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彭瑜 | 新一代自动化的明灯

来源:知识自动化2021.10.27阅读 436

  智能制造走向了深耕区,多年统治工业领域的自动化也在重塑自己的身躯。这并不奇怪,工业自动化技术应用从来都是一个历史发展过程,任何一种理念和技术的兴起、发展和升级,甚至被新的理念、新的技术所替代,都不可能脱离特定社会经济条件下涌现的新需求和相关技术发展的新背景。
  今天智能制造的重点,已经由IT和OT的融合交织而成。作为开放自动化的重要基础——IEC 61499,越发展现着它独特的价值,或许可以引领下一个自动化的浪头。
  史无前例的反向斗争
  自动化孤岛,是如何形成的?
  在上世纪60年代末和70年代初出现的PLCDCS一经问世,立即获得了离散制造行业和流程行业普遍的认可和接受,在全球范围内得到迅速推广,而且几十年来一直雄踞工业自动化市场的主流,难以被其他技术系统撼动。
  但是在应用推广的过程中敏锐的资深专家,还是发现了一般的技术接受者不易察觉的问题,那这就是缺乏一种能完整规范控制系统配置和组态的语言,这个巨大壁垒导致不同自动化制造商的产品互不兼容。这个横亘在工业自动化行业面前、制约进一步高质量发展的壁垒直接表现为DCS和PLC的硬件和软件捆绑,致使不同厂家的产品不仅没有兼容性、没有互操作性,而且系统升级和软件升级只能依赖原来的厂家,一旦服务缺失(例如备品备件不能供应、难以引进新的软件技术)最终用户几乎无能为力。当这些问题在业界逐渐取得一定共识之后,大家就开始寻求适当的解决方案。
  早在1980年一位美国自动化大师曾经设想有一种完美的自动化语言,诸如应用程序的可移植性、系统的互操作性、工厂生产的灵活性,以及自动化控制系统投入现场调试前的可验证性,给最终用户带来巨大利益。
  指针拨回四十年后的今天,经过自动化人士循着工业控制编程语言的标准化方向的不懈耕耘,终于取得了许多喜人的成果。而这些成果的集大成者就是IEC 61131-3和IEC 61499。其中大部分的成果已经融合到自动化的软件产品和平台中,也有一些开源的实现(如Eclipse Foundation 的4DIAC开源项目)。
  与此同时,IT领域的进步与发展更是惊人。云计算技术和源源不断涌现的软件技术对一切领域都产生着深刻的影响。对工业自动化领域的影响和滲透首先表现在企业运营管理软件云化的方方面面,紧接着就对长期以来被视为经典自动化系统架构的金字塔模型产生了直接冲击,以分布式的结构和端对端的通信开始了取代多层级的递阶系统的实践。显然,这一颠覆几乎将被软件技术而非硬件技术所驱动。从经济层面上来说CONTROL ENGINEERING China版权所有,现有控制系统软硬捆绑的约束不能有效而恰当地对设备资产、数据资产和其它投资进行长期保护;从技术层面上来讲,现有的控制系统不具备原生的即本质信息安全的特质www.cechina.cn,造成了巨大的风险和隐患。
  进入二十一世纪第二个十年之后,工业界对于全开放控制系统的呼吁和诉求也日益强烈,以至于在2016年由最终用户倡议并积极组织开展了下一代开放自动化系统(OPA)的标准化活动。这一标准化活动的鲜明特色是:除了充分吸收和继承工业界已有的标准化成果,以及对一切利益攸关者都持开放态度而外,从一开始就十分注重结合实际的验证工作,即标准的制定必须经得起测试床的测试和工业装置中试的检验和验证。OPA的一个主要目标就是要大幅提升控制系统设计软件平台,而不再采用今天DCS运用的专用的功能块和软件工具。埃克森美孚(Exxon Mobil)和洛马(Lockheed Martin)曾在2017年指出:IEC 61499看起来可能满足这个目标。
