流程行业智能工厂相关国际组织及技术成果梳理(下)

作者:孙继超 发布时间:2021-09-15
我国流程行业正处于转型升级的过程中,对流程行业智能工厂相关国际组织及技术成果进行研究,无论是技术引进合作,还是判断技术趋势均具有重要的实际意义。本文梳理了流程行业智能工程相关行业组织及其近期技术成果,穿插了主要国际标准规范,力图整理出流程行业从自动化、信息化向数字化、智能化转型的发展脉络和技术趋势。

流程行业智能工厂相关国际组织及技术成果梳理

文/孙继超

本文作者供职于和利时科技集团有限公司

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流程行业智能工厂相关国际组织及技术成果梳理(上)


六. 建模仿真行业组织
1. CO-LaN

CO-LAN(the CAPE-OPEN Laboratories Network,CAPE-OPEN实验室网络)成立于1997年,是一个由欧盟资助,流程工业运营公司、研究机构及软件供应商为主要成员的组织,主要工作为完善推广CAPE-OPEN规范(Computer-Aided Process Engineering Open Simulation Environment,计算机辅助流程工业开源模拟环境),通过各种软件工具和服务来促进CAPE-OPEN接口的实现。CAPE-OPEN规范定义了计算机辅助流程工程应用程序和组件进行互操作的规则和接口,允许用户或第三方进行通用化工模拟模块的开发、物性数据调取和软件之间的交互调用。CAPE-OPEN标准在流程领域获得了化工流程领域工业软件的广泛支持,包括Honeywell的UNISIM、ASPEN、SuperProDesigner的以及重要客户的应用如Linde Engineering、BASF、BP、Air Liquide、Shell Global Solutions International B.V.等。

2. Modelica Association

Modelica协会是由欧盟资助,成员来自欧洲,美国,加拿大和亚洲的非营利性组织,。自1996年以来,它在网络物理系统领域开发了协调一致的开放访问标准和开源软件,同时获得工业行业多领域建工业建模仿真软件的支持,在流程行业尤其发电行业获得了较广泛应用。该协会制定维护Modelica语言标准、FMI(Functional Mock-Up Interface,功能性实体模型接口)标准、SSP(System Structure and Parameterization,系统结构和参数化)和DCP(Distributed Co-simulation Protocal)标准。

七. 数字化交付行业组织

1. DEXPI

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图7石化行业组织对DEXPI的支持

石化流程行业在数字化交付方面表现出强烈的诉求,众多行业组织参与制定相关技术解决方案,具有一定影响力的组织如PCA(POSC Caesar Association)、ProcessNet、USPI-NL(Uitgebreid Samenwerkingsverband Procesindustrie-Nederland,荷兰过程工业扩展合作协会)、MIMOSA 技术委员会(Open Standards for Physical Assert Management,物理资产管理的开放标准)、OpenO&M、CFIHOS(Capital Facilities Information HandOver Specification,资本设施信息移交规范)、IOGP(International Association of Oil & Gas Producers,国际石油和天然气生产商协会)、CII(construction industry institution,建筑业协会)等。

为了解决石化行业数字化交付的问题,以上行业组织提出DEXPI倡议的目的是开发和促进过程工业的通用数据交换标准,涵盖石油及化工厂生命周期的各个阶段,从功能要求到资产运营。DEXPI( Data Exchange in the Process Industry,流程行业数据交换)规范建立在ISO10209、ISO 10628、IEC 62424、IEC 61987、ISO 15926、NE 107、ISA 5.1等标准基础之上,得到了各个行业组织的一致认可,同时得到如Autodesk、AVEVA、Bentley、Hexagon、Siemens、PTC等CAE软件供应商产品的支持。

近年DEXPI与NAMUR合作提出ALCDM(Assert Lifecycle Data Mode),并与OPC基金会合作实现DEXPI与OPC UA模型相兼容。

