彭 瑜

(1.上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233;2.PLCopen中國組織,北京 100011)

0 引言

運營技術(operation technology,OT)領域開放流程自動化(open process automation,OPA)是由最終用戶發(fā)起的、顛覆性的創(chuàng)新活動，是一場沒有先例的、由最終用戶主導和堅持的長期斗爭。盡管斗爭的另一方是數(shù)十年維系著流程工業(yè)自動化系統(tǒng)發(fā)展的的供應商，但是深層次的背景卻是信息技術(information technology,IT)領域日新月異的發(fā)展和OT領域嚴重的滯后，以至于最終用戶為了維持生產(chǎn)運行不得不背負沉重的代價，同時又不得不為渴望采用新技術而感到無能為力[1]。如果說在2014年以前還僅僅是像埃克森美孚(ExxonMobil)一部分工程技術人員希望沖破現(xiàn)有的硬件軟件捆綁的分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)帶來的許多負擔，那么經(jīng)過多年的不懈努力，如今這已經(jīng)為包括默克(Merck)、杜邦(Dupont)、殼牌(Shell)、巴斯夫(BASF)、喬治亞太平洋(Georgia Pacific)和?？松梨诘却笮凸I(yè)制造商對傳統(tǒng)流程自動化供應商提出了新的要求：要求它們采用開放、互操作和內(nèi)在安全的IT/OT融合解決方案，即將信息技術IT和操作技術 OT統(tǒng)一并融合為一個管理和控制的單一系統(tǒng)[2]。這或許就是在國內(nèi)十幾年以前就提倡的管控一體化系統(tǒng)的真正實現(xiàn)。

1 簡述開放流程自動化的進展

美國The Open Group 在2016年11月創(chuàng)建了開放流程自動化論壇(the open process automationTMforum,OPSF)，迄今已經(jīng)4年多了。其主要目標是為下一代流程自動化系統(tǒng)的體系架構(gòu)制定系列標準。目前，論壇形成了一個以大型最終用戶為主、包括流程自動化供應商組成的共同體。他們聚焦于如何運用最新的分布式云計算技術和虛擬化技術，重新定義已經(jīng)日趨陳舊、20多年沒有變動的架構(gòu)，重新定義DCS和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)，以及與優(yōu)化運營密切相關的先進控制和制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)。所謂下一代流程自動化系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有DCS的主要特征是：開放、可互操作、具有內(nèi)生的信息安全，以及充分運用新的IT技術實現(xiàn)快速部署和投運。顯然這些標準將保證獨立供應商提供的基本功能部件和組件按照模塊化架構(gòu)的方式以及開放的接口標準，方便地集成到流程工業(yè)適用的各類大、中、小系統(tǒng)之中[1]。

在選擇現(xiàn)有的、卓有成效的、適用的工業(yè)標準的基礎上，綜合開發(fā)新的系列標準O-PAS。這是總的思路。標準的整體規(guī)劃劃分為8個部分。

O-PAS標準如圖1所示。

圖1 O-PAS標準

具體實施制定標準的路線圖分三步走：第一步是2019年1月公布了OPAS V1.0，著重于規(guī)范流程控制系統(tǒng)所用部件的互操作性；第二步是在2020年發(fā)表V2.0，主要規(guī)范組態(tài)(配置)和可移植性、可互換性；第三步是在2021年發(fā)表V3.0，主要是面向如何應用的規(guī)范或指南。OPAF論壇希望通過每年發(fā)布一個新版本的方式，推動開放流程自動化能在工業(yè)界到得認可和推進，促使自動化供應商啟動開發(fā)新產(chǎn)品，并反饋技術意見，同時也反映最終用戶的意見。

目前，OPAS論壇已頒布了第1至第6部分的評估版。2019年2月正式推出新標準的第一版OPAS V1.0，給出了一個與供應商無關的參考架構(gòu)；經(jīng)過不到一年的時間，在2020年1月定版正式發(fā)布。2020年2月發(fā)布了OPAS V2.0，包括OPAS標準的Part 6.1、6.2、6.4和Part 7，可從OPAF的網(wǎng)站下載評估版。

