IEC61499的反向斗争自动化孤岛,是如何形成的?

作者

彭宇:上海工业自动化仪表研究所,PLCopen中国组织

编辑

林学平:南山工业研究院创始人,北京联讯电力咨询有限公司总经理。

智能制造进入深耕领域,多年来主导工业领域的自动化也在重塑自身。毫不奇怪,工业自动化技术的应用一直是一个历史性的发展过程。任何概念和技术的兴起、发展和升级,甚至被新概念和新技术所取代,都离不开特定的社会经济条件。新需求和相关技术发展的新背景。

当今智能制造的重点已经与 IT 和 OT 的融合交织在一起。作为开放自动化的重要基础——IEC 61499,它已经形成了独特的价值,并可能引领下一波自动化浪潮。

史无前例的逆向斗争

自动化孤岛是如何形成的?

出现在 1960 年代末和 1970 年代初的 PLC 和 DCS,立即被离散制造和过程工业所认可和接受,迅速在世界范围内传播,并在工业自动化领域占据主导地位数十年。市场主流是其他技术体系难以撼动的。

但是,在应用和推广过程中,敏锐的资深专家仍然发现了一个一般技术接受者不容易意识到的问题,那就是缺乏一种能够完全规范控制系统配置和配置的语言。这个巨大的障碍导致了不同的自动化制造。制造商的产品彼此不兼容。这一挡在工业自动化产业面前、制约进一步高质量发展的壁垒,直接体现在DCS和PLC之间的软硬件捆绑,导致不同厂家的产品不仅不兼容互通,而且系统升级和软件升级只能依靠原厂商,一旦服务缺失(例如,备件无法供应,新软件技术难以引入),最终用户几乎无能为力。当这些问题在业界逐渐达成一定共识后,大家开始寻求合适的解决方案。

早在 1980 年,一位美国自动化大师就设想了一种完美的自动化语言,例如应用程序的可移植性、系统的互操作性、工厂生产的灵活性以及自动化控制系统在投入现场调试之前的可验证性。,给终端用户带来巨大的利益。

40年后的今天,经过自动化专业人士在工控编程语言标准化方向的不懈努力,终于取得了许多可喜的成果。这些成果的高潮是IEC 61131-3和IEC 61499。这些成果大部分已经集成到自动化软件产品和平台中硬件开发转嵌入式开发难吗,也有一些开源实现(如Eclipse基金会的4DIAC开源项目)。

与此同时,IT领域的进步和发展更是令人惊叹。云计算技术和新兴软件技术对各个领域都产生了深远的影响。工业自动化领域的影响和渗透首先体现在企业运营管理软件云化的各个方面,然后直接影响到长期以来被视为经典自动化系统架构的金字塔模型,分布式结构和端到端。通信开始取代多层次分层系统的做法。显然硬件开发转嵌入式开发难吗,这种颠覆几乎将由软件技术而非硬件技术驱动。从经济角度看,现有控制系统的约束’ 软硬绑定无法长期有效妥善保护设备资产、数据资产等投资;从技术角度看,现有控制系统不具备原有信息安全的特点,造成了巨大的风险和隐患。

进入21世纪第二个十年后,行业对全开放控制系统的呼声日益强烈,以至于2016年终端用户发起并积极组织下一代开放自动化系统(OPA)的开发。标准化活动。本次标准化活动的显着特点是,在充分吸收和继承行业现有标准化成果、面向所有利益相关方开放的基础上,从一开始就高度重视基于实际的验证工作,即即,标准的制定必须能够经受住试验台的考验和工业厂房中试的检验验证。OPA 的主要目标之一是在不使用当今 DCS 使用的专用功能块和软件工具的情况下显着改进控制系统设计软件平台。埃克森美孚 (Exxon Mobil) 和洛克希德马丁 (Lockheed Martin) 在 2017 年指出:IEC 61499 似乎有可能实现这一目标。

同样在2016年,面向中小型制造的Daedalus项目在意大利启动,积极探索和尝试使用IEC 61499分布式智能控制系统进行离散制造。该项目得到了欧盟的大力支持。

这两个项目在未来的开放自动化方向上形成了互补的局面。尽管他们有自己的重点和优势,但他们的理论和实践基础之一是 IEC 61499。

作为开放自动化的主流,开放流程自动化是由终端用户发起的颠覆性创新活动。这是一场史无前例的逆战,一场由终端用户主导的长期斗争。它的目标是几十年来一直保持过程工业自动化系统发展的供应商。更深层次的背景是,IT领域的快速发展和OT领域的严重滞后,让终端用户为了维持生产运营不得不付出沉重的代价,同时又不得不在急切中感到力不从心。采用新技术。

