彭瑜教授在2021GAMS峰會的演講

　　多年來，在工業(yè)自動化的市場上，DCS、PLC硬件和軟件的強力捆綁，讓不同廠家產(chǎn)品間兼容性差、沒有互操作性的短板暴露無遺。伴隨著飛速發(fā)展的IT技術(shù)和滯后的OT技術(shù)間的矛盾加劇ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，讓最終用戶承受著巨大的負擔。因此這些年，“開放自動化”的倡導音量愈來愈大。

　　■ 為什么說“開放”是工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢？

　　■ 解綁傳統(tǒng)的硬/軟件，能給行業(yè)帶來哪些變化？

　　本文內(nèi)容整理自上海工業(yè)自動化儀表研究院，PLCopen中國組織名譽主席，中國智能制造綜合標準化工作組專家 彭瑜教授，在2021（第十屆）全球自動化和制造主題峰會上的演講。

　　開放：一個不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢

　　放眼IT行業(yè)，回顧30年來，互聯(lián)網(wǎng)云計算風靡全球，促使整個社會的生產(chǎn)組織、商業(yè)組織，乃至社會組織都發(fā)生了無數(shù)創(chuàng)新顛覆的變化。它成功的基石植根于開放互聯(lián)網(wǎng)標準和云計算標準的推行，讓互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用得以存在和成長，催生出了強大的、有生命力、創(chuàng)造力的平臺，并讓所有的用戶都能從中受益。

　　在工業(yè)領(lǐng)域，近年來，由工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所驅(qū)動的概念、軟件、產(chǎn)品和開放架構(gòu)的實施，正在重新定義流程工業(yè)和離散制造業(yè)的自動化架構(gòu)——朝著更開放的方向闊步前進。且這一趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，并將持續(xù)提高整個工業(yè)領(lǐng)域的效率和盈利能力。

　　但實際上，工業(yè)自動化界在接受“開放”趨勢并付諸實踐方面，遠非先知先覺。PLC跟DCS在70年代就已經(jīng)開始應(yīng)用推廣，但始終缺乏一種完整的規(guī)范控制系統(tǒng)配置和組態(tài)語言。DCS、PLC硬件和軟件捆綁，造成了不同廠家的產(chǎn)品不但沒有兼容性、互操作性，而且在系統(tǒng)和軟件升級的時候，用戶只能依賴原來的廠家，一旦服務(wù)缺失（譬如備件不能供應(yīng)、難以引進新的軟件技術(shù)等），最終用戶是無能為力的。這一壁壘橫亙在工業(yè)自動化行業(yè)面前，大大制約了進一步的高質(zhì)量發(fā)展。

　　當這些問題在業(yè)界逐漸取得共識后，最終用戶對于開放自動化控制系統(tǒng)的呼吁和訴求也日益強烈。而開放自動化的目的，正是采用開放、互操作和內(nèi)在安全的IT/OT的融合解決方案，融合成管理和控制結(jié)合的單一系統(tǒng)，解決用戶和行業(yè)面臨的棘手問題。

　　由此可見，只有當工業(yè)自動化界加快向IT領(lǐng)域?qū)W習開放的觀念，并普遍接受多供應(yīng)商的開放標準，為終端用戶提供廣泛的產(chǎn)品和供應(yīng)商的選擇，認識到這種競爭是推動創(chuàng)新的動力，并可以讓工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)人員得以利用這些標準，創(chuàng)建以前可能難以創(chuàng)建的各類應(yīng)用，工業(yè)自動化界才能獲得質(zhì)的飛躍。

　　先從開放流程自動化論壇（OPAF）說起 

　　在用戶對開放流程自動化的強烈訴求下，2016年，在美國由最終用戶倡議并組織開展了針對流程工業(yè)的下一代開放自動化系統(tǒng)OPA的標準化活動。與此同時，歐洲也發(fā)起了面向中小制造企業(yè)的Daedalus項目，旨在積極嘗試將分布式智能控制系統(tǒng)用于離散制造，該項目歷經(jīng)5年推進，現(xiàn)已處于實用化階段。

　　其中，OPA標準化活動有著非常鮮明的特色。譬如，它充分吸收和繼承了工業(yè)OT/IT標準的已有成果，對一切利益攸關(guān)者都持開放態(tài)度，而且始終注重結(jié)合實際的驗證工作，標準的制定也必須經(jīng)得起測試床的測試，以及工業(yè)裝置中試的檢驗和驗證。