4. AutomationML e.V.

AutomationML 组织目的是促进和进一步发展AutomationML,使生产系统工程过程中的数据交换标准化。AutomationML 是一个开放的、中立的、基于XML的、自由的行业数据表示标准,该标准支持跨领域和跨公司的工程数据传输,目前已支持一般表示和特殊的工厂结构,几何运动和逻辑描述。网络通信、机电系统和其他系统的附加表示正在进行中。AutomationML成为在IEC 62714标准,并得到了众多产品的支持,及INDUSTRIE 4.0的青睐。AutomationML正在与Chronos Group的COLLADA标准、PLCopen的PLCopenXML标准、eCl@ss语义、OPC Foundation的OPC UA标准及Prostep ivip协会推广的ISO 1030及STEP 标准进行整合。AutomationML比较适合离散行业产品生命周期的数字交换,但其强大的数字各种数据整合能力同样适用于流程行业自动化设备的快速集成。

八. 一体化方案行业组织

1. OPC Foundation

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图8 OPC UA与行业组织的合作

OPC Foundation(OPC基金会)是管理一个由最终用户、供应商和联盟合作创建的用于多厂商、多平台、安全可靠的工业自动化互操作性数据传输标准的全球性组织。传统的基于OLE技术的OPC DA/HDA/A&E(OLE for Process Control,Data Access /Historical Data Access / Alarm & Event)在传统流程行得到了广泛应用。2008年发布的OPC UA (Open Process Control Unified Architecture)在工业控制领域的推广十分成功,取得了大量行业组织的支持合作,并且在智能制造的广泛工业企业甚至IT企业的产品。在智能制造的背景下,OPC UA实现了各个领域信息模型的融合。

OPC UA在通信及信息模型层面打通了原各领域系统之间壁垒,为整个工业企业实行数字化升级提供了标准和工具支撑,进而为智能制造奠定了基础。

在流程行业,除了如PLCopen、FDT、FDI、DEXPI、AutomationML、工业总线等组织外,还有诸多细分领域采用OPC UA解决行业难题。MDIS是石油和天然气标准,用于将海底生产控制系统(SPCS)与主控制站(MCS)或海底网关连接到分布式控制系统(DCS),在OPC UA标准基础上,简化为标准统一的接口。OPEN-SCS Working Group(Open-Serialization Communication Standard,开放序列化通信标准)的目标为允许序列化解决方案实现功能上的互操作性,以便跨组织和监管机构无缝集成运营和业务流程,并必要时可与其他行业组和标准保持一致,目前推出的OPEN-SCS规范3.0与OPC UA相互兼容。

2. NAMUR

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图9 NAMUR技术方向及成果

NAMUR与时俱进,为流程行业数字化转型提出多个解决方案。 

① NAMUR与ZVEI提出了自动化模块化方案,即MTP(Module Type Package)技术标准规范。通过使用MTP,使用者可以在流程控制系统内自动生成包含所有静态和动态信息的模块,信息包括过程控制逻辑、功能安全与信息安全、报警管理、HMI、维护诊断信息等。MTP技术标准大幅提高了不同系统之间集成的效率,在许多流程自动化产品中得到了应用。

ALCDM(Assert Lifecycle Data Mode)标准建立流程行业ISO/IEC、NAMUR标准、DEXPI、ENPRO及CFIHOS规范基础上完成的,实现流程行业从CAE工程到生产运营的实时数据进行整合,且将进一步与CHIFOS及MTP进行整合。

NOA(NAMUR Open Architecture,NAMUR开放式体系结构)目的是使生产数据容易其可靠得用于流程行业系统及设备的监控与优化。NOA在没有下发数据的情况下通过其他通道传输数据,不影响传统自动化结构,适用于原有流程行业系统升级方案。同时,NOA与自动化的当前发展技术成果兼容,例如高级物理层(APL)或模块化方法(MTP)。NOA相关标准为NAMUR NE175~NE179。

