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當(dāng)下，美國自動(dòng)化行業(yè)的圈子中有下面一種說法：“在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的進(jìn)程中，流程工業(yè)已經(jīng)在飛行，而離散制造業(yè)還在辦登機(jī)手續(xù)。”不由得讓人想起在2013年漢諾威博覽會(huì)上關(guān)于工業(yè)4.0的報(bào)告中，很難找到對(duì)流程工業(yè)的未來的描述。

為什么？

離散的招數(shù)，流程早就見過了

對(duì)于流程工業(yè)與離散制造的工業(yè)4.0進(jìn)展，美國的“一快一慢”的理論何在？自從德國建立工業(yè)4.0的工作組到現(xiàn)在，已經(jīng)5年多了，德國苦心經(jīng)營的離散制造業(yè)的升級(jí)遷移，真的還處在起始的階段嗎？

這需要從流程與離散制造業(yè)的差異說開來。

與離散制造工業(yè)顯著不同的是，流程工業(yè)的生產(chǎn)流程本質(zhì)上是連續(xù)的，被加工處理的工質(zhì)不論是產(chǎn)生物理變化還是化學(xué)變化，其過程從不會(huì)中斷，而且往往是處于密閉的管道或容器中（煉油、石化、化工等）。冶金流程學(xué)理論還用物質(zhì)流、能量流和信息流的連續(xù)性來描述。這都要求運(yùn)用自動(dòng)化的儀表、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)的檢測(cè)、控制、預(yù)測(cè)、決策和執(zhí)行。

很顯然，從自動(dòng)化技術(shù)和裝備的發(fā)展歷史上看，流程工業(yè)對(duì)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的需求和產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)，一直都是走在離散制造業(yè)前列的。以當(dāng)下風(fēng)行于工業(yè)4.0和智能制造的OPC UA技術(shù)為例，最早就是運(yùn)用于流程工業(yè)，并取得顯著成效后才被引入離散制造業(yè)。由此可見一斑。

工業(yè)4.0所關(guān)注的技術(shù)、資產(chǎn)的連接和數(shù)據(jù)的采集，流程工業(yè)在二三十年前就已經(jīng)在運(yùn)用了。只不過那時(shí)還缺少今天工業(yè)4.0的高度和視野。當(dāng)前流程工業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的重點(diǎn)應(yīng)該是，為實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)間優(yōu)化過程、收益的最大化和風(fēng)險(xiǎn)的最小化，貫通已有的各種技術(shù)軟件系統(tǒng)，高效的整合各種數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能的深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)（主要是動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法）進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)決策。技術(shù)僅僅是賦能的手段，如何超越原來所關(guān)注的企業(yè)和工廠的范圍，延伸到供應(yīng)鏈和生產(chǎn)后服務(wù)，圍繞生產(chǎn)組織的流程和結(jié)構(gòu)，通過其價(jià)值鏈運(yùn)用成熟和創(chuàng)新的技術(shù)（如IIoT、云服務(wù)、數(shù)字孿生等），達(dá)到提質(zhì)增效、降低消耗、快速適應(yīng)市場(chǎng)需求變化，才是目的所在。在這里流程工業(yè)需要更多地發(fā)揮人的因素和生產(chǎn)流程的因素，彌補(bǔ)工業(yè)4.0關(guān)注的不足。

自動(dòng)化架構(gòu)面臨大修

企業(yè)控制的系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISO 62264脫胎于ISA 95。雖然這一標(biāo)準(zhǔn)是在普度CIMS模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適用于流程工業(yè)、離散制造業(yè)和批量過程工業(yè)，但畢竟最先獲得流程工業(yè)的普遍支持和實(shí)踐應(yīng)用。工業(yè)4.0的RAMI4.0參考架構(gòu)模型中的“Hierarchy Levels”的維度主要是借鑒了ISA 95的概念。由于最終用戶對(duì)此ISA 95參考模型的認(rèn)可和青睞，在美國和歐洲工業(yè)軟件的開發(fā)廠商一般都以此模型為依據(jù)。為了更好地服務(wù)于智能制造和IIoT的需要，如表1所示，ISA 95在原來的L0至L4的層級(jí)之上增加了L5級(jí)（企業(yè)接入云系統(tǒng)的集成）。

表1：ISA 95增加了L5企業(yè)云集成

埃克森美孚的研究和工程部門公開倡議開發(fā)一個(gè)全新的、基于標(biāo)準(zhǔn)的過程控制架構(gòu)，已經(jīng)有好幾年了。2014年他們產(chǎn)生了一個(gè)基本特性的文件，在ARC咨詢集團(tuán)召開的2015年的ARC論壇上分發(fā)。自此引發(fā)了三天的討論，受到相當(dāng)多的關(guān)注，也得到具有相同要求的其它最終用戶的支持。由于美國開放集團(tuán)（The Open Group）在為其它工業(yè)部門創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)方面的專業(yè)性和成功表現(xiàn)，埃克森美孚決定委托這個(gè)非盈利的第三方，組織一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，面向流程控制工業(yè)中業(yè)務(wù)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，開發(fā)一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。接著The Open Group創(chuàng)建了開放流程自動(dòng)化論壇OPAF（the Open Process Automation™ Forum），吸收一批最初的成員，并于2016年11月在舊金山召開了第一次會(huì)議。目前論壇已經(jīng)有超過110個(gè)團(tuán)體成員，類別包括最終用戶、硬件和軟件供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商、學(xué)術(shù)單位和標(biāo)準(zhǔn)化組織。其代表性的成員有：超大型的最終用戶（如埃克森美孚、巴斯夫、英國石油BP、DOW等），自動(dòng)化的跨國集團(tuán)（如西門子、ABB、施耐德、橫河、GE等），IT大鱷（IBM、ORACLE等），通信設(shè)備制造商（如華為、思科等），知名的咨詢集團(tuán)（如ARC等），流程工業(yè)工業(yè)軟件的巨頭（如Aspentech等），工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織（如OPC基金會(huì)、PLCopen等），他們集合在一起共同為新一代流程工業(yè)的架構(gòu)繪制藍(lán)圖。

