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工业自动化:“即插即用”的开放自动化——工业

时间:2021-07-17

工业自动化:“即插即用”的开放自动化——工业自动化的星辰大海

图片来源工业自动化:CEChina

工业自动化:“即插即用”的开放自动化——工业自动化的星辰大海

工业自动化:“即插即用”的开放自动化——工业自动化的星辰大海

作者 | 石林才

工业自动化:“即插即用”的开放自动化——工业自动化的星辰大海

工业自动化:“即插即用”的开放自动化——工业自动化的星辰大海

一直以来工业自动化,在工业自动化领域,出于可靠性、安全性以及技术独有的考虑,工业自动化控制系统往往都是相对封闭的专有系统。这样的控制系统在过去几十年里对工业化生产起到了极大的推动作用。

但是工业自动化,随着技术的进步和全球市场竞争的加剧,生产的灵活性、敏捷性以及可维护性成为工业企业的关注焦点。非开放、兼容性差的专有控制系统的弊端开始逐渐凸显,特别是当前物联网、大数据、人工智能、面向对象及面向服务的架构等IT技术不断融入到OT技术的趋势之下,控制系统的开放性显得更加重要,“即插即用”的非专有的开放自动化系统逐渐成为用户追求的目标。

专有自动化系统的局限性日益凸显

无论是PLC还是DCS控制系统,目前多数都是各个厂商自己独有技术的系统,从控制器硬件到编程软件,甚至I/O都是“捆绑”在一起的,用户一旦选择了某个厂商的系统,就几乎固定了可用的软硬件、架构和技术路线,这样的系统诚然在可靠性稳定性方面会有优势,但是它的缺点和局限性也是显然的。

随着设备的老旧以及生产复杂性的提升,这样的系统在维护和升级时就会面临产品选择上的限制和高昂的成本。如果要向其他PLC/DCS供应商的系统迁移,硬件和软件都不能复用,得重新编程组态,不仅技术上难以实现而且需要高额的投资。

如果涉及多个不同控制系统的相互集成,需要各种协议转换设备,这不但增加了企业成本,还使系统集成变得异常复杂,中心控制程序也因此变得庞大冗杂,使系统研发,维护和更新效率低下。

而更为重要的是,专有的工业自动化系统无法利用IT技术的进步,专为一个系统而编写的自动化软件应用程序无法在另一个系统上运行,应用代码可移植性不足导致软件创新受阻和投资受损。上游设计工具和下游运营工具在没有巨额投资的情况下无法与自动化系统紧密结合,因此创建覆盖整个流程或设备生命周期的数字化线程几乎不可能实现。

这些专有系统的局限性最终会增加用户的总拥有成本,限制了企业使用先进IT技术的能力,延缓企业的工艺生产和工程开发的优化与升级,进而错失最佳商机。从长远来看,这会限制企业快速向前发展、迅速建立市场优势的能力。

“开放性”一直是自动化追求的目标

事实上,专有自动化系统的局限性并不是今天才显现出来的,厂商和用户在PLC/DCS诞生不久后就开始了开放性的探索。早期的DCS系统是采用专有网络来通信,系统完全封闭,各厂家的产品自成系统,不同厂商的设备,无论是仪表还是I/O,都不能互连在一起。80年代中后期开始兴起的现场总线技术,把基于封闭、专用的通信网络变成了基于公开化、标准化的网络,可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备连入控制系统。然而,由于行业与地域发展等历史原因,加上各厂商受自身利益的驱使,全球逐渐形成了十多种常见的工业现场总线。

进入21世纪,以TCP/IP为基础的以太网进入自动化领域,在标准以太网协议上稍作修改的工业以太网给自动化系统带来了更大的开放性。在运动控制领域,实时工业以太网也开始兴起。这些工业以太网协议都是公开的协议,有的是免费的,有的是开源的,有的成为了我国的国家标准。工业以太网的应用使得更多的设备更多的系统能够接入控制系统,“一网到底”也因此成为了可能。遗憾的是,同现场总线一样,工业以太网也因为各种原因没能统一为一种协议标准,各大厂商各自为政,相互之间需要协议转换器来连通。

除了网络开放外,自动化控制系统的硬件和软件其实也一直在走向开放。在硬件方面,90年代,基于PC的控制技术开始兴起,IPC、嵌入式PC开始承担起工业控制器的角色,这使得装上Windows或者Linux的工业计算机、甚至商用电脑或者笔记本电脑就可以成为控制器硬件,不依赖硬件厂商,再加上它的操作系统Windows和Linux也很开放,很多IT技术可以在这些“控制器”上直接使用,给自动化控制系统带来了更大的开放性。

在软件方面,虽然各个厂商都有自己的编程软件或组态软件,但早在1993年,国际电工委员会就制定了用于规范PLC,DCS,IPC,CNC和SCADA编程系统的标准IEC 61131-3,编程软件只需符合这个规范,便可借由符合各项标准的语言架构,进而能建立任何人皆可了解的程序。目前,大多数厂商的控制器已经支持这一标准,这也奠定了PLC编程开放性的基础。

