多現有的 DCS 和 SCADA 系統缺乏網絡安全的規定。因為它們最初被認為是孤立存在的，沒有從外部攻擊的途徑。沒有考慮到保護的需要。一旦企業開始將這些系統連接到外部網絡，顯然它們將成為容易攻擊的目標。唯一切實可行的方法是加固周邊環境。有一些方法可以改善內部安全，但方法的有效性各不相同。
數字化轉型已經產生了對安全網絡的需求，因為它依賴于開放性。幸運的是，隨著 IT 和 OT 的融合，對安全的需求與改進的方法相匹配。例如，在 SCADA 系統中，傳統的架構將現場設備連接到遠程終端單元（RTU），以進行數據整合和轉換。這使得 RTU 由于其戰略地位和脆弱性而成為攻擊者的主要目標。新的數字化轉型技術正在逐步淘汰 RTU，轉而采用邊緣設備，這更容易防御。
IT 和 OT 的融合并不意味著網絡的隨意混合，因為融合實施團隊必須對 OT 網絡與企業網絡和互聯網的隔離進行仔細評估。特權訪問必須在站點和流程層面進行控制，同時也要控 制跨站點通信。
任何重大的數字化轉型項目都應該從漏洞評估開始，以確定任何需要特別關注的領域。系統安全工程方法，為網絡管理員和網絡安全專家提供了資源和指南。在考慮第三方顧問和集成商時，應仔細分析他們的網絡安全組合，以確保有足夠的覆蓋面和深度來開展大規模的工作。
自主學習設計和過程控制的未來?
在數字化轉型的推動下，DCS 和 SCADA 系統也在不斷的發展變化，而旅程才剛剛開始。這給過程制造商帶來了挑戰，尤其是在決策啟動重大系統升級的艱難時刻。沒有任何制造商會同意在較新的硬件上運行相同的功能。
任何新系統都將更加模塊化，允許在添加新功能時根據需要升級或更換部分部件。這僅僅是開始。工業自動化將能夠增加很多現在只能想象的功能。DCS 將具有自學能力，以更好地了解其控制的過程。它將開發自動執行復雜控制功能的能力，例如在最少甚至沒有運行人員干預的情況下自動執行程序（啟動、等級更改等）。工廠可以減少因人為錯誤而導致的事故和停機時間，同時實現最佳運行。
更大的系統連接性可以支持綜合運營中心，以及由高質量報警系統加持的動態運行人員指導。這些發展將幫助制造商實現新的、更高水平的系統優化和安全性。動態數字孿生模擬器，允許運行人員和管理人員通過提前預測過程行為，來評估運營條件的變化。
這些功能將使用開放系統，支持 IIoT 和基于云的運營——包括OPC UA 和消息隊列遙測傳輸 (MQTT)——以及其它 IT 連接協議，如簡單網絡管理協議 (SNMP) 和互聯網控制消息協議 (ICMP)。
很少有過程制造商擁有有效設計和管理所有這些變化的內部資源。幸運的是，有些企業、集成商和顧問能夠在整個數字化轉型項目中提供指導。任何考慮中的服務提供商都必須在一系列自動化架構、高效控制策略和先進解決方案中采用經過驗證的控制技術。這些解決方案會帶來一定的風險，但如果有效實施，回報將是巨大的。??
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