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彭瑜 | 共享开放标准,共筑自动化的未来

www.cechina.cn2021.11.26阅读 357

  流程工业离散制造的自动化控制架构正在朝着开放的方向阔步前进,这是一个非常成功的趋势。毫无疑问,这一趋势必将持续地加速整个工业的效率和盈利能力。深入的数字化和数字化转型正在通过工业4.0和工业物联网(IIoT)驱动的概念、软件、产品和开放架构的实施,重新定义流程工业和离散制造业的自动化控制架构,这显然是竞争成功的重要因素。
  实际上工业自动化业界接受这一趋势并付诸实践,远非先知先觉CONTROL ENGINEERING China版权所有,而是被动的后知后觉。因为近三十年来互联网风靡各行各业,促使整个社会的生产组织、商业组织乃至社会组织方式发生了无数创新、颠覆的变化,其成功的基石植根于开放的互联网标准。正是开放的互联网标准才使互联网的应用得以存在,促进其成长,并提供一个强大生命力、支持创造力的硕大平台,才造就了所有的用户都从中受益。只有当工业自动化业界都普遍接受了“多供应商开放标准为终端用户提供了广泛的产品和供应商选择”这一观念,认识到这种竞争是推动创新的动力,并造就出应用的开发人员可以利用这些标准提供的各种级别的兼容性,创建以前可能难以创建的应用的广阔局面,那时工业自动化界才会获得真正质的飞跃。原因很简单,来自许多开发和设计的公司与组织为共享开放标准进行共同投资和提供创造性人才,要比任何单一供应商(哪怕是跨国公司)都要大得多、强得多。
  开放标准对于有效的制造业业务数字化至关重要,这已在信息技术(IT)和商业计算行业得到证实。IT、物联网和计算技术行业的影响导致了大量从业的群体之间进行大规模的协作。在OT领域一些有先见之明的组织正在效仿这些成功的经验,为制造业数字化提供路线图、模型和标准。
  而开放自动化的关键标准和规范,对未来自动化的走向起着决定性的影响。
  开放流程自动化和离散制造自动化方向
  开放自动化论坛(OPAF)于2016年11月正式创立,这个由埃克森美孚为主的最终用户倡议并积极组织的下一代开放自动化系统(OPA)的标准化活动,聚焦于开发适于流程工业运用的基于开放、内在安全、可互操作的流程控制体系结构。在5年多的时间内已经推出了系列的流程开放自动化的标准,这就是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;2020年发表V2.0和V2.1,主要规范组态(配置)和可移植性、可互换性;以及准备在2022年以后发表V3.0CONTROL ENGINEERING China版权所有,主要是面向如何应用的规范或指南,目的是解决物理平台、编排和应用程序的可移植性等。这一标准鲜明的特色是:充分吸收和继承工业界已有的标准化成果,对一切利益攸关者都持开放态度,以及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。
  流程开放自动化的方向已经得到了工业界的积极肯定和响应,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。与此同时,这些流程工业的跨国公司还唾弃把希望全部寄托于供应商的策略,自己也在动手投入。例如巴斯夫构建了一个符合O-PAS标准的便携式小型OPA系统,该系统包括一台水泵、两台加热器、四台冷却器和12个阀门及其控制系统,并于2019年在NAMUR大会上进行首次演示。日本横河的美国公司与埃克森美孚公司合作建立了一个测试平台,承担系统集成商的角色,按O-PAS标准对各类进入OPA系统的硬件和软件组件进行测试;还在准备建立一个中试装置进行现场实验。图1给出了埃克森美孚的开放流程自动化系统的计划。他们准备从2021-2023年花三年时间进行现场实验,然后在此基础上从2025-2026年着手商业化的部署。沙特阿美公司已宣布与施耐德电气合作利用EcoStruxure 开放自动化平台(EAE)建立试验台,用于学习和测试,还计划制定现场的实验计划。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。陶氏化学公司也与合作伙伴和密歇根大学合作控制工程网版权所有,利用开放流程自动化的架构部署降低自动化成本和数字孪生的能力。这一系列动作有力地表明,开放流程自动化这个下一代DCS/PLC系统有如初生的太阳正在喷薄而出。

