流程工業(yè)和離散制造的自動(dòng)化控制架構(gòu)正在朝著開放的方向闊步前進(jìn)，這是一個(gè)非常成功的趨勢(shì)。毫無(wú)疑問(wèn)，這一趨勢(shì)必將持續(xù)地加速整個(gè)工業(yè)的效率和盈利能力。深入的數(shù)字化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在通過(guò)工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）驅(qū)動(dòng)的概念、軟件、產(chǎn)品和開放架構(gòu)的實(shí)施，重新定義流程工業(yè)和離散制造業(yè)的自動(dòng)化控制架構(gòu)，這顯然是競(jìng)爭(zhēng)成功的重要因素。
實(shí)際上工業(yè)自動(dòng)化業(yè)界接受這一趨勢(shì)并付諸實(shí)踐，遠(yuǎn)非先知先覺(jué)，而是被動(dòng)的后知后覺(jué)。因?yàn)榻陙?lái)互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)靡各行各業(yè)，促使整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)組織、商業(yè)組織乃至社會(huì)組織方式發(fā)生了無(wú)數(shù)創(chuàng)新、顛覆的變化，其成功的基石植根于開放的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。正是開放的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)才使互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用得以存在，促進(jìn)其成長(zhǎng)，并提供一個(gè)強(qiáng)大生命力、支持創(chuàng)造力的碩大平臺(tái)，才造就了所有的用戶都從中受益。只有當(dāng)工業(yè)自動(dòng)化業(yè)界都普遍接受了“多供應(yīng)商開放標(biāo)準(zhǔn)為終端用戶提供了廣泛的產(chǎn)品和供應(yīng)商選擇”這一觀念，認(rèn)識(shí)到這種競(jìng)爭(zhēng)是推動(dòng)創(chuàng)新的動(dòng)力，并造就出應(yīng)用的開發(fā)人員可以利用這些標(biāo)準(zhǔn)提供的各種級(jí)別的兼容性，創(chuàng)建以前可能難以創(chuàng)建的應(yīng)用的廣闊局面，那時(shí)工業(yè)自動(dòng)化界才會(huì)獲得真正質(zhì)的飛躍。原因很簡(jiǎn)單，來(lái)自許多開發(fā)和設(shè)計(jì)的公司與組織為共享開放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行共同投資和提供創(chuàng)造性人才，要比任何單一供應(yīng)商（哪怕是跨國(guó)公司）都要大得多、強(qiáng)得多。
開放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于有效的制造業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字化至關(guān)重要，這已在信息技術(shù)(IT)和商業(yè)計(jì)算行業(yè)得到證實(shí)。IT、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算技術(shù)行業(yè)的影響導(dǎo)致了大量從業(yè)的群體之間進(jìn)行大規(guī)模的協(xié)作。在OT領(lǐng)域一些有先見之明的組織正在效仿這些成功的經(jīng)驗(yàn)，為制造業(yè)數(shù)字化提供路線圖、模型和標(biāo)準(zhǔn)。
而開放自動(dòng)化的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)未來(lái)自動(dòng)化的走向起著決定性的影響。
開放流程自動(dòng)化和離散制造自動(dòng)化方向
開放自動(dòng)化論壇（OPAF）于2016年11月正式創(chuàng)立，這個(gè)由?？松梨跒橹鞯淖罱K用戶倡議并積極組織的下一代開放自動(dòng)化系統(tǒng)（OPA）的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，聚焦于開發(fā)適于流程工業(yè)運(yùn)用的基于開放、內(nèi)在安全、可互操作的流程控制體系結(jié)構(gòu)。在5年多的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)推出了系列的流程開放自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，這就是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；2020年發(fā)表V2.0和V2.1，主要規(guī)范組態(tài)（配置）和可移植性、可互換性；以及準(zhǔn)備在2022年以后發(fā)表V3.0，主要是面向如何應(yīng)用的規(guī)范或指南，目的是解決物理平臺(tái)、編排和應(yīng)用程序的可移植性等。