工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解丨馬躍：開放自動化體系促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展
作者：馬躍
施耐德電氣高級副總裁 全球工業(yè)控制與驅(qū)動業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合形成的新興業(yè)態(tài)和應(yīng)用模式，是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)。近年來圍繞重點行業(yè)生產(chǎn)特點和企業(yè)痛點，融合創(chuàng)新形成了不少系統(tǒng)解決方案，比如圍繞高端裝備制造業(yè)供應(yīng)鏈協(xié)同、重大裝備的遠(yuǎn)程運維、鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排、石化行業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控等，充分發(fā)揮了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集聚放大效應(yīng)，牽引制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)提質(zhì)、降本、增效的核心價值。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供了海量工業(yè)數(shù)據(jù)的匯聚、集成、存儲、處理、計算、分析等能力，能為企業(yè)搭建統(tǒng)一的全生命周期運營管控數(shù)據(jù)平臺。大量與平臺相關(guān)的技術(shù)都在不斷迭代與發(fā)展之中（例如：微服務(wù)組件、容器、數(shù)據(jù)批處理、數(shù)據(jù)流處理等），這些技術(shù)使得我們漸漸有能力對異構(gòu)海量的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，同時加速了工業(yè)知識的積淀、軟硬件的解耦、以及創(chuàng)新應(yīng)用的快速推出。但我們非常清楚，這種先進(jìn)的、開源共享的技術(shù)本質(zhì)上是幫助企業(yè)實現(xiàn)智能化制造的工具，而非目的。基于平臺，大型企業(yè)可以實現(xiàn)全局范圍的生產(chǎn)制造優(yōu)化、資產(chǎn)與運營全價值鏈優(yōu)化、乃至全生命周期的價值優(yōu)化。比如阿布扎比國家石油公司（ADNOC）集團(tuán)利用全景數(shù)字指揮中心，從總部集中監(jiān)控和優(yōu)化14家運營公司的資產(chǎn)和運營績效，通過預(yù)測性維護(hù)和價值鏈優(yōu)化等解決方案，為集團(tuán)發(fā)掘出6000萬-1億美元的潛在價值優(yōu)化空間（提供油氣價值鏈優(yōu)化解決方案，整合資產(chǎn)與運營價值鏈，實現(xiàn)生產(chǎn)運營收益的最大化）。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過連接企業(yè)、用戶和產(chǎn)品，在服務(wù)化延伸、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)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(chǎn)場景方面仍處于探索階段，在企業(yè)內(nèi)，生產(chǎn)運營仍然存在諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)今制造企業(yè)面臨的挑戰(zhàn) 市場的挑戰(zhàn)：全球經(jīng)濟(jì)和市場的不確定性正迫使制造企業(yè)迅速調(diào)整戰(zhàn)略，以適應(yīng)更頻繁、更快速的市場需求，應(yīng)對原材料和能源成本的波動。這種趨勢促使企業(yè)開始重新思考他們的運營方式：需要不斷推出新的產(chǎn)品，同時設(shè)備采購時間，新品研發(fā)和上市時間不斷縮短；需要建立需求驅(qū)動，供應(yīng)鏈協(xié)同優(yōu)化的新業(yè)務(wù)模式和大規(guī)模混線生產(chǎn)等柔性生產(chǎn)體系，這一點對離散行業(yè)來講尤其如此。 人力資源和知識沉淀的挑戰(zhàn)：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(hù)方面的知識將失去傳承，工業(yè)企業(yè)也面臨著員工隊伍變化帶來的重大挑戰(zhàn)。新一代數(shù)字化原住民員工希望工業(yè)自動化知識能夠被嵌入到他們需要使用的系統(tǒng)中，而且傳統(tǒng)的 OT 人才會越來越缺少。 綜合成本和合規(guī)的挑戰(zhàn)：如何優(yōu)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(yán)苛的環(huán)境保護(hù)法律、法規(guī)，使得企業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展。 工業(yè)領(lǐng)域的管理者們希望工業(yè) 4.0 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠幫助他們應(yīng)對這些新挑戰(zhàn)。據(jù)業(yè)內(nèi)分析人士估計，更靈活的全新生產(chǎn)技術(shù)能夠?qū)⒅圃炱髽I(yè)的生產(chǎn)率提高30%。然而，研究結(jié)果也顯示，60%的企業(yè)在試點階段后未能讓其項目進(jìn)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(shù)相關(guān)。在技術(shù)方面，大多數(shù)制造企業(yè)無法從這些技術(shù)中獲得更高回報，最大原因是其運營的工廠系統(tǒng)是一套封閉的專有系統(tǒng)。自70年代DCS 和 PLC 相繼進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域之后，形成現(xiàn)有的專有系統(tǒng)，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(jìn)，每一個自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)供應(yīng)商都開發(fā)了自己的軟件環(huán)境，這樣導(dǎo)致用戶不得不擁有眾多 OT 和 IT 系統(tǒng)，形成了對系統(tǒng)廠商高度依賴。