工業互聯網“咖”解丨馬躍：開放自動化體系促進工業互聯網快速發展
作者：馬躍
施耐德電氣高級副總裁 全球工業控制與驅動業務負責人、工業互聯網產業聯盟理事
工業互聯網的應用現狀 工業互聯網作為新一代信息技術與工業經濟深度融合形成的新興業態和應用模式，是工業企業實現數字化轉型的關鍵基礎。近年來圍繞重點行業生產特點和企業痛點，融合創新形成了不少系統解決方案，比如圍繞高端裝備制造業供應鏈協同、重大裝備的遠程運維、鋼鐵行業節能減排、石化行業生產安全監控等，充分發揮了工業互聯網集聚放大效應，牽引制造業數字化轉型和實現提質、降本、增效的核心價值。 工業互聯網平臺提供了海量工業數據的匯聚、集成、存儲、處理、計算、分析等能力，能為企業搭建統一的全生命周期運營管控數據平臺。大量與平臺相關的技術都在不斷迭代與發展之中（例如：微服務組件、容器、數據批處理、數據流處理等），這些技術使得我們漸漸有能力對異構海量的工業數據進行深度挖掘分析，同時加速了工業知識的積淀、軟硬件的解耦、以及創新應用的快速推出。但我們非常清楚，這種先進的、開源共享的技術本質上是幫助企業實現智能化制造的工具，而非目的。基于平臺，大型企業可以實現全局范圍的生產制造優化、資產與運營全價值鏈優化、乃至全生命周期的價值優化。比如阿布扎比國家石油公司（ADNOC）集團利用全景數字指揮中心，從總部集中監控和優化14家運營公司的資產和運營績效，通過預測性維護和價值鏈優化等解決方案，為集團發掘出6000萬-1億美元的潛在價值優化空間（提供油氣價值鏈優化解決方案，整合資產與運營價值鏈，實現生產運營收益的最大化）。 工業互聯網通過連接企業、用戶和產品，在服務化延伸、網絡化協同、個性化定制等場景上有較多的解決方案，但在智能化生產場景方面仍處于探索階段，在企業內，生產運營仍然存在諸多挑戰。當今制造企業面臨的挑戰 市場的挑戰：全球經濟和市場的不確定性正迫使制造企業迅速調整戰略，以適應更頻繁、更快速的市場需求，應對原材料和能源成本的波動。這種趨勢促使企業開始重新思考他們的運營方式：需要不斷推出新的產品，同時設備采購時間，新品研發和上市時間不斷縮短；需要建立需求驅動，供應鏈協同優化的新業務模式和大規模混線生產等柔性生產體系，這一點對離散行業來講尤其如此。 人力資源和知識沉淀的挑戰：隨著老一代工人步入退休行列，他們所掌握的控制、運營和維護方面的知識將失去傳承，工業企業也面臨著員工隊伍變化帶來的重大挑戰。新一代數字化原住民員工希望工業自動化知識能夠被嵌入到他們需要使用的系統中，而且傳統的 OT 人才會越來越缺少。 綜合成本和合規的挑戰：如何優化降低新建工程成本，降低運營成本，同時還要遵守國家越來越嚴苛的環境保護法律、法規，使得企業能夠可持續發展。 工業領域的管理者們希望工業 4.0 和工業互聯網技術能夠幫助他們應對這些新挑戰。據業內分析人士估計，更靈活的全新生產技術能夠將制造企業的生產率提高30%。然而，研究結果也顯示，60%的企業在試點階段后未能讓其項目進一步落地。造成這一局面的原因多種多樣，且與員工、流程和技術相關。在技術方面，大多數制造企業無法從這些技術中獲得更高回報，最大原因是其運營的工廠系統是一套封閉的專有系統。自70年代DCS 和 PLC 相繼進入工業自動化領域之后，形成現有的專有系統，迄今為止，市場也一直圍繞著硬件和軟件捆綁的模式在演進，每一個自動化系統和信息系統供應商都開發了自己的軟件環境，這樣導致用戶不得不擁有眾多 OT 和 IT 系統，形成了對系統廠商高度依賴。 