這一標(biāo)準(zhǔn)鮮明的特色是：充分吸收和繼承工業(yè)界已有的標(biāo)準(zhǔn)化成果，對(duì)一切利益攸關(guān)者都持開放態(tài)度，以及注重結(jié)合實(shí)際的驗(yàn)證工作，即標(biāo)準(zhǔn)的制定必須經(jīng)得起測(cè)試床的測(cè)試和工業(yè)裝置中試的檢驗(yàn)和驗(yàn)證。
流程開放自動(dòng)化的方向已經(jīng)得到了工業(yè)界的積極肯定和響應(yīng)，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?Exxon Mobil)等大型工業(yè)制造商對(duì)傳統(tǒng)流程自動(dòng)化供應(yīng)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(shù)IT和自動(dòng)化控制技術(shù)OT統(tǒng)一并融合為一個(gè)管理和控制的單一系統(tǒng)。與此同時(shí)，這些流程工業(yè)的跨國(guó)公司還唾棄把希望全部寄托于供應(yīng)商的策略，自己也在動(dòng)手投入。例如巴斯夫構(gòu)建了一個(gè)符合O-PAS標(biāo)準(zhǔn)的便攜式小型OPA系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)水泵、兩臺(tái)加熱器、四臺(tái)冷卻器和12個(gè)閥門及其控制系統(tǒng)，并于2019年在NAMUR大會(huì)上進(jìn)行首次演示。日本橫河的美國(guó)公司與?？松梨诠竞献鹘⒘艘粋€(gè)測(cè)試平臺(tái)，承擔(dān)系統(tǒng)集成商的角色，按O-PAS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類進(jìn)入OPA系統(tǒng)的硬件和軟件組件進(jìn)行測(cè)試；還在準(zhǔn)備建立一個(gè)中試裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。圖1給出了?？松梨诘拈_放流程自動(dòng)化系統(tǒng)的計(jì)劃。他們準(zhǔn)備從2021-2023年花三年時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，然后在此基礎(chǔ)上從2025-2026年著手商業(yè)化的部署。沙特阿美公司已宣布與施耐德電氣合作利用EcoStruxure 開放自動(dòng)化平臺(tái)（EAE）建立試驗(yàn)臺(tái)，用于學(xué)習(xí)和測(cè)試，還計(jì)劃制定現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。喬治太平洋公司和馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司也在積極籌備建立試驗(yàn)臺(tái)和演示裝置。陶氏化學(xué)公司也與合作伙伴和密歇根大學(xué)合作，利用開放流程自動(dòng)化的架構(gòu)部署降低自動(dòng)化成本和數(shù)字孿生的能力。這一系列動(dòng)作有力地表明，開放流程自動(dòng)化這個(gè)下一代DCS/PLC系統(tǒng)有如初生的太陽(yáng)正在噴薄而出。
圖1 埃克森美孚的開放流程自動(dòng)化系統(tǒng)的計(jì)劃（圖源：ARC網(wǎng)站）
為了促進(jìn)開放自動(dòng)化早日從標(biāo)準(zhǔn)走向?qū)嵺`，從實(shí)踐早日走向推廣普及，在2021年7月成立的開放過(guò)程自動(dòng)化聯(lián)盟(COPA)發(fā)起了COPA快速啟動(dòng)，以幫助企業(yè)利用流程開放自動(dòng)化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提高競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力。眾所周知，目前主要的自動(dòng)化供應(yīng)商控制合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)的方法主要是關(guān)注優(yōu)化他們的利潤(rùn)和抓住客戶。與此相反，開放系統(tǒng)使用戶能夠從廣泛的硬件和軟件中選擇最適合需求的產(chǎn)品，選擇的方法就是依據(jù)開放流程自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閷Ｗ⒂谑怪圃炱髽I(yè)更有利可圖和更具競(jìng)爭(zhēng)力，才是開放自動(dòng)化的初衷和本意。向開放工業(yè)和流程自動(dòng)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，類似于上世紀(jì)80年代開始的用PC技術(shù)取代小型機(jī)和大型機(jī)時(shí)發(fā)生的轉(zhuǎn)變。
