流程工業和離散制造的自動化控制架構正在朝著開放的方向闊步前進，這是一個非常成功的趨勢。毫無疑問，這一趨勢必將持續地加速整個工業的效率和盈利能力。深入的數字化和數字化轉型正在通過工業4.0和工業物聯網（IIoT）驅動的概念、軟件、產品和開放架構的實施，重新定義流程工業和離散制造業的自動化控制架構，這顯然是競爭成功的重要因素。
實際上工業自動化業界接受這一趨勢并付諸實踐，遠非先知先覺，而是被動的后知后覺。因為近三十年來互聯網風靡各行各業，促使整個社會的生產組織、商業組織乃至社會組織方式發生了無數創新、顛覆的變化，其成功的基石植根于開放的互聯網標準。正是開放的互聯網標準才使互聯網的應用得以存在，促進其成長，并提供一個強大生命力、支持創造力的碩大平臺，才造就了所有的用戶都從中受益。只有當工業自動化業界都普遍接受了“多供應商開放標準為終端用戶提供了廣泛的產品和供應商選擇”這一觀念，認識到這種競爭是推動創新的動力，并造就出應用的開發人員可以利用這些標準提供的各種級別的兼容性，創建以前可能難以創建的應用的廣闊局面，那時工業自動化界才會獲得真正質的飛躍。原因很簡單，來自許多開發和設計的公司與組織為共享開放標準進行共同投資和提供創造性人才，要比任何單一供應商（哪怕是跨國公司）都要大得多、強得多。
開放標準對于有效的制造業業務數字化至關重要，這已在信息技術(IT)和商業計算行業得到證實。IT、物聯網和計算技術行業的影響導致了大量從業的群體之間進行大規模的協作。在OT領域一些有先見之明的組織正在效仿這些成功的經驗，為制造業數字化提供路線圖、模型和標準。
而開放自動化的關鍵標準和規范，對未來自動化的走向起著決定性的影響。
開放流程自動化和離散制造自動化方向
開放自動化論壇（OPAF）于2016年11月正式創立，這個由埃克森美孚為主的最終用戶倡議并積極組織的下一代開放自動化系統（OPA）的標準化活動，聚焦于開發適于流程工業運用的基于開放、內在安全、可互操作的流程控制體系結構。在5年多的時間內已經推出了系列的流程開放自動化的標準，這就是2019年1月公布了OPAS V1.0 ，著重于規范流程控制系統所用部件的互操作性；2020年發表V2.0和V2.1，主要規范組態（配置）和可移植性、可互換性；以及準備在2022年以后發表V3.0，主要是面向如何應用的規范或指南，目的是解決物理平臺、編排和應用程序的可移植性等。這一標準鮮明的特色是：充分吸收和繼承工業界已有的標準化成果，對一切利益攸關者都持開放態度，以及注重結合實際的驗證工作，即標準的制定必須經得起測試床的測試和工業裝置中試的檢驗和驗證。
流程開放自動化的方向已經得到了工業界的積極肯定和響應，包括默克(Merck)、杜邦(Dupont)、殼牌(Shell)、巴斯夫(BASF)、喬治亞太平洋(Georgia Pacific)和埃克森美孚(Exxon Mobil)等大型工業制造商對傳統流程自動化供應商提出了新的要求，要求它們采用開放、互操作和內在安全的IT/OT融合解決方案，即將信息技術IT和自動化控制技術OT統一并融合為一個管理和控制的單一系統。與此同時，這些流程工業的跨國公司還唾棄把希望全部寄托于供應商的策略，自己也在動手投入。例如巴斯夫構建了一個符合O-PAS標準的便攜式小型OPA系統，該系統包括一臺水泵、兩臺加熱器、四臺冷卻器和12個閥門及其控制系統，并于2019年在NAMUR大會上進行首次演示。日本橫河的美國公司與埃克森美孚公司合作建立了一個測試平臺，承擔系統集成商的角色，按O-PAS標準對各類進入OPA系統的硬件和軟件組件進行測試；還在準備建立一個中試裝置進行現場實驗。圖1給出了埃克森美孚的開放流程自動化系統的計劃。他們準備從2021-2023年花三年時間進行現場實驗，然后在此基礎上從2025-2026年著手商業化的部署。沙特阿美公司已宣布與施耐德電氣合作利用EcoStruxure 開放自動化平臺（EAE）建立試驗臺，用于學習和測試，還計劃制定現場的實驗計劃。喬治太平洋公司和馬來西亞國家石油公司也在積極籌備建立試驗臺和演示裝置。陶氏化學公司也與合作伙伴和密歇根大學合作，利用開放流程自動化的架構部署降低自動化成本和數字孿生的能力。這一系列動作有力地表明，開放流程自動化這個下一代DCS/PLC系統有如初生的太陽正在噴薄而出。
