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OT與IT融合，一個長期演進的過程！

2022-10-14新聞


導(dǎo) 讀 ( 文/ 彭瑜教授，本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載 )


長期以來信息技術(shù) IT 和操作運營技術(shù) OT 是相互隔離的。他們各自有著不同的目標，沿著不同的路徑發(fā)展，同時在不同的生態(tài)系統(tǒng)中運行。它們之間的鴻溝實際上阻礙了制造廠充分利用尚待發(fā)掘和已經(jīng)掌握的必要信息。


彭瑜教授：上海工業(yè)自動化儀表研究院，PLCopen 中國組織名譽主席


眾所周知，如果在合適的時機卻缺乏合適的信息，會導(dǎo)致決策錯誤和產(chǎn)生不可靠的行動。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造和大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)和運用，它們不可能永遠保持著老死不相往來的局面。我們應(yīng)該看到 OT-IT 融合是一個需要分階段實施、逐步提升層次的相當緩慢的過程，不過制造廠已經(jīng)開始認識到在一個互聯(lián)的工廠和企業(yè)中把 OT-IT 結(jié)合，會取得許多意想不到的利益，例如：


● 收獲大數(shù)據(jù)帶來的諸多好處
● 為更好的決策獲得信息
● 優(yōu)化業(yè)務(wù)過程
● 使突發(fā)的設(shè)備故障最小化
● 削減運營成本 ● 降低風險，縮短項目的時間進程


01

關(guān)于 OT 的定義


維基百科的 OT 定義：

“專門用于直接監(jiān)控和/或 控制物理設(shè)備（諸如閥門、泵等）來檢測物理過程，或使物理過程發(fā)生變化的硬件和軟件”。



簡單地說 OT 是用計算機（或其它處理設(shè)備）監(jiān)控或改變一個系統(tǒng)的物理狀態(tài)，例如電站的控制系統(tǒng)或鐵路的控制網(wǎng)絡(luò)。創(chuàng)建 OT 的初衷是用來表述傳統(tǒng) IT 系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)環(huán)境在技術(shù)性和功能性的差異，工業(yè)控制系統(tǒng)所處的環(huán)境是所謂“非鋪地毯區(qū)域的 IT”，即在嚴酷的工 業(yè)環(huán)境中直接監(jiān)控和控制生產(chǎn)的 IT 設(shè)備， 例如 PLC、 SCADA、 DCS、 CNC 系統(tǒng)（包括計算機化的機床）、科學(xué)設(shè)備（如數(shù)字式示波器）。

Gartner 關(guān)于 OT 的定義：

“ 直接監(jiān)控和/或控制工業(yè)設(shè)備、資產(chǎn)、流程和事件來檢測物理過程或使物 理過程產(chǎn)生變化的硬件和軟件” 。


在網(wǎng)上還可以檢索到一些其它的定義，但基本離不開上面兩種定義的概念。歸納 OT 的概念有著以 的幾點基本內(nèi)容：


① OT 和在工業(yè)企業(yè)用的 IT 系統(tǒng)都是為工業(yè)企業(yè)服務(wù)的，這些工業(yè)企業(yè)是指流程工業(yè)，離散制造業(yè)、批量制造業(yè)等， 將其它類型的企業(yè)的運營技術(shù)納入 OT 的概念只是引申，并非原意。 


② OT 技術(shù)是直接對工業(yè)的物理過程、資產(chǎn)和事件進行監(jiān)控和/或?qū)^程、資產(chǎn)和事件實施改變控制的硬件和軟件。直觀來看， OT 其實就是工業(yè)控制系統(tǒng)（ PLC、 DCS、 SCADA 等） 及其應(yīng)用軟件的總稱， 但其應(yīng)用軟件 顯然隱含了工業(yè)工程技術(shù)（所謂的 ET）的豐富內(nèi)容。 


③ 不直接對工業(yè)物理過程、資產(chǎn)和事件進行監(jiān)控和產(chǎn)生影響的技術(shù)， 不屬于 OT 的范圍。按照這個概念 ERP 顯然不是 OT 的范疇， MES/MOM 處于 IT 和 OT 之間。 


④ OT 技術(shù)的承載體是計算機系統(tǒng)或其它的運用計算技術(shù)的處理系統(tǒng)。不過由于 OT 直接面對工業(yè)生產(chǎn)的 物理設(shè)備和過程，保證其安全穩(wěn)定運行，按質(zhì)按量生 產(chǎn)產(chǎn)品是其首要的目標，因此長期以來采用專用的系 統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和軟件。在這個意義上，與 IT 相比，其開放性和標準化有待于改善和提升。