值得注意的是，DCS的架構(gòu)已經(jīng)20多年沒有變動(dòng)了，顯得日趨陳舊，OPAF正在進(jìn)行的工作將運(yùn)用最新的云計(jì)算技術(shù)重新定義DCS和PLC。還包括與優(yōu)化運(yùn)營密切相關(guān)的先進(jìn)控制和MES（參見圖1）。

圖1：開放流程自動(dòng)化OPAF的范圍

舊自動(dòng)化的終結(jié)？

ARC的資深咨詢專家Harrry Frobes評(píng)論說：“自從在1970年P(guān)LC和DCS進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域之后，處于ISA 95的L1和L2的控制層的自動(dòng)化硬件和軟件結(jié)構(gòu)一直沒有變動(dòng)，迄今為止自動(dòng)化市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)也一直圍繞著捆綁式的自動(dòng)化硬件和軟件在演進(jìn)。這一種結(jié)構(gòu)方式與1970年的小型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)非常類似：當(dāng)時(shí)，幾乎每一個(gè)小型機(jī)的供應(yīng)商都是以硬件軟件捆綁的應(yīng)用方式和軟件工具，以及自己的渠道伙伴和軟件供應(yīng)商進(jìn)入和占領(lǐng)市場(chǎng)。以大型的最終用戶為主的形式出現(xiàn)的開放流程自動(dòng)化論壇OPAF，及其支持者流程自動(dòng)化供應(yīng)商組成的共同體，已經(jīng)對(duì)這一高度垂直集成的業(yè)務(wù)模型形成威脅，極有可能使其接近它使命的終點(diǎn)。”

圖2：OPAF的架構(gòu)圖

由圖2給出的流程工業(yè)架構(gòu)圖清晰可見，OPAF所定義的DCN表示分布式控制節(jié)點(diǎn)，它是由DCF（分布式控制框架）和DCP（分布式物理基礎(chǔ)設(shè)施）所組成。圖中黃色所標(biāo)的均為OPAF所定義的部件和模塊；海藍(lán)色所標(biāo)的則是非OPAF定義的其它系統(tǒng)，如傳統(tǒng)的DCS、PLC、分析儀表系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)……，但它們都可以經(jīng)由DCN接到OPAF所定義的聯(lián)接性框架OCF。即使是處理企業(yè)業(yè)務(wù)的事務(wù)性平臺(tái)（企業(yè)的IT數(shù)據(jù)中心）和其它非OPAF環(huán)境的系統(tǒng)，都能經(jīng)由DCN接入OCF。至于執(zhí)行ISA 95的L2和L3功能（如先進(jìn)控制算法、MES等）的OT數(shù)據(jù)中心直接與OCF相聯(lián)，這一先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)采用容器化的軟件技術(shù)，將不同功能的APP組織容納在不同的容器中，形成高效執(zhí)行軟件子系統(tǒng)。

這些成員通力合作，使得新穎的軟件技術(shù)的力量和價(jià)值不僅在流程工業(yè)廣泛應(yīng)用，而且使得其新興的業(yè)務(wù)模型，能夠進(jìn)入許多其它的領(lǐng)域，包括工廠自動(dòng)化FA和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT。驅(qū)動(dòng)這一顛覆的就是軟件應(yīng)用的所謂“容器化”。軟件容器技術(shù)發(fā)源于幾十年前的UNIX操作系統(tǒng)，之所以能一直持續(xù)迅速發(fā)展到今天，得益于量大面廣的Linux開源生態(tài)系統(tǒng)以及大量云計(jì)算服務(wù)的供應(yīng)商的大力推動(dòng)。

這些巨大的力量，第一次開始正面沖擊連續(xù)過程自動(dòng)化的時(shí)候，意味著流程工業(yè)正在以更快的航速飛翔。

結(jié)束語

美國的流程工業(yè)正在邁開其實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的大步。顯而易見，這與德國工業(yè)4.0的政府引導(dǎo)、舉國規(guī)劃和依托有關(guān)的行業(yè)組織實(shí)施的路線截然不同，這是一種因目標(biāo)一致，由相關(guān)業(yè)界自發(fā)組織的共同體，充分運(yùn)用商業(yè)化的方式有計(jì)劃、有步驟推動(dòng)。流程工業(yè)的大型企業(yè)是背后的超級(jí)推手。

能夠看到的是，一個(gè)巨大的的技術(shù)漩渦正在逼近工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域。這種具有顛覆的潛力將致使供應(yīng)商長(zhǎng)期保有的業(yè)務(wù)模型變得陳舊，而不得不被拋棄。它還會(huì)要求供應(yīng)商采用正在涌現(xiàn)的軟件技術(shù)和來自云計(jì)算領(lǐng)域的實(shí)踐。顯然，這一顛覆將會(huì)被幾乎整個(gè)新的軟件技術(shù)，而非硬件技術(shù)所驅(qū)動(dòng)。

軟件，特別是云計(jì)算技術(shù)主導(dǎo)的分布式軟件，將讓自動(dòng)化技術(shù)開啟新的征程。

作 者

彭 瑜：上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，PLC open中國組織

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