除了网络、硬件和软件方面的开放外,一些厂商和用户也在不断推动控制系统架构的开放性。比如在2016年,埃克森美孚公司就通过开放流程自动化论坛(OPAF)发起了旨在定义“一个开放、安全、基于标准、支持互操作性并适用于多个流程工业的流程控制架构”,即现在由The Open Group组织的O-PAS标准。另外,德国的流程工业用户组织(NAMUR)也提出了自己的开放架构NOA,并计划在2021年至2022年以IEC的标准发布。

IEC 61499 - 全开放自动化的曙光

无论是厂商还是用户,都一直在孜孜追求各个层级的开放自动化。但由于技术和利益等原因,目前自动化的开放程度并不高。现场总线、工业以太网等工业通信标准依然种类繁多,不同厂商的设备之间互联还比较困难。各类厂商自己开发的PLC尽管都支持IEC 61131-3,但他们的硬件不能互相替换,软件没有办法相互兼容,程序并不能复用和移植。

那有没有更高层次的开放,让自动化设备和IT设备一样做到“即插即用”,软件可以复用,硬件可以通用,网络可以万物互联呢?好消息是,这样的开放自动化已经初露曙光。

在互联互通方面,TSN已经得到大多数厂商的支持,在语义互操作方面,OPC UA已经成为主要的信息模型,在硬件方面,基于IPC和实时操作系统的边缘控制器有可能成为主流趋势。而更重要的是,在软件复用、软硬件解耦等方面,一个更高层次的开放标准IEC61499已经开始得到业界的支持。

尽管IEC 61131-3对PLC编程语言进行了标准规范,但它只是单个设备上程序的标准,以单个设备为顶层软件模型,没有系统的概念,所以当现代控制系统走向分散的数字控制系统时,IEC 61131-3不能满足复杂工业系统的要求了。于是,IEC从2000年开始开发面向分布式控制系统的标准IEC 61499,并在2005年全部发布完成。

和IEC61131-3一样,IEC61499也使用基于功能块的图形编程方法。但不同的是,IEC61131-3是基于时间扫描的程序执行过程,而IEC61499是基于事件驱动的功能块网络,更符合现代软件工程,功能块为逻辑代码提供统一接口封装,功能块之间通过事件和数据接口相互连接。

▎每个机电部件对应都有它的控制微服务

功能块编程是IEC61499的核心理念,其目的是采用面向对象的编程思想,使工业控制软件封装成为功能块形式的软件组件,功能块可以用IEC61131-3的编程语言或者C++等高级语言编写,而且与硬件设备资源无关。

▎IEC 61499的功能块编程

IEC 61499标准通过提出独立于底层系统设备的应用模型,实现了应用程序代码跨越多厂商平台和工程设计工具的可移植性。通过功能块的标准化封装实现了软件的可复用性,从而使软件与硬件解耦。而其事件驱动的特性非常适合与IT系统交互,从而使得先进的IT技术可以很好地引入到自动化系统之中。IEC 61499的这些特性为建立“即插即用”、全开放、互操作的自动化系统奠定了基础。

也正因为如此,无论是OPAF还是NAMUR都将IEC 61499标准作为其开放架构的主要推荐标准之一。

开放自动化开启新征途

IEC 61499标准从发布到现在已经有15年的时间了,但其实际的应用进展一直比较缓慢。究其原因,一方面是因为标准的制定及其实现和实施之间,肯定会存在一个滞后的开发周期,而更重要的原因是技术上的约束,特别是IEC 61499的软件开发平台一直比较缺乏,更多的用户习惯在成熟的只支持IEC61131-3的几大自动化厂商软件平台上开发应用。

IEC 61499第一个工业实现是ISaGRAF,但它并不是实现所有了IEC 61499的规范。后来Eclipse Foundation 创建了IEC 61499的一个开源项目4 diac,培育了一些开发应用。另外,在奥地利注册的nxtControl公司坚持了十几年,为IEC 61499的应用开发平台和产业化做了不少有效的工作。

可以看出,对于IEC 61499,自动化厂商并没有表现出多大的热情。

但这一切正在发生改变。

2017年,施耐德电气收购了nxtControl这家在IEC 61499具有全球领导地位的公司。而在2020年10月,施耐德电气正式发布了基于IEC 61499标准的EcoStruxure开放自动化平台(EcoStruxure Automation Expert)。

▎施耐德电气开放自动化平台

得益于IEC 61499标准,EcoStruxure开放自动化平台可以使自动化应用程序能够使用以资产为中心、可移植、经验证的软件组件来构建,而无需依赖底层硬件基础设施。用户可将应用程序分发到所选的任何支持IEC 61499标准的系统硬件架构,无需额外的编程工作。支持已获验证的软件最佳实践,从而简化与IT系统互操作的自动化应用程序的创建过程。

相较于传统的自动化系统,EcoStruxure开放自动化平台可将执行传统自动化任务所需的时间缩短2-7倍,将用户开发应用创新程序的速度提升3倍,排除故障的速度提升6倍。

施耐德电气认为,现在是在工业自动化领域大胆行动的时候了,并呼吁整个行业的工业用户、厂商、原始设备制造商、系统集成商和总包商(EPC)来拥抱开放自动化。

可以预见,开放自动化将在施耐德电气这样的自动化巨头的推动下开启新的征途,那就是“即插即用”的全开放自动化,这也是工业自动化走向未来的星辰大海。

本文在撰写过程中得到彭瑜、姚远和魏毅等专家的指导,笔者在此特表感谢!

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