簡而言之，當下的工廠有 IT 和 OT 之分。處理工廠的數(shù)據(jù)和信息，并以維護所制造產(chǎn)品的質(zhì)量為目標的團隊，就叫 IT。另外的團隊控制和分析整個的生產(chǎn)過程以獲得進一步的改善，這就是 OT。

歷史上這兩個團隊是相互獨立的，但一旦它們相互融合會使整個工廠產(chǎn)生顯著的改善。OT 與 IT 融合必然創(chuàng)建提質(zhì)增效的結(jié)果。它賦予工廠的管理者監(jiān)控運行和過程的能力大為增強，甚至可以預(yù)測到可能發(fā)生的任何意想不到的事件，未雨綢繆。它會加速生產(chǎn)節(jié)拍或速度、使能源和時間的消耗最小化，以及降低監(jiān)控資產(chǎn)的成本。 


下圖1 是從近年新進且在 IIoT 領(lǐng)域發(fā)展很好的美國 Inductive Automation 公司的白皮書《IIoT: Combining the Best of OT and IT》 中的截圖。直觀地指出 OT 包括機械裝備、物理成套設(shè)備以及對它們踐行監(jiān)控和控制的工業(yè)硬件和軟件。 

圖1 OT 和 IT 的范圍

OT 專業(yè)人員偏好使用 PLC、 DCS、 RTU、 HMI、 SCADA，以及嵌入式計算技術(shù)。而 IT 包括用于企業(yè)管理的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、通 信技術(shù)以及存貯、處理和向企業(yè)各個部門傳輸信息的系統(tǒng)。IT 專業(yè)人員擅長聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，非常熟悉快速擴展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、云基礎(chǔ)架構(gòu)、基于 web 的部署和諸如 SQL、 Java 及 Python 等技術(shù)。

在解決問題的工作和思維方式上 OT 和 IT 也往往不同。IT 采用自頂而下的方法，慣于從總體需求出發(fā)， 然后劃分為若干的子部件，且針對子部件提出和開發(fā) 解決方案。這種解決問題的思路，不僅僅能了解問題 的所在，而且也很好地給出了解決問題的方法。OT 人員習慣于自下而上的思路，從個別的部件出發(fā)構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)。例如 SCADA 系統(tǒng)要從工廠層面的不同生產(chǎn)過程采集數(shù)據(jù)， OT 人員必須面對如何從不同的專用系統(tǒng)中把數(shù)據(jù)集成起來。而且 OT 人員環(huán)繞著以任務(wù)為關(guān)鍵的高風險系統(tǒng)工作，他們最關(guān)注的一定是安全（物理安全、功能安全和信息安全）。這也就是為什么互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)的聯(lián)接不能在 OT 范圍直接運用的根源。


隨著智能裝備、大數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的引入， OT 和 IT 人員都面臨需要解決存取工業(yè)數(shù)據(jù)同樣的問題。偏偏在企業(yè)中 OT 和 IT 處在不同的層面，從解決問題 的觀點來看，它們相互之間并不真正了解對方的需求。IT 人員并不理解為什么 OT 仍然要使用傳統(tǒng)的設(shè)備，采用專用的昂貴的解決方案去處理問題。OT 人員或許 對 SQL 數(shù)據(jù)庫或者對現(xiàn)今在 IT 中運用的信息安全協(xié)議的寬度并不深度了解。


即使存在這些差異，而現(xiàn)在正好存在這樣的機會 讓 OT 和 IT 相互融合， 通過提升各自的能力，從而形成一種真正具有顛覆性的技術(shù)。在工業(yè) 3.0 的時代， OT 和 IT 保持著彼此相互的分割。而為了滿足今天的 數(shù)據(jù)密集型的環(huán)境和進入工業(yè) 4.0，企業(yè)必須將 OT 和 IT 交匯融合匹配。


02

怎樣可以實現(xiàn) OT-IT 融合


IT 和 OT 的融合可不是一件輕而易舉的任務(wù)。即使是在提出 IT/OT 融合概念的美國，現(xiàn)在還在艱難地探索，至少在當下還不存在非常成熟的模式。這里暫不涉及技術(shù)細節(jié)，更多從組織方法上進行討論。


試想，要使長期獨立行事、互相隔離的 IT 部門和 OT 部門融合交匯，需要在業(yè)務(wù)層和技術(shù)層進行頂層設(shè)計和組織設(shè)計，乃至進行重組。