  同样在2016年,在意大利发起了面向中小型制造业的Daedalus项目,积极开拓和尝试将IEC 61499分布式智能控制系统用于离散制造。这一项目获得了欧盟的大力支持。
  这两个项目在未来开放自动化的方向上形成了互补的局面,虽各有侧重和所长,但其理论和实践的一个基础都是IEC 61499。
  开放流程自动化作为开放自动化的主流,是由最终用户发起的颠覆性的创新活动。这是一场没有先例的反向战斗,是由最终用户所主导的长期斗争。它把矛头指向了数十年维系着流程工业自动化系统发展的的供应商。更深层次的背景是,IT领域日新月异的发展和OT领域严重的滞后,以至于最终用户为了维持生产运行不得不背负了沉重的代价CONTROL ENGINEERING China版权所有,同时又不得不为渴望采用新技术而感到无能为力。
  如果说在2016年以前还仅仅是埃克森美孚一部分工程技术人员希望冲破现有的硬件软件捆绑的DCS系统带来的许多负担,那么经过多年的不懈努力,如今这已经成为包括默克(Merck)、杜邦(Dupont)、壳牌(Shell)、巴斯夫(BASF)、乔治亚太平洋(Georgia Pacific)和埃克森美孚(Exxon Mobil)等大型工业制造商对传统流程自动化供应商提出了新的要求,要求它们采用开放、互操作和内在安全的IT/OT融合解决方案,即将信息技术IT和自动化控制技术OT统一并融合为一个管理和控制的单一系统。这或许就是在国内十几年以前就提倡的管控一体化系统的真正实现。
  早期IEC 61499的开发由于技术上的约束,难以被广泛采用。随着技术的进展,基于IEC 61499的软件平台在原则上解决了不同供应商之间软件对硬件的移植性、可配置性和互操作性的问题,从而实现了软件与硬件解耦。同时通过适当地调配和组合基于时间扫描的机制和基于事件的机制,可以方便地使自动化系统采用来自IT领域的最佳实践,易于与企业的管理系统接口。而且为了让传统的PLC和DCS系统继续在开放自动化系统中发挥作用,正在开发和应用与IEC 61499兼容的组合软件。像OPAF和德国NAMUR机构这样的的最终用户或者以最终用户为主力的组织,正在推进改变现有专用的硬件与软件捆绑在一起的控制系统的范式。
  施耐德作为跨国的工业自动化主要供应商热衷于基于IEC 61499的开发平台,谋求在开放自动化系统的方向重塑工业自动化系统的视界,这一趋向表明IEC 61499的工业应用正在进入关键的发展阶段。而由仪综所、施耐德电气和上海交大自动化系合作撰写的《开放自动化白皮书》,正在将历史上曾经模糊的焦点,变得越发清晰。
  标准的标准
  在多种适用的工业标准的基础上,建立为特定行业服务的综合性应用标准,有时在文献中还被称为“标准的标准”(Standard of standards)。这类标准往往不是由某个正式或官方的标准化组织所发起和操作的,而是由最终用户根据他们的需要、思考和判断来发起,并为此建立或委托一个非官方组织或学会去开展相关的标准化活动。这类目标极为明确的标准化活动吸引了一批志同道合的伙伴,涉及到诸如最终用户、自动化供应商、自动化咨询机构和一些标准化组织等多方面的力量。通过共同开展资源投入巨大的努力,跨组织的联合,才能有效推动了行业技术进步,并将继续显示出前所未有的经济潜力和组织活力。而开放自动化的标准化活动,显然是其典型的实践。
  在选择现有的、卓有成效的适用工业标准的基础上,需要综合开发新的系列标准开放式流程自动化O-PAS。这是开放流程自动化总的思路。标准的整体规划划分为8个部分(见图1)。具体实施制定标准的路线图分三步走:第一步是2019年1月公布了OPAS V1.0 ,着重于规范流程控制系统所用部件的互操作性;第二步是在2020年发表V2.0,主要规范组态(配置)和可移植性、可互换性;第三步是在2022年以后发表V3.0,主要是面向如何应用的规范或指南。OPAF论坛希望通过每年发布一个新版本的方式,促使开放流程自动化能在工业界到得认可和推进,促使自动化供应商启动开发新产品,让标准能快速地转化为产品,并反馈技术意见,同时也反映最终用户的意见。