圖1 埃克森美孚的開放流程自動化系統的計劃（圖源：ARC網站）
為了促進開放自動化早日從標準走向實踐，從實踐早日走向推廣普及，在2021年7月成立的開放過程自動化聯盟(COPA)發起了COPA快速啟動，以幫助企業利用流程開放自動化系統標準，提高競爭力和盈利能力。眾所周知，目前主要的自動化供應商控制合作伙伴生態系統的方法主要是關注優化他們的利潤和抓住客戶。與此相反，開放系統使用戶能夠從廣泛的硬件和軟件中選擇最適合需求的產品，選擇的方法就是依據開放流程自動化的標準，因為專注于使制造企業更有利可圖和更具競爭力，才是開放自動化的初衷和本意。向開放工業和流程自動化系統的轉變，類似于上世紀80年代開始的用PC技術取代小型機和大型機時發生的轉變。
這個COPA的來頭也不小，是一個由領先的IT和OT技術公司組成的多元化集團，由設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兩個新進者領導。其合作伙伴包括經驗豐富的自動化硬件和軟件的制造商，如Phoenix Contact、R. Stahl、Supermicro、Nova SMAR和CODESYS。Don Bartusiak是CSI的創始人和總裁。在2016年佛羅里達州奧蘭多ARC論壇上，時任埃克森美孚專司流程控制職責的總工程師，他發表了引人注目的演講，宣布了埃克森美孚下一代多供應商自動化架構計劃，成為了開放流程自動化的重要創導者。他描述了行業是如何受夠了專有封閉的傳統DCS系統的苦衷，未來將屬于基于多供應商互操作標準的、開放的、安全的、可互操作的架構，以及以商品形式供應的軟件和硬件組件。為什么要成立COPA呢？Don Bartusiak強調說:一些工業自動化的大牌制造商“反復告訴我，如果O-PAS系統可用，他們會購買它們。”言下之意是這種開放系統遠不是那么容易搞出來的。“COPA快速入門是我們應對這一挑戰的答案。”隨著COPA快速啟動Quick Start的發布，聯盟正在利用OPAF成員多年來的研究、合作和投資，將基于開放、安全和互操作架構的行業標準構建的ICS系統推向市場。
COPA的合作公司設計的COPA快速啟動系統，將來自多個供應商的組件和技術集成到一個單一的、先進的、內聚的工業控制系統ICS中。這是工業自動化制造商加快采用最先進的ICS系統的催化劑，必將極大地提高其運營的安全性、靈活性和盈利能力。為了幫助流程工業制造商開始學習、驗證和采用開放架構ICS解決方案的過程，COPA快速啟動系統提供了關鍵的第一步。圖2描述了這一快速啟動系統的概貌。該系統包括：1）精心挑選來自Phoenix Contact、R. Stahl、Nova SMAR、Supermicro、CPLAN ai、 CSI和CODESYS的最佳產品組件，設計組成符合O-PAS標準的預先打包好的工業控制系統，便于保證在尚不熟悉開放系統集成的用戶不至于走彎路。2）由CPLANE.ai的Fusion管理軟件提供工業控制系統從啟動、運行到進化的整個生命周期的無縫自動化和協調。CPLANE.ai 的Fusion軟件在英特爾的Edge Controls平臺上充分利用其設計能力，這一最新開發的軟件參考平臺也為開放控制系統提供一個前所未有的實時確定性計算、基于標準的連接性、類似IT的管理以及類似OT的準確處理屬性（predictability）。3） 由Supermicro制造的高級計算平臺ACP，內置Intel Xeon D處理器，安裝在通用的短深度1U機箱中。4） 先進的數字技術展示了諸如快速循環模型預測控制、強化學習控制、人工智能和先進網絡安全等新功能的價值。5）通過實際操作培訓使工程師和管理人員迅速獲得對下一代控制系統的更深入的了解。
