多年來，與日新月異的IT領域相比，人們在談論工業(yè)和OT時往往會聯(lián)想到“封閉”和“專有”等刻板印象。誠然，這些經(jīng)年累月的生態(tài)壁壘難以在短期內(nèi)徹底打破，但在開放自動化浪潮的引領下，變化已悄然發(fā)生——在一些領先的數(shù)字化工廠，原本繁雜的線纜被無線網(wǎng)絡所替代，快速搭建柔性產(chǎn)線變得更加高效便捷；工程師可以基于預先封裝好的AGV或機械手等功能模塊實現(xiàn)快速開發(fā)和測試，且無需重復做工......
自施耐德電氣2020年推出EcoStruxure開放自動化平臺（EAE）平臺，在業(yè)界打出響亮的一槍以來，短短四年間，開放自動化已經(jīng)從概念逐步深入實踐，越來越多的主流廠商從觀望轉(zhuǎn)向積極參與，技術與場景的融合成果也不斷涌現(xiàn)。對此，中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師王哲表示：“數(shù)字化價值正從工業(yè)外圍輔助環(huán)節(jié)向生產(chǎn)控制核心環(huán)節(jié)不斷滲透。尤其是隨著5G、邊緣計算、人工智能等信息通信技術在工業(yè)領域的逐步深入，工業(yè)控制領域正經(jīng)歷一場‘網(wǎng)絡化、開放化、智能化、協(xié)同化’的新型工控革命。對于整個工業(yè)界來說，采用新的技術和架構(gòu)，構(gòu)建開放化的自動化系統(tǒng)逐漸成為共識。”
在此背景下，施耐德電氣聯(lián)合中國信息通信研究院、中國聯(lián)通以及北京華勝銳盈共同編寫了《工業(yè)蜂窩網(wǎng)賦能的開放自動化解決方案》（下稱“報告”），并于9月24日工博會首日發(fā)布，通過用自身在工業(yè)蜂窩網(wǎng)、邊緣算力賦能開放自動化的應用實踐成果，助力產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。站在離散制造業(yè)的實際需求，該報告不僅結(jié)合新型工控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，詳細描述了開放自動化系統(tǒng)架構(gòu)，還系統(tǒng)性地提出了工業(yè)蜂窩網(wǎng)的定義、范疇、典型網(wǎng)絡架構(gòu)，并對支撐開放自動化的邊緣算力平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、規(guī)劃、部署和運維進行了詳盡解讀。這些前沿探索對開放自動化的深入發(fā)展具有重要意義。
工博會第一天，施耐德電氣攜手合作伙伴發(fā)布《工業(yè)蜂窩網(wǎng)賦能的開放自動化解決方案》報告
網(wǎng)絡和算力平臺加持，助力實現(xiàn)更好的開放自動化未來
由于歷史原因，傳統(tǒng)工控長期面臨“四座大山”，即工業(yè)通信生態(tài)壁壘、軟硬件強綁定、傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡形態(tài)復雜以及缺乏靈活的工業(yè)算力。據(jù)統(tǒng)計，目前工業(yè)通信協(xié)議的國際標準已超過30種。各大廠商圍繞PLC工控開發(fā)軟件和工業(yè)通信協(xié)議，形成了一個個煙囪式的封閉生態(tài)圈，使得不同廠商之間的硬件和軟件難以互換和移植。
縱觀工控系統(tǒng)從封閉走向開放的演變歷程，不難發(fā)現(xiàn)，作為工控核心大腦的PLC成為了這一過程中的關鍵“堵點”。
