国内首次解读IIoT背后潜伏的游戏规则颠覆者

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2019-03-11

  工业控制器等设备有没有可能也贴上“开放”的标签?有没有可能朝着接口开放化、硬件标准化、软件通用化、网络智能化的方向迈进?UAP是其中的一次前瞻性尝试,本文将是国内首次为你揭开UAP的面纱。

  比如在通讯领域,为了解决标准以太网具有不确定性、无法用于工业现场的弊病,各个公司都开发了自己的专属现场总线或者工业以太网通讯协议,但彼此之间互不兼容,造成了明显的市场割据。

  TSN和OPC-UA等技术体系的快速发展,实现了通讯标准与技术服务商的解耦,扩展了通用化组件的应用范畴。

  典型的工业控制器,比如PLC(可编程逻辑控制器)、DCS(分布式控制系统)的操作系统都是异构的、I/O输入输出设备也是异构的,各个供应商的专有架构很难融合。

  因此工业企业大多“住在”一个由不同供应商使用特定软硬件创造,需要耗费额外的资源和财力管理各种不同设备的异构环境中。

  工业控制器等设备有没有可能也贴上“开放”的标签?有没有可能朝着接口开放化、硬件标准化、软件通用化、网络智能化的方向迈进?

  面对这样一个虽艰险但诱人的方向,革新的势力正在默默探索和推进,UAP(Unified Automation Platform,统一自动化平台)是其中的一次前瞻性尝试。

  精通工业控制需要身怀各种绝技。因为在大型工业控制系统中,往往存在数百甚至上千个异构的硬件模块单元,他们分别来自不同自动化厂商。

  西门子、施耐德、三菱、欧姆龙他们使用的操作系统五花八门,比如各种经过裁剪的实时操作系统,VxWorks、Lynx、QNX、RT-Linux还有Windows Embedded。

  各家的编程软件也不相同,比如西门子用TIA Portal、施耐德用Unity、TwidoSuite、罗克韦尔用Studio 5000、三菱用GX Developer、欧姆龙用Sysmac Studio。

  这些控制器担任着工厂生产线上“大脑”的重任,可以说是自动化的稳定性之基础和智能化之核心。如果把“Opening Soon”摆在一贯显示“Were Closed”的控制器出没的地方,总有一种违和感。

  人为制造的割据势力,令工业控制器很长时间内无法冲破传统的封闭架构,触及到开放融合和敏捷开发带来的红利。

  首先,控制器最大限度的采用通用化的硬件,尽可能解除了传统专用设备的绑定和局限。

  其次,工程不再需要依赖任何特定的硬件和拓扑,实现硬件与软件解耦,两者相互独立。工程师只使用一种工具就能配置所有的控制应用、HMI/SCADA系统和I/O连接,为工业互联网IIoT应用程序提供所需的基础架构。控制器相关的软件和程序可以实现规模化管理,尤其在迭代或升级过程中,降低成本和提高效率。

  最后,通讯走向标准化,通过南向接口,化解来自不同供应商组件之间的互操作性难题;通过北向接口,开发丰富的应用和服务,创造将云原生、DevOps等IT技术融入OT的可能性,享受由工艺技术更新和工业互联网带来的各种创新。

  想象一下,工业自动化金字塔架构中的控制层,也就是PLC和DCS出没的领域,将变得越来越开放。这种变化无疑是颠覆性的,对于传统自动化厂商来说,这并不是好消息。因此中小玩家,根本无力撼动这个固化的市场。

  根据Contemporary Control的报道,1968年,作为相近时期PLC的发明者之一,Dick Morley及其团队研制成功并推出了全球第一台PLC--莫迪康084,打造了工业自动化史上最重要的发明之一。后来,施耐德收购莫迪康品牌,联手创造了多款经典PLC产品。

  如今,施耐德默默的推进UAP这个大胆的想法,相关研发尚处于静默期,据悉2020年左右将会逐步推向市场。

  根据国内工业自动化市场的发展历程,上世纪80-90年代为PLC等产品的导入期,2000年前后PLC迎来高速增长期,按照PLC普遍10-15年的生命周期,未来3-5年将迎来PLC和DCS更新换代的高峰,也将是UAP等新技术发展的重要窗口期,将对行业格局产生深远影响。

  根据公开信息显示,施耐德的这项秘密计划尚处探索阶段,该公司选择率先从流程工业起步,经由开放过程自动化架构OPA(Open Process Automation)落地,数年之后才会逐渐扩展到离散工业,演进为贯穿整个自动化领域的UAP。

  为什么选择从流程工业起步?这里借鉴上海工业自动化仪表研究院彭瑜老师的观点,“离散”的招数,“流程”早就见过了。他曾经提及美国工业圈的一种说法:在实现工业4.0的进程中,流程工业已经在飞行,而离散制造业还在办登机手续。以OPC UA技术为例,最早就是运用于流程工业,并取得显着成效后才被引入离散制造业。因此从流程工业起步,是一种可行且靠谱的做法。

  施耐德和埃森克美孚,作为开放过程自动化社区OPAF的核心成员,致力于推进OPA架构,标准化现场设备的基本输入输出,及监管控制功能块的执行。OPA的成功需要调动最广泛的力量,目前OPAF社区已有超过110个成员,包括最终用户、软硬件供应商、系统集成商等。

  为什么美孚也是开放自动化的重要力量之一?因为油气项目普遍非常庞大,工厂历史悠久,各个“朝代”的控制系统迭代周期不齐,老旧和新秀系统并存,面对成百上千的异构控制设备,流程行业比谁都头疼。同时因为使用量大,话语权亦强,实现的效益有利于锁定在企业内部。

