國內(nèi)首次解讀，IIoT背后潛伏的游戲規(guī)則顛覆者

作者：彭昭 2019-03-11 09:25:04

工業(yè)控制器等設(shè)備有沒有可能也貼上“開放”的標(biāo)簽？有沒有可能朝著接口開放化、硬件標(biāo)準(zhǔn)化、軟件通用化、網(wǎng)絡(luò)智能化的方向邁進(jìn)？UAP是其中的一次前瞻性嘗試，本文將是國內(nèi)首次為你揭開UAP的面紗。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)想要落地，眼下之急，是很多割裂和壁壘亟待克服。

比如在通訊領(lǐng)域，為了解決標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有不確定性、無法用于工業(yè)現(xiàn)場的弊病，各個公司都開發(fā)了自己的專屬現(xiàn)場總線或者工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，但彼此之間互不兼容，造成了明顯的市場割據(jù)。

TSN和OPC-UA等技術(shù)體系的快速發(fā)展，實現(xiàn)了通訊標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)服務(wù)商的解耦，擴(kuò)展了通用化組件的應(yīng)用范疇。

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其實在工業(yè)界，還有更讓人頭痛的隱疾。

典型的工業(yè)控制器，比如PLC(可編程邏輯控制器)、DCS(分布式控制系統(tǒng))的操作系統(tǒng)都是異構(gòu)的、I/O輸入輸出設(shè)備也是異構(gòu)的，各個供應(yīng)商的專有架構(gòu)很難融合。

因此工業(yè)企業(yè)大多“住在”一個由不同供應(yīng)商使用特定軟硬件創(chuàng)造，需要耗費(fèi)額外的資源和財力管理各種不同設(shè)備的異構(gòu)環(huán)境中。

工業(yè)控制器等設(shè)備有沒有可能也貼上“開放”的標(biāo)簽?有沒有可能朝著接口開放化、硬件標(biāo)準(zhǔn)化、軟件通用化、網(wǎng)絡(luò)智能化的方向邁進(jìn)?

面對這樣一個雖艱險但誘人的方向，革新的勢力正在默默探索和推進(jìn)，UAP(Unified Automation Platform，統(tǒng)一自動化平臺)是其中的一次前瞻性嘗試。

本文將是國內(nèi)***為你揭開UAP的面紗。

UAP解決什么問題?

精通工業(yè)控制需要身懷各種絕技。因為在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，往往存在數(shù)百甚至上千個異構(gòu)的硬件模塊單元，他們分別來自不同自動化廠商。

西門子、施耐德、三菱、歐姆龍…他們使用的操作系統(tǒng)五花八門，比如各種經(jīng)過裁剪的實時操作系統(tǒng)，VxWorks、Lynx、QNX、RT-Linux…還有Windows Embedded。

各家的編程軟件也不相同，比如西門子用TIA Portal、施耐德用Unity、TwidoSuite、羅克韋爾用Studio 5000、三菱用GX Developer、歐姆龍用Sysmac Studio。

這些控制器擔(dān)任著工廠生產(chǎn)線上“大腦”的重任，可以說是自動化的穩(wěn)定性之基礎(chǔ)和智能化之核心。如果把“Opening Soon”擺在一貫顯示“We’re Closed”的控制器出沒的地方，總有一種違和感。

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人為制造的割據(jù)勢力，令工業(yè)控制器很長時間內(nèi)無法沖破傳統(tǒng)的封閉架構(gòu)，觸及到開放融合和敏捷開發(fā)帶來的紅利。

因此，推進(jìn)UAP統(tǒng)一自動化平臺的好處是顯而易見的：

首先，控制器***限度的采用通用化的硬件，盡可能解除了傳統(tǒng)專用設(shè)備的綁定和局限。
其次，工程不再需要依賴任何特定的硬件和拓?fù)洌瑢崿F(xiàn)硬件與軟件解耦，兩者相互獨(dú)立。工程師只使用一種工具就能配置所有的控制應(yīng)用、HMI/SCADA系統(tǒng)和I/O連接，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIoT應(yīng)用程序提供所需的基礎(chǔ)架構(gòu)。控制器相關(guān)的軟件和程序可以實現(xiàn)規(guī)模化管理，尤其在迭代或升級過程中，降低成本和提高效率。
***，通訊走向標(biāo)準(zhǔn)化，通過南向接口，化解來自不同供應(yīng)商組件之間的互操作性難題;通過北向接口，開發(fā)豐富的應(yīng)用和服務(wù)，創(chuàng)造將云原生、DevOps等IT技術(shù)融入OT的可能性，享受由工藝技術(shù)更新和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來的各種創(chuàng)新。