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)目前面臨的瓶頸 非數(shù)字化架構(gòu)——當(dāng)今大多數(shù)自動化系統(tǒng)均對實時控制進(jìn)行了高度優(yōu)化，但并未充分利用 IT 領(lǐng)域內(nèi)日新月異的最新技術(shù)。而這些最新數(shù)字化技術(shù)（包括分析、人工智能/機器學(xué)習(xí)、面向?qū)ο蟆⒚嫦蚍?wù)的架構(gòu)等）正是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的重要因素。 以硬件為中心的業(yè)務(wù)模式——雖然硬件方面的提升有助于優(yōu)化現(xiàn)有控制環(huán)境，但這不是實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型最關(guān)鍵的部分。真正的關(guān)鍵在于以智能化的方式，基于軟件進(jìn)行創(chuàng)新以解決運營技術(shù)問題。鑒于此，業(yè)務(wù)價值將由硬件驅(qū)動穩(wěn)步轉(zhuǎn)向由軟件驅(qū)動。 專有系統(tǒng)的局限——當(dāng)前，專為一個系統(tǒng)而編寫的自動化應(yīng)用程序無法在另一個系統(tǒng)上運行。然而，在IT領(lǐng)域過去的幾十年里，Linux 等開放操作系統(tǒng)一直鼓勵第三方應(yīng)用程序開發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)快速擴(kuò)張，從而開發(fā)出豐富的軟件可以滿足多個行業(yè)和細(xì)分市場的業(yè)務(wù)需求。而遺憾的是，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ邢到y(tǒng)給創(chuàng)新造成了障礙：用戶無法以合理的成本改進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)，也無法整合和匹配來自不同供應(yīng)商的同類最佳產(chǎn)品，他們的創(chuàng)新速度取決于他們所使用的專有系統(tǒng)供應(yīng)商。這些障礙最終也會增加企業(yè)的總成本。 對于原始設(shè)備制造商（OEM）來說，一方面希望在模塊化設(shè)計過程中，充分利用虛擬調(diào)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(fēng)險、縮短產(chǎn)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(wù)，從而擴(kuò)大市場并實現(xiàn)業(yè)務(wù)增長。 對于系統(tǒng)集成商（SI）來說，自動化系統(tǒng)并不提供連接 IT 領(lǐng)域和 OT 領(lǐng)域的相關(guān)工具。最終他們發(fā)現(xiàn)不得不花費巨大人力資源，制定極為復(fù)雜的定制化解決方案，關(guān)鍵是這類定制化服務(wù)難以在市場中廣泛復(fù)制。他們希望通過一種能保護(hù)其工業(yè)知識和行業(yè)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(fù)使用對象和過程算法即可），而自己的技術(shù)專家更加專注于解決制造、運營和維護(hù)（MOM）過程中的痛點、難點問題, 從而創(chuàng)造更多的價值。 在終端用戶（EU）方面，為了應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，迫切需要借助全面的系統(tǒng)管理，最大限度地減少計劃外的系統(tǒng)停機時間，以確保旺季產(chǎn)品交付，減少對外部技術(shù)支持的依賴；希望使用靈活的系統(tǒng)/生產(chǎn)線，確保生產(chǎn)的敏捷性，在需求變化或維護(hù)計劃改變的情況下，生產(chǎn)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(yè)”的數(shù)字化工業(yè)體系，需要從源頭上解決封閉的 OT 體系，標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)問題，引入開放的自動化系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)，同時引入更多的技術(shù)力量促進(jìn) IT 和 OT 的融合。 走向未來的開放自動化系統(tǒng) 未來自動化系統(tǒng)架構(gòu)必定會朝著開放、分布式、內(nèi)生安全的方向發(fā)展。工業(yè)自動化技術(shù)和邊緣計算技術(shù)是未來開放自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)專有系統(tǒng)相比，開放自動化架構(gòu)將會發(fā)生如下變化： 可以看出，開放自動化架構(gòu)更有利于加快工程開發(fā)速度、提升系統(tǒng)的敏捷性和生產(chǎn)靈活性及生產(chǎn)效率。開放自動化系統(tǒng)架構(gòu)不僅是簡單的技術(shù)變革，而且能從根本上改變工藝流程和機器設(shè)備的設(shè)計方式。從長遠(yuǎn)看，針對專有控制器的低價值編程將轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂眉床寮从玫淖詣踊到y(tǒng)，這些系統(tǒng)將使用大量的、經(jīng)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(tài)圈進(jìn)行開發(fā)，并且可以在多家廠商提供的各類硬件設(shè)備上運行，其中涵蓋從嵌入式控制系統(tǒng)到功能強大的邊緣智能設(shè)備。 構(gòu)成開放的自動化系統(tǒng)離不開開放的標(biāo)準(zhǔn)，IEC61499 就是解鎖這個新領(lǐng)域的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。它通過定義面向?qū)ο蟮慕Ｒ?guī)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(jīng)過驗證后的這些功能塊可在不同場景重復(fù)使用，從而減少重復(fù)編程工作量。