自動(dòng)化領(lǐng)域容易被忽視的幾個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)？

作者 |?Mario Torre

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)范式已經(jīng)發(fā)生了變化。新技術(shù)的廣泛應(yīng)用也帶來(lái)了新的業(yè)務(wù)和挑戰(zhàn)。

數(shù)字技術(shù)在過(guò)去20年中不斷發(fā)展，幾十年前無(wú)法想象的事現(xiàn)在正在被采用并被視為通用標(biāo)準(zhǔn)。通信、計(jì)算硬件、集成電路小型化、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、高級(jí)分析、密碼學(xué)和其它相關(guān)技術(shù)正在不斷發(fā)展，以可承受的成本提供更多功能。

數(shù)字通信發(fā)展迅速。如今，5G無(wú)線通信在移動(dòng)或靜態(tài)設(shè)備上為我們提供了超高速和巨大的帶寬。各地已經(jīng)安裝的多頻光纖電纜，可在全球范圍內(nèi)提供超高速數(shù)據(jù)高速公路，在各國(guó)之間提供近實(shí)時(shí)的視頻通信，包括流式傳輸高清電影的能力。通信系統(tǒng)的這種擴(kuò)展將繼續(xù)下去。

硬件小型化和新的芯片制造技術(shù)正為我們帶來(lái)更便宜、更快、更小、更節(jié)能的計(jì)算設(shè)備，我們可以將其用于電器、現(xiàn)場(chǎng)或高性能云計(jì)算設(shè)備中。隨著通信的爆炸式發(fā)展，計(jì)算能力將更具有彈性，且無(wú)處不在。

機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、密碼學(xué)和其它高級(jí)算法如今可以在計(jì)算系統(tǒng)以及小型智能設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，從而提供卓越的見(jiàn)解和更多價(jià)值。通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算硬件的發(fā)展，使得所有這些都成為可能。

01

數(shù)字技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

伴隨著數(shù)字技術(shù)爆炸式的發(fā)展，新的挑戰(zhàn)也出現(xiàn)了。人們之間的聯(lián)系更加緊密，需要實(shí)時(shí)提供更多信息。市場(chǎng)需求非常不穩(wěn)定，必須在瞬間做出商業(yè)決策。技術(shù)進(jìn)步和即將到來(lái)的挑戰(zhàn)之間有著非常密切的關(guān)系。

自動(dòng)化領(lǐng)域一直在積極采用這些新技術(shù)。我們擁有了更復(fù)雜的設(shè)備、智能無(wú)線儀器、功能強(qiáng)大的可編程邏輯控制器（PLC）、邊緣計(jì)算設(shè)備、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）以及分布式控制系統(tǒng)（DCS）和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，它們可以運(yùn)行在大型的服務(wù)器或云計(jì)算環(huán)境中，在工作站、平板電腦和其它便攜式設(shè)備上為用戶(hù)提供服務(wù)。

盡管通信和計(jì)算技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，但自動(dòng)化架構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生太大變化，很多企業(yè)的底層架構(gòu)基本保持未變。

例如，由于面臨著與其它行業(yè)不同的特定挑戰(zhàn)，在技術(shù)采用方面，石油和天然氣行業(yè)基本上比較保守。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)變得更復(fù)雜，市場(chǎng)更動(dòng)蕩，競(jìng)爭(zhēng)也更激烈，必須解決環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃及其問(wèn)題。在當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，這個(gè)行業(yè)需要更充分地利用技術(shù)價(jià)值。

碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)越來(lái)越困難，經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)率越來(lái)越低，環(huán)境法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，安全政策要求減少人員在現(xiàn)場(chǎng)條件下的暴露。所有這些都在推動(dòng)該業(yè)務(wù)不僅要廣泛實(shí)施更多的自動(dòng)化和數(shù)字化解決方案，而且還要采用新的先進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，以最好地解決該行業(yè)當(dāng)前實(shí)際和即將到來(lái)的運(yùn)營(yíng)和業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)。

02

自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)的新范式

傳統(tǒng)的自動(dòng)化架構(gòu)無(wú)法跟上行業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)，企業(yè)應(yīng)采用新的自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)，以更好地適應(yīng)新的行業(yè)運(yùn)營(yíng)和業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)。以下是在其它計(jì)算架構(gòu)中取得成功，但在自動(dòng)化領(lǐng)域容易被忽視的幾個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)范例：

01

扁平化架構(gòu)：

即使新的自動(dòng)化系統(tǒng)目前已經(jīng)使用升級(jí)后的技術(shù)，它們的架構(gòu)也過(guò)于垂直?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)通信基礎(chǔ)設(shè)施連接到SCADA/DCS系統(tǒng)，然后連接到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，最后連接到應(yīng)用和商業(yè)智能系統(tǒng)，由于具有不同的用戶(hù)接口、不同層級(jí)使用多個(gè)接口以及多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這都會(huì)帶來(lái)問(wèn)題（圖1）。

