彭瑜 | IT与OT正在走向原生融合

前言

开放自动化正在以快速的步伐走到人们的视野中来。而全新的标准，则如影随形，让未来的轮廓变得越来越清晰。在2020年由Cplane.ai公司和埃克森美孚合作开展的开放自动化系统的自动编排试验，取得了令人振奋的成功。这不仅仅因为这是目前所能看到和做到的最接近开放流程自动化愿景和目标的实现，而且是采用了目前既有的商业化工业软件产品完成。由此我们可以毫不含糊地得出以下结论：标准IEC 61499为IT/OT的内聚融合奠定了基础，云编排系统使IT/OT的原生融合得以实现。

IEC 61499定义了分布式信息和控制的高级系统设计和建模的语言。运用IEC 61499可以对诸如以下的多种应用加以封装：功能性，基于图形组件的设计，事件驱动的执行，跨多个自动化和控制任务执行的分布式自动化应用程序，以及边缘计算设备等等。另外，IEC 61499标准为工业自动化应用程序的可移植性奠定了基础。显而易见，它可以创建多方位的利益，例如，促使IT/OT系统的融合；改善软件应用的投资回报率（这是源于软件可以不依赖于特定硬件平台运行）；以及从根本上加快新产品上市时间的工程设计技术。

开放性工控系统设计模型的难题

长期以来在工业自动化领域中，由于缺乏一种能完整规范控制系统配置和组态的语言和模型，导致不同自动化制造商的产品互不兼容，每一个自动化厂商的产品从来都是硬件与软件相互捆绑，这种状况长期束缚了工业自动化领域的技术进步。为了寻找更好的设计模型，自动化领域的科学家和工程师已经持续工作了许多年，获得了长足的进步，而这些成果的顶端应该就是IEC 61131-3和IEC 61499，遗憾的是，迄今仍未获得完全的解决方案。2021年伊始传来了IEC 61131-3第4版的修订开始启动，而最不寻常的就是主管IEC 61131-3维护和修订的TC65B/WG7工作组，邀请了IEC 61499标准的工作组IECTC65B/WG15的成员参与。放在这些专家面前的关键问题将是如何完美地解决从编程语言、控制系统的结构化、模块化、如何实现基于模型的系统工程（MBSE）到构建IT/OT内生融合的一系列标准化难题。

一个成熟的控制系统应用软件需要经过设计、验证和测试等过程。按照验证与确认的V&V模式（图1）。在经过系统的概要设计后还要将其划分为模块进行详细设计，之后才能动手写代码。接着就需要将所有的模块集成起来形成系统的应用程序，并通过硬件在环进行仿真验证和测试。也就是说，在大多数情况下，这些系统需要完全集成为赛博物理系统，然后才能进行验证和测试。这些过程虽然严谨，但却大大限制了工作进度和效率。

IEC 61131-3标准是针对设备的，尽管它定义了5种控制语言，但仍是针对单个控制器的软件模型，而非针对分布式系统的软件模型。IEC 61499的一个主要发展是，它允许将控制系统建模和开发为单一的集成系统，但在部署时依然为分布式系统。这为工业自动化领域中探索和寻求理想的设计模型开辟了崭新的思路。一种新的诱惑摆在面前：能否在IEC 61499的基础上，创建一个工程设计平台解决上述的工程应用软件的所有问题，特别是软件验证、测试的虚拟化仿真的精确性和可信性问题。如果此举成为工程现实，那么它所带来的经济效益，将是无与伦比的。



图1 控制系统开发过程的Vee模型

IEC 61499还提供了如下非凡的几种特性：它提供了强大的基于功能块建模的组态管理能力；它融合了过程控制和工厂自动化的习惯用法，并可能最终将工业自动化领域和嵌入式系统领域加以融合；它既支持事件触发的执行模型，也支持循环执行模型，或者事件触发和循环执行的混合模型；它为采用任意数量的的软件工具对应用程序进行预处理和测试提供了方便易行的环境，也就是说可以通过任意数量的软件工具对应用程序进行广泛的预处理和测试，须知这是一个正在研究开发尚未成熟的课题。因此，在不久的将来，最终用户可以期望有更大的能力来验证和测试他们的自动化应用程序。而且，开源的软件和商平化的软件将在这个领域协同工作。