這個(gè)COPA的來(lái)頭也不小，是一個(gè)由領(lǐng)先的IT和OT技術(shù)公司組成的多元化集團(tuán)，由設(shè)在德克薩斯州奧斯汀的CSI公司（Collaborative Systems Integration of Austin, Texas）和加州硅谷的人工智能公司CPLANE.ai兩個(gè)新進(jìn)者領(lǐng)導(dǎo)。其合作伙伴包括經(jīng)驗(yàn)豐富的自動(dòng)化硬件和軟件的制造商，如Phoenix Contact、R. Stahl、Supermicro、Nova SMAR和CODESYS。Don Bartusiak是CSI的創(chuàng)始人和總裁。在2016年佛羅里達(dá)州奧蘭多ARC論壇上，時(shí)任埃克森美孚專司流程控制職責(zé)的總工程師，他發(fā)表了引人注目的演講，宣布了?？松梨谙乱淮喙?yīng)商自動(dòng)化架構(gòu)計(jì)劃，成為了開放流程自動(dòng)化的重要?jiǎng)?chuàng)導(dǎo)者。他描述了行業(yè)是如何受夠了專有封閉的傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的苦衷，未來(lái)將屬于基于多供應(yīng)商互操作標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、安全的、可互操作的架構(gòu)，以及以商品形式供應(yīng)的軟件和硬件組件。為什么要成立COPA呢？Don Bartusiak強(qiáng)調(diào)說(shuō):一些工業(yè)自動(dòng)化的大牌制造商“反復(fù)告訴我，如果O-PAS系統(tǒng)可用，他們會(huì)購(gòu)買它們。”言下之意是這種開放系統(tǒng)遠(yuǎn)不是那么容易搞出來(lái)的。“COPA快速入門是我們應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的答案。”隨著COPA快速啟動(dòng)Quick Start的發(fā)布，聯(lián)盟正在利用OPAF成員多年來(lái)的研究、合作和投資，將基于開放、安全和互操作架構(gòu)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的ICS系統(tǒng)推向市場(chǎng)。
COPA的合作公司設(shè)計(jì)的COPA快速啟動(dòng)系統(tǒng)，將來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的組件和技術(shù)集成到一個(gè)單一的、先進(jìn)的、內(nèi)聚的工業(yè)控制系統(tǒng)ICS中。這是工業(yè)自動(dòng)化制造商加快采用最先進(jìn)的ICS系統(tǒng)的催化劑，必將極大地提高其運(yùn)營(yíng)的安全性、靈活性和盈利能力。為了幫助流程工業(yè)制造商開始學(xué)習(xí)、驗(yàn)證和采用開放架構(gòu)ICS解決方案的過(guò)程，COPA快速啟動(dòng)系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的第一步。圖2描述了這一快速啟動(dòng)系統(tǒng)的概貌。該系統(tǒng)包括：1）精心挑選來(lái)自Phoenix Contact、R. Stahl、Nova SMAR、Supermicro、CPLAN ai、 CSI和CODESYS的最佳產(chǎn)品組件，設(shè)計(jì)組成符合O-PAS標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)先打包好的工業(yè)控制系統(tǒng)，便于保證在尚不熟悉開放系統(tǒng)集成的用戶不至于走彎路。2）由CPLANE.ai的Fusion管理軟件提供工業(yè)控制系統(tǒng)從啟動(dòng)、運(yùn)行到進(jìn)化的整個(gè)生命周期的無(wú)縫自動(dòng)化和協(xié)調(diào)。CPLANE.ai 的Fusion軟件在英特爾的Edge Controls平臺(tái)上充分利用其設(shè)計(jì)能力，這一最新開發(fā)的軟件參考平臺(tái)也為開放控制系統(tǒng)提供一個(gè)前所未有的實(shí)時(shí)確定性計(jì)算、基于標(biāo)準(zhǔn)的連接性、類似IT的管理以及類似OT的準(zhǔn)確處理屬性（predictability）。3） 由Supermicro制造的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)ACP，內(nèi)置Intel Xeon D處理器，安裝在通用的短深度1U機(jī)箱中。4） 先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)展示了諸如快速循環(huán)模型預(yù)測(cè)控制、強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制、人工智能和先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)安全等新功能的價(jià)值。5）通過(guò)實(shí)際操作培訓(xùn)使工程師和管理人員迅速獲得對(duì)下一代控制系統(tǒng)的更深入的了解。