為開放、可互操作和安全的流程自動化建立一個“標準的標準”，是一項復雜的任務。其制定策略是首先參考現(xiàn)有的各種適用的工業(yè)標準，識別這些標準與OPAS所要求的目標之間存在的差距，再與制定這些標準的相關組織一起對這些標準進行修訂，或增加適合OPAF要求的條款，以實現(xiàn)合適的定義。只有在現(xiàn)有標準都不適用的時候，才考慮開發(fā)全新的標準。為此，OPAF論壇已經(jīng)與下列組織達成許可協(xié)議：AutomationML、Control System Integrator Association(CSIA)、Distributed Management Task Force(DMTF)、FieldComm Group、Industrial Internet Consortium(IIC)、International Society Automation(ISA)、NAMUR、OPC Foundation、PLCopen以及ZVEI等。

已經(jīng)發(fā)布的OPAS V1.0共有五個部分：Part 1-技術架構(gòu)概述(資料性);Part 2-信息安全(資料性);Part 3-配置;Part 4-聯(lián)接性框架(OCF);Part 5-系統(tǒng)管理。OPAS V1.0已經(jīng)有效采用了三個現(xiàn)有的標準：ANAI/ISA 62443(被IEC采納為信息安全標準IEC 62443)、OPC UA(被IEC采納為連接性標準IEC 62541)以及RedFISH(來自DMTF的系統(tǒng)管理標準)。Redfish是一種將IT軟件和軟件定義數(shù)據(jù)中心聚集混合的管理標準。它增強了公用的Internet和Web服務的標準，讓信息直接面對現(xiàn)代工具鏈，不管是由人讀取還是由機器讀取，既簡單又安全。

OPAS V2.0和V2.1(關于組態(tài)的可移植性)著重于對不同的自動化部件和系統(tǒng)進行控制策略的移植。OPAF所謂的可移植性是指從軟件供應商購買的應用軟件，能按照應用的許可協(xié)議在一個公司內(nèi)部的各種控制系統(tǒng)之間移植。如果經(jīng)過最終用戶的識別、判斷和采納，就可以將他們的知識產(chǎn)權(quán)IP以控制策略的形式進行移植[3]。V2.0和V2.1中用到的已有標準包括：IEC 61131-3(用于控制概念)、IEC 61499(用于執(zhí)行協(xié)調(diào))和IEC 61804(用于功能塊)。未來的OPAS V3.0將著重于應用程序的可移植性。

與此同時，建立測試床和進行工業(yè)中試的計劃也在順利推進并付諸建設落實。2019年5月的OPAF可互操作性工作會議，敦促成員通過已經(jīng)建立的測試床試驗。他們支持OPAS V1.0的硬件和軟件，以驗證標準初始版本的正確性和清晰性，從而將初始版升級為正式版。

圖2是?？松梨谥贫ǖ难邪l(fā)計劃，并提交OPAF實施。研發(fā)的工作范圍分為展示技術的可行性、推進技術的可行性、制定標準、對標準和組件進行測試，以及展示技術準備就緒的成果。目前，研究工作已完成概念驗證和原型系統(tǒng)。整個研發(fā)計劃從2016年至2023年，時間跨度約為6～7年[4]。

圖2 埃克森美孚制定的開放流程自動化的研發(fā)計劃

2 開放流程自動化系統(tǒng)編排的成功試驗

The Open Group創(chuàng)立的OPAF論壇，為流程自動化系統(tǒng)定義一個高度標準化的參考體系結(jié)構(gòu)。?？松梨跒镺PAF提供了最初的動力，繼續(xù)投資于該技術，并在自己的試驗室和測試床對開放自動化進行試驗。

采用開放自動化的主要挑戰(zhàn)之一是如何集成和管理。如果不能解決這一關鍵問題，就難以提供比今天的專有自動化產(chǎn)品更好的價值和性能。為了搞清這一挑戰(zhàn)的困難所在，并探索解決方案，CPLANE.ai作為風投公司和OPAF成員資助并與?？松梨诤献鏖_展試點項目。該項目采用現(xiàn)有的OPAF標準和一些現(xiàn)有的自動化產(chǎn)品，并用先進的云編排技術予以集成組合[2,5]。雖然這個試點項目只進行了幾個月，但它已經(jīng)證明了這些技術有足夠的能力去成功部署和管理開放流程自動化控制系統(tǒng)，包括從初始設計到整合分布在不同地域的多個目標控制器硬件。