　　OPA標準化的目的是讓DCS從傳統(tǒng)的Ll、L2、L3的架構(gòu)，發(fā)展為開放流程自動化的兩層架構(gòu)——下層以O(shè)T數(shù)據(jù)中心為主，其中包含各種虛擬的DCN，即數(shù)字化控制節(jié)點；上層是ASPwww.cechina.cn，即先進的計算平臺。該平臺上可以安置SCADA、HMI和MES等，同時通過符合OPA的通訊架構(gòu)，連接各種各樣的DCN數(shù)字計算節(jié)點，這些節(jié)點可以執(zhí)行DCS、PLC的功能，同時也可以把現(xiàn)有的DCS、PLC通過DCN的接口，接到整個系統(tǒng)里。

開放流程自動化系統(tǒng)的兩層架構(gòu)

　　2016年，由?？松梨冢‥xxon Mobil）開啟了面向流程工業(yè)控制系統(tǒng)的開放流程自動化論壇（OPAF）。致力于運用最新的分布式云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，重新定義已經(jīng)日趨陳舊、20多年沒有變動的架構(gòu)，包括DCS、PLC，以及與優(yōu)化運營密切相關(guān)的先進控制和MES。

OPAF論壇獲得了大量跨國流程工業(yè)公司的支持，比如默克(Merck)、杜邦(Dupont)、殼牌(Shell)、巴斯夫(BASF)、喬治亞太平洋(Georgia Pacific)等

　　為了驗證OPA的四大關(guān)鍵性能（互操作性、互換性、組態(tài)的移植性和應(yīng)用程序的移植性），?？松梨谂c洛馬公司合作，建立了一個系統(tǒng)集成實驗室，并有10家公司參加（ABB，ANSYS，AspenTech，Inductive Automation控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，Intel，nxtControl，R Stahl，RTI，Schneider Electric 和Wind River）。旨在探索關(guān)鍵技術(shù)的可行性，驗證由多家不同供應(yīng)商提供的硬件軟件集成的系統(tǒng)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，能否正常運轉(zhuǎn)。

OPA驗證關(guān)鍵概念的實驗結(jié)果

　　通過實驗室的驗證，不同硬件組件和軟件組件的互操作性、互換性，以及組態(tài)和應(yīng)用程序的移植性，都得到了良好的結(jié)果。于是?？松梨谶M一步制定了開放流程自動化的研發(fā)計劃：

　　如上圖所示，2021年該計劃已經(jīng)進入中試階段。預(yù)計到2023年，結(jié)束所有的中試實驗，在2025年~2026年開啟商業(yè)部署。

　　工業(yè)系統(tǒng)編排的挑戰(zhàn) 

　　明確開放自動化的目的后，如何管理開放自動化的系統(tǒng)是一個重要挑戰(zhàn)。

　　為此，2020年上半年，?？松梨诤图又莸腃PLANE.ai公司開展合作，對整個開放自動化系統(tǒng)進行云上編排、集成和管理。該實驗也已在2020年上半年，取得了很好的結(jié)果。

　　那么，什么是工業(yè)系統(tǒng)的編排？

　　在過去，系統(tǒng)的編排技術(shù)是用在大型IT行業(yè)里的，如今要用到復雜的工業(yè)系統(tǒng)里是個非常新的嘗試和挑戰(zhàn)。工業(yè)編排系統(tǒng)是為大型工業(yè)復雜系統(tǒng)提供數(shù)字生命周期的管理的集成系統(tǒng)，它主要對系統(tǒng)中所有的計算元素、軟件堆棧、控制應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)和容器進行管理。

　　隨著下一代工業(yè)控制系統(tǒng)迅速成熟，并且向日益復雜的數(shù)字技術(shù)的堆棧過渡，為工業(yè)系統(tǒng)定制的系統(tǒng)編排，必將成為由多個供應(yīng)商提供開放組件所構(gòu)成的開放控制系統(tǒng)。