圖2 COPA快速啟動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)概貌
COPA聯(lián)盟已經(jīng)制定了詳細(xì)的快速啟動(dòng)教育培訓(xùn)計(jì)劃，包括設(shè)計(jì)、啟動(dòng)、操作運(yùn)行、改進(jìn)、信息安全和故障排除共六個(gè)階段。
COPA 快速啟動(dòng)系統(tǒng)存在的意義在于，他們提供的產(chǎn)品不需要巨額的資金支持，這就大大降低了學(xué)習(xí)流程開放自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)O-PAS和發(fā)展關(guān)鍵內(nèi)部專業(yè)知識(shí)的障礙。大量的中小型流程工業(yè)企業(yè)他們不像擁有充足研發(fā)預(yù)算的大公司（如埃克森美孚、沙特阿美、馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司和科赫工業(yè)公司），為了了解和評(píng)估美國(guó)開放集團(tuán)（The Open Group）不斷發(fā)展的O-PAS標(biāo)準(zhǔn)去建立需要大量的財(cái)政支持的實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試程序。因此COPA聯(lián)盟的成立與開放流程自動(dòng)化論壇OPAF形成了相互支持相互補(bǔ)充的局面，通過(guò)COPA快速啟動(dòng)的這種方法為加速開放自動(dòng)化方向的發(fā)展和推廣提供了一種有效途徑。
OPC UA——廣泛被IT和OT采用的行業(yè)互操作性解決方案
上世紀(jì)90年代發(fā)端于美國(guó)的OPC，經(jīng)過(guò)2005年轉(zhuǎn)型為OPC UA，到了2010年以后其發(fā)展重心似乎轉(zhuǎn)移到了德國(guó)，在工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域中也從流程工業(yè)擴(kuò)展到離散制造業(yè)和許多其他行業(yè)。
現(xiàn)今OPC UA，不但是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中安全可靠的數(shù)據(jù)交換互操作性標(biāo)準(zhǔn)，而且也是一個(gè)統(tǒng)一的、獨(dú)立于制造商的、廣泛被IT和OT采用的行業(yè)互操作性解決方案。它已經(jīng)擴(kuò)展到上至云端，下至控制和現(xiàn)場(chǎng)層，貫穿了原有的自動(dòng)化金字塔架構(gòu)，從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到企業(yè)管理級(jí)，以至外延到更廣闊的領(lǐng)域（見圖3）。運(yùn)用OPC UA可以將處在L0級(jí)到L4級(jí)以至L5級(jí)的IT功能（用橙色和紅色標(biāo)注）和OT功能（用藍(lán)色、淺藍(lán)色和白色標(biāo)注）進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的無(wú)縫交換。作為一個(gè)有著長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和目標(biāo)的OPC UA項(xiàng)目，在既定的總體框架下采取內(nèi)外合作的方式，組織了許多規(guī)范的開發(fā)制定和驗(yàn)證。以下列舉近些年的若干進(jìn)展。
圖3 從現(xiàn)場(chǎng)到云端、從控制到管理的OPC UA解決方案
