彭瑜:美国流程工业领跑德国工业4.0

当下，美国自动化行业的圈子中有下面一种说法：“在实现工业4.0的进程中，流程工业已经在飞行，而离散制造业还在办登机手续。”不由得让人想起在2013年汉诺威博览会上关于工业4.0的报告中，很难找到对流程工业的未来的描述。

为什么？

离散的招数，流程早就见过了

对于流程工业与离散制造的工业4.0进展，美国的“一快一慢”的理论何在？自从德国建立工业4.0的工作组到现在，已经5年多了，德国苦心经营的离散制造业的升级迁移，真的还处在起始的阶段吗？

这需要从流程与离散制造业的差异说开来。

与离散制造工业显著不同的是，流程工业的生产流程本质上是连续的，被加工处理的工质不论是产生物理变化还是化学变化，其过程从不会中断，而且往往是处于密闭的管道或容器中（炼油、石化、化工等）。冶金流程学理论还用物质流、能量流和信息流的连续性来描述。这都要求运用自动化的仪表、控制系统、计算机系统进行状态和参数的检测、控制、预测、决策和执行。

很显然，从自动化技术和装备的发展历史上看，流程工业对自动化、网络化和智能化的需求和产业实现，一直都是走在离散制造业前列的。以当下风行于工业4.0和智能制造的OPC UA技术为例，最早就是运用于流程工业，并取得显著成效后才被引入离散制造业。由此可见一斑。

工业4.0所关注的技术、资产的连接和数据的采集，流程工业在二三十年前就已经在运用了。只不过那时还缺少今天工业4.0的高度和视野。当前流程工业实现工业4.0的重点应该是，为实现正确的时间优化过程、收益的最大化和风险的最小化，贯通已有的各种技术软件系统，高效的整合各种数据，运用人工智能的深度学习、强化学习（主要是动态规划方法）进行实时数据分析和实时决策。技术仅仅是赋能的手段，如何超越原来所关注的企业和工厂的范围，延伸到供应链和生产后服务，围绕生产组织的流程和结构，通过其价值链运用成熟和创新的技术（如IIoT、云服务、数字孪生等），达到提质增效、降低消耗、快速适应市场需求变化，才是目的所在。在这里流程工业需要更多地发挥人的因素和生产流程的因素，弥补工业4.0关注的不足。

自动化架构面临大修

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增加了L5企业云集成

埃克森美孚的研究和工程部门公开倡议开发一个全新的、基于标准的过程控制架构，已经有好几年了。2014年他们产生了一个基本特性的文件，在ARC咨询集团召开的2015年的ARC论坛上分发。自此引发了三天的讨论，受到相当多的关注，也得到具有相同要求的其它最终用户的支持。由于美国开放集团（The Open Group）在为其它工业部门创建标准方面的专业性和成功表现，埃克森美孚决定委托这个非盈利的第三方，组织一个新的标准化活动，面向流程控制工业中业务和技术的挑战，开发一个新的标准。接着The Open Group创建了开放流程自动化论坛OPAF（the Open Process Automation™ Forum），吸收一批最初的成员，并于2016年11月在旧金山召开了第一次会议。目前论坛已经有超过110个团体成员，类别包括最终用户、硬件和软件供应商、系统集成商、学术单位和标准化组织。其代表性的成员有：超大型的最终用户（如埃克森美孚、巴斯夫、英国石油BP、DOW等），自动化的跨国集团（如西门子、ABB、施耐德、横河、GE等），IT大鳄（IBM、ORACLE等），通信设备制造商（如华为、思科等），知名的咨询集团（如ARC等），流程工业工业软件的巨头（如Aspentech等），工业标准化组织（如OPC基金会、PLCopen等），他们集合在一起共同为新一代流程工业的架构绘制蓝图。

值得注意的是，DCS的架构已经20多年没有变动了，显得日趋陈旧，OPAF正在进行的工作将运用最新的云计算技术重新定义DCS和PLC。还包括与优化运营密切相关的先进控制和MES（参见图1）。

图1：开放流程自动化OPAF的范围

旧自动化的终结？

ARC的资深咨询专家Harrry Frobes评论说：“自从在1970年PLC和DCS进入自动化领域之后，处于ISA 95的L1和L2的控制层的自动化硬件和软件结构一直没有变动，迄今为止自动化市场的结构也一直围绕着捆绑式的自动化硬件和软件在演进。这一种结构方式与1970年的小型计算机市场非常类似：当时，几乎每一个小型机的供应商都是以硬件软件捆绑的应用方式和软件工具，以及自己的渠道伙伴和软件供应商进入和占领市场。以大型的最终用户为主的形式出现的开放流程自动化论坛OPAF，及其支持者流程自动化供应商组成的共同体，已经对这一高度垂直集成的业务模型形成威胁，极有可能使其接近它使命的终点。”

图2：OPAF的架构图

由图2给出的流程工业架构图清晰可见，OPAF所定义的DCN表示分布式控制节点，它是由DCF（分布式控制框架）和DCP（分布式物理基础设施）所组成。图中黄色所标的均为OPAF所定义的部件和模块；海蓝色所标的则是非OPAF定义的其它系统，如传统的DCS、PLC、分析仪表系统、电气系统、机械监控系统……，但它们都可以经由DCN接到OPAF所定义的联接性框架OCF。即使是处理企业业务的事务性平台（企业的IT数据中心）和其它非OPAF环境的系统，都能经由DCN接入OCF。至于执行ISA 95的L2和L3功能（如先进控制算法、MES等）的OT数据中心直接与OCF相联，这一先进计算平台采用容器化的软件技术，将不同功能的APP组织容纳在不同的容器中，形成高效执行软件子系统。

这些成员通力合作，使得新颖的软件技术的力量和价值不仅在流程工业广泛应用，而且使得其新兴的业务模型，能够进入许多其它的领域，包括工厂自动化FA和工业物联网IIoT。驱动这一颠覆的就是软件应用的所谓“容器化”。软件容器技术发源于几十年前的UNIX操作系统，之所以能一直持续迅速发展到今天，得益于量大面广的Linux开源生态系统以及大量云计算服务的供应商的大力推动。

这些巨大的力量，第一次开始正面冲击连续过程自动化的时候，意味着流程工业正在以更快的航速飞翔。

结束语

美国的流程工业正在迈开其实现工业4.0的大步。显而易见，这与德国工业4.0的政府引导、举国规划和依托有关的行业组织实施的路线截然不同，这是一种因目标一致，由相关业界自发组织的共同体，充分运用商业化的方式有计划、有步骤推动。流程工业的大型企业是背后的超级推手。

能够看到的是，一个巨大的的技术漩涡正在逼近工业自动化的领域。这种具有颠覆的潜力将致使供应商长期保有的业务模型变得陈旧，而不得不被抛弃。它还会要求供应商采用正在涌现的软件技术和来自云计算领域的实践。显然，这一颠覆将会被几乎整个新的软件技术，而非硬件技术所驱动。

软件，特别是云计算技术主导的分布式软件，将让自动化技术开启新的征程。