中國聯(lián)通大數(shù)據(jù)首席科學家范濟安回顧以往時表示：“由于工控系統(tǒng)涉及到許多設備之間的精準配合，對時延的控制與誤差要求極高，這使得PLC通常采用有線的方式，無線網(wǎng)絡一般不在考慮之中。然而就在去年，我們聯(lián)合施耐德電氣和中國信息通信研究院發(fā)布的《5G+PLC深度融合解決方案》報告中，已經(jīng)驗證了新一代無線蜂窩通信技術5G能夠進入工業(yè)控制的核心環(huán)節(jié)，從而顯著提升產(chǎn)線的柔性能力。”
這種改變意味著工廠不再需要為每個工站都配備一臺PLC，從而大大降低了產(chǎn)線的投資成本，并實現(xiàn)了控制器的集中化。既然PLC不再受到物理束縛，那么連傳統(tǒng)的實體PLC也不再是必需？答案是肯定的。據(jù)施耐德電氣工業(yè)自動化中國區(qū)開放自動化業(yè)務發(fā)展總監(jiān)申紅鋒介紹，施耐德電氣和合作伙伴在今年的實際應用中，將控制系統(tǒng)南向鏈接的無線化進一步延伸至控制虛擬化及平臺生態(tài)化。同時，網(wǎng)絡連接也從5G專網(wǎng)迭代至融合了5G、4G（含Cat.1、Cat.4等)和NB-IoT等多種網(wǎng)絡制式的工業(yè)蜂窩網(wǎng)。
“之所以進行這兩方面的迭代，是因為它們恰好符合開放自動化系統(tǒng)本身的發(fā)展需求。”申紅鋒進一步解釋道，“有了網(wǎng)絡和算力平臺的加持，開放自動化的愿景得以更好地實現(xiàn)。”
一方面，雖然5G進入南向的能力已經(jīng)得到驗證，但并不是所有設備都需要享受5G的高速率、大帶寬特性。工業(yè)現(xiàn)場的應用十分復雜，不同場景對網(wǎng)絡的指標要求并不相同——有的終端對速率要求不高，但對功耗非常敏感；有的終端部署數(shù)量較多，希望成本更加經(jīng)濟。對此，施耐德電氣與合作伙伴提出了“工業(yè)蜂窩網(wǎng)”這一概念。這樣既能滿足不同智能制造場景對網(wǎng)絡能力的差異化要求，還兼具易用、安全、合規(guī)、低功耗等特點。
另一方面，傳統(tǒng)實體PLC的“重任”可以由采用超融合架構(gòu)的工業(yè)邊緣算力平臺來承接。北京華勝銳盈科技有限公司總經(jīng)理/創(chuàng)始合伙人王宇男認為，超融合對工業(yè)企業(yè)客戶而言是最完美的一種選擇：“超融合一來能夠有效降低從設備采購到維護的成本，二來可以根據(jù)企業(yè)需求的增長實現(xiàn)快速、靈活的擴容，具有高度開放、高可用、易于擴展、彈性伸縮、便于維護和管理等優(yōu)勢。”
開放自動化的前景固然美好，但相比于抽象的概念，企業(yè)更希望看到其落地的具體樣貌。施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺（EAE）正是開放自動化系統(tǒng)架構(gòu)的一個典型實例。基于IEC 61499標準，施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺通過對軟件和硬件進行解耦，實現(xiàn)IT/OT的真正融合，推動工業(yè)自動化領域的“即插即生產(chǎn)”，切實解決廠商之間應用軟件的可移植性、可配置性和互操作性問題。
據(jù)申紅鋒介紹：“自2020年發(fā)布以來，施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺以3-6個月為一個周期持續(xù)迭代，至今已經(jīng)更新至V24.0版。全新升級的版本在‘高、大、穩(wěn)、廣、易’這五個方面得到了強化——‘高’指的是整合了工業(yè)視覺算法、數(shù)字孿生等高級應用；‘大’意味著更大的系統(tǒng)規(guī)模，目前每個解決方案可支持超過5000個I/O；‘穩(wěn)’意味著系統(tǒng)可靠性的進一步提升；‘廣’是指平臺能夠支持Profinet、MQTT、OPC-UA、Modbus等更加廣泛的通信協(xié)議；‘易’則是通過提升易用性為用戶帶來更好的開發(fā)體驗。目前，該平臺已經(jīng)在交通基礎設施、水與污水處理、地下管廊、隧道、物流、廠務系統(tǒng)、離散工業(yè)生產(chǎn)線、數(shù)據(jù)中心等多個行業(yè)得到了廣泛應用。”