图1 埃克森美孚的开放流程自动化系统的计划(图源:ARC网站)

  为了促进开放自动化早日从标准走向实践,从实践早日走向推广普及,在2021年7月成立的开放过程自动化联盟(COPA)发起了COPA快速启动,以帮助企业利用流程开放自动化系统标准,提高竞争力和盈利能力。众所周知,目前主要的自动化供应商控制合作伙伴生态系统的方法主要是关注优化他们的利润和抓住客户。与此相反,开放系统使用户能够从广泛的硬件和软件中选择最适合需求的产品,选择的方法就是依据开放流程自动化的标准,因为专注于使制造企业更有利可图和更具竞争力,才是开放自动化的初衷和本意。向开放工业和流程自动化系统的转变,类似于上世纪80年代开始的用PC技术取代小型机和大型机时发生的转变。
  这个COPA的来头也不小,是一个由领先的IT和OT技术公司组成的多元化集团,由设在德克萨斯州奥斯汀的CSI公司(Collaborative Systems Integration of Austin, Texas)和加州硅谷的人工智能公司CPLANE.ai两个新进者领导。其合作伙伴包括经验丰富的自动化硬件和软件的制造商,如Phoenix Contact、R. Stahl、Supermicro、Nova SMAR和CODESYS。Don Bartusiak是CSI的创始人和总裁。在2016年佛罗里达州奥兰多ARC论坛上,时任埃克森美孚专司流程控制职责的总工程师,他发表了引人注目的演讲www.cechina.cn,宣布了埃克森美孚下一代多供应商自动化架构计划,成为了开放流程自动化的重要创导者。他描述了行业是如何受够了专有封闭的传统DCS系统的苦衷,未来将属于基于多供应商互操作标准的、开放的、安全的、可互操作的架构,以及以商品形式供应的软件和硬件组件。为什么要成立COPA呢?Don Bartusiak强调说:一些工业自动化的大牌制造商“反复告诉我,如果O-PAS系统可用,他们会购买它们。”言下之意是这种开放系统远不是那么容易搞出来的。“COPA快速入门是我们应对这一挑战的答案。”随着COPA快速启动Quick Start的发布,联盟正在利用OPAF成员多年来的研究、合作和投资,将基于开放、安全和互操作架构的行业标准构建的ICS系统推向市场。
  COPA的合作公司设计的COPA快速启动系统,将来自多个供应商的组件和技术集成到一个单一的、先进的、内聚的工业控制系统ICS中。这是工业自动化制造商加快采用最先进的ICS系统的催化剂,必将极大地提高其运营的安全性、灵活性和盈利能力。为了帮助流程工业制造商开始学习、验证和采用开放架构ICS解决方案的过程,COPA快速启动系统提供了关键的第一步。图2描述了这一快速启动系统的概貌。该系统包括:1)精心挑选来自Phoenix Contact、R. Stahl、Nova SMAR、Supermicro、CPLAN ai、 CSI和CODESYS的最佳产品组件,设计组成符合O-PAS标准的预先打包好的工业控制系统,便于保证在尚不熟悉开放系统集成的用户不至于走弯路。2)由CPLANE.ai的Fusion管理软件提供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。CPLANE.ai 的Fusion软件在英特尔的Edge Controls平台上充分利用其设计能力,这一最新开发的软件参考平台也为开放控制系统提供一个前所未有的实时确定性计算、基于标准的连接性、类似IT的管理以及类似OT的准确处理属性(predictability)。3) 由Supermicro制造的高级计算平台ACP,内置Intel Xeon D处理器,安装在通用的短深度1U机箱中。4) 先进的数字技术展示了诸如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功能的价值。5)通过实际操作培训使工程师和管理人员迅速获得对下一代控制系统的更深入的了解。

图2 COPA快速启动系统的系统概貌(图源:automation.com网站)