　　工業(yè)編排管理三步走

　　● 第一個階段啟動，需要發(fā)現(xiàn)不同的DCN，再輸入系統(tǒng)的要求，并智能部署可用的各種的計算組件；

　　● 第二個運行階段，需要監(jiān)控自動發(fā)現(xiàn)問題、自動修復問題、維持高可用性，同時還可以維護和升級；

　　● 第三個演進階段，是需要添加、升級功能性，并擴展能力的階段。

　　自動編排實驗的成功

　　CPLANE公司的編排系統(tǒng)利用編排系統(tǒng)對應(yīng)用程序的過程控制層、計算層（包括操作系統(tǒng)、虛擬機VM、容器等）、網(wǎng)絡(luò)安全以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)字化基礎(chǔ)架構(gòu)，進行生命周期的管理和監(jiān)控。

CPLANE編排系統(tǒng)的基本概念

　　這個開放流程自動化系統(tǒng)自動編排實驗，模擬了一個化學混合、加熱的過程。涉及到的裝置包括：反應(yīng)罐的批處理裝置、熱交換器、產(chǎn)品的存儲罐和冷水機。該實驗的控制系統(tǒng)，包括14個單獨的計算設(shè)備，其中13個采用數(shù)字控制節(jié)點的分布式控制方式，另外一個是單獨的高級計算平臺，裝有施耐德電氣的工程設(shè)計工具EcoStruxture Automation Expert（簡稱EAE）。

　　DCN里運行著工業(yè)過程的控制回路，這些計算裝置是由不同的微處理器（比如英特爾的X86和ARM）的異構(gòu)組合，而且它們具有不同制造商提供的、不同配置的RAM和存儲空間。此外，實驗將實施裝置分布在不同地域，一半的計算裝置放在紐約，另一半放在加州（分散于美國的東、西部），很好地體現(xiàn)了分布式拓撲。

　　開始演示的時候，從發(fā)出啟動命令到完成所有操作，一直到HMI界面能夠控制啟動控制功能，整個“啟動階段”大約需要10分鐘。也就是說，所有的計算裝置在給到IP號、系統(tǒng)啟動后，就會自動尋找DCN和ASP。

　　該實驗成功地驗證了：開放系統(tǒng)的系統(tǒng)性可以通過系統(tǒng)編排實現(xiàn)。利用相關(guān)的編排技術(shù)，可以將多供應(yīng)商提供的軟硬件組件，集成到一個整體的開放流程自動化系統(tǒng)里。由于使用的是開放標準，所以互操作性非常容易實現(xiàn)，也更為可靠。

　　如果能將工業(yè)自動編排真正用到的工業(yè)流程中，對該項目而言，在投運DCS的時候，預(yù)計每套可以節(jié)約100萬美元的資金成本。更重要的是，這一項目不論從IT還是OT的視角來看，都很大程度地實現(xiàn)了開放自動化系統(tǒng)當初設(shè)定的目標，且使用的都是目前能夠提供的商業(yè)化的工業(yè)軟件產(chǎn)品，而不是專門開發(fā)的軟件產(chǎn)品。

　　不僅如此，對于以上實驗系統(tǒng)，過去整個組態(tài)過程大概需要兩個工程師花5~7天的時間ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，而現(xiàn)在只需要10分鐘。由此可見，系統(tǒng)編排對于加速IT和OT的融合也是至關(guān)重要的。

　　COPA聯(lián)盟崛起：涌動的生態(tài)力量 

　　值得關(guān)注的是，在“開放自動化”進程的不斷推動下，近年來，有越來越多的流程工業(yè)跨國公司，投入了許多OPA實驗活動，例如：

　　● 巴斯夫構(gòu)建了一個小型的OPA系統(tǒng)，并在2019年NAMUR大會上演示過；

　　● 日本橫河的美國公司與?？松梨诤献鹘⒘艘粋€測試平臺，可以按照開放流程自動化的標準（O-PAS）的各個組件進行測試，目前準備建立中試裝置進行現(xiàn)場實驗；

　　● 沙特阿美公司已經(jīng)宣布與施耐德電氣合作，利用EAE建立實驗臺，用于學習和測試，也制定了現(xiàn)場實驗的計劃；

　　● 喬治太平洋公司和馬來西亞國家石油公司，也在積極籌備建立試驗臺和演示裝置；

　　● 陶氏化學公司和合作伙伴與密切根大學合作，利用開放流程自動化的架構(gòu)部署，降低自動化成本，強勁數(shù)字孿生的能力。

　　按照目前的進展，開放流程自動化預(yù)計將在4~5年內(nèi)正式投入工業(yè)運行。

　　此外，為了向更多中小型企業(yè)提供OPA系統(tǒng)，2021年7月，在美國還建立了一個開放流程自動化聯(lián)盟（COPA）。聯(lián)盟發(fā)表了一個快速啟動（QuickStart）計劃，用于幫助企業(yè)更快地掌握開放自動化的標準、提高自身競爭力和盈利能力。