對用戶來講只需知道它實現(xiàn)的功能，而不需要知道它是如何實現(xiàn)的，這樣可以保護(hù)開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)；該標(biāo)準(zhǔn)定義的功能塊與傳統(tǒng)的功能塊不一樣，是基于事件觸發(fā)來運行的，而不是循環(huán)周期掃描方式來運行，與 IT 領(lǐng)域面向?qū)ο蟮母拍詈途幊趟悸芬恢拢梢哉f它是天然 IT/OT 融合的技術(shù)，方便提高控制器 CPU 運行效率和實現(xiàn)負(fù)載均衡分配，特別適合構(gòu)成分布式系統(tǒng)，同時也便于將先進(jìn)的IT技術(shù)很好地引入到自動化系統(tǒng)之中；該標(biāo)準(zhǔn)還定義了應(yīng)用模型、系統(tǒng)模型和設(shè)備/資源模型的規(guī)則，他們的結(jié)合讓用戶能獨立于底層自動化硬件來進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計，這種硬件抽象化的方法可以縮短工程建設(shè)時間，減少用戶對設(shè)備廠家的依賴，加上功能塊是面向?qū)ο箝_發(fā)的，使用戶進(jìn)行產(chǎn)線、設(shè)備在線調(diào)整的操作變得更加容易；當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)也提供了如何將基本功能塊組成復(fù)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(diào)試工作量和程序出錯率。總之，實現(xiàn)設(shè)備互操作、系統(tǒng)易重構(gòu)、軟件可移植是它追求的目標(biāo)，當(dāng)前以最終用戶參與主導(dǎo)的開放過程自動化論壇（OPAF）和國際過程工業(yè)自動化用戶協(xié)會（NAMUR）等組織，正在基于這一標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)改變現(xiàn)有的專有自動化系統(tǒng)框架就是最好的詮釋。 近幾年來，邊緣計算技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。容器技術(shù)為邊緣控制進(jìn)行批量更新/升級應(yīng)用程序、保障數(shù)據(jù)及時傳輸和處理提供有效方法，現(xiàn)在以Docker 為主的容器技術(shù)和 Kubuernets 容器編排工具也逐漸成熟；微服務(wù)架構(gòu)不斷提升邊緣側(cè)的資源利用效率，推動功能解耦和復(fù)用，加速應(yīng)用開發(fā)，已經(jīng)成為邊緣計算技術(shù)發(fā)展趨勢；OPC UA, 時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等為現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通提供了國際性標(biāo)準(zhǔn)和確定性網(wǎng)絡(luò)，可以滿足工業(yè)應(yīng)用的各種數(shù)據(jù)傳輸、交換需求。這些新一代信息通信技術(shù)與IEC61499 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的融合將會加速開放自動化的進(jìn)程，這種開放性不僅僅體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)上，在網(wǎng)絡(luò)、硬件、軟件和系統(tǒng)架構(gòu)上亦是如此，從而為實現(xiàn)工廠/車間的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化打下堅實基礎(chǔ)。 開放自動化將會促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，最終能夠解決終端用戶、系統(tǒng)集成商和 OEM 的痛點，達(dá)到實現(xiàn)柔性生產(chǎn)、縮短產(chǎn)品上市時間、節(jié)約工程建設(shè)時間和成本、提高運維效率和生產(chǎn)效率、保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)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(jié)果很能說明問題：針對完成典型小型自動化項目工程（任務(wù)包括創(chuàng)建應(yīng)用程序、導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建邏輯、配置設(shè)備、開發(fā) HMI 和部署項目等），使用傳統(tǒng)自動化軟件工具需要40小時，而采用開放的自動化系統(tǒng)完成這些任務(wù)節(jié)省了68%的時間；為了測試系統(tǒng)的敏捷性，通過人為操作，將控制器從一臺設(shè)備更換到另一臺設(shè)備，并為之前設(shè)備設(shè)置一個新的控制器。使用傳統(tǒng)專有系統(tǒng)時，上述的任務(wù)操作通常很繁瑣，而使用開放自動化系統(tǒng)，執(zhí)行這些任務(wù)的速度比使用傳統(tǒng)系統(tǒng)快了70%到80%。 綜上所述，未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能否突破現(xiàn)在的瓶頸，在應(yīng)用的深度和廣度上進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，要依賴于建立在新思路，新架構(gòu)和新標(biāo)準(zhǔn)之上的開放自動化體系。以硬件為中心的傳統(tǒng)專有系統(tǒng)將被以軟件為中心的開放系統(tǒng)替代，更多的云端技術(shù)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(yè)應(yīng)用知識深度結(jié)合。我們可以預(yù)見，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將能依托開放的體系走出一條健康，可持續(xù)發(fā)展的康莊大道。
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