  COPA联盟已经制定了详细的快速启动教育培训计划,包括设计、启动、操作运行、改进、信息安全和故障排除共六个阶段。
  COPA 快速启动系统存在的意义在于,他们提供的产品不需要巨额的资金支持,这就大大降低了学习流程开放自动化标准O-PAS和发展关键内部专业知识的障碍。大量的中小型流程工业企业他们不像拥有充足研发预算的大公司(如埃克森美孚、沙特阿美、马来西亚国家石油公司和科赫工业公司),为了了解和评估美国开放集团(The Open Group)不断发展的O-PAS标准去建立需要大量的财政支持的实验室和测试程序。因此COPA联盟的成立与开放流程自动化论坛OPAF形成了相互支持相互补充的局面,通过COPA快速启动的这种方法为加速开放自动化方向的发展和推广提供了一种有效途径。
  OPC UA——广泛被IT和OT采用的行业互操作性解决方案
  上世纪90年代发端于美国的OPC,经过2005年转型为OPC UA,到了2010年以后其发展重心似乎转移到了德国,在工业自动化的领域中也从流程工业扩展到离散制造业和许多其他行业。
  现今OPC UA,不但是工业自动化领域中安全可靠的数据交换互操作性标准,而且也是一个统一的、独立于制造商的、广泛被IT和OT采用的行业互操作性解决方案。它已经扩展到上至云端,下至控制和现场层,贯穿了原有的自动化金字塔架构,从生产现场级到企业管理级,以至外延到更广阔的领域(见图3)。运用OPC UA可以将处在L0级到L4级以至L5级的IT功能(用橙色和红色标注)和OT功能(用蓝色、浅蓝色和白色标注)进行数据和信息的无缝交换。作为一个有着长远规划和目标的OPC UA项目,在既定的总体框架下采取内外合作的方式,组织了许多规范的开发制定和验证。以下列举近些年的若干进展。

图3 从现场到云端、从控制到管理的OPC UA解决方案(源自:IEB网站)

  现场级通信(FLC)FLC倡议的目标是提供一种开放的、有内聚力的方法在现场设备中实现OPC UA。这些协调和标准化的应用行规适用于相当宽泛的现场设备,涵盖传感器输入/输出、运动控制、安全、系统冗余、在线和离线场景中现场级设备的OPC UA信息模型的标准化(如设备描述及对应的诊断),以及将OPC UA的应用行规映射到在以太网(包括TSN)实时运行。自2018年11月启动以来有来自27个公司参加了指导委员会。目前第一个候选版本已经完成,正在积极地实现原型系统和进行互操作性测试www.cechina.cn,以验证规范。与此同时,测试规范正在生成,稍后将转换为OPC UA符合性测试工具(CTT)的相应测试用例。在第二个版本的规范中,已经开发的概念将扩展控制器与设备间(Cotroller-to-Device ,C2D)和设备间(D2D)的用例,这将使OPC UA可以用作一个统一和一致的纵向和横向一体化的通信解决方案,包括现场、边缘和云。这两个规范将开启全新的可能性,特别是针对各种工业4.0和工业物联网用例和应用场景,从而达到使生产更高效和更灵活的目标。
  第一个候选版本由4个部分(OPC UA parts 80-83)组成,通过点对点的对等连接和基本诊断重点关注C2C通信(控制器到控制器)的数据交换过程和组态数据。这些规范部分标有OPC UA FX字样,即:OPC UA FX 10000-80CONTROL ENGINEERING China版权所有,概述将OPC UA扩展到用于现场级的通信的基本概念;OPC UA FX 10000-81,规范满足工厂和过程自动化的各种用例和需求的控制器和现场设备(自动化组件)的基本信息模型和通信概念;OPC UA FX 10000-82描述了网络服务,如拓扑检测和时间同步;OPC UA FX 10000-83使用描述符和描述符包描述离线工程所需的信息交换的数据结构。
  为满足现场级别的通信必不可少的灵活性、效率和确定性的要求,OPC UA的控制器和现场设备都支持面向连接的客户端/服务器通信模型和发布/订阅扩展。还使用了OPC UA中指定的安全机制,其中包括支持要传输的数据的身份验证、签名和加密。
  OPC UA FX定义了两个通信行规。一种是将OPC UA协议(UADP)映射到UDP/IP。另一种是直接将UADP映射到Level 2数据链路层的以太网TSN。后一种选项用于减少协议开销,并提高像运动控制或高速I/O这类自动化应用的协议效率。
  将OPC UA引入到现场的关键技术是以太网的APL(先进物理层)和以太网时间敏感联网TSN。但OPC UA应用并不仅仅局限于有线以太网技术,今后还会使用无线通信标准如5G或Wi-Fi/7。在OPC基金会的路线图中也列入对移动通信标准的支持。为此,OPC基金会一直在研究将5G纳入其服务质量(QoS)模型的概念中,以实现5G与现有OPC UA架构的无缝集成,目标是为工业4.0 & IIoT应用提供可靠而又灵活的通信解决方案。由此可见,OPC UA不仅仅是一个协议,实际上它是一个从根本上与传输无关的工业建模框架,因此可以根据应用的特定需求和用例轻而易举地去适应不同的传输层。