NAMUR当前正在与各协会,行业用户等进行深入沟通,从而确保5G的开发和实施中包括了流程行业的要求。

NAMUR.smart(SIS Malfunction Analysis and Reporting Tool,SIS故障分析与报表工具)提供基于Web的报告和分析工具,用于安全仪表系统上的故障(现场反馈)。同时,这些信息可用于得出“优先使用”状态的证明,也符合IEC 61511 Ed.2,VDI / VDE 2180的要求。

3. The Open Group

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图10 The Open Group 技术成果及流程行业一体化方案

The Open Group是国际众多知名开放性标准的制订机构和交流平台。The Open Group推进的国际标准已经在企业、政府、非赢利机构的战略、管理、业务创新实践中得到广泛应用。The Open Group最有名的是架构论坛(Architecture Forum),推出了TOGAF(The Open Group Architecture Framework,开放组体系结构框架)标准,类似轮还有ArchiMate论坛,IT4IT论坛、实时与嵌入式系统论坛、OSDU论坛、安全论坛、可信技术论坛等。该组织在自身数字化企业深厚的基础之上,设立了O-PAF开放流程行业自动化论坛,并参照IEC 62443、IEC 61131-3、IEC 61499、IEC 62264、ISA-TR 106、ISO/IEC/IEEE 24765等标准规范及IIC(Industrial Internet Consortium)成果,提出了O-PAS开放流程行业自动化标准,建立全新的流程行业新的自动化框架及产品形态。O-PAS 一经推出受到了流程自动化行业的广泛关注,目前已经更新至2.0版本。

九. 智能工厂平台组织

1. PI 4.0

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图11 德国工业4.0相关行业组织关系

德国各行业组织发起了工业4.0,下表列举了相关行业组织。

表3 德国工业4.0相关行业组织

简称

全名

性质

Bitkom

德国信息技术、电信和新媒体协会

行业协会

VDMA

德国机械设备制造业联合会

行业协会

ZVEI

德国电气和电子制造商协会

行业协会

PI 4.0

Platterform  Industrie 4.0

工业4.0平台

合作平台

LNI4.0

Labs Network Industrie 4.0

工业4.0实验室网络

合作平台

SCI4.0

Standardization Council Industrie 4.0

工业4.0标准化理事会

合作平台

DKE

德国电工委员会

标准协会

IDTA

Industrial Digital Twin Association

工业数字孪生协会

技术协会

eCl@ss

eCl@ss协会

技术协会

IDSA

International Data Space Association

国际数据空间协会

技术协会

Fraunhofer FOKUS

佛劳恩霍夫开放通信系统学院

研究机构


PI4.0(Plattform Industrie 4.0,工业4.0平台)是在2013年由Bitkom、VDMA和ZVEI成立的,它是德国“工业数字化”数字生态系统的中心枢纽,通过各领域专家的协同、中小企业的支持,以及组织国际合作,从而将各种专业知识汇聚在一起。PI4.0 以工作组为核心开展工作,设有“参考架构、标准和规范”、“技术和应用方案”、“网络系统安全性”、“法律框架”、“工作,教育和培训”、“工业4.0数字业务模型”共六个工作,主要经开发核心概念,以解决如何应对通往工业4.0的挑战。

PI4.0、SCI4.0和LNI4.0三者分工协作构建了一个面向工业4.0的顶层治理结构,既推动德国企业的相互联系,又大大促进国际交流。在这套协作体系下,工业4.0围绕提出的RAMI4.0(Reference Architecture Model Industrie 4.0,工业4.0参考架构模型),在已有工业标准的基础上,补充如IEC PAS 63088、IEC 62890、IEC62832等关键标准,从而建立起完整的标准体系。

2020年9月23日,Bitkom、VDMA和ZVEI成立了IDTA(Industrial Digital Twin Association,工业数字孪生体协会),力图将Asset Administration Shell(资产管理壳)作为数字孪生的关键技术标准,即IEC 63278。对比2020年5月OMG成立的Digital Twin Consortium可以看出未来技术发展的趋势。另外,IDSA(Industrial Data Space Association,工业数据空间协会)提出了IDS(Industrial Data Space,工业数据空间)概念,尝试建立数据主权标准并以此作为组建数据生态的基础,其积极与PI4.0合作,并成为一个重要的技术研究方向。