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信（FLC）FLC倡議的目標(biāo)是提供一種開放的、有內(nèi)聚力的方法在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)OPC UA。這些協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用行規(guī)適用于相當(dāng)寬泛的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，涵蓋傳感器輸入/輸出、運(yùn)動(dòng)控制、安全、系統(tǒng)冗余、在線和離線場(chǎng)景中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的OPC UA信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化（如設(shè)備描述及對(duì)應(yīng)的診斷)，以及將OPC UA的應(yīng)用行規(guī)映射到在以太網(wǎng)（包括TSN）實(shí)時(shí)運(yùn)行。自2018年11月啟動(dòng)以來(lái)有來(lái)自27個(gè)公司參加了指導(dǎo)委員會(huì)。目前第一個(gè)候選版本已經(jīng)完成，正在積極地實(shí)現(xiàn)原型系統(tǒng)和進(jìn)行互操作性測(cè)試，以驗(yàn)證規(guī)范。與此同時(shí)，測(cè)試規(guī)范正在生成，稍后將轉(zhuǎn)換為OPC UA符合性測(cè)試工具（CTT）的相應(yīng)測(cè)試用例。在第二個(gè)版本的規(guī)范中，已經(jīng)開發(fā)的概念將擴(kuò)展控制器與設(shè)備間（Cotroller-to-Device ，C2D）和設(shè)備間(D2D)的用例，這將使OPC UA可以用作一個(gè)統(tǒng)一和一致的縱向和橫向一體化的通信解決方案，包括現(xiàn)場(chǎng)、邊緣和云。這兩個(gè)規(guī)范將開啟全新的可能性，特別是針對(duì)各種工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例和應(yīng)用場(chǎng)景，從而達(dá)到使生產(chǎn)更高效和更靈活的目標(biāo)。
第一個(gè)候選版本由4個(gè)部分（OPC UA parts 80-83）組成，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等連接和基本診斷重點(diǎn)關(guān)注C2C通信（控制器到控制器）的數(shù)據(jù)交換過(guò)程和組態(tài)數(shù)據(jù)。這些規(guī)范部分標(biāo)有OPC UA FX字樣，即:OPC UA FX 10000-80，概述將OPC UA擴(kuò)展到用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信的基本概念；OPC UA FX 10000-81，規(guī)范滿足工廠和過(guò)程自動(dòng)化的各種用例和需求的控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（自動(dòng)化組件）的基本信息模型和通信概念；OPC UA FX 10000-82描述了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如拓?fù)錂z測(cè)和時(shí)間同步；OPC UA FX 10000-83使用描述符和描述符包描述離線工程所需的信息交換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
為滿足現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別的通信必不可少的靈活性、效率和確定性的要求，OPC UA的控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都支持面向連接的客戶端/服務(wù)器通信模型和發(fā)布/訂閱擴(kuò)展。還使用了OPC UA中指定的安全機(jī)制，其中包括支持要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的身份驗(yàn)證、簽名和加密。
OPC UA FX定義了兩個(gè)通信行規(guī)。一種是將OPC UA協(xié)議(UADP)映射到UDP/IP。另一種是直接將UADP映射到Level 2數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)TSN。后一種選項(xiàng)用于減少協(xié)議開銷，并提高像運(yùn)動(dòng)控制或高速I/O這類自動(dòng)化應(yīng)用的協(xié)議效率。
將OPC UA引入到現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)的APL（先進(jìn)物理層）和以太網(wǎng)時(shí)間敏感聯(lián)網(wǎng)TSN。但OPC UA應(yīng)用并不僅僅局限于有線以太網(wǎng)技術(shù)，今后還會(huì)使用無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)如5G或Wi-Fi/7。在OPC基金會(huì)的路線圖中也列入對(duì)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的支持。為此，OPC基金會(huì)一直在研究將5G納入其服務(wù)質(zhì)量（QoS）模型的概念中，以實(shí)現(xiàn)5G與現(xiàn)有OPC UA架構(gòu)的無(wú)縫集成，目標(biāo)是為工業(yè)4.0 & IIoT應(yīng)用提供可靠而又靈活的通信解決方案。由此可見，OPC UA不僅僅是一個(gè)協(xié)議，實(shí)際上它是一個(gè)從根本上與傳輸無(wú)關(guān)的工業(yè)建?？蚣?，因此可以根據(jù)應(yīng)用的特定需求和用例輕而易舉地去適應(yīng)不同的傳輸層。