图4 现场数据交换的OPC UA框架及其扩展(图源:IEB网站)

  OPC UA安全解决方案(OPC UA safety)已于2019年11月发布(OPC 10000-15)。这个基于客户端/服务器机制的OPC UA安全规范由Profibus和Profinet International联合工作组开发。OPC UA安全规范的修订版将很快发布,其中描述了OPC UA Pub/Sub的扩展和安全设备的参数化,包括C2D(控制器到设备)。OPC UA Safety支持最大1500字节的用户数据长度,创建任何网络拓扑(星型,线,网格等)。为简化管理机械设备前后串接,以及对可变动设备进行动态连接设置,采用多层级的安全标识号ID。所谓的可变动设备是指诸如模块化机械设备、自动引导运载车辆AGV、自主移动机器人AMRs、以及工具更换部件等。
  2020年年中开始了开发基于OPC UA的运动控制解决方案,该解决方案包括用于各种类型运动设备的运动控制功能,如控制器、标准驱动器、变频器和伺服驱动器。FLC指导委员会已同意以CIP Motion和Sercos规范为基础,采用OPC UA信息模型和系统架构的规则,同时考虑相关的工业4.0和工业物联网用例。在开发安全和运动控制规范时使用现有成熟的概念和规范,目的是可以显著加快进度。
  伙伴规范 OPC UA设计了一种可扩展的框架,通过OPC元模型-通用基础信息模型-伙伴信息模型的结构,来支持广泛的应用领域:从现场级别(例如测量或识别设备、PLC)到企业管理级别和离线工程设计级别。各个细分行业和不同领域在基础信息模型规则的基础上设计面向自身的行业和领域的行规模型。这些伙伴规范由广泛的行业组织创建,他们专注于工程化并为多供应商互操作性提供公共语义模型的应用。OPC基金会有三种创建伙伴规范的方式,即由OPC内部工作组创建的模型,它们与统一架构规范相关联;联合伙伴模型,这些模型由OPC基金会和另一个组间的联合工作组创建(如与PLCopen合作的IEC 61131-3的OPC UA信息模型,与ISA OMAC合作的PackML的OPC UA信息模型等);以及由独立于OPC基金会的外部机构创建伙伴模型。
  在开发上述伙伴模型的基础上,不同领域、行业或专业的细分模型都有着OPC UA的“共同语言”,原本被相互割裂的领域知识、数据信息、网络,便融入到OPC UA的分布式数字空间,由此构成的系统也随之具备了跨系统、跨网络、跨专业的能力。因此,概括地说伙伴信息模型规范是OPC UA提供领域建模的解决方案的主要工具。德国有些公司正在运用这种解决方案实现符合自己工程设计场景化建模。
  一个值得关注的基金会
  成立于2001年的Eclipse基金会,在自动化开源领域起着重要的作用。它是Eclipse IDE和350多个开源项目的总部。基金会促进和支持开源软件协作和创新,包括运行时、工具和广泛的技术领域的框架,如物联网、工业、汽车、地理空间、系统工程、和许多其他项目。许多跟制造都有关。Eclipse BaSyx项目是由德国教育与研究部提供经费的研究项目BaSys 4.0的开源成果。
  Eclipse BaSyx是下一代自动化的开源平台,旨在通过提供通用工业4.0组件和一个可扩展的软件开发工具包(SDK),加速工业4.0解决方案的开发。为着重应对工业4.0开发中的各种挑战(诸如可变更生产、低成本实现个性化产品生产、利用大数据分析、连接异构设备和系统、最小化停机时间等),Eclipse BaSyx实现了工业4.0生产架构中以下的几个核心技术:1)虚拟自动化总线 实现了制造机械装置(车间)和IT之间的跨网络和跨协议点对点通信。2)资产管理壳 是生产资产的数字代表,即它们的数字孪生。这些资产可以是物理资产,也可以是非物理的无形资产(如软件、技术文档)。资产的管理壳包含所提供的子模型,例如接口以及状态和实时数据。3)控制组件 实现设备统一的服务接口。它们将生产服务的实现从生产过程中分离出来,并使生产的设备和流程变得可更改。控制组件还实现了更多的对实现的细节加以抽象,因此更容易使用。控制组件均通过运行时环境实现。
  而Eclipse 4diac则是另外一个至关重要的开源项目。这是一个为促进IEC 61499在分布式工业过程测量和控制系统进一步开发的开源项目,并进一步分发来自原始贡献者的研究结果。从一开始,它就提供了基于IEC 61499编写和执行分布式系统所需的一切。这些年来4diac成为基于IEC 61499的研究和开发的主要来源之一,而且已成功应用于多个工业系统,包括制造系统、物流、电力和能源应用、机器人和楼宇自动化。例如前些年被施耐德电气收购的NXTcontrol,其开发的软件系统就是在4diac基础上实用化、商业化的,之后又成为施耐德推行开放自动化软件架构EAE的重要基础。
  软件要开源,必须有一套规范。Sparkplug正是如此,它为消息队列远程传输(MQTT)客户端提供框架,以便在MQTT基础结构中无缝地集成来自其应用程序、传感器、设备和网关的数据(见图5)。Sparkplug提供开放和免费的规范,支持网络边缘网关、本地MQTT的终端设备和MQTT应用程序在MQTT基础架构中进行双向通信。