工業互聯網邊緣側目前面臨的瓶頸 非數字化架構——當今大多數自動化系統均對實時控制進行了高度優化，但并未充分利用 IT 領域內日新月異的最新技術。而這些最新數字化技術（包括分析、人工智能/機器學習、面向對象、面向服務的架構等）正是實現智能化生產的重要因素。 以硬件為中心的業務模式——雖然硬件方面的提升有助于優化現有控制環境，但這不是實現數字化轉型最關鍵的部分。真正的關鍵在于以智能化的方式，基于軟件進行創新以解決運營技術問題。鑒于此，業務價值將由硬件驅動穩步轉向由軟件驅動。 專有系統的局限——當前，專為一個系統而編寫的自動化應用程序無法在另一個系統上運行。然而，在IT領域過去的幾十年里，Linux 等開放操作系統一直鼓勵第三方應用程序開發，生態系統快速擴張，從而開發出豐富的軟件可以滿足多個行業和細分市場的業務需求。而遺憾的是，在工業領域專有系統給創新造成了障礙：用戶無法以合理的成本改進生產系統，也無法整合和匹配來自不同供應商的同類最佳產品，他們的創新速度取決于他們所使用的專有系統供應商。這些障礙最終也會增加企業的總成本。 對于原始設備制造商（OEM）來說，一方面希望在模塊化設計過程中，充分利用虛擬調試功能來打通虛擬世界和物理世界的方法以降低成本和風險、縮短產品上市時間；另一方面，為了增加機器的附加值，他們亟需為客戶提供增值服務，從而擴大市場并實現業務增長。 對于系統集成商（SI）來說，自動化系統并不提供連接 IT 領域和 OT 領域的相關工具。最終他們發現不得不花費巨大人力資源，制定極為復雜的定制化解決方案，關鍵是這類定制化服務難以在市場中廣泛復制。他們希望通過一種能保護其工業知識和行業解決方案的軟件功能塊來減少其低價值工程量（只需在多個項目中重復使用對象和過程算法即可），而自己的技術專家更加專注于解決制造、運營和維護（MOM）過程中的痛點、難點問題, 從而創造更多的價值。 在終端用戶（EU）方面，為了應對各種挑戰，迫切需要借助全面的系統管理，最大限度地減少計劃外的系統停機時間，以確保旺季產品交付，減少對外部技術支持的依賴；希望使用靈活的系統/生產線，確保生產的敏捷性，在需求變化或維護計劃改變的情況下，生產更加柔性化。 要想有效的解決上述問題，真正打造“軟件定義工業”的數字化工業體系，需要從源頭上解決封閉的 OT 體系，標準和生態問題，引入開放的自動化系統，標準，同時引入更多的技術力量促進 IT 和 OT 的融合。 走向未來的開放自動化系統 未來自動化系統架構必定會朝著開放、分布式、內生安全的方向發展。工業自動化技術和邊緣計算技術是未來開放自動化系統的基礎。與傳統專有系統相比，開放自動化架構將會發生如下變化： 可以看出，開放自動化架構更有利于加快工程開發速度、提升系統的敏捷性和生產靈活性及生產效率。開放自動化系統架構不僅是簡單的技術變革，而且能從根本上改變工藝流程和機器設備的設計方式。從長遠看，針對專有控制器的低價值編程將轉變為使用即插即用的自動化系統，這些系統將使用大量的、經過充分驗證的軟件功能塊，而這些功能塊則由一個龐大的生態圈進行開發，并且可以在多家廠商提供的各類硬件設備上運行，其中涵蓋從嵌入式控制系統到功能強大的邊緣智能設備。 構成開放的自動化系統離不開開放的標準，IEC61499 就是解鎖這個新領域的關鍵標準。它通過定義面向對象的建模規則，封裝被控對象的控制模型和算法變成一個“黑匣子”（軟件功能塊），經過驗證后的這些功能塊可在不同場景重復使用，從而減少重復編程工作量。