当然，IEC 61499标准不是设计得面面俱到。正如开放过程自动化论坛OPAF所解释的那样:“IEC 61499标准在设计上是抽象的，允许不同的工业部门插入特定行业的首选项，如通信协议和数据模型。这种设计试图适应广泛的工业用例，而不是强制采用一种一刀切的方法。虽然标准没有规定应该用什么来填补标准中缺失的空白，但它规定了如何以行规的合规性形式来填补它们。”

据此，ARC咨询集团认为IEC 61499是定义和管理控制系统组态的关键软件技术。他们相信，通过效仿IT领域采用Linux作为标准化的执行环境在不同的IT供应商之间进行移植的方法，在OT领域中创建基于IEC 61499标准化自动化层，从而形成在OT领域中不同供应商之间进行软件移植的基础，毫无疑问这将促使OT领域从中受益。

如果能够创建一个能实现软件移植的标准化的自动化系统层，在经济上是非常有价值的。据估计，全球供应商分布式控制系统DCS服务市场的交易额每年为70亿至80亿美元，而终端用户为软件安装服务每年要花费约200亿至300亿美元。一旦可以实现标准化的自动化层，那么就可以不再支出这种年度花费。除了节省成本之外，标准化还能让熟练的工艺工程师和技术人员更多地关注生产改进，而不仅仅是重写老旧代码。

施耐德电气的EcoStruxure Automation Expert（EAE）正在抓紧机会，利用这种最先进的商业IEC 61499开发系统。再加上施耐德电气对开放自动化软件价值的承诺，为实现开放自动化迈出了重要的一步。EAE所开发的应用程序可在许多不同的运行期环境中执行，包括运行在诸如驱动器、虚拟机和容器化的软件环境等智能设备中执行。施耐德为Cplane.ai和埃克森美孚合作的试验项目提供了EAE软件，从而为这一工业控制系统的自动编排得以成功创造了前提条件。

工程设计效率的突破

控制系统设计模型正在发生如下的变化趋向（见图2）：由循环驱动执行向事件驱动执行转变，由平面型代码向面向目标代码转变，由控制器编程向系统建模转变，由IT/OT融合必须经由网关而转向原生IT/OT融合集成转变，由软件与硬件捆绑向软件与硬件解耦转变。这一系列的转变，使得新的控制系统设计模型的系统架构，需要把重点转移到设计工程的速度、敏捷性、灵活性和工作效率上来。不言而喻，这就是由单纯的IEC 61131-3走向IEC 61499和IEC 61131-3结合。而这个过程中，IEC 61499显然将成为主导。



图2 控制系统设计模型架构的关注重点

（图源：ARC）

基于IEC 61499的控制系统工程工具，利用其开放属性专门为简化用户体验而设计。在系统设计、运行和维护期间的各种任务中，这些都能提高工程效率。

最近的一项第三方研究比较不同的工程工具对一个典型小型自动化项目完成所有任务的执行时间。这些工程任务包括创建应用程序、导入相关的库程序、创建逻辑、创建和配置设备、开发HMI和部署项目。例如，使用典型的现有自动化工具设计一个新程序平均需要40个小时。图3显示做同样一个工程任务，若以EcoStruxure专家自动化平台EAE所用的工程开销为100%，另外3种不同的工程工具分别为308%、231%和260%。而且，与这些现有的系统相比，EAE可少花8%的时间。如果这种工作效率能应用于已经在役的工业自动化系统中，每年的价值可能会达到几十亿美元。在工业自动化领域，目前正在树立将软件视为可重用和长期使用的资产的革命性观念，因此在工厂的整个生命周期中将此观念加以贯彻，必将节省更多的成本，创造更多的价值。