系統(tǒng)編排是為大型復雜系統(tǒng)提供“數(shù)字生命周期管理”的技術和科學。對于大型電信網(wǎng)絡、復雜的企業(yè)數(shù)據(jù)中心和Web規(guī)模的數(shù)據(jù)中心而言，系統(tǒng)編排已經(jīng)是相當成熟的技術。運營商(甚至可以沒有運營商)借助于編排工具和技術管理龐大而復雜的數(shù)字基礎設施。相比較而言，將系統(tǒng)編排技術用于復雜的工業(yè)系統(tǒng)則是一種新的嘗試和挑戰(zhàn)。工業(yè)編排系統(tǒng)作為一個獨立的集成系統(tǒng)，對所有計算元素、軟件堆棧、控制應用程序、網(wǎng)絡和容器進行管理。隨著下一代工業(yè)控制系統(tǒng)迅速成熟，并向日益復雜的數(shù)字技術堆棧過渡，為工業(yè)系統(tǒng)定制的系統(tǒng)編排，必將成為由多個供應商提供開放組件構(gòu)成開放控制系統(tǒng)的“系統(tǒng)性”的關鍵因素。圖3描述了工業(yè)系統(tǒng)編排管理的工廠/成套裝置生命周期的三個階段。

圖3 工業(yè)系統(tǒng)編排管理的工廠/成套裝置生命周期的三個階段

第一階段為啟動階段，主要任務是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化控制節(jié)點分布式控制節(jié)點(distributed control node,DCN)，輸入系統(tǒng)的各種要求，接著是基于系統(tǒng)要求和所提供的計算部件進行智能部署。第二階段是運行階段，主要任務是對系統(tǒng)進行監(jiān)控，包括系統(tǒng)運行節(jié)拍heartbeat、故障和服務等級協(xié)議(service-level agreement,SLA)；發(fā)現(xiàn)問題時自動治愈和恢復，以確保很高的可用率，維護升級。第三階段是演進階段，主要是增加或升級新的的功能性，包括增加新的設備、新的服務和新的應用程序、遷移應用程序以及擴展系統(tǒng)的能力。

這次演示的中試裝置模擬了一個化學混合和加熱過程，涉及幾個裝置:反應罐批處理裝置、熱交換器、產(chǎn)品存儲罐和一個冷水機。該演示的試驗控制系統(tǒng)基礎設施包括14個單獨的計算設備，其中13個是DCN，另一個是單獨的高級計算平臺(advanced computing platform,ACP)。DCN運行工業(yè)過程的控制回路，而ACP內(nèi)裝有人機界面(human machine interface,HMI)應用程序以及施耐德的IEC-61499工程設計工具EcoStructure Automation Expert。這些計算設備是由不同微處理器(英特爾X86和ARM)的異構(gòu)組合，它們具有不同制造商提供的不同配置的RAM和存儲空間。將這些設備劃分在2個不同地域，大約一半的計算設備在紐約，另一半在加利福尼亞，以表示真正的分布式拓撲。

DCN和ACP用于太網(wǎng)網(wǎng)絡連接，DCN還與連接傳感器和執(zhí)行器的模擬現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接。兩個操作運行站點(加州與紐約)由設在加州的CPLANE.ai數(shù)據(jù)中心(即第三個站點)通過VPN連接。整個數(shù)字基礎設施都是在加州的站點進行管理協(xié)調(diào)的。

試驗的目標是通過CPLANE.ai 的Industrial Orchestrator正確自動安裝部署模擬化工廠控制系統(tǒng)所需的所有軟件。CPLANE.ai的 Orchestrator在大約10 min內(nèi)完成這個“啟動階段”操作，工程效率之高實在超乎想象。因為按照以往的經(jīng)驗，手動安裝一個類似的系統(tǒng)通常需要2～3名工程師組成的團隊花費幾天或一周的時間。

圖4描述了工業(yè)自動編排系統(tǒng)的基本概念和功能。利用它對包括應用程序的監(jiān)控、過程控制層、計算層(操作系統(tǒng)OS、虛擬機VM、容器)、網(wǎng)絡安全以及網(wǎng)絡構(gòu)成的數(shù)字化的基礎架構(gòu)進行生命周期的管理和監(jiān)控。

圖4 CPLANE編排系統(tǒng)的基本概念和功能

下面詳細給出利用Cplane.ai的工業(yè)編排系統(tǒng)在啟動階段的工作順序[2]。

(1)控制系統(tǒng)初始狀態(tài)。①傳感器和驅(qū)動器(模擬)通過I/O總線或直接連接到DCN。②在工程設計工具中已經(jīng)創(chuàng)建并編譯了流程控制所需的IEC-61499功能塊。③所有的DCN和ACP設備都連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡，處于同一控制和數(shù)據(jù)平面層。④所有DCN和ACP設備都已上電，并已預裝Linux和DMTF Redfish客戶端。⑤CPLANE.ai Orchestrator運行在同一個控制網(wǎng)絡上，如同流程自動化系統(tǒng)運行在基于X86的專用的Linux上。⑥將IEC-61499工程設計工具接到Cplane.ai 的Orchestrator。⑦演示從HMI運行開始。此時，屏幕上顯示尚沒有接收傳感器數(shù)據(jù)，也沒有發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)字基礎設施。

