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[彭瑜教授]流程工业开放自动化的一个重要发展趋势
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SeanSong 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2019-03-26 09:45:02 楼主

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作者:彭瑜 教授


上海工业自动化仪表研究院有限公司 教授级高级工程师

PLCopen 中国组织名誉主席

摘要
对于最终用户来说,现今流程工业自动化的控制系统 DCS 最大的问题归结于其封闭和专用的特性,在IT 技术飞跃发展的年代,这极大的阻碍了 DCS 的升级迁移和 OT 与 IT 的深入高效的融合。 而且目前的 DCS一般缺乏内在的保护运营、资产设备和其它投资所需要的信息安全。下一代的 DCS 将采用开放、分布式,具有充分的可互操作性和信息安全的自动化架构,将大量的运用开源的云计算技术。本文就这一发展趋势做了详尽的技术阐述、分析和展望。

Abstract
The most critical issue of today process industrycortrol systems for end users would be ascribedto their closed and dedicated architecture. Inthe time that IT echnologies are developing inleaps and bounds, it extremely blocked themigration of DCSs and OT/IT fusioning efficiently.Additionallytoday’ s systems generally lack thebuilt-incybersecurity needed to protectoperations,equipment assets, and other capital
investments. Next generation of DCS will beadopted an open, interoperable, secure processautomation architecture and will be reliedheavily on open-source cloud computing softwaretechnologies. It is presented this developmenttrend on detail description, analysis and outlookin this paper.

关键词:开放式流程工业控制系统, 下一代 DCS, 开放流程自动化论坛 OPAF,分布控制节点 DCN,容器软件技术

 

一个巨大的的技术颠覆正在接近工业自动化领域。其具有的潜力将致使工业自动化厂商长期保有的业务模型变得日趋陈旧,不得不升级和转型。它还会要求厂商采用正在如潮水涌来的软件技术和来自云计算领域的实践。可以肯定的是,这一颠覆将被几乎整个新的软件技术,而非硬件技术所驱动。当这一颠覆第一次冲击连续过程自动化的时候,这些新颖的软件技术的力量和价值, 将推动流程工业以及其新兴的业务模型进入许多其它的领域,包括工厂自动化 FA 和工业物联网 IIoT。驱动这一颠覆的重要因素就是软件应用的容器化( containerization)。


流程工业自动化发展的简要回顾

自上个世纪二十年代,流程工业开始了气动仪表和气动控制器的生产现场应用,历经了单回路电子控制器( 1959 年)、 8 回路数字式控制器( 1970 年)、100 回路规模的数字式控制系统 DCS( 1980 年)、到1000 回路规模的数字式控制系统 DCS( 2000 年)各个阶段的发展。 上世纪 70 年代流程工业已经运用生产数据的历史记录、现场总线网络、灵活的系统组态和规模不大的人机界面。 80 年代之后,在 L1 层开始运用功能块、顺序控制和自诊断技术;在 L2 层已经有了按生产的需要配置不同规模的系统,大大ᨀ高了系统的可用性;在 L3 层相关的计算机系统已经接近当时的最新水平。进入 21 世纪,流程工业在 L1 层普遍运用高性能、多功能的 DCS 系统,配有 HART 或 FF现场总线;而在 L3 层大量使用低成本的服务器。之后的发展,特别是近些年来,面临着一些亟待解决的重要问题: 1) 许多正在运行的 DCS 系统已经服役二三十年,备品备件所需的元器件已经停产或改型,如何低成本且不停产或少停产的进行升级改造,这是最终用户十分关心的问题。 2)经过几十年运行,控制系统积累了大量的生产运行数据和智能运营的知识库,在控制系统的升级改造的过程中如何继承和保护这些软资产。 3)在 IT 技术以高度密集和高速度的方式进入流程工业的今天, OT 技术如何能够跟上 IT的步伐,又不失时机的与之融合。于是在一些有远见的最终用户的积极推动下,流程自动化行业出现了开发下一代开放的分布式自动化技术的迫切要求。未来的控制系统追求的目标很具体:能够低成本替代原有控制系统,且可按现场需要配置系统; 运用先进的边缘设备,但仍可沿用原有的 I/O 及其电缆布线;具备良好的 APP 工业软件的可移植性;方便与一流的部件和第三方软件集成。还要求用高可用性的实时数据中心构成虚拟化的系统,对下连接由边缘设备、单通道的模块构成的分布式的控制节点 DCN,执行常规的或智能的 I/O 数据采集和执行,以及调节现场的控制回路;而在虚拟化的系统中可以运用工业 APP 市场流动性强的、精巧的开发工具,方便加强 OT 与 IT 的融合。