图3 比较不同工程工具完成同样任务的工作效率

经典普度模型给IT/OT融合带来的困难分析

1980年美国普度大学工业工程系提出工业制造的计算机集成制造的参考模型，为国际工业和学术界奉为经典。历经40多年这一经典的参考模型由原来的五层架构发展到今天的6层架构（见图4），清晰地表明它所描述的对象已经从单一的制造工厂的参考模型演变为工业企业制造的参考模型。



图4 经典的普度模型已演变为6层架构

企业控制的系统集成国际标准IEC/ISO 62264脱胎于ISA 95。虽然这一标准是在普度CIMS模型的基础上发展起来的，适用于流程工业、离散制造业和批量过程工业，但毕竟最先获得流程工业的普遍支持和实践应用。工业4.0的RAMI4.0参考架构模型中的“Hierarchy Levels”的维度，主要是借鉴了ISA 95的概念。由于最终用户对此ISA 95参考模型的认可和青睐，在美国和欧洲工业软件的开发厂商一般都以此模型为依据。为了更好地服务于智能制造和IIoT的需要，如表1所示，ISA 95在原来的L0至L4的层级之上增加了L5级（企业接入云系统的集成）。

表1 ISA 95的参考模型增加了L5企业云集成



由表1可知，在制造过程中有关控制的大部分处在L1层，这是直接通过处于L0层的传感器、变送器等检测感知生产过程的状态和变化，并按工艺要求进行综合运算（如控制算法、逻辑顺序等）后，又通过处于L0层的各类执行器（如控制阀、伺服驱动器、机器人等）对生产过程实施直接干预或改变。由此可以得出的结论是所谓控制是直接干预过程的。当然处在L2的各种服务器有的是为采集和储存生产过程数据的如SCADA，有的是对过程进行监控显示的如HMI，还有的是执行先进过程控制的算法的如APC等。APC虽然也是对过程实施干预的，但它的干预必须通过L1控制层，即APC是通过改变控制器的设定值对生产过程施加作用的。处于L3层的MES/MOM是对生产车间/工厂现场实施生产调度和管理的，譬如对于复杂流程的高级计划排程APS、综合能源管理等。在这一层级需要根据上一级企业的业务计划要求，把生产任务的数量质量要求和交期等分解为具体的生产工单下发到车间/工厂的基层组织，实现对各个生产装备调度，还需要根据从L1层所采集到的实际生产的数据和运行状况，对照生产计划进行管理和决策。这里一系列的计算虽然不是直接对生产线上的装备产生作用，但是是从车间/工厂的全局来统盘考虑安排的。如果再考虑上一层L4和L5的企业计划管理、物流调配和供应链等等，其涉及的计算不仅在内容上更为宏观，而且在时间尺度上不同于其下层。所以笼统地讲，制造业的控制和计算在实施内容上不同，在时间尺度上也有巨大的差别。

通过以上阐述，我们看到传统的制造模型(即普渡模型或ISA 95)在表达物理层面的同时又表达了逻辑层面的关系。将物理层面与逻辑层面混在一起构成多层模型，造成这些层级相互交叉和交换信息的困难。

然而，鉴于这种模型起源于上世纪90年代，将制造运行操作从物理和逻辑上予以分隔成多个层级，尽管在设计模型时以功能性为主导谨慎小心，但处在当时的技术背景似乎又只能如此处理。换句话说，90年代在普渡模型的基础上发展的ISA 95模型，不可避免带有所处的那个年代的技术特征，在软件技术尚没有可能达到现今IT技术的高度的当时，即使有高度的智慧也很难将物理空间和逻辑空间彻底解耦。这就造成表达物理视角的L0-L2层的OT与通过制造IT（MES、ERP等）表达的L3-L4 在原生时就难以相互融合，不仅仅在时间尺度上、在数据交换的格式和语义上难以融合，而且在通信任务的触发机制上也难以融合。这或许就是人们不得不借助于网关来解决OT/IT融合的问题。