如果说直到 2016 年它还只是埃克森美孚工程技术人员的一员,希望突破现有软硬件捆绑 DCS 系统的诸多负担,经过多年的不懈努力,现在已经成为默克公司的一部分。) 、杜邦、壳牌、巴斯夫、乔治亚太平洋和埃克森美孚等对传统的过程自动化供应商提出了新的要求,要求他们采用开放、可互操作和固有安全的 IT/OT 融合解决方案,统一和集成信息技术 IT与自动化控制技术OT整合为单一系统进行管理和控制。这或许才是中国十多年前倡导的一体化管控体系的真正实现。

由于技术限制,IEC 61499 的早期发展很难被广泛采用。随着技术的发展,基于IEC 61499的软件平台原则上解决了不同供应商之间软件到硬件的可移植性、可配置性和互操作性问题,从而实现了软硬件的解耦。同时,通过对基于时间扫描的机制和基于事件的机制进行适当的部署和组合,自动化系统可以轻松采用IT领域的最佳实践,并轻松与企业的管理系统对接。并且为了让传统的PLC和DCS系统在开放式自动化系统中继续发挥作用,符合IEC 61499的组合软件正在开发和应用中。

作为主要的跨国工业自动化供应商,施耐德热衷于基于IEC 61499的开发平台,并寻求在开放式自动化系统的方向上重塑工业自动化系统的愿景。这一趋势表明,IEC 61499的工业应用正在进入一个关键的发展阶段。由施耐德电气仪表研究所和上海交通大学自动化系共同撰写的《开放式自动化白皮书》,让历史上模糊的焦点越来越清晰。

标准标准

在各种适用的行业标准的基础上,制定针对特定行业的综合应用标准,在文献中有时称为“标准的标准”(Standard of Standards)。此类标准往往不是由正式或官方的标准化组织发起和运营,而是由最终用户根据自己的需要、思考和判断发起,并为此成立或委托非官方的组织或协会制定。相关的标准化活动。如此针对性强的标准化活动,吸引了一批志同道合的合作伙伴,涉及终端用户、自动化供应商、自动化咨询机构及部分标准化组织等力量。通过巨大的资源投入和跨组织联盟的共同努力,有效推动了行业的技术进步,将继续展现出前所未有的经济潜力和组织活力。开放自动化的标准化活动显然是其典型做法。

在选择现有的、卓有成效的、适用的行业标准的基础上,需要综合开发一系列新的标准开放过程自动化O-PAS。这就是开放流程自动化的总体思路。标准的总体规划分为8个部分(见图1))。该标准的具体实施路线图分为三个步骤:第一步是在2019年1月公布OPAS V1.0,重点是标准化过程控制系统中使用的组件的互操作性;第二步,2020年发布V2.0,主要是规范配置(配置)和可移植性和可互换性;第三步是V3.0将在2022年之后发布,主要是关于如何应用的规范或指南。

图1 O-PAS标准分为8个部分(图片来源:OPAF)

为开放、可互操作和安全的过程自动化建立“标准标准”是一项复杂的任务。其发展策略是首先参考现有的各种适用的行业标准,找出这些标准与 OPAS 要求的目标之间的差距,然后与制定这些标准的相关组织一起修订这些标准,或添加合适的 OPAF。实现适当定义所需的术语。只有当现有标准都不适用时,才应考虑制定全新的标准。为此,OPAF论坛与以下组织达成了许可协议,包括著名的国际自动化协会ISA、德国的NAMUR、OPC基金会、PLCopen、德国电气协会ZEVE和AutomationM。

为了实现工业过程自动化资源的分布式异构生态系统的互操作性,O-PAS 标准定义了参考架构和信息模型。该标准的目标是刺激创新,降低系统生命周期成本,并在管理现有系统中过时和过时的硬件和软件时为最终用户提供更多自由。

由开放过程自动化论坛 (OPAF) 开发的 O-PAS V2.1 版本的初步标准将于 2021 年第二季度发布。这是 O-PAS 系列标准中测试和现场试验的关键里程碑,为工业控制系统更好、更高效的互操作性和可移植性提供标准保证。该版本由超过 105 个 OPAF 成员组织直接参与创建,基于版本 V2.0 的整体信息模型,并增加了配置可移植性的新功能。O-PAS 标准的最新进展反映了行业领导者的普遍共识,即开放、安全和可互操作的架构是工业过程自动化系统无可辩驳且不可避免的未来。