  OPAF正在进行的工作,运用最新的云计算技术重新定义DCS和PLC,还包括与优化运营密切相关的先进控制和MES。从2016年启动至今,现在开放过程自动化OPA架构已经从概念阶段,进入技术原型项目的落地阶段。

  项目中的功能主要通过DCS和PLC控制器来实现,这些不同大小的控制器每个可以支持大约100-1,000个功能块。美孚认为自动化系统应该力求“极简”,使用更多、更紧凑的分布式控制器。这些小型化的硬件设备每个可以控制1-2个闭环,从而创建用于流程自动化的微型服务。

  此次原型项目的目标在于,基于标准的OPA架构,验证软硬件的解耦、应用程序开发与执行相互分离的可行性和先进性。证明了多厂商设备无需借助网关或转换器,完成互可操作的可行性。支持在厂商之间无需修改底层逻辑,自由更换组件的可行性、配置和应用的可移植性,以及应用开发的灵活性。

  参加OPA验证项目的厂商包括:R. STAHL、施耐德、英特尔、NXT(被施耐德收购)、ABB、AspenTech、ANSYS以及Wind River等。

  尤其值得注意的是在2017年被施耐德收购的NXT,该公司是基于IEC 61499标准的自动化解决方案提供商。IEC 61499标准虽然并不广为所知,但其对应的是当今几乎全部应用中的分布式自动化系统,实现了硬件与软件的分离。NXT把所有相关的自动化任务,集成于一个统一的方案之内,可以说打造了一款最为高效、最节约成本的分布式自动化架构工程工具。

  新的NXT软件现已集成到施耐德的新一代物联网架构EcoStruxure中,作为边缘控制层的一部分。据闻,施耐德正在考虑是否将NXT软件开源,以获得更为广泛的应用。

  软件正在吞噬世界,工业领域的研究机构ARC Advisory Group对OPA的前景持有相当乐观的态度。ARC分析师认为,开放是一个必然趋势,OPA整合了工业控制领域的各种开放力量,这种整合代表了新技术从独立摸索走向商业化融合落地阶段的转变。

  ARC资深咨询专家Harrry Frobes评论说:“自从在1970年代PLC和DCS进入自动化领域之后,控制层的自动化硬件和软件结构从没变动,一直围绕着捆绑式的自动化硬件和软件在演进。这与1970年代的小型计算机市场非常类似:当时,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。OPA已经对这一高度垂直集成的业务模型形成威胁,极有可能使其接近它使命的终点。”

  铁打的趋势,流水的领域。与工业OT领域的演进模式雷同,CT领域的“基站”正处于从封闭到开放的转折点上,若提取两者的“公约项”进行得失分析,则颇具借鉴价值。

  2018年6月,全球知名的5家运营商共同签署文件,成立O-RAN联盟,后来扩展到12家。其目标是推动Open RAN,即无线接入网设备的接口开放化、硬件标准化、软件开源化和网络智能化。这一做法让CT领域可以利用通用器件的规模效应,降低基站硬件的综合成本,同时激励软件和硬件创新。

  一石激起千层浪,围绕O-RAN的创新产品不断涌现。随着Open RAN的持续推进,2019年2月底,中兴通讯宣布与中国移动研究院签署O-RAN开放智能无线网络研究合作备忘录。

  虽有不少厂商在积极推进Open RAN,但目前的解决方案大多停留在demo阶段,离真正商用还有较长的路要走。

  首先,O-RAN的主要推动力量是运营商,具有充足市场话语权和前期投入的财务实力,但在推进中仍遇重重困难。而UAP不仅技术本身面临很多不确定性,且背后的推动助力并不那么“强势”,它是否能够取得业界知名企业的广泛支持,以及能否顺利推进,还属未知。

  其次,O-RAN和UAP同样推崇硬件的通用化,颠覆原有的市场格局,让更多的新生力量参与角逐。但工业领域对硬件可靠性和稳定性的要求较高,一般的中小玩家很难入局,即便产品面世也还需要经历长期的业界严格测试,才会获得这场高配游戏的入场券。这个少则5年,普遍8-10年的漫长市场准入周期,并非一般玩家所能承担。

  再次, UAP意味着硬件的差异化迅速缩小,自动化厂家需要通过应用和服务实现商业价值。而工业领域对于开放型生态的建设刚刚起步,开发者数量严严严重不足,几乎没有企业能够做到DevOps,人才缺口或又成为企业创新的一大挑战。

  最后,工业界有自己的演进步调,UAP的推进策略和节奏尤为关键。虽然从流程工业起步是个不错的开端,但其中的关键技术是否成熟,各个阶段的研发成果是否能够顺利发布,落地项目是否能够达到市场预期,还需要建立清醒的认识,用事实说话。

  硬件的标准化、软件的通用化很多在IT领域看似轻而易举的事情,放到CT或者OT就变成难于上青天,这与行业本身对技术、对结果以及行业全局的严苛属性高度相关。

  凡是有意义的事都有挑战,凡有挑战的事都要经过长长的不确定性方能层层剥开。

  解决工业中普遍存在的异构难题,推进控制系统的开放化,是不容置疑的发展趋势,星辰大海迟早会到达。在UAP这个充满挑战的机遇面前,有一些人已经起步,你是否看好,或者有独到见解、或更深的思考?

  一小批人正在给工业控制器等设备贴上“开放”的标签,推动PLC、DCS朝着接口开放化、硬件标准化、软件通用化、网络智能化的方向迈进。

  作为UAP的率先尝试,开放过程自动化OPA架构已经从概念阶段,进入技术原型项目的落地阶段。

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