图1 O-PAS标准分为8个部分(图源:OPAF)

  为开放、可互操作和安全的流程自动化建立一个“标准的标准”,是一项复杂的任务。其制定策略是首先参考现有的各种适用的工业标准,识别这些标准与OPAS所要求的目标之间存在的差距,再与制定这些标准的相关组织一起对这些标准进行修订,或增加适合OPAF要求的条款,以实现合适的定义。只有在现有标准都不适用的时候,才考虑开发全新的标准。为此OPAF论坛已经与下列组织达成许可协议,包括大名鼎鼎的国际自动化协会ISA、德国NAMUR、OPC基金会、PLCopen、德国电气协会ZEVE,以及AutomationM等。建立标准之标准,是开放自动化运动最为鲜明、也最为成功的特色。
  为了使工业过程自动化资源的分布式异构生态系统能够实现互操作,O-PAS标准定义了一个参考体系结构和信息模型。该标准的目标是激励创新,降低系统生命周期成本,并在管理现有系统内陈旧和过时的硬件和软件时为终端用户提供更多的自由。
  由开放流程自动化论坛(OPAF)开发的O-PAS V2.1版本的初步标准在2021年二季度发布。这是O-PAS系列标准中有关测试和现场试验的关键里程碑,为工业控制系统实现更好更有效的互操作性和可移植性提供了标准保证。该版本在超过105个OPAF成员组织的直接参与下创建,在V2.0版本的整体信息模型的基础上做了进一步的推进,同时还增添了组态可移植性的新功能。O-PAS标准的这一最新进展反映了行业领导者的总体共识:开放、安全和互操作架构是工业过程自动化系统无可辩驳和不可避免的未来。工业自动化厂商的产品经理和销售团队迫切希望实现这一目标,最终用户测试平台、原型和现场试验已经启动并开始运行。
  这些一连串复杂的活动,正在产生令人珍惜的结果。除了V2.1版本外,O-PAS标准的认证计划定于2022年上半年推出,目前正在针对各种基于行规的要求进行开发。作为这项工作的一部分,测试工具目前正在与供应商进行beta测试。
  在最终定稿的2.1版本标准(定于2022年第一季度发布)之后,OPAF将致力于3.0版本,该版本将解决系统编排、应用可移植性和进一步细化物理分布式控制平台。
  突破,而非渐进式
  放眼整个工业领域,目前在工业自动化行业和汽车、电信这些大的行业正在为分布式自动化创建参考架构控制工程网版权所有,甚至在创建特定的解决方案。为迎接数字化转型的挑战,这些新创项目具有许多共同的特点:要求大规模部署长生命周期的远程管理软件,在工业软件的开发、部署和维护方面,以及所有类型的硬件(包括嵌入式设备)方面都有所突破,而不是渐进式的改进。
  采用开放自动化的主要挑战之一是如何集成和管理新一代的控制系统。如果不能解决这一关键问题,就难以提供比今天的专有自动化产品更好的价值和性能。为了搞清这一挑战的困难所在并探索解决方案,美国分布式云公司CPLANE.ai,一直在探索多系统、互换性的系统编排。作为OPAF成员,这家公司与埃克森美孚合作开展试点项目。该项目采用现有的OPAF标准和一些现有的自动化产品,并用最先进的基于云的系统编排技术予以集成组合。试点项目的成功证明了这些技术有足够的能力去成功部署和管理开放流程自动化控制系统,包括从初始设计到整合分布在不同地域的多个目标控制器硬件。