这些颠覆现有和以往控制系统的技术,强烈地受到近些年来 IT 行业并发的若干个重要技术的影响和推动。其中最重要是大量应用的系统虚拟化,以及云计算、运用广泛的开源软件( OSS, open source software)、新软件技术集成和软件开发和部署( DevOps),以及超高可用性的部署平台。

流程工业自动化的现状和压力

 

自 1970 年 PLC 和 DCS 进入自动化领域之后,处于 ISA 95 的 L1 和 L2 的控制层的自动化硬件和软件结构一直没有变动,迄今为止自动化市场的结构也一直围绕着捆绑式的自动化硬件和软件在演进。每一个自动化的供应商都开发自己的软件环境,并将这种软件环境转交给最终用户,而通常他们并不了解这一软件环境,只能通过供应商ᨀ供的控制器组态软件工具与控制器交互。这一种结构方式与 1970 年的小型计算机市场非常类似,几乎每一个小型机的供应商都是以硬件软件捆绑的应用方式和软件工具,以及自己的渠道伙伴和软件供应商进入和占领市场。

 

企业控制的系统集成国际标准 IEC/ISO 62264 脱胎于 ISA 95。虽然这一标准是在普度 CIMS 模型的基础上发展起来的,适用于流程工业、离散制造业和批量过程工业,但毕竟最先获得流程工业的普遍支持和实践应用。工业 4.0 的 RAMI4.0 参考架构模型中的“ Hierarchy Levels”的维度, 主要是借鉴了 ISA 95的概念。由于最终用户对此 ISA 95 参考模型的认可和青睐,在美国和欧洲工业软件的开发厂商一般都以此模型为依据。为了更好地服务于智能制造和 IIoT 的需要,如表 1 所示, ISA 95 在原来的 L0 至 L4 的层级之上增加了 L5 级(企业接入云系统的集成)。

表 1 ISA 95 的参考模型增加了 L5 企业云集成

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当前工业制造厂面对市场竞争的巨大压力, 力求降低对控制系统的投资和缩减自动化资产生命周期的成本,改善其运营操作的盈利能力。许多在役的控制系统其构成的硬件软件主要是专用而且封闭的,维护和升级的成本昂贵,一旦有需要与一流的第三方部件集成,耗资不菲。尤其在目前 IT 技术快速深入的滲透和融合到企业的管理和运营的方方面面的形势下, 在役的控制系统通常不具备本质的信息安全特质,造成了巨大的风险和隐患。还有一个问题就是,现有的 DCS不能有效而恰当的保护设备资产和其它资本投资。


关心现有系统运用新技术的升级迁移是现有的工厂和成套设备又一个关键的问题。制造厂不允许按整个规模替代已安装和运行多年的 ICS 工业控制系统,这可能会对运行造成很大的破坏。而现有系统的数据库积累和容纳了大量具有智能特性的数据,由于这些都是在专有系统中实现的,很难用文件来᧿述,或者难以升级迁移到新的平台。制造厂需要非破坏性的路径使他们能够对现有系统进行更新和升级改造。


以埃克森美孚为例, 其炼化工厂每天从 500 万个变量( tags) 中产生 13 亿个数据记录, 这还不包括机械数据。存取这么多数据的能力,以及将数据进行分析利用并转换为活跃的可起作用的信息,是业务的关键需要。因此企业迫切需要从系统到边缘再到云端实现分析的 APPs,可是目前却不那么容易完成。必须用开放、具有可互操作性而且本质安全的系统架构来替代现有的封闭专用工业控制系统。


开放流程自动化 OPAF 的架构

多年前埃克森美孚的研究和工程部门公开倡议开发一个全新的、基于标准的过程控制架构。 2014 年他们编创了一个基本特性文件,在 2015 年的 ARC 论坛上分发, 受到相当的关注,引发了热烈讨论, 也得到具有相同要求的其它最终用户的支持。由于美国开放集团( The Open Group)在为其它工业部门创建标准方面的专业性和成功表现,埃克森美孚决定委托这个非盈利的第三方,组织一个新的标准化活动,面向流程控制工业中业务和技术的挑战,开发一个新的系列标准。接着 The Open Group 创建了开放流程自动化论坛OPSF( the Open Process Automation™ Forum),吸收一批最初的成员,并于 2016 年 11 月在旧金山召开了第一次会议。目前论坛已经有超过 110 个团体成员,包括最终用户、硬件和软件供应商、系统集成商、学术单位和标准化组织。 显然这是一个以大型的最终用户为主及其支持者流程自动化供应商组成的共同体。