PI4.0规划了2030愿景并制定了工业4.0标准化路线图,主要从参考架构模型、系统及属性、人与工作、工业安全、人工智能技术发展方向。

7. IIC

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图12 美国工业互联网相关行业组织关系

OMG(Object Management Group,对象管理集团)成立于1989年,是一个国际性的,开放的,不以营利为目的的技术标准联盟,由供应商,最终用户,学术机构和政府机构组成。OMG的工作组针对广泛的技术和行业制定企业集成标准。OMG制定的标准包括UML(统一建模语言)、SYSML(系统建模语言)和MDA(模型驱动架构),可实现功能强大的可视化设计、软件和其他过程的执行和维护。OMG还托管CISQ(信息与软件质量联盟),DDS  Foundation和BPM + Health。此外,OMG还管理着IIC和Digital Twin Consortium。

IIC(Industrial Internet Consortium,工业互联网联盟)由AT&T,Cisco,GE,IBM和Intel于2014年3月成立,是一个开放的国际性非营利联盟,为工业互联网设定体系结构和发展方向,制定通用架构,互操作性和开放标准实现对象与人员,流程和数据连接和集成。在OMG强大的信息标准支撑下,IIC理论体系及标准成熟完善,是从软件到硬件自上而下智能制造方案。架构工作小组发布了《工业互联网参考体系架构(IIRA)》,还包括《工业互联网分析框架》、《工业互联网连接框架》等。智能制造是IIC研究的重要方向,如TSN、机器学习,智能网络、物联网等技术在各制造行业中的应用。

2019年1月IIC和OpenFog Consortium、SOA Consortium进行了整合,实现了工业互联网与物联网、边缘计算的融合。2020年5月,OMG以及Ansys,Dell Technologies,Lendlease和Microsoft创建了新的Digital twin Consortium(数字孪生联盟)。Digital twin本为IIC提及的关键技术,如今剥离自成门户,也凸显该技术的重要性。

相对于德国工业由制造业行业推动工业4.0,美国推动工业互联网则是由IT背景企业发起,不断吸纳工业制造业企业加入,完成了物联网与边缘计算的整合,凭借其强大的信息技术优势自上而下实现对制造业的数字化智能化转型。

8. IVI和EdgeCross

IVI(Industrial Value Chain Initiative,工业价值链计划)是一个论坛,目标为设计一个新的企业生态,整合IT和制造业并朝着正确的方向发展。成员大多为日本工业企业,也包括西门子、博世等国际自动化企业。IVI设立了生产工程、质量管理、生产计划与控制、供应链管理、中小企业、预防性维护、资产和设备管理、维修服务管理工作组。在2016年提出了《工业价值量参考架构(IVRA)》并于2018年进行了更新,2019年IVI提出了智能工厂实施路线图。顾名思义,IVI更加注重整个工业价值链的重塑和打通,并与IDSA(Industrial Data Space Association,工业数据空间协会)积极开展合作。

EdgeCross Consortium同样也是由大部分为日本工业企业组成的边缘计算组织,其比较鲜明的特点是提供统一的边缘软件架构及测试认证的组件供成员使用,增加组织成员内部的软件的兼容性并降低开发成本。

总结


传统行业组织与新兴行业组织不断融合,以致出现了国家级的平台组织协调各行业组织精密协作,补充搭建完整的标准体系,明确了流程行业智能工厂方向及技术路线。这些行业组织的技术成果凝聚了流程行业数十年的积累沉淀,汇聚了国际众多行业专家的经验创新,融入了各领域的先进技术,值得我们学习研究引进吸收。


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流程行业智能工厂相关国际组织及技术成果梳理(上)


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