(2)操作員在CPLANE.ai Orchestrator上單擊鼠標，啟動發(fā)現(xiàn)的數(shù)字基礎設施。然后Orchestrator輪詢控制網(wǎng)絡上的所有數(shù)字設備，將每個設備注冊到Orchestrator的信息模型數(shù)據(jù)庫中；運用DMTF Redfish協(xié)議以及其他標準IT發(fā)現(xiàn)協(xié)議，將每個數(shù)字設備的附加細節(jié)納入編配器的信息模型。執(zhí)行這個發(fā)現(xiàn)過程大約需要90 s。然后，CPLANE.ai Orchestrator構(gòu)建物理基礎設施的數(shù)字拓撲模型，包括描述物理基礎設施及其狀態(tài)的深度數(shù)據(jù)。該拓撲模型將用于智能決策控制系統(tǒng)的每個軟件組件將準確安裝在何處。于是CPLANE.ai Orchestrator在其內(nèi)存中有效地建立了控制系統(tǒng)數(shù)字基礎設施的“數(shù)字孿生”；并能夠顯示控制系統(tǒng)的所有數(shù)字基礎設施，包括每個連接設備的豐富細節(jié)。信息模型內(nèi)的詳細信息示例，包括微處理器類型和制造商、設備制造商和型號、設備的可用RAM和存儲空間、CPU利用率和可用性、設備IP地址、網(wǎng)絡區(qū)段、操作系統(tǒng)類型和版本。

(3)按“滿足控制系統(tǒng)‘數(shù)字生命周期’的所有要求”對CPLANE.ai Orchestrator進行“編程”。這個“編程”步驟是通過上傳一個或多個OASIS TOSCA文檔執(zhí)行的。該文檔包含了所有的系統(tǒng)需求，并采用結(jié)構(gòu)化、可重用的數(shù)據(jù)格式(用YAML描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù))。OASIS TOSCA文檔中的需求示例包括：軟件應用程序的設備要求，例如微處理器類型、可用RAM、操作系統(tǒng)類型和版本等；管控系統(tǒng)生命周期的策略，例如某個軟件應用程序作為其他軟件應用程序的先決條件、高可用性要求、安全區(qū)域要求、與特定I/O位置的關聯(lián)等。至此，CPLANE.ai Orchestrator存儲區(qū)內(nèi)存放了經(jīng)過編程的“系統(tǒng)工程知識”；而且，通過運用復雜的算法，可智能地決定哪個應用程序應該安裝在哪臺設備上。同樣重要的是，CPLANE.ai Orchestrator確切地理解必須以正確的順序采取哪些步驟，才能以自動化和確定的方式安裝整個系統(tǒng)的所有軟件。開放流程自動化系統(tǒng)作為IT/OT融合的系統(tǒng)，只能在一個整體框架內(nèi)進行有效和高效的管理。編排平臺已經(jīng)將所有要求、策略、過程、工作流和狀態(tài)管理等合并到單個結(jié)構(gòu)中。這種單一的管理結(jié)構(gòu)現(xiàn)在能夠在多個維度采取行動，并深刻理解整個數(shù)字基礎設施的依賴關系和相互依賴關系，包括管理應用(HMI、歷史數(shù)據(jù)庫)、過程控制應用、計算層(OS、Docker、虛擬機)、網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡。

(4)激活編排軟件平臺來部署ICS軟件。操作員只需按下“部署”按鈕，就可以開始組態(tài)和安裝操作。接下去，編排軟件平臺并行地在系統(tǒng)的所有DCN和ACP節(jié)點上執(zhí)行以下操作。①檢查每個設備以及整個系統(tǒng)的當前狀態(tài)。②計算每個設備和整個系統(tǒng)的最終期望狀態(tài)。③評估每個設備在網(wǎng)絡、安全、先決條件等方面的策略約束(“規(guī)則”)。④計算部署整個系統(tǒng)所需的所有步驟而不違反任何約束條件。⑤計算編寫一個工作流引擎，以執(zhí)行每一個步驟，在允許的情況下這些步驟既可以是順序執(zhí)行，也可以是并行執(zhí)行。⑥工作流引擎(在編排軟件平臺內(nèi))采取如下動作，調(diào)用預先制作的腳本(如Ansible和Python)來指導安裝程序。⑦在需要實例化設備狀態(tài)變化的地方動態(tài)創(chuàng)建自定義腳本清理設備以允許新的軟件安裝。同時，編排軟件平臺Orchestrator監(jiān)視數(shù)字基礎設施，一旦發(fā)現(xiàn)操作成功完成的事件或發(fā)現(xiàn)意外出錯，需要Orchestrator采取操作，或通知操作人員Orchestrator在系統(tǒng)上執(zhí)行相應操作。

