彭瑜 | 开放自动化——工业自动化的未来

彭瑜教授在2021GAMS峰会的演讲

　　多年来，在工业自动化的市场上，DCS、PLC硬件和软件的强力捆绑，让不同厂家产品间兼容性差、没有互操作性的短板暴露无遗。伴随着飞速发展的IT技术和滞后的OT技术间的矛盾加剧ConTROL ENGINEERING China版权所有，让最终用户承受着巨大的负担。因此这些年，“开放自动化”的倡导音量愈来愈大。

　　■ 为什么说“开放”是工业自动化发展的必然趋势？

　　■ 解绑传统的硬/软件，能给行业带来哪些变化？

　　本文内容整理自上海工业自动化仪表研究院，PLCopen中国组织名誉主席，中国智能制造综合标准化工作组专家 彭瑜教授，在2021（第十届）全球自动化和制造主题峰会上的演讲。

　　开放：一个不可逆转的发展趋势

　　放眼IT行业，回顾30年来，互联网云计算风靡全球，促使整个社会的生产组织、商业组织，乃至社会组织都发生了无数创新颠覆的变化。它成功的基石植根于开放互联网标准和云计算标准的推行，让互联网的应用得以存在和成长，催生出了强大的、有生命力、创造力的平台，并让所有的用户都能从中受益。

　　在工业领域，近年来，由工业4.0、工业互联网所驱动的概念、软件、产品和开放架构的实施，正在重新定义流程工业和离散制造业的自动化架构——朝着更开放的方向阔步前进。且这一趋势已经不可逆转，并将持续提高整个工业领域的效率和盈利能力。

　　但实际上，工业自动化界在接受“开放”趋势并付诸实践方面，远非先知先觉。PLC跟DCS在70年代就已经开始应用推广，但始终缺乏一种完整的规范控制系统配置和组态语言。DCS、PLC硬件和软件捆绑，造成了不同厂家的产品不但没有兼容性、互操作性，而且在系统和软件升级的时候，用户只能依赖原来的厂家，一旦服务缺失（譬如备件不能供应、难以引进新的软件技术等），最终用户是无能为力的。这一壁垒横亘在工业自动化行业面前，大大制约了进一步的高质量发展。

　　当这些问题在业界逐渐取得共识后，最终用户对于开放自动化控制系统的呼吁和诉求也日益强烈。而开放自动化的目的，正是采用开放、互操作和内在安全的IT/OT的融合解决方案，融合成管理和控制结合的单一系统，解决用户和行业面临的棘手问题。

　　由此可见，只有当工业自动化界加快向IT领域学习开放的观念，并普遍接受多供应商的开放标准，为终端用户提供广泛的产品和供应商的选择，认识到这种竞争是推动创新的动力，并可以让工业应用的开发人员得以利用这些标准，创建以前可能难以创建的各类应用，工业自动化界才能获得质的飞跃。

　　先从开放流程自动化论坛（OPAF）说起 

　　在用户对开放流程自动化的强烈诉求下，2016年，在美国由最终用户倡议并组织开展了针对流程工业的下一代开放自动化系统OPA的标准化活动。与此同时，欧洲也发起了面向中小制造企业的Daedalus项目，旨在积极尝试将分布式智能控制系统用于离散制造，该项目历经5年推进，现已处于实用化阶段。

　　其中，OPA标准化活动有着非常鲜明的特色。譬如，它充分吸收和继承了工业OT/IT标准的已有成果，对一切利益攸关者都持开放态度，而且始终注重结合实际的验证工作，标准的制定也必须经得起测试床的测试，以及工业装置中试的检验和验证。

　　OPA标准化的目的是让DCS从传统的Ll、L2、L3的架构，发展为开放流程自动化的两层架构——下层以OT数据中心为主，其中包含各种虚拟的DCN，即数字化控制节点；上层是ASPwww.cechina.cn，即先进的计算平台。该平台上可以安置SCADA、HMI和MES等，同时通过符合OPA的通讯架构，连接各种各样的DCN数字计算节点，这些节点可以执行DCS、PLC的功能，同时也可以把现有的DCS、PLC通过DCN的接口，接到整个系统里。

开放流程自动化系统的两层架构

　　2016年，由埃克森美孚（Exxon Mobil）开启了面向流程工业控制系统的开放流程自动化论坛（OPAF）。致力于运用最新的分布式云计算技术和虚拟化技术，重新定义已经日趋陈旧、20多年没有变动的架构，包括DCS、PLC，以及与优化运营密切相关的先进控制和MES。