  所谓系统编排是为大型复杂系统提供“数字生命周期管理”的技术。对大型电信网络、复杂的企业数据中心和web规模的数据中心,系统编排已经是相当成熟的技术。运营商借助于系统编排技术管理庞大而复杂的数字基础设施,相比较而言,将系统编排技术用于复杂的工业系统则是一种新的尝试。工业编排系统为一个独立的集成系统,对所有计算元素、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,并向日益复杂的数字技术过渡,为工业系统定制的系统编排,必将成为开放控制系统的所谓“系统性”的关键因素,并由多个供应商提供开放组件来构成。

图2 工业系统编排管理的工厂/成套装置生命周期的三个阶段(图源:CPLANE.ai)

  图2 描述了工业系统编排管理的工厂/成套装置生命周期的三个阶段。第一阶段为启动阶段,在此阶段中主要是发现系统的数字化控制节点DCN,输入系统的各种要求,并基于系统要求和所提供的计算部件进行智能部署。第二阶段是运行阶段,主要任务是对系统进行监控(包括系统运行节拍、故障)、维护和升级,发现问题时自动治愈和恢复,以确保很高的可用率或SLA(服务水平协议)。第三阶段是演进阶段,主要是增加或升级新的的功能性,其中包括增加新的设备、新的服务和新的应用程序,迁移应用程序,以及扩展系统的能力。
  这次演示的中试装置模拟了一个化学混合和加热过程,涉及几个装置:反应罐批处理装置、热交换器、产品存储罐和一个冷水机。该演示的试验控制系统基础设施包括14个单独的计算设备,其中13个是分布式控制节点DCN,另一个是单独的高级计算平台ACP。DCN运行工业过程的控制回路,而计算机平台则内装有人机界面(HMI)应用程序以及施耐德的IEC 61499工程设计工具EAS(EcoStructure Automation Expert)。这些计算设备是由不同微处理器(英特尔X86和ARM)的异构组合,它们具有不同制造商提供的不同配置的RAM和存储空间。将这些设备划分在两个不同地域,大约一半的计算设备在纽约,另一半在加利福尼亚,以表示真正的分布式拓扑。
  试验的目标是通过CPLANE.ai 的工业编排系统www.cechina.cn,来正确自动安装部署模拟化工厂控制系统所需的所有软件。这个系统的效率,超过了人们的想象。CPLANE.ai的编排系统在大约10分钟内完成了“启动阶段”操作,而按照以往的经验,手动安装一个类似的系统通常需要2-3名工程师组成的团队花费几天或一周的时间。
  图3描述了工业自动编排系统的基本概念和功能,利用它对包括应用程序的监控、过程控制层、计算层(操作系统OS、虚拟机VM、容器)、网络安全以及网络构成的数字化的基础架构进行生命周期的管理和监控。

图3  CPLANE编排系统的基本概念和功能(图源:Cplane.ai)

  通过这个实验项目可以得出以下结论:
  1.开放自动化系统的系统性可以通过系统编排实现。利用编排技术和其他相关新技术,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过程自动化系统中。
  2. 开放标准使得互操作性在很大程度上更容易管理,实现起来也更可靠。这些开放标准将随着技术的发展而不断发展,并有助于在未来证明在其上所花费的投资是正确和合理的。
  3.与当前OT解决方案的集成需要多个供应商的合作和协作相比较,本次试验得到了相当理想的结果。应该将思维从IT领域和OT领域各行其政转移到在一个内聚的统一框架中管理IT/OT数字资产的集成混合架构。
  4.对于加速IT/OT融合系统的创新,采用系统编排至关重要。
  当然,目前进行的还只是研发验证项目,而不是一个真正的工业项目。如果这些系统最终能够满足埃克森美孚的流程自动化运营和工业实施标准,它们就可以被考虑用来对其数百个工艺单元进行升级。估计单是每套设备就可以节省大约100万美元的资本支出,甚至更多。