想象一下，工業(yè)自動化金字塔架構(gòu)中的控制層，也就是PLC和DCS出沒的領(lǐng)域，將變得越來越開放。這種變化無疑是顛覆性的，對于傳統(tǒng)自動化廠商來說，這并不是好消息。因此中小玩家，根本無力撼動這個固化的市場。

UAP之所以值得關(guān)注，因為其背后的推動者是主流廠商，施耐德。

根據(jù)Contemporary Control的報道，1968年，作為相近時期PLC的***之一，Dick Morley及其團(tuán)隊研制成功并推出了***臺PLC--莫迪康084，打造了工業(yè)自動化史上最重要的發(fā)明之一。后來，施耐德收購莫迪康品牌，聯(lián)手創(chuàng)造了多款經(jīng)典PLC產(chǎn)品。

如今，施耐德默默的推進(jìn)UAP這個大膽的想法，相關(guān)研發(fā)尚處于靜默期，據(jù)悉2020年左右將會逐步推向市場。

根據(jù)國內(nèi)工業(yè)自動化市場的發(fā)展歷程，上世紀(jì)80-90年代為PLC等產(chǎn)品的導(dǎo)入期，2000年前后PLC迎來高速增長期，按照PLC普遍10-15年的生命周期，未來3-5年將迎來PLC和DCS更新?lián)Q代的高峰，也將是UAP等新技術(shù)發(fā)展的重要窗口期，將對行業(yè)格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

根據(jù)公開信息顯示，施耐德的這項秘密計劃尚處探索階段，該公司選擇率先從流程工業(yè)起步，經(jīng)由開放過程自動化架構(gòu)OPA(Open Process Automation)落地，數(shù)年之后才會逐漸擴(kuò)展到離散工業(yè)，演進(jìn)為貫穿整個自動化領(lǐng)域的UAP。

OPA的進(jìn)展如何?

讀懂了OPA，便讀懂了UAP。

為什么選擇從流程工業(yè)起步?這里借鑒上海工業(yè)自動化儀表研究院彭瑜老師的觀點(diǎn)，“離散”的招數(shù)，“流程”早就見過了。他曾經(jīng)提及美國工業(yè)圈的一種說法：在實現(xiàn)工業(yè)4.0的進(jìn)程中，流程工業(yè)已經(jīng)在飛行，而離散制造業(yè)還在辦登機(jī)手續(xù)。以O(shè)PC UA技術(shù)為例，最早就是運(yùn)用于流程工業(yè)，并取得顯著成效后才被引入離散制造業(yè)。因此從流程工業(yè)起步，是一種可行且靠譜的做法。

施耐德和埃森克美孚，作為開放過程自動化社區(qū)OPAF的核心成員，致力于推進(jìn)OPA架構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場設(shè)備的基本輸入輸出，及監(jiān)管控制功能塊的執(zhí)行。OPA的成功需要調(diào)動最廣泛的力量，目前OPAF社區(qū)已有超過110個成員，包括最終用戶、軟硬件供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商等。

為什么美孚也是開放自動化的重要力量之一?因為油氣項目普遍非常龐大，工廠歷史悠久，各個“朝代”的控制系統(tǒng)迭代周期不齊，老舊和新秀系統(tǒng)并存，面對成百上千的異構(gòu)控制設(shè)備，流程行業(yè)比誰都頭疼。同時因為使用量大，話語權(quán)亦強(qiáng)，實現(xiàn)的效益有利于鎖定在企業(yè)內(nèi)部。