圖2 COPA快速啟動系統的系統概貌
COPA聯盟已經制定了詳細的快速啟動教育培訓計劃，包括設計、啟動、操作運行、改進、信息安全和故障排除共六個階段。
COPA 快速啟動系統存在的意義在于，他們提供的產品不需要巨額的資金支持，這就大大降低了學習流程開放自動化標準O-PAS和發展關鍵內部專業知識的障礙。大量的中小型流程工業企業他們不像擁有充足研發預算的大公司（如埃克森美孚、沙特阿美、馬來西亞國家石油公司和科赫工業公司），為了了解和評估美國開放集團（The Open Group）不斷發展的O-PAS標準去建立需要大量的財政支持的實驗室和測試程序。因此COPA聯盟的成立與開放流程自動化論壇OPAF形成了相互支持相互補充的局面，通過COPA快速啟動的這種方法為加速開放自動化方向的發展和推廣提供了一種有效途徑。
OPC UA——廣泛被IT和OT采用的行業互操作性解決方案
上世紀90年代發端于美國的OPC，經過2005年轉型為OPC UA，到了2010年以后其發展重心似乎轉移到了德國，在工業自動化的領域中也從流程工業擴展到離散制造業和許多其他行業。
現今OPC UA，不但是工業自動化領域中安全可靠的數據交換互操作性標準，而且也是一個統一的、獨立于制造商的、廣泛被IT和OT采用的行業互操作性解決方案。它已經擴展到上至云端，下至控制和現場層，貫穿了原有的自動化金字塔架構，從生產現場級到企業管理級，以至外延到更廣闊的領域（見圖3）。運用OPC UA可以將處在L0級到L4級以至L5級的IT功能（用橙色和紅色標注）和OT功能（用藍色、淺藍色和白色標注）進行數據和信息的無縫交換。作為一個有著長遠規劃和目標的OPC UA項目，在既定的總體框架下采取內外合作的方式，組織了許多規范的開發制定和驗證。以下列舉近些年的若干進展。
圖3 從現場到云端、從控制到管理的OPC UA解決方案
現場級通信（FLC）FLC倡議的目標是提供一種開放的、有內聚力的方法在現場設備中實現OPC UA。這些協調和標準化的應用行規適用于相當寬泛的現場設備，涵蓋傳感器輸入/輸出、運動控制、安全、系統冗余、在線和離線場景中現場級設備的OPC UA信息模型的標準化（如設備描述及對應的診斷)，以及將OPC UA的應用行規映射到在以太網（包括TSN）實時運行。自2018年11月啟動以來有來自27個公司參加了指導委員會。目前第一個候選版本已經完成，正在積極地實現原型系統和進行互操作性測試，以驗證規范。與此同時，測試規范正在生成，稍后將轉換為OPC UA符合性測試工具（CTT）的相應測試用例。在第二個版本的規范中，已經開發的概念將擴展控制器與設備間（Cotroller-to-Device ，C2D）和設備間(D2D)的用例，這將使OPC UA可以用作一個統一和一致的縱向和橫向一體化的通信解決方案，包括現場、邊緣和云。這兩個規范將開啟全新的可能性，特別是針對各種工業4.0和工業物聯網用例和應用場景，從而達到使生產更高效和更靈活的目標。
第一個候選版本由4個部分（OPC UA parts 80-83）組成，通過點對點的對等連接和基本診斷重點關注C2C通信（控制器到控制器）的數據交換過程和組態數據。這些規范部分標有OPC UA FX字樣，即:OPC UA FX 10000-80，概述將OPC UA擴展到用于現場級的通信的基本概念；OPC UA FX 10000-81，規范滿足工廠和過程自動化的各種用例和需求的控制器和現場設備（自動化組件）的基本信息模型和通信概念；OPC UA FX 10000-82描述了網絡服務，如拓撲檢測和時間同步；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據結構。
為滿足現場級別的通信必不可少的靈活性、效率和確定性的要求，OPC UA的控制器和現場設備都支持面向連接的客戶端/服務器通信模型和發布/訂閱擴展。還使用了OPC UA中指定的安全機制，其中包括支持要傳輸的數據的身份驗證、簽名和加密。