他们关注的是, 已经 20 多年没有变动的 DCS 的架构,在迅速发展的 IT 技术的推动下, 如何运用最新的分布式云计算技术和虚拟化技术重新定义 DCS 和 PLC,以及与优化运营密切相关的先进控制和 MES (参见图 2)。

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图2 开放流程自动化OPAF的范围

图3给出OPAF的架构图。 OPAF所定义的DCN表示分布式控制节点,它是由DCF(分布式控制框架)和DCP(分布式物理基础设施)所组成。图中黄色所标的均为OPAF所定义的部件和模块;海蓝色所标的则是非OPAF定义的其它系统,如传统的DCS、 PLC、分析仪表系统、电气系统、机监控系统、……,但它们都可以经由DCN接入OPAF所定义的联接性框架OCF。即使是处理企业业务的事务性平台(企业的IT数据中心)和其它非OPAF环境的系统,都能经由DCN接入OCF。至于执行ISA 95的L2和L3功能(如先进控制算法、 MES等)的OT数据中心直接与OCF相联,这一先进计算平台采用容器化的软件技术,将不同功能的APP组织容纳在不同的容器中, 形成高效执行软件子系统。

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图3-OPAF架构图

 作为老牌的实时操作系统的开发商风河( Wind River),已经定义并完成了一个新一代的平台产品Titanium Control Platform,其中工业控制系统被“虚拟化”和“软件定义”到很高的程度。 针对那些日趋老化的传统工业控制系统不能支持与工业物联网连接的问题,这一平台承担了预置云规模的基础架构,将几个关键基础架构公司的平台软件( 工业级云管理中间件 open stack,工业级 Linux,工业级存贮集群 ceph)协调组合, 分别构成控制节点、计算节点和存贮节点的协调管理,从而以高性价比的方式为传统控制系统提供升级改造的可能(详见图 4)。 风河在实时操作系统的长期的经验与宽泛的低延迟虚拟化和预置的云计算技术组合起来, 在 OPAF 主导的对执行任务有严格要求的( mission critical)验证性项目应用中获得成功。所谓 mission critical 是指那些除了计划内停机,需要每天 24 小时不间断运行的任务,譬如电信系统、航空管理系统、医疗系统、金融分析系统等,用于流程工业的 DCS 也是属于必须不间断运行的控制系统。

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图 4 风河的 Titanium 控制平台

在 The Open Group 的管理下该创新项目谋求定义一个可以运用于多个流程工业(化工、炼化、 发电、制药、冶金、纸浆和造纸等)、基于标准的、具有充分安全和可互操作性的流程控制架构,当今工厂中所用的任意 DCS 和 PLC 的功能,都可以被这些由服务器和许许多多计算资源和存贮资源要求足够小的自动化边缘设备组成的新系统所替代。图 5 给出了从现有已在役的 DCS/PLC 系统逐步地升级迁移到这些小的边缘设备,以及预置的高可用性的服务器的发展趋势。


OPAF 的目标是对 ISA 95 的 L1 和 L2 的功能标准化 这些功能是:现场设备和仪表的基本的输入和输出,以及执行调节控制的功能块。目前这些功能都是由专用的 DCS 和 PLC 来完成的,规模约为 100 至 1000个 PID 功能块。埃克森美孚和其它一些最终用户深信不疑可以用更多但更小的边缘设备作为过程控制器。这些小的硬件设备每台可以控制少到一两个回路,实际上执行过程自动化的微服务。

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图 5 DCS 系统正在演变为新一代的分布式控制系统

经过验证的系统使这一创新项目由可能实现进展为现实。 OPAF 与洛克希德马丁公司和其它公司的一个团队紧密合作,在 OPAF 架构和由 OPAF 所选择使用的工业标准的基础上开发了一个原型系统。 目的在于演示: 1)可互操作性 由多个供应商提供的硬件软件产品构成 OPAF 架构的实现,它们之间的可互操作性都是按照标准实现的,而无需通过网关或通过软件转换; 2)可交换或可替代性 参与构成系统的部件都可以各别地和自由地在供应商间替代,而无需修改底层的的逻辑程序; 3)组态和应用的可移植性; 4)应用开发的灵活性。