这些复杂的活动链正在产生宝贵的成果。除了 V2.1 版本外,O-PAS 标准的认证计划计划于 2022 年上半年推出,目前正在针对各种基于 Profile 的要求进行开发。作为这项工作的一部分,该测试工具目前正在与供应商进行 Beta 测试。

在标准的最终版本 2.1 版本(计划于 2022 年第一季度发布)之后,OPAF 将在版本 3.0 上工作,该版本将解决系统编排、应用程序可移植性和进一步细化 化学物理分布式控制平台。

突破,而不是增量

放眼整个工业领域,目前在工业自动化行业以及汽车、电信等大型行业,都在创建分布式自动化的参考架构,甚至正在创建具体的解决方案。为了应对数字化转型的挑战,这些初创公司有很多共同的特点:他们需要大规模部署长生命周期的远程管理软件,在工业软件的开发、部署和维护,以及各类硬件上,包括嵌入式设备。) 是突破而不是增量改进。

采用开放式自动化的主要挑战之一是如何集成和管理新一代控制系统。如果不解决这个关键问题,就很难提供比当今专有自动化产品更好的价值和性能。为了了解这一挑战的难点并探索解决方案,美国分布式云公司 CPLANE.ai 一直在探索多系统和可互换的系统编排。作为 OPAF 的成员,该公司正在与埃克森美孚合作开展试点项目。该项目采用现有的 OPAF 标准和一些现有的自动化产品,并将它们与最先进的基于云的系统编排技术集成。

所谓系统编排,就是为大型复杂系统提供“数字化生命周期管理”的技术。对于大型电信网络、复杂的企业数据中心和网络规模的数据中心,系统编排是一项相当成熟的技术。运营商依靠系统编排技术来管理大型复杂的数字基础设施。相比之下,将系统编排技术应用于复杂的工业系统是一种新的尝试。工业编排系统是管理所有计算元素、软件堆栈、控制应用程序、网络和容器的单个集成系统。随着下一代工业控制系统迅速成熟并过渡到日益复杂的数字技术,为工业系统量身定制的系统编排必将成为多个供应商提供的开放式控制系统所谓“系统”性质的关键要素。打开要组合的组件。

图 2 工业系统编排管理的工厂/工厂生命周期的三个阶段(来源:CPLANE.ai)

图 2 描绘了工业系统编排管理的工厂/工厂生命周期的三个阶段。第一阶段是启动阶段。该阶段主要发现系统的数字控制节点DCN,输入系统的各种需求,根据系统需求和提供的计算组件进行智能部署。第二阶段是运营阶段。主要任务是监控系统(包括系统运行节拍、故障)、维护和升级,发现问题时自动修复和恢复,以保证高可用性或SLA(服务水平协议)。第三阶段是演进阶段,主要是增加或升级新功能,包括增加新设备、新服务和新应用、迁移应用、

该演示的试验工厂模拟了涉及多个单元的化学混合和加热过程:反应罐批次单元、热交换器、产品储存罐和冷却器。本次演示的实验控制系统基础设施由14个独立的计算设备组成,其中13个为分布式控制节点DCN,另一个为独立的高级计算平台ACP。DCN 运行工业过程的控制回路,而计算机平台包含人机界面 (HMI) 应用程序和施耐德的 IEC 61499 工程设计工具 EAS(EcoStructure 自动化专家)。这些计算设备是不同微处理器(Intel X86 和 ARM)的异构组合,具有来自不同制造商的不同 RAM 和存储配置。

试验的目标是通过 CPLANE.ai 的工业编排系统正确地自动安装和部署模拟化工厂控制系统所需的所有软件。这个系统的效率超出了人们的想象。CPLANE.ai 的编排系统在大约 10 分钟内完成“启动阶段”,而手动安装类似系统通常需要 2-3 名工程师团队花费数天或一周的时间。

图 3 描述了工业自动化编排系统的基本概念和功能,用它来监控应用程序、过程控制层、计算层(操作系统 OS、虚拟机 VM、容器)、网络安全和网络的数字基础。生命周期管理和监控的架构。

图3 CPLANE编排系统的基本概念和功能(来源:Cplane.ai)

从这个实验项目中可以得出以下结论:

开放式自动化系统的系统性可以通过系统编排来实现。使用编排技术和其他相关新技术,可以将来自多个供应商的硬件和软件组件集成到一个整体开放的流程自动化系统中。开放标准使互操作性在很大程度上更容易管理和更可靠地实施。这些开放标准将随着技术的发展而继续发展,并将有助于证明未来在这些标准上的投资是合理的。与当前需要多个供应商合作和协作的 OT 解决方案相比,该试验产生了相当可观的结果。应该将思维从单独的 IT 和 OT 域转移到集成的混合架构,在一个有凝聚力的统一框架内管理 IT/OT 数字资产。

当然,这只是一个研发验证项目,并不是真正的工业项目。如果这些系统最终符合埃克森美孚的过程自动化操作和工业实施标准,则可以考虑对其数百个过程单元进行升级。据估计,仅每台设备就可以节省大约 100 万美元或更多的资本支出。

但更大的意义在于,这个项目是目前为止可以看到和做的最接近OPAF愿景的实现,无论是从任意层面还是从OT和IT两个角度,在很大程度上都实现了开放自动化的目标系统是在以上基础上实现的,并配合目前市面上的商用工业软件产品完成。

61499潜力更大

IEC 61131-3 是工业控制的一个组成部分。作为自动化编程语言的国际标准,自 1993 年发布以来,经过十多年的努力,得到了全球业界的广泛认可和接受。作为 IEC 61131-3 的补充和扩展,IEC 61499 于2005年,历经15年的磨砺,现已进入产业应用开发的起步阶段。IEC 61499采用事件驱动的执行模型,可以实现分布式控制逻辑,执行过程中的通信自动构建,无需特殊处理。符合 IEC 61499 的软件工具提供了用于配置、编程和数据管理的集成方式和工具,从而大大降低了工程成本。

最大的好处是系统的所有功能(包括控制、信息处理、通信和过程接口)都可能独立于特定的硬件和操作系统。将应用程序与硬件和操作系统分离将破坏控制硬件和软件紧密联系在一起的多年。

这种高度的灵活性和敏捷性为智能制造提供了新的工程基础。基于IEC 61499集成开发环境的软件工具可以为所有控制任务提供解决方案,并可以通过预先设计的软件对象功能块完成面向对象的工程设计。在IEC 61499集成开发环境中,一方面,IEC 61499编程语言与成熟的IEC 61131-3标准完全一致,使新产品能够与现有设备和旧设备顺利集成;另一方面,也可以用各种高级语言编写功能块。

IEC 61499 已被定性为可执行的系统级建模语言,主要是因为符合 IEC 61499 的应用程序本身可以根据基于模型的系统工程 (MBSE) 构建,无需模型转换即可直接部署。并执行。这无疑比旨在建立“工业自动化联合国”的 OPC 试图通过 OPC-UA 信息模型和各类自动化场景的合作伙伴信息模型(或支持信息模型)来实现 MBSE 简单得多。还值得注意的是,IEC 61499 仍有很大潜力发展成为基于场景的建模工具。在工业自动化和智能制造的未来,它将直接根据应用场景开辟一类高效直接的建模。,以及直接生成代码的光明前景。

在建模方面,IEC 61499 远比 IEC 61131-3 规范的编程语言灵活和适应性强。例如,IEC 61131-3 规定的顺序功能图语言(SFC)是一种图形语言,用于结构化地表达各种顺序控制结构。,功能块具有明显的结构特征,明显是顺序控制的建模语言;功能块图语言 FBD 是由各种预设或预定算法按控制过程要求连接起来的功能块 功能块具有明显功能特征的图形语言,显然是一种面向功能实现的建模语言。用IEC 61499规范的规则建模,不仅可以表达顺序控制的结构,还可以表达各种功能结构,以及许多其他的系统结构,这些都源于IEC 61499软件模型的天才。.

笔记

开放自动化的全部意义在于开放!实现开放自动化的根本目标是在工业过程自动化领域建立一个满足内在信息安全性和互操作性的分布式异构生态系统。这种生态不区分领导和下属。它可以自由地实现集成系统中不同厂商软硬件的互操作性、应用程序的可移植性、配置和配置的可移植性,以及软硬件组件的互换性,体现了巨大的灵活性。

要实现这样一个独特的局面,有必要在现有的、适用的、已经行之有效的行业标准的基础上,制定一系列新的标准。这些适用的行业标准不仅是OT领域的标准,也必须融入IT领域的标准中。

路依旧坎坷,但61499的灯已经亮了。

© 版权声明
THE END
喜欢就支持一下吧
点赞0
分享
评论 抢沙发

请登录后发表评论