IT/OT融合的价值

相比之下，开放自动化将更彻底地解耦赛博物理（cyber-physical）生产系统中的硬件和软件。这种分离，加上标准化的软件技术和组件，意味着现在可以对同一个制造系统有两个截然不同的视角，建立两个截然不同的两个模型。一个是操作运行模型(如传统的普渡模型)，OT专家通过模型查看制造过程、设备、机器、感器、执行器等的状态，组合这些因素可以完成整个生产过程可视化，也可以监视设备状态、制造过程随时间的变化；与此同时，则使用另外的制造运营系统、生产计划和资产性能管理等领域的应用程序执行更高级别的任务（见图5）。

但这里的重要区别是，开放自动化使IT专家能够在任何层级的细节上查看同一个赛博物理系统，因为它是由标准化的硬件和软件构建的。在IT专家看来制造系统就是由服务器、网络、存储资源、虚拟机、软件容器、编排协调系统、负载平衡系统和服务组成。

一旦实现了开放自动化，尽管IT领域和OT领域的专家他们的视角不同，观点相异，但他们将会第一次看到完全相同的赛博物理生产系统。因为在OT模型中的生产系统已经映射到一组标准化的IT资源上。如果实现了这一点，IT和OT这两个领域将能够在一个全新的和更高的水平上协同，先进的IT软件工具和技术可以在制造过程的所有的环节得到有效地利用。

这种更高水平的IT/OT融合的主要得益首先表现在减少计划外停机时间。据了解现在所有的工业部门每年因非计划停车造成的损失约1000亿美元。目前，监控和诊断生产自动化系统的责任完全落在OT人员身上。在未来，这个工作可以共同负担。IT专家将提供、监控和管理系统资源(计算、网络、存储等)，而生产专家将管理和优化实际生产操作。



图5 OT模型的生产系统以标准化的组件映射到IT模型

（图源：ARC）

IEC 61499促进IT/OT融合的原因

为什么IEC 61499可以加速促进IT/OT的融合？首先是IEC 61499的思维方式和工作流程与IT相一致。笔者在2020年撰写的《OT-IT融合的几个基本问题》中指出：“在解决问题的工作和思维方式上OT和IT也往往不同。IT采用自顶而下的方法，惯于从总体需求出发，然后划分为若干的子部件，且针对子部件提出和开发解决方案。这种解决问题的思路，不仅仅能了解问题的所在，而且也很好地给出了解决问题的方法。OT人员习惯于自下而上的思路，从个别的部件出发构建复杂的系统。”但是IEC 61499的思维方式与工作流程却一反OT界的常态，与IT界相一致，也是采用系统思维，自顶而下，从总体需求出发，然后划分为若干的子部件，且针对子部件提出和开发解决方案。

其次，IEC 61499并不定义构成其功能块的编程语言以及分布式模块之间的通信协议，这意味着编程语言和通信协议，开发人员可以自由选择，其开放性达到了目前IT界开放性的高度。因此，OT与IT的多种编程语言和通信协议都可以通过统一的模块和接口描述无缝对接，从而满足OT与IT融合的新型边缘的工程应用。最后一个原因，则是来自工业自动化领域近年来出现的一个重要趋势，那就是OT产品和从业公司都会主动考虑用户对IT系统的需求，并且提出OT与IT整合一致、相互融合的解决方案。IEC 61499是满足这一趋势的基础标准和准确起点。

小记：原生融合正在起步

工业控制系统的设计模型正在被重塑，IEC 61499正在发挥关键的主导作用。它也使得单纯IEC 61131-3的发展，走向IEC 61499和IEC 61131-3结合。随之而来的好处，就是可以通过基于模型的系统工程MBSE的设计方法，将显著地提高工程设计效率。

由Cplane.ai公司和埃克森美孚合作开展的开放自动化系统的自动编排试验使我们得到的一个重要启示是：风已起，云编排系统使IT/OT的原生融合得以实现。通过一个内聚的统一框架来管理IT/OT数字资产的集成混合架构，就可以提供原生的IT/OT融合。二者将形成互补，IEC 61499为这种互补奠定了坚实的基础。