擁抱開放自動化=擁抱更低的成本、更高的效率
若是問“為什么開放自動化是工業(yè)必須擁抱的未來？”，那必須得看企業(yè)能從中獲得哪些“真金白銀”的收益。
在施耐德電氣上海工廠，算、網(wǎng)、控的融合正在賦能自動化設備的改造和柔性產(chǎn)線的構(gòu)建，為工廠帶來的成本收益與效率提升。施耐德電氣全球供應鏈中國區(qū)低壓產(chǎn)品事業(yè)部副總裁應鵬介紹：“施耐德電氣上海工廠之所以要部署工業(yè)蜂窩網(wǎng)和開放自動化平臺，主要動力源于兩大需求——一是對自動化設備改造的需求，二是對產(chǎn)線柔性化升級的需求。上海工廠至今已有28年的歷史，隨著自動化程度的逐步提高，許多設備處于逐步演變的過程中，一些老設備自然需要進行升級改造。然而，在這個過程中，由于硬件的PLC和工站的強綁定，IT和OT之間相對割裂，會在時間和成本方面帶來挑戰(zhàn)。”
在高速全自動鉚銀機設備改造項目中，其所用PLC運行10年以上且已停產(chǎn)，系統(tǒng)生命周期到達終點。這意味著一旦出現(xiàn)故障，維修或替換將面臨困難，甚至可能造成生產(chǎn)線的長時間停頓，影響生產(chǎn)計劃和交貨周期。更令人頭疼的是，實體PLC與軟件程序一對一的綁定關系使得程序不能復用，設備改造升級成本高，同時由于老舊的PLC缺少相關的一些通信功能，導致設備數(shù)據(jù)采集困難。
為了解決這些挑戰(zhàn)，施耐德電氣聯(lián)合合作伙伴采用工業(yè)蜂窩網(wǎng)+虛擬PLC的方式對原來的系統(tǒng)架構(gòu)進行改造。這套方案的靈魂，正是施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺通過工業(yè)蜂窩網(wǎng)與I/O交互，將原有的硬接線通過無線方式代替，提高了產(chǎn)線的柔性，而EAE SoftdPAC則實現(xiàn)了軟硬件解耦，提高了軟件的可重用性。應鵬介紹稱，本系統(tǒng)已成功于2024年3月正式進入商用環(huán)境下運行，成功驗證了工業(yè)蜂窩網(wǎng)+EAE可以在高速設備（CT<5s）上使用，改造前后設備產(chǎn)品質(zhì)量保持一致，預計10臺自動鉚銀機可降低改造成本高達75萬元。
除了舊設備的改造，一些新產(chǎn)線為了提質(zhì)增效，也希望進一步引入AI等新興技術，但往往會擔憂轉(zhuǎn)型升級的成本和實施效果等問題。
一條接觸器的全自動柔性裝配線，希望利用AI視覺技術來優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量檢測。按照傳統(tǒng)方案，工業(yè)相機需要將拍攝的圖片通過內(nèi)置算法自行判斷并將結(jié)果發(fā)送給產(chǎn)線MES系統(tǒng)，再通過MES系統(tǒng)將信息傳遞給PLC，整體信息流冗長復雜，而且工業(yè)AI相機價值不菲、成本高昂。如今，有了施耐德電氣工業(yè)蜂窩網(wǎng)與開放自動化平臺相結(jié)合的方案，則可以通過將模型訓練算法以及推理算法分別部署在AI引擎和邊緣推理服務中，從而將原有工業(yè)相機替換成普通的相機，這一方面大大降低了成本，另一方面由于使用自身的視覺算法，調(diào)試設備的周期得到縮短，效率得到更大的提升。
對此，申紅鋒進一步解釋：“施耐德電氣EcoStruxure開放自動化平臺可以和視覺檢測、先進控制算法、預測性維護等先進技術輕松集成，并通過統(tǒng)一的算力平臺進行承載。這樣就能充分發(fā)揮控制和計算的結(jié)合對生產(chǎn)效率和質(zhì)量等帶來的提升。”