参与这一概念验证系统工作的 OPAF 成员包括:R.STAHL (提供常规 I/O),施耐德电气(提供供智能 I/O),Intel(提供供分布式控制节点 DCNs), NXT control(已被施耐德收购,提供 DCNs 和软件控制器, ABB(提供供软件控制器), AspenTech (提供供先进控制软件 APC),Inductive Automation(ᨀ供人机界面 HMI), ANSYS(提供另一个 HMI), Wind River(ᨀ供实时先进计算平台 RTAC)。 验证表明 OPAF 架构已经由概念转化为正在运行的概念验证的系统。在工业自动化界已经讨论了十多年的开放自动化系统的可能性,正在一步一步的变为现实。对于流程自动化的行业这不啻为一件激动人心的事件。


容器化软件技术

 

发源于 UNIX 的软件容器化技术,经过 LINUX 开源软件的大力推动,业已大大降低了门槛,成为可以较普遍掌握和运用的技术。对于软件开发商和最终用户,软件容器ᨀ供两个巨大价值: 1)软件容器技术可为任意数量的机器、物理或虚拟对象,ᨀ供自动的配置、部署和管理分布式应用的方法和手段。( 2)容器软件开发的过程创建了一个“容器图像”的存贮库,在软件交付时这一容器图像形式可在一特定的机器环境中协调地创建,同时还建立了包括运行应用软件所要求的所有的软工作环境。开发容器图像的过程已经完成了一种高度的抽象,使它独立于异构的多 CPU、操作系统、软件版本, 以及在开发期间运行的环境。 由于容器图像划定的范围仅容纳在一个应用软件内,所以容器会将开发者的注意力从管理计算机转移到去管理应用。这极大地改善了应用的部署能力和可见性。容器的开发、部署和业务流程的软件工具在前五到十年中已经臻于成熟。显而易见, 传统的嵌入式系统软件技术在交付和管理分布式和高可用性的应用软件的能力方面, 根本无法与容器软件技术相抗衡。


目前在工业自动化行业和汽车、电信这些大行业中, 正在为分布式自动化或功能性创建参考架构,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:要求大规模而且长生命周期的远程部署软件的管理,在工业软件的开发、部署和维护,以及所有类型的硬件( 包括嵌入式设备)都有所突破,而不是渐近的改进。值得高兴的是,这些突破正在顺利进行或已经完成。一些领先的软件容器管理和协调配置的开源工具已经具有实时进行分布式应用软件的部署和管理的能力,而且在商业上达到可以ᨀ供的水平。可以预期,同样的软件工具将也能融合到开放过程自动化的创新项目中。


举例而言,全球的汽车工业目前正在努力开发一种参考架构,谋求使一辆汽车兼具安全、自动驾驶、远程服务、信息娱乐和舒适的性能。这包括定义一个专门的被称为汽车级的 Linux( Automotive GradeLinux )的 Linux 软件集。在电信行业,许多公司正在开发包括信号收发基站的基础 NFV(网络功能虚拟化),以及和电信中央交换器的虚拟化处理功能 CORD( Central Office Re-architected as a Datacenter)。


图 6 释出容器化软件的原理框图,图中表示Docker 将应用软件分隔为若干个可管理的 APP 功能模块,并将它们打包在一个容器中。 Docker 继承 Linux的容器化技术的目的, 一方面是为了解决应用软件的开发能适应每一种开发环境,另一方面是为了解决代码依赖性的跟踪、应用软件的可扩可缩,以及仅仅修改升级个别APP 而不会影响整个的应用软件等问题。

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图 6 Docker 公司开发的容器软件技术框图

 图 7 则表示将容器技术如何运用于 OPAF 的架构,构成一个分布式控制节点 DCN。根据实际的需要,可在在一个 DCN 容器中容纳所需要的各种 APP,如监控和管理 DCN 的 APP、现场总线和工业以太网的 APP、现有的过程控制算法 APP、新开发的过程控制算法 APP等等。

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图 7 运用容器技术构成分布式控制节点 DCN

 