近兩年美國有三個不同行業(yè)的公司在這方面做了值得稱道的工作，主要是：建立一個新的混合的制造 IT 的機構(gòu)；制造 IT 機構(gòu)率先對工作人員進行交叉培訓(xùn)，讓 OT 人員深度了解 IT 的同時，也使 IT 人員深度了解 OT；制造 IT 機構(gòu)去執(zhí) 行一整套協(xié)調(diào)一致的技術(shù)管理流程，以確保建立一個一致性更好的跨 IT 和 OT 的架構(gòu)。這個被稱為實現(xiàn) OT-IT 融合的操作架構(gòu)，定義 IT 和 OT 系統(tǒng)的統(tǒng)盤考慮的路線圖。打破 IT 和 OT 之間的技術(shù)隔離和各自為政，是開發(fā)操作架構(gòu)的關(guān)鍵因素。


我們還可以從企業(yè)架構(gòu)的角度切入 OT-IT 的融合。將此兩個領(lǐng)域融合， 首先要求依據(jù)一系列預(yù)先很好定 義、且可擴可縮的標準，其涵蓋的范圍從資產(chǎn)到數(shù)據(jù)中心， 反之也然，即從數(shù)據(jù)中心到資產(chǎn)。確保這些標準安全，是相當關(guān)鍵的。否則重要的和價格昂貴的資產(chǎn)容易受到攻擊。所有這些相關(guān)的關(guān)切可被概括為企 業(yè)架構(gòu)的概念。這一架構(gòu)采取自頂而下的方法。在傳遞到技術(shù)細節(jié)之前，其流程包括需要組織的目標、策略、遠景規(guī)劃和業(yè)務(wù)諸方面。在操作運營的范圍里， 這一企業(yè)架構(gòu)允許 IT 和 OT 不致發(fā)生對立的難以協(xié)調(diào)的工作。


什么是“企業(yè)架構(gòu)”呢？維基百科的定義是：

“ 企業(yè)架構(gòu)是一種為開展企業(yè)的分析、設(shè)計、規(guī)劃和實現(xiàn)而定義的完善的實踐活動，為了成功地進行策略的開 發(fā)和執(zhí)行，它在所有的時間內(nèi)采用統(tǒng)盤考慮全局協(xié)調(diào)的方法?！?/span>


顯而易見，之所以需要企業(yè)架構(gòu)，是由于需要形成一個綜合環(huán)境，能夠在在貫穿整個企業(yè)的范圍內(nèi)，將通常碎片化的已有流程（不論是手動流程還 是自動流程）進行優(yōu)化，從而達到為對每一個變化都能作出響應(yīng)，并且支持業(yè)務(wù)策略的良好執(zhí)行。


現(xiàn)在企業(yè)的 CEO 都清楚通過 IT 對信息進行有效管理和利用，是取得業(yè)務(wù)成功的關(guān)鍵因素，而且是獲取競爭優(yōu)勢的必不可少的手段。在業(yè)務(wù)環(huán)境不斷變化的情況下， 企業(yè)架構(gòu)的作用就是通過提供 IT 系統(tǒng)演進的戰(zhàn)略背景環(huán)境以及 IT 與 OT 的融合予以應(yīng)對。

圖 2 企業(yè)架構(gòu)由四個架構(gòu)域構(gòu)成


上圖2 描述了企業(yè)架構(gòu)總體構(gòu)成的四個架構(gòu)域：● 業(yè)務(wù)架構(gòu)（定義業(yè)務(wù)策略、治理、組織和關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程）● 應(yīng)用架構(gòu)（ 提供要部署的的獨立應(yīng)用， 這些獨立應(yīng)用之間的交互作用，以及與核心的業(yè)務(wù)流程間的關(guān)系）● 數(shù)據(jù)架構(gòu)（描述組織的邏輯、物理數(shù)據(jù)資產(chǎn)和數(shù)據(jù)管 理資源的結(jié)構(gòu)） ● 技術(shù)架構(gòu)（ 描述支持業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)部署的邏輯的軟件和硬件的能力，包括 IT 基礎(chǔ)設(shè)施、中間件、網(wǎng)絡(luò)、通信、處理和標準等） 。

美國的 The Open Group 為企業(yè)架構(gòu)制定了 TOGAF 標準。幾經(jīng)版本更新目前這一企業(yè)架構(gòu)標準已是第 9 版了。

在實現(xiàn)方法上在 IT 和 OT 集成期間，制造廠必須在初始階段就下力氣，譬如讓 IT 和 OT 一起建立一種實時反映各個車間生產(chǎn)狀況的看板，這些看板向預(yù)設(shè) 的各級主管人員報告重要信息，例如產(chǎn)線的負載不平衡，分析產(chǎn)品可能會因某個工段有故障而發(fā)生問題，等等。