圖4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)交換的OPC UA框架及其擴(kuò)展
OPC UA安全解決方案（OPC UA safety）已于2019年11月發(fā)布（OPC 10000-15）。這個(gè)基于客戶端/服務(wù)器機(jī)制的OPC UA安全規(guī)范由Profibus和Profinet International聯(lián)合工作組開發(fā)。OPC UA安全規(guī)范的修訂版將很快發(fā)布，其中描述了OPC UA Pub/Sub的擴(kuò)展和安全設(shè)備的參數(shù)化，包括C2D（控制器到設(shè)備）。OPC UA Safety支持最大1500字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，創(chuàng)建任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄐ切?，線，網(wǎng)格等）。為簡(jiǎn)化管理機(jī)械設(shè)備前后串接，以及對(duì)可變動(dòng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接設(shè)置，采用多層級(jí)的安全標(biāo)識(shí)號(hào)ID。所謂的可變動(dòng)設(shè)備是指諸如模塊化機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)載車輛AGV、自主移動(dòng)機(jī)器人AMRs、以及工具更換部件等。
2020年年中開始了開發(fā)基于OPC UA的運(yùn)動(dòng)控制解決方案，該解決方案包括用于各種類型運(yùn)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制功能，如控制器、標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器、變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器。FLC指導(dǎo)委員會(huì)已同意以CIP Motion和Sercos規(guī)范為基礎(chǔ)，采用OPC UA信息模型和系統(tǒng)架構(gòu)的規(guī)則，同時(shí)考慮相關(guān)的工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例。在開發(fā)安全和運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范時(shí)使用現(xiàn)有成熟的概念和規(guī)范，目的是可以顯著加快進(jìn)度。
伙伴規(guī)范 OPC UA設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的框架，通過(guò)OPC元模型-通用基礎(chǔ)信息模型-伙伴信息模型的結(jié)構(gòu)，來(lái)支持廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別(例如測(cè)量或識(shí)別設(shè)備、PLC)到企業(yè)管理級(jí)別和離線工程設(shè)計(jì)級(jí)別。各個(gè)細(xì)分行業(yè)和不同領(lǐng)域在基礎(chǔ)信息模型規(guī)則的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)面向自身的行業(yè)和領(lǐng)域的行規(guī)模型。這些伙伴規(guī)范由廣泛的行業(yè)組織創(chuàng)建，他們專注于工程化并為多供應(yīng)商互操作性提供公共語(yǔ)義模型的應(yīng)用。OPC基金會(huì)有三種創(chuàng)建伙伴規(guī)范的方式，即由OPC內(nèi)部工作組創(chuàng)建的模型，它們與統(tǒng)一架構(gòu)規(guī)范相關(guān)聯(lián)；聯(lián)合伙伴模型，這些模型由OPC基金會(huì)和另一個(gè)組間的聯(lián)合工作組創(chuàng)建（如與PLCopen合作的IEC 61131-3的OPC UA信息模型，與ISA OMAC合作的PackML的OPC UA信息模型等）；以及由獨(dú)立于OPC基金會(huì)的外部機(jī)構(gòu)創(chuàng)建伙伴模型。