OPAF正在進(jìn)行的工作，運(yùn)用***的云計算技術(shù)重新定義DCS和PLC，還包括與優(yōu)化運(yùn)營密切相關(guān)的先進(jìn)控制和MES。從2016年啟動至今，現(xiàn)在開放過程自動化OPA架構(gòu)已經(jīng)從概念階段，進(jìn)入技術(shù)原型項目的落地階段。

項目中的功能主要通過DCS和PLC控制器來實現(xiàn)，這些不同大小的控制器每個可以支持大約100-1,000個功能塊。美孚認(rèn)為自動化系統(tǒng)應(yīng)該力求“極簡”，使用更多、更緊湊的分布式控制器。這些小型化的硬件設(shè)備每個可以控制1-2個閉環(huán)，從而創(chuàng)建用于流程自動化的微型服務(wù)。

OPA系統(tǒng)架構(gòu)圖

此次原型項目的目標(biāo)在于，基于標(biāo)準(zhǔn)的OPA架構(gòu)，驗證軟硬件的解耦、應(yīng)用程序開發(fā)與執(zhí)行相互分離的可行性和先進(jìn)性。證明了多廠商設(shè)備無需借助網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器，完成互可操作的可行性。支持在廠商之間無需修改底層邏輯，自由更換組件的可行性、配置和應(yīng)用的可移植性，以及應(yīng)用開發(fā)的靈活性。

參加OPA驗證項目的廠商包括：R. STAHL、施耐德、英特爾、NXT(被施耐德收購)、ABB、AspenTech、ANSYS以及Wind River等。

尤其值得注意的是在2017年被施耐德收購的NXT，該公司是基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的自動化解決方案提供商。IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)雖然并不廣為所知，但其對應(yīng)的是當(dāng)今幾乎全部應(yīng)用中的分布式自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了硬件與軟件的分離。NXT把所有相關(guān)的自動化任務(wù)，集成于一個統(tǒng)一的方案之內(nèi)，可以說打造了一款最為高效、最節(jié)約成本的分布式自動化架構(gòu)工程工具。

新的NXT軟件現(xiàn)已集成到施耐德的新一代物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)EcoStruxure中，作為邊緣控制層的一部分。據(jù)聞，施耐德正在考慮是否將NXT軟件開源，以獲得更為廣泛的應(yīng)用。

軟件正在吞噬世界，工業(yè)領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)ARC Advisory Group對OPA的前景持有相當(dāng)樂觀的態(tài)度。ARC分析師認(rèn)為，開放是一個必然趨勢，OPA整合了工業(yè)控制領(lǐng)域的各種開放力量，這種整合代表了新技術(shù)從獨(dú)立摸索走向商業(yè)化融合落地階段的轉(zhuǎn)變。

ARC資深咨詢專家Harrry Frobes評論說：“自從在1970年代PLC和DCS進(jìn)入自動化領(lǐng)域之后，控制層的自動化硬件和軟件結(jié)構(gòu)從沒變動，一直圍繞著捆綁式的自動化硬件和軟件在演進(jìn)。這與1970年代的小型計算機(jī)市場非常類似：當(dāng)時，幾乎每一個小型機(jī)的供應(yīng)商都是以硬件軟件捆綁的應(yīng)用方式和軟件工具，以及自己的渠道伙伴和軟件供應(yīng)商進(jìn)入和占領(lǐng)市場。OPA已經(jīng)對這一高度垂直集成的業(yè)務(wù)模型形成威脅，極有可能使其接近它使命的終點(diǎn)。”

難度有多大?