一切工程運行時環(huán)境準備就緒，指導IEC 61499工程設計工具在特定的DCN中安裝特定的功能塊

執(zhí)行此部署過程大約需要5 min，可達到完全部署好控制系統(tǒng)的結(jié)果。

(5)切換回HMI，首先要注意的是有顯示傳感器發(fā)送來的數(shù)值，這表明OPC-UA已正確安裝好，并與正確的I/O相連接，同時成功地向HMI發(fā)送數(shù)據(jù)。使用人機界面，啟動(模擬的)化學過程。每個工段成功執(zhí)行其功能塊代碼，使化學過程按預期的情況運行操作。

從發(fā)出啟動命令開始，經(jīng)過上述的所有操作步驟到HMI能夠啟動控制功能，整個“啟動階段”大約需要10 min。

通過這個試驗項目，可以得出以下結(jié)論[2]。

①開放系統(tǒng)的系統(tǒng)性可以通過系統(tǒng)編排實現(xiàn)。利用相關的新技術和編排技術，可以將多供應商提供的軟硬件組件集成到一個整體的開放過程自動化系統(tǒng)中。

②開放標準使得互操作性在很大程度上更容易管理，實現(xiàn)起來也更可靠。這些開放標準將隨著技術的發(fā)展而不斷發(fā)展，并有助于在未來證明在其上所花費的投資是正確和合理的。

③與當前OT解決方案的集成需要供應商的合作和協(xié)作相比較，本次試驗得到了相當理想的結(jié)果。應該將思維從IT領域和OT領域各行其政轉(zhuǎn)移到在一個內(nèi)聚的統(tǒng)一框架中管理IT/OT數(shù)字資產(chǎn)的集成混合架構(gòu)。

④系統(tǒng)編排對于加速IT/OT融合系統(tǒng)的創(chuàng)新和采用至關重要。

當然，目前進行的是研發(fā)項目，而不是一個工業(yè)項目。然而，如果這些系統(tǒng)最終能夠滿足?？松梨诘牧鞒套詣踊\營和工業(yè)實施標準，它們就可以被考慮對其數(shù)百個工藝單元進行升級。估計單是每套設備就可以節(jié)省大約100萬美元的資本支出，甚至更多。而更大的意義在于，這一項目是目前所能看到和做到的，最接近OPAF愿景的實現(xiàn)。不論是從任意的層級，還是從OT和IT兩方面的視角看，其都在很大程度上實現(xiàn)了開放自動化系統(tǒng)當初設定的目標，而且是用目前所能提供的商業(yè)化工業(yè)軟件產(chǎn)品完成的方法。

3 結(jié)論

開放流程自動化從概念的提出起步，至今也不過短短4年多的時間，可其進展之快、步履之踏實、工作之細致，確實令人刮目相看。按照?？松梨谠戎贫ǖ挠媱?，從2021年開始就可以進入真正的工業(yè)試驗?；厮?975年DCS產(chǎn)品面世到推廣應用再到風靡全全球的流程工業(yè)，也不過用十來年。而今，開放流程自動化以一種顛覆性的集成創(chuàng)新正在革DCS的命。其動力來自于最終用戶基于長期體驗而由衷發(fā)出的強烈呼聲和迫不及待的行動。其目標卻是盡可能發(fā)揮現(xiàn)今先進IT技術和流程工業(yè)的OT技術的內(nèi)生融合，沖破現(xiàn)有DCS硬件軟件捆綁的束縛，開創(chuàng)流程工業(yè)自動化運營優(yōu)化、升級換代和少數(shù)工業(yè)自動化巨頭壟斷的新局面。從最初只有一家企業(yè)看好，到現(xiàn)在已獲得許多大型工業(yè)制造商的支持，就足以證明它的生命力和無限潛力。