由于產(chǎn)線是工廠最關(guān)鍵的區(qū)域，它們隨時隨地產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，從監(jiān)控車間中可以得到高效利用的信息。雖然信息通常是 IT 的范疇，但是通過傳感器捕捉信息， 在產(chǎn)線發(fā)生不良的事件之前加以檢測并預(yù)測， 這恰恰是 OT 的范疇。只有當這些信息流能與操作運行相結(jié)合并在產(chǎn)線中得以執(zhí)行，制造廠才會從中得到客觀的利益。


03

ET 必須納入

OT-IT 融合的進程


圖3 ET 納入 OT-IT 融合的進程

由于在制造業(yè)中集成產(chǎn)品和流程設(shè)計的重要性大為增加，促使企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求工程技術(shù) ET（engineering technology）納入 IT-OT 的融合進程中。

在 ARC 給出的概念中， ET 包括了數(shù)字模型的建模技術(shù)，形成了流程工藝工程師必須與 IT 軟件開發(fā)人員一起工作，工業(yè)安全專家必須與 IT 信息安全專家協(xié)同， 自動化專家必須與 IT 數(shù)據(jù)科學(xué)家協(xié)同的局面。

在制造業(yè)中由于智能設(shè)備的復(fù)雜度增加，相應(yīng)的軟件推動 IT 和 OT 緊密的集成，于是創(chuàng)造了在原有的知識上獲得新的洞察和觀察視角的機會。只是在 IIoT 的數(shù)字化數(shù)據(jù)環(huán)境中，將 ET 工程技術(shù)中那些為建立虛擬模型的技術(shù)納入 OT-IT 融合的進程和交換中，這才能真正發(fā)揮作用。或許過去 ET 已經(jīng)被隱含在 OT-IT 的融合中，但是它的作用被低估了。在現(xiàn)在和將來的工作環(huán)境必須改變這種觀念，原因在于建模工具已成為管理決策或技術(shù)決策中的基礎(chǔ)和必備的環(huán)節(jié)。

圖4 在 IIoT 環(huán)境下 OT-IT 的融合必須納入 ET

如圖4 所示，由于 ET 需要利用 IT 來改善 OT，所以 ET 處于 IT 和 OT 的中間。隨著獲取實際狀態(tài)和對實際狀態(tài)進行可視化的技術(shù)不斷在改進， ET 為用戶提供更好了解資產(chǎn)在實際運用中的能力。在這三個領(lǐng)域之間的關(guān)系應(yīng)該超越“和平共存”，而通過合并融合，最終產(chǎn)生大于其各自部分總和的結(jié)果。


在虛擬環(huán)境下對新產(chǎn)品、新系統(tǒng)，甚至新的生產(chǎn)工廠進行設(shè)計和測試，將會創(chuàng)造一種令人耳目一新的效果，特別是從成本的視角來看可以獲得前所未有的增益 。虛 擬 模 型 可 以 在 資 產(chǎn) 整 個 生 命 周 期 中 將IT/ET/OT 聯(lián)系起來，僅從資產(chǎn)管理的角度來評價，可以取得在一個問題發(fā)生之前就能預(yù)測，并能夠以優(yōu)化的速度和成本對可能發(fā)生的問題進行維護。


舉例來說， 制藥行業(yè)由于具有對制造過程進行合規(guī)驗證的要求，一旦不合規(guī)就會影響其聲譽。當驗證的要求發(fā)生變化，接下去就要改變控制規(guī)程，如果能在專業(yè)的規(guī)程實踐的指導(dǎo)下運用制造 IT 自動地保證所需要結(jié)果的一致性，問題就容易解決。


還有一個依靠資產(chǎn)信息進行能源管理的案例。加拿大最大的集成能源公司 Suncor Energy，其運營卓越管理系統(tǒng)（OEMS）和數(shù)字化轉(zhuǎn)型平臺的基礎(chǔ)就是資產(chǎn)信息。從 2004 年開始 OEMS 的目標就是有效和高效率地改善工廠的可靠性、風險管理和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。為了獲得良好的效果，資產(chǎn)信息必須是完整的、可存取的、適時的和可信賴的。