图5 MQTT/Sparkplug开源软件规范支持IIoT双向通信(图源:OPTO 22网站)

  结束语:把握时机开创自动化的未来 
  随着越来越多的制造商意识到要保持竞争力并获得更多的灵活性和效率,必须对其制造基础设施进行改造升级,并且完全由自己来集成制造系统的基础架构;整体的愿景是实时的先进优化、分析,以及连接供应链、设计、制造、产品出厂物流和全生命周期服务。这种集成只能通过利用最新的技术来有效完成,而这类复杂的多专业多系统的集成必须依赖持开放目标的系列标准。
  工业自动化领域当前正处在一个前所未有的转型期,控制系统从传统的硬件软件捆绑转向按最终用户的需求配置硬件软件组件;企业的管控一体化从传统的金字塔多层分级系统转向统一的、独立于制造商的、广泛被IT和OT采用的、IT/OT融合的行业互操作性解决方案。或许这一转型需要一个较长的的时间,但由目前发展的势头来看,绝对不会超过十年。工业自动化供应商有独特的机会站在自动化技术进步的正确一边,开发基于开放标准的系统,参与发展开放标准的生态系统。不过把握时机的关键在于必须在达到临界点之前迅速行动,否则其他公司就会利用来自行业外部的重大变化,完全拥抱开放互操作生态系统的工业自动化供应商将通过响应用户需求而受益匪浅。
  面对工业自动化领域的这一转型,我国广大的自动化工作者必须有清醒的认识和态度,不能躺平等待先进工业国家完成转型之后才付诸行动。庆幸的是我国有越来越多自动化企业和开发人员注意到了这个趋势,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。
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