鐵打的趨勢，流水的領(lǐng)域。與工業(yè)OT領(lǐng)域的演進(jìn)模式雷同，CT領(lǐng)域的“基站”正處于從封閉到開放的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，若提取兩者的“公約項”進(jìn)行得失分析，則頗具借鑒價值。

2018年6月，全球知名的5家運(yùn)營商共同簽署文件，成立O-RAN聯(lián)盟，后來擴(kuò)展到12家。其目標(biāo)是推動Open RAN，即無線接入網(wǎng)設(shè)備的接口開放化、硬件標(biāo)準(zhǔn)化、軟件開源化和網(wǎng)絡(luò)智能化。這一做法讓CT領(lǐng)域可以利用通用器件的規(guī)模效應(yīng)，降低基站硬件的綜合成本，同時激勵軟件和硬件創(chuàng)新。

一石激起千層浪，圍繞O-RAN的創(chuàng)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。隨著Open RAN的持續(xù)推進(jìn)，2019年2月底，中興通訊宣布與中國移動研究院簽署O-RAN開放智能無線網(wǎng)絡(luò)研究合作備忘錄。

雖有不少廠商在積極推進(jìn)Open RAN，但目前的解決方案大多停留在demo階段，離真正商用還有較長的路要走。

UAP相比O-RAN，其實現(xiàn)難度有過之而無不及。

首先，O-RAN的主要推動力量是運(yùn)營商，具有充足市場話語權(quán)和前期投入的財務(wù)實力，但在推進(jìn)中仍遇重重困難。而UAP不僅技術(shù)本身面臨很多不確定性，且背后的推動助力并不那么“強(qiáng)勢”，它是否能夠取得業(yè)界知名企業(yè)的廣泛支持，以及能否順利推進(jìn)，還屬未知。
其次，O-RAN和UAP同樣推崇硬件的通用化，顛覆原有的市場格局，讓更多的新生力量參與角逐。但工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ布煽啃院头€(wěn)定性的要求較高，一般的中小玩家很難入局，即便產(chǎn)品面世也還需要經(jīng)歷長期的業(yè)界嚴(yán)格測試，才會獲得這場高配游戲的入場券。這個少則5年，普遍8-10年的漫長市場準(zhǔn)入周期，并非一般玩家所能承擔(dān)。
再次， UAP意味著硬件的差異化迅速縮小，自動化廠家需要通過應(yīng)用和服務(wù)實現(xiàn)商業(yè)價值。而工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ陂_放型生態(tài)的建設(shè)剛剛起步，開發(fā)者數(shù)量嚴(yán)嚴(yán)嚴(yán)重不足，幾乎沒有企業(yè)能夠做到DevOps，人才缺口或又成為企業(yè)創(chuàng)新的一大挑戰(zhàn)。
***，工業(yè)界有自己的演進(jìn)步調(diào)，UAP的推進(jìn)策略和節(jié)奏尤為關(guān)鍵。雖然從流程工業(yè)起步是個不錯的開端，但其中的關(guān)鍵技術(shù)是否成熟，各個階段的研發(fā)成果是否能夠順利發(fā)布，落地項目是否能夠達(dá)到市場預(yù)期，還需要建立清醒的認(rèn)識，用事實說話。

硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、軟件的通用化…很多在IT領(lǐng)域看似輕而易舉的事情，放到CT或者OT就變成難于上青天，這與行業(yè)本身對技術(shù)、對結(jié)果以及行業(yè)全局的嚴(yán)苛屬性高度相關(guān)。

凡是有意義的事都有挑戰(zhàn)，凡有挑戰(zhàn)的事都要經(jīng)過長長的不確定性方能層層剝開。

解決工業(yè)中普遍存在的異構(gòu)難題，推進(jìn)控制系統(tǒng)的開放化，是不容置疑的發(fā)展趨勢，星辰大海遲早會到達(dá)。在UAP這個充滿挑戰(zhàn)的機(jī)遇面前，有一些人已經(jīng)起步，你是否看好，或者有獨(dú)到見解、或更深的思考?

本文小結(jié)：

一小批人正在給工業(yè)控制器等設(shè)備貼上“開放”的標(biāo)簽，推動PLC、DCS朝著接口開放化、硬件標(biāo)準(zhǔn)化、軟件通用化、網(wǎng)絡(luò)智能化的方向邁進(jìn)。
作為UAP的率先嘗試，開放過程自動化OPA架構(gòu)已經(jīng)從概念階段，進(jìn)入技術(shù)原型項目的落地階段。
UAP面臨重重困難，最終能否實現(xiàn)，還需要建立清醒的認(rèn)識，用事實說話。

參考文章：