▲圖 1：由于具有不同的用戶(hù)接口、不同層級(jí)使用多個(gè)接口以及多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)等，這些都容易導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出問(wèn)題。

新的架構(gòu)應(yīng)當(dāng)更扁平化，數(shù)據(jù)庫(kù)層以及層級(jí)之間的接口更少。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該基于一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字平臺(tái)，該平臺(tái)具有較少的層級(jí)，同時(shí)還應(yīng)具有大部分功能（圖2）。這個(gè)數(shù)字平臺(tái)還必須足夠靈活，以盡可能利用現(xiàn)有的儀表、自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)。

▲圖 2：整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)基于一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字平臺(tái)，該平臺(tái)包含較少的層級(jí)和大部分功能，并具有靈活性。

02

高可用性和容錯(cuò)性：

一些自動(dòng)化系統(tǒng)仍然采用經(jīng)典的熱備用配置。從本質(zhì)上來(lái)講，用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)兩個(gè)系統(tǒng)卻只用了其中一個(gè)，以彌補(bǔ)運(yùn)行中的系統(tǒng)故障工況?？梢酝ㄟ^(guò)引入新的容錯(cuò)方案來(lái)改進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)。該方案可在其中一個(gè)硬件組件發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)適應(yīng)，故障轉(zhuǎn)換時(shí)間最短或沒(méi)有故障轉(zhuǎn)換時(shí)間。

03

彈性：

企業(yè)的業(yè)務(wù)和運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可能會(huì)突然發(fā)生變化，自動(dòng)化架構(gòu)必須快速適應(yīng)這些變化。傳統(tǒng)體系架構(gòu)僵化，難于改變。在必要時(shí)，新的架構(gòu)必須能夠隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)大而迅速擴(kuò)展，或在業(yè)務(wù)需要時(shí)縮小。它必須是具有彈性的，才能在幾分鐘內(nèi)迅速擴(kuò)展或收縮，并且不會(huì)失去可操作性。

04

從頭開(kāi)始的安全：

網(wǎng)絡(luò)安全不能是在傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)之上額外增加一層結(jié)構(gòu)。新的自動(dòng)化架構(gòu)應(yīng)該從概念開(kāi)始就融入網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，從早期設(shè)計(jì)階段就采用網(wǎng)絡(luò)安全策略，如零信任架構(gòu)（ZTA）方法。如今，對(duì)于控制關(guān)鍵資產(chǎn)（任何一個(gè)行業(yè)）的自動(dòng)化系統(tǒng)而言，潛在網(wǎng)絡(luò)攻擊是一種顯而易見(jiàn)的危險(xiǎn)，必須通過(guò)新的架構(gòu)來(lái)妥善解決。

05

單點(diǎn)配置：

在當(dāng)前實(shí)踐中（如圖1所示），必須在每一層上添加新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或進(jìn)行配置更改，以保持系統(tǒng)的完整性。新的架構(gòu)必須采用“一次配置”的設(shè)計(jì)。當(dāng)安裝新設(shè)備或變更其配置時(shí)，變更必須在整個(gè)系統(tǒng)中自動(dòng)傳播。

▲圖 1：由于具有不同的用戶(hù)接口、不同層級(jí)使用多個(gè)接口以及多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)等，這些都容易導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出問(wèn)題。

06

讓智能深入到架構(gòu)中的更低層級(jí)：

“啞”的遠(yuǎn)程終端單元（RTU）或功能有限的PLC已經(jīng)成為過(guò)去。數(shù)據(jù)挖掘、分析、智能處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能，必須盡可能與過(guò)程緊密相連。在新的架構(gòu)中，邊緣設(shè)備可以承擔(dān)很大一部分處理工作。

上面這些是新自動(dòng)化和數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)可以采用的關(guān)鍵范式，還有更多的范式可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施人員更好地解決石油和天然氣行業(yè)實(shí)際面臨和即將到來(lái)的挑戰(zhàn)。

自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)范式已經(jīng)發(fā)生了變化。新技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但新的業(yè)務(wù)需求和挑戰(zhàn)也已經(jīng)出現(xiàn)。這一趨勢(shì)必將引導(dǎo)人們思考構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)和解決方案的新方法。最終挑戰(zhàn)是在這些新范式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、實(shí)施和部署自動(dòng)化系統(tǒng)。這將有助于應(yīng)對(duì)行業(yè)運(yùn)營(yíng)方面的新挑戰(zhàn)，并獲得更快、更好的投資回報(bào)。

關(guān)鍵概念：?

■?過(guò)去幾十年，數(shù)字通信呈爆炸式增長(zhǎng)，伴隨著硬件和軟件的不斷進(jìn)步，這一趨勢(shì)將持續(xù)進(jìn)行下去。

■?機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、密碼學(xué)和其它高級(jí)算法，都可以在諸多設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

編輯：黃飛