機遇與挑戰(zhàn)并存，開放自動化的發(fā)展需要生態(tài)協(xié)同
在國家新型工業(yè)化政策的指引下，新型工業(yè)控制系統(tǒng)迎來廣闊的空間和新的機遇。作為工業(yè)領域的顛覆性創(chuàng)新，開放自動化既是新工業(yè)革命的內(nèi)在要求，也是驅(qū)動產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的不竭動力，它推動了IT與OT的深度融合，幫助制造商提高生產(chǎn)過程的柔性和透明性，降低生產(chǎn)和建設成本，解決運維和升級的難題。
雖然未來的前景廣闊，但是我們也必須認識到——通往開放自動化的前路是一條機遇與挑戰(zhàn)并存之路。
首先是工業(yè)網(wǎng)絡方面，范濟安指出：“目前存量市場上工業(yè)有線網(wǎng)絡依然大量存在，但隨著客戶定制化需求的增加和生產(chǎn)裝備的智能化，制造企業(yè)的生產(chǎn)必然更加柔性，客觀地為無線網(wǎng)絡帶來機會。未來工廠網(wǎng)絡將是有線、無線相互融合的過程，其中無線網(wǎng)絡中的工業(yè)蜂窩網(wǎng)將向多網(wǎng)融合，便于運維的方向發(fā)展。如今我們和施耐德電氣的合作，已經(jīng)在工廠生產(chǎn)中得到成功驗證，面向未來整個行業(yè)的成千上萬家工廠，我們也在研究如何把5G與工業(yè)蜂窩網(wǎng)+開放自動化打造成一個服務于多企業(yè)的新型工控平臺。”
然后是在算力平臺方面，王宇男進一步表示：“雖然工業(yè)邊緣或現(xiàn)場側(cè)的計算需求各不相同，但總體來講，高可用性、低時延、安全性和可擴展性是共同的需求，這就要求算力平臺供應商推出適配的系統(tǒng)或平臺來滿足行業(yè)客戶的應用需求。”
隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級進一步步入深水區(qū)，“開放”即意味著將更多的工業(yè)企業(yè)納入這股浪潮，所以生態(tài)圈的合作非常關鍵。目前，整個產(chǎn)業(yè)的生態(tài)合作已經(jīng)積極開展，據(jù)王哲介紹，2023年11月，信通院聯(lián)合20余家企業(yè)和科研機構(gòu)共同啟動“新型工控啟航行動”，圍繞技術驗證、標準研制、應用創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)促進四個關鍵環(huán)節(jié)展開工作，以推動新型工業(yè)控制技術創(chuàng)新發(fā)展，促進產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設。目前，該行動已經(jīng)完成了六項標準的研制，發(fā)布了四份研究報告，并在新型工控技術驗證測試床搭建方面取得重要成果。
站在技術演進與產(chǎn)業(yè)變革的轉(zhuǎn)折點上，擁抱開放自動化已經(jīng)成為制造企業(yè)的必選之路。對于施耐德電氣來說，開放（OPEN）是面向工業(yè)自動化領域的長期目標，申紅鋒對OPEN進行了進一步拆解：“O是Offer，意味著我們要始終為客戶提供一流的硬件、軟件和服務；P是Partner，我們一直以來都尤為看重合作伙伴和生態(tài)建設；E是Energy，我們正在用自身擅長的能源管理軟件和數(shù)字化技術助力各行各業(yè)提高工業(yè)和能源的效率，實現(xiàn)綠色智能制造目標；N是指Next generation，寓意我們將堅定不移地向著下一代工業(yè)自動化，即軟件定義的、開放的自動化未來持續(xù)邁進。”
欲了解更多關于《工業(yè)蜂窩網(wǎng)賦能的開放自動化解決方案》報告的精彩內(nèi)容，歡迎前往施耐德電氣官網(wǎng)下載報告。