OPC UA FX定義了兩個通信行規。一種是將OPC UA協議(UADP)映射到UDP/IP。另一種是直接將UADP映射到Level 2數據鏈路層的以太網TSN。后一種選項用于減少協議開銷，并提高像運動控制或高速I/O這類自動化應用的協議效率。
將OPC UA引入到現場的關鍵技術是以太網的APL（先進物理層）和以太網時間敏感聯網TSN。但OPC UA應用并不僅僅局限于有線以太網技術，今后還會使用無線通信標準如5G或Wi-Fi/7。在OPC基金會的路線圖中也列入對移動通信標準的支持。為此，OPC基金會一直在研究將5G納入其服務質量（QoS）模型的概念中，以實現5G與現有OPC UA架構的無縫集成，目標是為工業4.0 & IIoT應用提供可靠而又靈活的通信解決方案。由此可見，OPC UA不僅僅是一個協議，實際上它是一個從根本上與傳輸無關的工業建模框架，因此可以根據應用的特定需求和用例輕而易舉地去適應不同的傳輸層。
圖4 現場數據交換的OPC UA框架及其擴展
OPC UA安全解決方案（OPC UA safety）已于2019年11月發布（OPC 10000-15）。這個基于客戶端/服務器機制的OPC UA安全規范由Profibus和Profinet International聯合工作組開發。OPC UA安全規范的修訂版將很快發布，其中描述了OPC UA Pub/Sub的擴展和安全設備的參數化，包括C2D（控制器到設備）。OPC UA Safety支持最大1500字節的用戶數據長度，創建任何網絡拓撲（星型，線，網格等）。為簡化管理機械設備前后串接，以及對可變動設備進行動態連接設置，采用多層級的安全標識號ID。所謂的可變動設備是指諸如模塊化機械設備、自動引導運載車輛AGV、自主移動機器人AMRs、以及工具更換部件等。
2020年年中開始了開發基于OPC UA的運動控制解決方案，該解決方案包括用于各種類型運動設備的運動控制功能，如控制器、標準驅動器、變頻器和伺服驅動器。FLC指導委員會已同意以CIP Motion和Sercos規范為基礎，采用OPC UA信息模型和系統架構的規則，同時考慮相關的工業4.0和工業物聯網用例。在開發安全和運動控制規范時使用現有成熟的概念和規范，目的是可以顯著加快進度。
伙伴規范 OPC UA設計了一種可擴展的框架，通過OPC元模型-通用基礎信息模型-伙伴信息模型的結構，來支持廣泛的應用領域：從現場級別(例如測量或識別設備、PLC)到企業管理級別和離線工程設計級別。各個細分行業和不同領域在基礎信息模型規則的基礎上設計面向自身的行業和領域的行規模型。這些伙伴規范由廣泛的行業組織創建，他們專注于工程化并為多供應商互操作性提供公共語義模型的應用。OPC基金會有三種創建伙伴規范的方式，即由OPC內部工作組創建的模型，它們與統一架構規范相關聯；聯合伙伴模型，這些模型由OPC基金會和另一個組間的聯合工作組創建（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）；以及由獨立于OPC基金會的外部機構創建伙伴模型。
在開發上述伙伴模型的基礎上，不同領域、行業或專業的細分模型都有著OPC UA的“共同語言”，原本被相互割裂的領域知識、數據信息、網絡，便融入到OPC UA的分布式數字空間，由此構成的系統也隨之具備了跨系統、跨網絡、跨專業的能力。因此，概括地說伙伴信息模型規范是OPC UA提供領域建模的解決方案的主要工具。德國有些公司正在運用這種解決方案實現符合自己工程設計場景化建模。
一個值得關注的基金會
成立于2001年的Eclipse基金會，在自動化開源領域起著重要的作用。它是Eclipse IDE和350多個開源項目的總部。基金會促進和支持開源軟件協作和創新，包括運行時、工具和廣泛的技術領域的框架，如物聯網、工業、汽車、地理空間、系統工程、和許多其他項目。許多跟制造都有關。Eclipse BaSyx項目是由德國教育與研究部提供經費的研究項目BaSys 4.0的開源成果。