良好的資產(chǎn)信息提供了按許可證運行來改善風險管理、減少非計劃停車和非計 劃降低運行速度、提高生產(chǎn)率、削減供應(yīng)鏈成本，以及削減資產(chǎn)投運的調(diào)試時間。Suncor 公司從企業(yè)的視角設(shè)計資產(chǎn)信息系統(tǒng)，首先設(shè)置四大支柱：標準和過程、內(nèi)容、人與企業(yè)文化、技術(shù)工藝， 先對所采集的五花八門的信息按一定的數(shù)據(jù)格式加以標準化，接著按照工業(yè)標準建立工具，并按業(yè)務(wù)情況和實例加以提升。建立一種可管理的結(jié)構(gòu)確保呈現(xiàn)和顯示來自所有業(yè)務(wù)單位的數(shù)據(jù)。除非標準和業(yè)務(wù)情況和實例已經(jīng)被批準，是不允許客制化的。過程按不同的人員即工程師、操作人員、維護人員予以實現(xiàn)。


04

充分運營 IIoT

促使 OT-IT 融合


怎樣把老一輩在工廠生產(chǎn)管理的經(jīng)驗和積累的知識， 通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為“數(shù)字原生” 的知識財富， 并被年青一代繼承和發(fā)展，這一挑戰(zhàn)也可理解為 OT 與 IT 交匯融合，使得 OT 和 IT 各自的“神經(jīng)突觸”緊 緊相連， 從而為創(chuàng)造更多價值提供保證。圖5 是日本橫河利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) IIoT 實現(xiàn)流程工業(yè)的 OT 和 IT 融合的解決方案。

圖 5 通過 IIoT
促成 OT-IT 融合的基礎(chǔ)架構(gòu)


原來在本企業(yè)內(nèi)各個工廠積累了豐富的控制、管理和優(yōu)化的經(jīng)驗， 形成了一套以生產(chǎn)任務(wù)優(yōu)先的解決方案。不過這些解決方案充其量體現(xiàn)了操作運營管理 和控制的局部優(yōu)化的系統(tǒng)思維。

如果在一個企業(yè)中有許多的工廠，它們各自的局部優(yōu)化運營也需要服從于 該企業(yè)的全局優(yōu)化運營。從社會大生產(chǎn)的全局而言，一個企業(yè)只不過是這一大生產(chǎn)鏈條中的一環(huán)，與其生產(chǎn)的上游和下游存在著諸多的關(guān)聯(lián)因素。因此一個企業(yè)的 IIoT 不僅僅要服務(wù)于該企業(yè)各個工廠間的生產(chǎn) 協(xié)調(diào)和優(yōu)化，還必然要為企業(yè)與企業(yè)間的優(yōu)化協(xié)調(diào)服務(wù)。在橫河的方案中，邊緣設(shè)備的解決方案作為 IIoT 的一部分，執(zhí)行過程優(yōu)化和分析功能；并通過與云基的解決方案的通信，實現(xiàn)企業(yè)間供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，同時還通過遠程解決方案實現(xiàn)各種工程化、運營和維護的需求。

橫河的 IIoT 的解決方案包括：● 實施提高效率，使產(chǎn)出最大化；● 進行過程數(shù)據(jù)分析，使生產(chǎn)性能最優(yōu)化；● 實現(xiàn)云端庫存管理，提高庫存的可視化和協(xié)調(diào)能力，以優(yōu)化供應(yīng)鏈；● 運用實時的過程數(shù)據(jù)共享服務(wù)，遠程監(jiān)控過程數(shù)據(jù)，從而達到設(shè)備運轉(zhuǎn)時間最大化的目的；● 提供運營管理目標服務(wù)，實現(xiàn)云基的性能跟蹤和管理；● 通過區(qū)域能源管理協(xié)調(diào)，利用云計算使區(qū)域能源成本最低；● 集中的過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采集和利用海量的過 程數(shù)據(jù)以改善運營效率和安全；● 工廠或過程仿真，使用 CPS 對相關(guān)工廠或過程進行近期行為的預(yù)測；● 對重要設(shè)備進行振動檢測，以改善狀態(tài)檢測的效率，達到降低成本的要求；● 運營人工智能分析閥門的“ pure PV”， 預(yù)測空蝕現(xiàn)象；● 利用 IIoT 采集的數(shù)據(jù)和分析， ① 確保過程的安全運行和信息安全，防止突發(fā)事件的發(fā)生和來自外界的信息攻擊；② 杜絕非計劃停車的可能性，以改善可用性和可靠性；③ 為消除人為的出錯，而導(dǎo)致的人因可靠性失控。

此外還有：進行全廠范圍內(nèi)的溫度檢測，以求得預(yù)測性維護的實施，減少過程突發(fā)停車的風險和降低設(shè)備的維護成本；利用增強顯示技術(shù)進行智能維護和實時決策支持等等。