在開發(fā)上述伙伴模型的基礎(chǔ)上，不同領(lǐng)域、行業(yè)或?qū)I(yè)的細(xì)分模型都有著OPC UA的“共同語(yǔ)言”，原本被相互割裂的領(lǐng)域知識(shí)、數(shù)據(jù)信息、網(wǎng)絡(luò)，便融入到OPC UA的分布式數(shù)字空間，由此構(gòu)成的系統(tǒng)也隨之具備了跨系統(tǒng)、跨網(wǎng)絡(luò)、跨專業(yè)的能力。因此，概括地說(shuō)伙伴信息模型規(guī)范是OPC UA提供領(lǐng)域建模的解決方案的主要工具。德國(guó)有些公司正在運(yùn)用這種解決方案實(shí)現(xiàn)符合自己工程設(shè)計(jì)場(chǎng)景化建模。
一個(gè)值得關(guān)注的基金會(huì)
成立于2001年的Eclipse基金會(huì)，在自動(dòng)化開源領(lǐng)域起著重要的作用。它是Eclipse IDE和350多個(gè)開源項(xiàng)目的總部?；饡?huì)促進(jìn)和支持開源軟件協(xié)作和創(chuàng)新，包括運(yùn)行時(shí)、工具和廣泛的技術(shù)領(lǐng)域的框架，如物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)、汽車、地理空間、系統(tǒng)工程、和許多其他項(xiàng)目。許多跟制造都有關(guān)。Eclipse BaSyx項(xiàng)目是由德國(guó)教育與研究部提供經(jīng)費(fèi)的研究項(xiàng)目BaSys 4.0的開源成果。
Eclipse BaSyx是下一代自動(dòng)化的開源平臺(tái)，旨在通過(guò)提供通用工業(yè)4.0組件和一個(gè)可擴(kuò)展的軟件開發(fā)工具包(SDK)，加速工業(yè)4.0解決方案的開發(fā)。為著重應(yīng)對(duì)工業(yè)4.0開發(fā)中的各種挑戰(zhàn)（諸如可變更生產(chǎn)、低成本實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)、利用大數(shù)據(jù)分析、連接異構(gòu)設(shè)備和系統(tǒng)、最小化停機(jī)時(shí)間等），Eclipse BaSyx實(shí)現(xiàn)了工業(yè)4.0生產(chǎn)架構(gòu)中以下的幾個(gè)核心技術(shù)：1）虛擬自動(dòng)化總線 實(shí)現(xiàn)了制造機(jī)械裝置(車間)和IT之間的跨網(wǎng)絡(luò)和跨協(xié)議點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。2）資產(chǎn)管理殼 是生產(chǎn)資產(chǎn)的數(shù)字代表，即它們的數(shù)字孿生。這些資產(chǎn)可以是物理資產(chǎn)，也可以是非物理的無(wú)形資產(chǎn)（如軟件、技術(shù)文檔）。資產(chǎn)的管理殼包含所提供的子模型，例如接口以及狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。3）控制組件 實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一的服務(wù)接口。它們將生產(chǎn)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)過(guò)程中分離出來(lái)，并使生產(chǎn)的設(shè)備和流程變得可更改?？刂平M件還實(shí)現(xiàn)了更多的對(duì)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)加以抽象，因此更容易使用。控制組件均通過(guò)運(yùn)行時(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。
而Eclipse 4diac則是另外一個(gè)至關(guān)重要的開源項(xiàng)目。這是一個(gè)為促進(jìn)IEC 61499在分布式工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)的開源項(xiàng)目，并進(jìn)一步分發(fā)來(lái)自原始貢獻(xiàn)者的研究結(jié)果。從一開始，它就提供了基于IEC 61499編寫和執(zhí)行分布式系統(tǒng)所需的一切。這些年來(lái)4diac成為基于IEC 61499的研究和開發(fā)的主要來(lái)源之一，而且已成功應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)系統(tǒng)，包括制造系統(tǒng)、物流、電力和能源應(yīng)用、機(jī)器人和樓宇自動(dòng)化。例如前些年被施耐德電氣收購(gòu)的NXTcontrol，其開發(fā)的軟件系統(tǒng)就是在4diac基礎(chǔ)上實(shí)用化、商業(yè)化的，之后又成為施耐德推行開放自動(dòng)化軟件架構(gòu)EAE的重要基礎(chǔ)。