對用戶來講只需知道它實現的功能，而不需要知道它是如何實現的，這樣可以保護開發者的知識產權；該標準定義的功能塊與傳統的功能塊不一樣，是基于事件觸發來運行的，而不是循環周期掃描方式來運行，與 IT 領域面向對象的概念和編程思路一致，可以說它是天然 IT/OT 融合的技術，方便提高控制器 CPU 運行效率和實現負載均衡分配，特別適合構成分布式系統，同時也便于將先進的IT技術很好地引入到自動化系統之中；該標準還定義了應用模型、系統模型和設備/資源模型的規則，他們的結合讓用戶能獨立于底層自動化硬件來進行應用程序的設計，這種硬件抽象化的方法可以縮短工程建設時間，減少用戶對設備廠家的依賴，加上功能塊是面向對象開發的，使用戶進行產線、設備在線調整的操作變得更加容易；當然，標準也提供了如何將基本功能塊組成復合功能塊及不同功能塊之間快捷連接的方法（簡單拖拽），從而大大減少了軟件編程調試工作量和程序出錯率。總之，實現設備互操作、系統易重構、軟件可移植是它追求的目標，當前以最終用戶參與主導的開放過程自動化論壇（OPAF）和國際過程工業自動化用戶協會（NAMUR）等組織，正在基于這一標準倡導改變現有的專有自動化系統框架就是最好的詮釋。 近幾年來，邊緣計算技術也得到了快速的發展。容器技術為邊緣控制進行批量更新/升級應用程序、保障數據及時傳輸和處理提供有效方法，現在以Docker 為主的容器技術和 Kubuernets 容器編排工具也逐漸成熟；微服務架構不斷提升邊緣側的資源利用效率，推動功能解耦和復用，加速應用開發，已經成為邊緣計算技術發展趨勢；OPC UA, 時間敏感網絡（TSN）等為現場設備互聯互通提供了國際性標準和確定性網絡，可以滿足工業應用的各種數據傳輸、交換需求。這些新一代信息通信技術與IEC61499 標準技術的融合將會加速開放自動化的進程，這種開放性不僅僅體現在標準上，在網絡、硬件、軟件和系統架構上亦是如此，從而為實現工廠/車間的數字化、網絡化、智能化打下堅實基礎。 開放自動化將會促進工業互聯網的快速發展，最終能夠解決終端用戶、系統集成商和 OEM 的痛點，達到實現柔性生產、縮短產品上市時間、節約工程建設時間和成本、提高運維效率和生產效率、保護知識產權等目的。事實上，國外第三方公司近期開展的一項對比研究結果很能說明問題：針對完成典型小型自動化項目工程（任務包括創建應用程序、導入相關數據庫、創建邏輯、配置設備、開發 HMI 和部署項目等），使用傳統自動化軟件工具需要40小時，而采用開放的自動化系統完成這些任務節省了68%的時間；為了測試系統的敏捷性，通過人為操作，將控制器從一臺設備更換到另一臺設備，并為之前設備設置一個新的控制器。使用傳統專有系統時，上述的任務操作通常很繁瑣，而使用開放自動化系統，執行這些任務的速度比使用傳統系統快了70%到80%。 綜上所述，未來工業互聯網能否突破現在的瓶頸，在應用的深度和廣度上進一步促進工業企業的數字化發展，要依賴于建立在新思路，新架構和新標準之上的開放自動化體系。以硬件為中心的傳統專有系統將被以軟件為中心的開放系統替代，更多的云端技術將運用到邊緣計算，大批 IT 人才可以在這個開放體系中和工業應用知識深度結合。我們可以預見，工業互聯網將能依托開放的體系走出一條健康，可持續發展的康莊大道。
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