　　COPA是由于領(lǐng)先的IT和OT公司構(gòu)成的多元化集團。主要由協(xié)同系統(tǒng)集成公司——CSI（由?？松梨谝郧傲鞒套詣踊目偣こ處焺?chuàng)建）和人工智能公司CPLANE.ai兩個先進公司領(lǐng)導。

COPA合作伙伴包括經(jīng)驗豐富的自動化硬件和軟件的制造商

　　而值得一提的是，COPA聯(lián)盟與OPAF論壇是相互支持和補充的。COPA快速啟動系統(tǒng)所提供的產(chǎn)品不需要巨額的資金支持，大大降低了企業(yè)學習O-PAS標準的成本，為加速開放自動化方向的發(fā)展和推廣提供了有效途徑。

　　2021年7月，COPA聯(lián)盟發(fā)布了第一套OPA控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由一個先進的計算平臺，一個連接性框架，以及若干個數(shù)字控制節(jié)點構(gòu)成。參加COPA的合作伙伴公司，所提供的硬件和軟件組件，可以設(shè)計成預(yù)先打包好的工業(yè)控制系統(tǒng)，便于在還不熟悉開放流程自動系統(tǒng)集成的用戶使用。

COPA在2021年7月發(fā)布第一套OPA控制系統(tǒng)

　　由上圖可知，現(xiàn)有系統(tǒng)已經(jīng)由原先DCS系統(tǒng)的三層架構(gòu)變?yōu)閮蓪?。其中，由CPLANE.ai的Fusion管理軟件在英特爾的Edge Controls平臺上充分利用了其設(shè)計能力，提供了工業(yè)控制系統(tǒng)從啟動、運行到進化的整個生命周期的無縫自動化和協(xié)調(diào)。

　　COPA快速啟動系統(tǒng)的ACP由Supermicro公司制造，內(nèi)置Intel Xeon D處理器。先進的數(shù)字技術(shù)，展示了快速循環(huán)模型預(yù)測控制、強化學習控制、人工智能和先進網(wǎng)絡(luò)安全等新的功能。通過實時操作培訓，工程師和管理人員能夠迅速對下一代控制系統(tǒng)有更深了解。

　　共創(chuàng)開放自動化機不可失 

　　毋庸置疑，伴隨著開放自動化的生態(tài)圈的悄然擴大，工業(yè)自動化也正在從現(xiàn)有的傳統(tǒng)的硬件軟件捆綁，向著按最終用戶的需求配置轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)的管控一體化，從傳統(tǒng)的金字塔、多層的分級系統(tǒng)，向統(tǒng)一的、獨立于制造商的、廣泛被IT和OT采用的IT/OT融合的行業(yè)或操作標準的方案轉(zhuǎn)型。

　　或許轉(zhuǎn)型需要較長時間，但是從目前發(fā)展的勢頭來看，絕對不會超過10年。所以工業(yè)自動化供應(yīng)商，恰好有獨特的機會，站在自動化技術(shù)進步的正確一面，開發(fā)基于開放標準的系統(tǒng)，參與構(gòu)建開放標準的生態(tài)。

　　而時機把握的關(guān)鍵，在于現(xiàn)在就要行動，不能在整個系統(tǒng)達到臨界點之前再行動，否則就會被完全擁抱互聯(lián)開放互聯(lián)操作生態(tài)系統(tǒng)、能更好響應(yīng)用戶需求的供應(yīng)商所取代。面對這一轉(zhuǎn)型趨勢，我國廣大的自動化工作者，也必須要有清醒的認識和態(tài)度，不能夠躺平，等待先進工業(yè)國家完成轉(zhuǎn)型之后才付諸行動是不可取的。

　　慶幸的是，我國有越來越多的自動化企業(yè)和開發(fā)人員注意到這一趨勢，在各自的工作中，正在關(guān)注和運用開放自動化的標準。如果有更多的組織、人員和熱情從奢談工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)向務(wù)實和落地，必不可少的前提一定是共享開放自動化的標準，共筑開放自動化的生態(tài)系統(tǒng)，共創(chuàng)開放自動化的未來。