軟件要開源，必須有一套規(guī)范。Sparkplug正是如此，它為消息隊(duì)列遠(yuǎn)程傳輸（MQTT）客戶端提供框架，以便在MQTT基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中無(wú)縫地集成來(lái)自其應(yīng)用程序、傳感器、設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)（見圖5）。Sparkplug提供開放和免費(fèi)的規(guī)范，支持網(wǎng)絡(luò)邊緣網(wǎng)關(guān)、本地MQTT的終端設(shè)備和MQTT應(yīng)用程序在MQTT基礎(chǔ)架構(gòu)中進(jìn)行雙向通信。
圖5 MQTT/Sparkplug開源軟件規(guī)范支持IIoT雙向通信（圖源：OPTO 22網(wǎng)站）
結(jié)束語(yǔ)：把握時(shí)機(jī)開創(chuàng)自動(dòng)化的未來(lái)
隨著越來(lái)越多的制造商意識(shí)到要保持競(jìng)爭(zhēng)力并獲得更多的靈活性和效率，必須對(duì)其制造基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造升級(jí)，并且完全由自己來(lái)集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)；整體的愿景是實(shí)時(shí)的先進(jìn)優(yōu)化、分析，以及連接供應(yīng)鏈、設(shè)計(jì)、制造、產(chǎn)品出廠物流和全生命周期服務(wù)。這種集成只能通過(guò)利用最新的技術(shù)來(lái)有效完成，而這類復(fù)雜的多專業(yè)多系統(tǒng)的集成必須依賴持開放目標(biāo)的系列標(biāo)準(zhǔn)。
工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)前正處在一個(gè)前所未有的轉(zhuǎn)型期，控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的硬件軟件捆綁轉(zhuǎn)向按最終用戶的需求配置硬件軟件組件；企業(yè)的管控一體化從傳統(tǒng)的金字塔多層分級(jí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向統(tǒng)一的、獨(dú)立于制造商的、廣泛被IT和OT采用的、IT/OT融合的行業(yè)互操作性解決方案?；蛟S這一轉(zhuǎn)型需要一個(gè)較長(zhǎng)的的時(shí)間，但由目前發(fā)展的勢(shì)頭來(lái)看，絕對(duì)不會(huì)超過(guò)十年。工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商有獨(dú)特的機(jī)會(huì)站在自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步的正確一邊，開發(fā)基于開放標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，參與發(fā)展開放標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)系統(tǒng)。不過(guò)把握時(shí)機(jī)的關(guān)鍵在于必須在達(dá)到臨界點(diǎn)之前迅速行動(dòng)，否則其他公司就會(huì)利用來(lái)自行業(yè)外部的重大變化，完全擁抱開放互操作生態(tài)系統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商將通過(guò)響應(yīng)用戶需求而受益匪淺。
面對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的這一轉(zhuǎn)型，我國(guó)廣大的自動(dòng)化工作者必須有清醒的認(rèn)識(shí)和態(tài)度，不能躺平等待先進(jìn)工業(yè)國(guó)家完成轉(zhuǎn)型之后才付諸行動(dòng)。慶幸的是我國(guó)有越來(lái)越多自動(dòng)化企業(yè)和開發(fā)人員注意到了這個(gè)趨勢(shì)，在各自的工作中正在關(guān)注和運(yùn)用開放自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)。如果有更多的組織、人員和熱情從奢談工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)向務(wù)實(shí)和落地，必不可少的前提一定是共享開放自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，共筑開放自動(dòng)化的生態(tài)系統(tǒng)，共創(chuàng)開放自動(dòng)化的未來(lái)。