OPAF论坛获得了大量跨国流程工业公司的支持，比如默克(Merck)、杜邦(Dupont)、壳牌(Shell)、巴斯夫(BASF)、乔治亚太平洋(Georgia Pacific)等

　　为了验证OPA的四大关键性能（互操作性、互换性、组态的移植性和应用程序的移植性），埃克森美孚与洛马公司合作，建立了一个系统集成实验室，并有10家公司参加（ABB，ANSYS，AspenTech，Inductive Automation控制工程网版权所有，Intel，nxtControl，R Stahl，RTI，Schneider Electric 和Wind River）。旨在探索关键技术的可行性，验证由多家不同供应商提供的硬件软件集成的系统控制工程网版权所有，能否正常运转。

OPA验证关键概念的实验结果

　　通过实验室的验证，不同硬件组件和软件组件的互操作性、互换性，以及组态和应用程序的移植性，都得到了良好的结果。于是埃克森美孚进一步制定了开放流程自动化的研发计划：

　　如上图所示，2021年该计划已经进入中试阶段。预计到2023年，结束所有的中试实验，在2025年~2026年开启商业部署。

　　工业系统编排的挑战 

　　明确开放自动化的目的后，如何管理开放自动化的系统是一个重要挑战。

　　为此，2020年上半年，埃克森美孚和加州的CPLANE.ai公司开展合作，对整个开放自动化系统进行云上编排、集成和管理。该实验也已在2020年上半年，取得了很好的结果。

　　那么，什么是工业系统的编排？

　　在过去，系统的编排技术是用在大型IT行业里的，如今要用到复杂的工业系统里是个非常新的尝试和挑战。工业编排系统是为大型工业复杂系统提供数字生命周期的管理的集成系统，它主要对系统中所有的计算元素、软件堆栈、控制应用程序、网络和容器进行管理。

　　随着下一代工业控制系统迅速成熟，并且向日益复杂的数字技术的堆栈过渡，为工业系统定制的系统编排，必将成为由多个供应商提供开放组件所构成的开放控制系统。

　　工业编排管理三步走

　　● 第一个阶段启动，需要发现不同的DCN，再输入系统的要求，并智能部署可用的各种的计算组件；

　　● 第二个运行阶段，需要监控自动发现问题、自动修复问题、维持高可用性，同时还可以维护和升级；

　　● 第三个演进阶段，是需要添加、升级功能性，并扩展能力的阶段。

　　自动编排实验的成功

　　CPLANE公司的编排系统利用编排系统对应用程序的过程控制层、计算层（包括操作系统、虚拟机VM、容器等）、网络安全以及网络构成的数字化基础架构，进行生命周期的管理和监控。

CPLANE编排系统的基本概念

　　这个开放流程自动化系统自动编排实验，模拟了一个化学混合、加热的过程。涉及到的装置包括：反应罐的批处理装置、热交换器、产品的存储罐和冷水机。该实验的控制系统，包括14个单独的计算设备，其中13个采用数字控制节点的分布式控制方式，另外一个是单独的高级计算平台，装有施耐德电气的工程设计工具EcoStruxture Automation Expert（简称EAE）。

　　DCN里运行着工业过程的控制回路，这些计算装置是由不同的微处理器（比如英特尔的X86和ARM）的异构组合，而且它们具有不同制造商提供的、不同配置的RAM和存储空间。此外，实验将实施装置分布在不同地域，一半的计算装置放在纽约，另一半放在加州（分散于美国的东、西部），很好地体现了分布式拓扑。

　　开始演示的时候，从发出启动命令到完成所有操作，一直到HMI界面能够控制启动控制功能，整个“启动阶段”大约需要10分钟。也就是说，所有的计算装置在给到IP号、系统启动后，就会自动寻找DCN和ASP。

　　该实验成功地验证了：开放系统的系统性可以通过系统编排实现。利用相关的编排技术，可以将多供应商提供的软硬件组件，集成到一个整体的开放流程自动化系统里。由于使用的是开放标准，所以互操作性非常容易实现，也更为可靠。

　　如果能将工业自动编排真正用到的工业流程中，对该项目而言，在投运DCS的时候，预计每套可以节约100万美元的资金成本。更重要的是，这一项目不论从IT还是OT的视角来看，都很大程度地实现了开放自动化系统当初设定的目标，且使用的都是目前能够提供的商业化的工业软件产品，而不是专门开发的软件产品。