从技术成熟度来讲,基于容器的软件部署已经高度标准化了,以开源的形式ᨀ供使用。它运用广泛,并为许多不同类型的平台所成功运用,从非常的大的系统( Google)到最小的计算机系统(树莓派,Respberry Pi),都已经得到现场运用的验证。


软件开发的汇聚融合

从发展过程看, 软件开发已经分成了三个主要的类别:企业软件(业务运行);嵌入式软件(运行于设备、模块等“物”中); 最近一些年形成的云软件(运行于第三方的云资源上)。尽管这三类软件存在着一些重叠,但它们各自有自身独特的开发及其工具环境。


在下一个五年或更多一些时间内,云软件开发技术相比其它形式的软件开发,显然会成为主要的形式,而且这三种软件开发将会极大地融合汇聚。更值得关注的是,这一融合汇聚将会被迅速发展的开源软件的步伐所推动,而不是由目前工业自动化工业所采用的软件开发方法迈着缓慢的步伐在前行。这一融合汇聚的第一阶段将是所谓原生云软件( cloud-native software)的开发,开发常规企业软件与云软件的融合。当云原生软件以向下扩展的形式聚焦嵌入式软件在物联网,特别是工业物联网的要求时,这将推动第二阶段的融合。工业自动化已迈开了这样的步伐,在过去的两年中已经在许多工业产品导入了 Docker 和 Linux 容器的技术。除此而外,一种正在云执行平台上出现、并被称为单核与嵌入式软件开发低资源的专业组合的云技术,也不容忽视。单核技术目前还活跃在许多研究领域中,但很快会转入应用。事实上风险投资已经在向为企业和工业 IoT 市场开发单核产品的方向投资。


云计算是一个有2500亿美元的研发投资的大业务。它正在迅速增长,并主要被诸如亚马逊、阿里巴巴、微软、 Google、 IBM及相关巨头所掌控和关注,竞争非常激烈。有理由期望用于云计算业务的开源软件技术将会快速发展和推广。不出5年时间所有软件的开发将会使用云软件开发的方法。在软件的“食物链”内,如果“软件正在吞噬世界”,那么吞噬软件开发的软件则是云软件开发及其工具。甚至在嵌入式软件的特殊的领域内开发几乎会被当前和未来的云软件技术所左右,或者说被当前和未来的云软件技术所吞没。

 

结束语

下一代的 DCS 和 PLC 肯定都朝向开放、分布式、具有充分的可互操作性和内在的信息安全的架构发展;为有效地实现这样的架构,肯定会大量地采用开源的云计算软件技术。在技术上可以说是大势所趋。但在业务模式上却出现两种对立的观点。 OPAF 发布的业务指南《开放流程自动化标准的价值ᨀ议和业务实例》中指出,关键的利益攸关者是最终用户、系统集成商、硬件供应商、分系统供应商、软件供应商和服务ᨀ供商。而以 DCS 系统主要厂商之一的 Emerson 为另一方则认为, 用户宁愿依赖一两个战略性的的供应商,而不是依靠少数几个协议和非常懂行的系统集成商有能力将几千个智能设备集成起来。言下之意是沿袭流程工业迄今为止惯用的方法,即一个巨大的工程项目只能由一两个有完全能力的战略承包商负责。由于意见不合,Emerson 于 2018 年还退出了 OPAF 这一组织。
可以想像,在下一代的流程自动化系统中系统集成商/分系统集成商的角色将越来越关键,而从现在的单一的 DCS 供应商转换为系统集成商,也许会有一个过程,相信机会是为有充沛的创新能力和不竭的进取精神的系统集成商准备的,他们一定会赢得最终客户的信任。
在今后的分布式控制系统DCS和PLC的自动化应用,容器软件技术一定会大放异彩。可以毫不夸张地说,有效的运用容器部署和业务流程编排软件很可能成为未来过程自动化系统成功的关键因素。

 

 

参考文献

[1] Stefan Zippel Process Industry 4.0Transforming the process industry withIndustry 4.0 InTech Nov/Des,2018, p.15-20
[2] Harry Forbes New software for next-genautomation InTech May/June, 2018,p.50
[3]T.J.Burke OPC UA standards driving processautomation integration Industrial Ethernet Book No5,2018,p.27-31
[4]Open Group Guide The Open ProcessAutomationTMBusiness Guidehttps://publications.opengroup.org/g182

来源:公众号说东道西


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