Eclipse BaSyx是下一代自動化的開源平臺，旨在通過提供通用工業4.0組件和一個可擴展的軟件開發工具包(SDK)，加速工業4.0解決方案的開發。為著重應對工業4.0開發中的各種挑戰（諸如可變更生產、低成本實現個性化產品生產、利用大數據分析、連接異構設備和系統、最小化停機時間等），Eclipse BaSyx實現了工業4.0生產架構中以下的幾個核心技術：1）虛擬自動化總線 實現了制造機械裝置(車間)和IT之間的跨網絡和跨協議點對點通信。2）資產管理殼 是生產資產的數字代表，即它們的數字孿生。這些資產可以是物理資產，也可以是非物理的無形資產（如軟件、技術文檔）。資產的管理殼包含所提供的子模型，例如接口以及狀態和實時數據。3）控制組件 實現設備統一的服務接口。它們將生產服務的實現從生產過程中分離出來，并使生產的設備和流程變得可更改。控制組件還實現了更多的對實現的細節加以抽象，因此更容易使用。控制組件均通過運行時環境實現。
而Eclipse 4diac則是另外一個至關重要的開源項目。這是一個為促進IEC 61499在分布式工業過程測量和控制系統進一步開發的開源項目，并進一步分發來自原始貢獻者的研究結果。從一開始，它就提供了基于IEC 61499編寫和執行分布式系統所需的一切。這些年來4diac成為基于IEC 61499的研究和開發的主要來源之一，而且已成功應用于多個工業系統，包括制造系統、物流、電力和能源應用、機器人和樓宇自動化。例如前些年被施耐德電氣收購的NXTcontrol，其開發的軟件系統就是在4diac基礎上實用化、商業化的，之后又成為施耐德推行開放自動化軟件架構EAE的重要基礎。
軟件要開源，必須有一套規范。Sparkplug正是如此，它為消息隊列遠程傳輸（MQTT）客戶端提供框架，以便在MQTT基礎結構中無縫地集成來自其應用程序、傳感器、設備和網關的數據（見圖5）。Sparkplug提供開放和免費的規范，支持網絡邊緣網關、本地MQTT的終端設備和MQTT應用程序在MQTT基礎架構中進行雙向通信。
圖5 MQTT/Sparkplug開源軟件規范支持IIoT雙向通信（圖源：OPTO 22網站）
結束語：把握時機開創自動化的未來
隨著越來越多的制造商意識到要保持競爭力并獲得更多的靈活性和效率，必須對其制造基礎設施進行改造升級，并且完全由自己來集成制造系統的基礎架構；整體的愿景是實時的先進優化、分析，以及連接供應鏈、設計、制造、產品出廠物流和全生命周期服務。這種集成只能通過利用最新的技術來有效完成，而這類復雜的多專業多系統的集成必須依賴持開放目標的系列標準。
工業自動化領域當前正處在一個前所未有的轉型期，控制系統從傳統的硬件軟件捆綁轉向按最終用戶的需求配置硬件軟件組件；企業的管控一體化從傳統的金字塔多層分級系統轉向統一的、獨立于制造商的、廣泛被IT和OT采用的、IT/OT融合的行業互操作性解決方案。或許這一轉型需要一個較長的的時間，但由目前發展的勢頭來看，絕對不會超過十年。工業自動化供應商有獨特的機會站在自動化技術進步的正確一邊，開發基于開放標準的系統，參與發展開放標準的生態系統。不過把握時機的關鍵在于必須在達到臨界點之前迅速行動，否則其他公司就會利用來自行業外部的重大變化，完全擁抱開放互操作生態系統的工業自動化供應商將通過響應用戶需求而受益匪淺。
面對工業自動化領域的這一轉型，我國廣大的自動化工作者必須有清醒的認識和態度，不能躺平等待先進工業國家完成轉型之后才付諸行動。慶幸的是我國有越來越多自動化企業和開發人員注意到了這個趨勢，在各自的工作中正在關注和運用開放自動化的標準。如果有更多的組織、人員和熱情從奢談工業互聯網轉向務實和落地，必不可少的前提一定是共享開放自動化的標準，共筑開放自動化的生態系統，共創開放自動化的未來。