　　不仅如此，对于以上实验系统，过去整个组态过程大概需要两个工程师花5~7天的时间ConTROL ENGINEERING China版权所有，而现在只需要10分钟。由此可见，系统编排对于加速IT和OT的融合也是至关重要的。

　　COPA联盟崛起：涌动的生态力量 

　　值得关注的是，在“开放自动化”进程的不断推动下，近年来，有越来越多的流程工业跨国公司，投入了许多OPA实验活动，例如：

　　● 巴斯夫构建了一个小型的OPA系统，并在2019年NAMUR大会上演示过；

　　● 日本横河的美国公司与埃克森美孚合作建立了一个测试平台，可以按照开放流程自动化的标准（O-PAS）的各个组件进行测试，目前准备建立中试装置进行现场实验；

　　● 沙特阿美公司已经宣布与施耐德电气合作，利用EAE建立实验台，用于学习和测试，也制定了现场实验的计划；

　　● 乔治太平洋公司和马来西亚国家石油公司，也在积极筹备建立试验台和演示装置；

　　● 陶氏化学公司和合作伙伴与密切根大学合作，利用开放流程自动化的架构部署，降低自动化成本，强劲数字孪生的能力。

　　按照目前的进展，开放流程自动化预计将在4~5年内正式投入工业运行。

　　此外，为了向更多中小型企业提供OPA系统，2021年7月，在美国还建立了一个开放流程自动化联盟（COPA）。联盟发表了一个快速启动（QuickStart）计划，用于帮助企业更快地掌握开放自动化的标准、提高自身竞争力和盈利能力。

　　COPA是由于领先的IT和OT公司构成的多元化集团。主要由协同系统集成公司——CSI（由埃克森美孚以前流程自动化的总工程师创建）和人工智能公司CPLANE.ai两个先进公司领导。

COPA合作伙伴包括经验丰富的自动化硬件和软件的制造商

　　而值得一提的是，COPA联盟与OPAF论坛是相互支持和补充的。COPA快速启动系统所提供的产品不需要巨额的资金支持，大大降低了企业学习O-PAS标准的成本，为加速开放自动化方向的发展和推广提供了有效途径。

　　2021年7月，COPA联盟发布了第一套OPA控制系统，该系统是由一个先进的计算平台，一个连接性框架，以及若干个数字控制节点构成。参加COPA的合作伙伴公司，所提供的硬件和软件组件，可以设计成预先打包好的工业控制系统，便于在还不熟悉开放流程自动系统集成的用户使用。

COPA在2021年7月发布第一套OPA控制系统

　　由上图可知，现有系统已经由原先DCS系统的三层架构变为两层。其中，由CPLANE.ai的Fusion管理软件在英特尔的Edge Controls平台上充分利用了其设计能力，提供了工业控制系统从启动、运行到进化的整个生命周期的无缝自动化和协调。

　　COPA快速启动系统的ACP由Supermicro公司制造，内置Intel Xeon D处理器。先进的数字技术，展示了快速循环模型预测控制、强化学习控制、人工智能和先进网络安全等新的功能。通过实时操作培训，工程师和管理人员能够迅速对下一代控制系统有更深了解。

　　共创开放自动化机不可失 

　　毋庸置疑，伴随着开放自动化的生态圈的悄然扩大，工业自动化也正在从现有的传统的硬件软件捆绑，向着按最终用户的需求配置转变。系统的管控一体化，从传统的金字塔、多层的分级系统，向统一的、独立于制造商的、广泛被IT和OT采用的IT/OT融合的行业或操作标准的方案转型。

　　或许转型需要较长时间，但是从目前发展的势头来看，绝对不会超过10年。所以工业自动化供应商，恰好有独特的机会，站在自动化技术进步的正确一面，开发基于开放标准的系统，参与构建开放标准的生态。

　　而时机把握的关键，在于现在就要行动，不能在整个系统达到临界点之前再行动，否则就会被完全拥抱互联开放互联操作生态系统、能更好响应用户需求的供应商所取代。面对这一转型趋势，我国广大的自动化工作者，也必须要有清醒的认识和态度，不能够躺平，等待先进工业国家完成转型之后才付诸行动是不可取的。

　　庆幸的是，我国有越来越多的自动化企业和开发人员注意到这一趋势，在各自的工作中，正在关注和运用开放自动化的标准。如果有更多的组织、人员和热情从奢谈工业互联网转向务实和落地，必不可少的前提一定是共享开放自动化的标准，共筑开放自动化的生态系统，共创开放自动化的未来。