  但更大的意义在于,这一项目是目前所能看到和做到的最接近OPAF愿景的实现,不论是从任意的层级,还是从OT和IT两方面的视角看,都在很大程度上实现了开放自动化系统当初设定的目标,而且是用目前所能提供的商业化工业软件产品来完成的。
  61499的更大潜力
  IEC 61131-3是工业控制不可或缺的角色。作为自动化编程语言国际标准,它从1993年发布历经十多年努力,获得全球工业界的广泛认可和接受。而作为IEC 61131-3的补充和扩展,IEC 61499在2005年发布,又历经了15年的锤炼,目前正进入工业应用发展的启动阶段。IEC 61499采用事件驱动的执行模型,使分布式的控制逻辑得以实现,执行过程中通信是自动构建无需专门处理。符合IEC 61499的软件工具提供了配置、编程和数据管理的集成手段和工具,将工程设计的成本大大降低。
  最大的好处是,系统的所有功能(包括控制、信息处理、通信和过程接口)都有可能不依赖于特定的硬件和操作系统。如果能将应用程序与硬件和操作系统进行解耦,那将会打破多少年来控制硬件与软件一直紧紧捆绑在一起的局面。
  这种高级别的灵活性和敏捷性为智能制造提供了新的工程基础。基于IEC 61499的集成开发环境,使用一个软件工具可以为所有的控制任务提供解决方案,并可以通过预先设计好的软件对象功能块来完成面向对象的工程设计。在IEC 61499集成开发环境下,一方面IEC 61499编程语言与成熟的IEC 61131-3标准完全一致,从而可以顺畅地将新产品与现有的已经安装的老设备加以集成;另一方面当然也可以用各种高级语言编写功能块。
  IEC 61499已被定性为可执行的系统级建模语言,这主要是因为符合IEC 61499的应用程序本身可以按基于模型的系统工程(MBSE)来建立,不必再通过模型的转换就可以直接被部署和执行。这无疑比旨在建立“工业自动化的联合国”的OPC试图通过OPC-UA信息模型和各种类别的自动化场景的伙伴信息模型(或称配套信息模型)来实现MBSE来得简洁得多。还值得注意的是,IEC 61499还有很大的潜力发展成为一种场景化建模的工具,在未来的工业自动化和智能制造的广阔天地,开辟出一类高效而直接按照应用场景直接建模,还能直接生成代码的光明前景。
  就建模而言,与IEC 61131-3规范的编程语言相比,IEC 61499的灵活性和适应性要广泛的多。例如IEC 61131-3规定的顺序功能图语言SFC是一种结构化表达各类顺序控制结构的图形化语言,是由功能块(动作块)、转移条件和有向连线按步序展开的结构,其中的功能块有明显的结构化特征,这显然是一种面向顺序控制的建模语言;功能块图语言FBD则是一种按控制工艺要求连接各种预设或预定算法的功能块构成的图形化语言,其中的功能块具有明显的功能性的特征,这显然是一种面向功能实现的建模语言。而用IEC 61499规范的规则建模,既可以表达顺序控制的结构,也可以表达各种功能性的结构,还可以表达其它许许多多的系统结构,这都是源于IEC 61499软件模型的天赋。
  小记
  开放自动化的重点就是开放!实现开放自动化的根本目标,是在工业过程自动化领域建立一个满足本质信息安全和互操作的分布式异构生态系统。这个生态并不分主导者和附属者。它可以自由地实现不同厂商的软硬件在集成系统中的互操作性、应用程序的可移植性,而在组态和配置的可移植性,以及硬件软件组件的可互换性体现了巨大的灵活性。
  要实现这样一个别开生面的局势,必须在现有已经卓有成效的适用工业标准基础上,开发一种推陈出新的系列标准。这些适用的工业标准不仅有OT领域的标准,而且必不可少地还要融入IT领域的标准。
  路途仍然很艰难,但61499的明灯已经亮了起来。
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