從西門子新控制系統(tǒng)探討工業(yè)控制的發(fā)展趨勢

周海君， 黃敦華， 季 君

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院， 北京 100176）

0 引言

數(shù)字化浪潮在當(dāng)下的工業(yè)領(lǐng)域正在掀起一場前所未有的變革，追根溯源，這是工業(yè)發(fā)展、IT 技術(shù)、消費(fèi)側(cè)需求達(dá)到一定階段的必然結(jié)果。 從工業(yè)4.0 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念推出以來， 有關(guān)數(shù)字化的各種討論在業(yè)界不斷掀起波瀾，學(xué)界和自動化供應(yīng)商在各種展會、行業(yè)峰會上從不同角度憧憬數(shù)字化的未來， 而企業(yè)界在一段時間的觀望之后，也謹(jǐn)慎開始了數(shù)字化的嘗試。 多個標(biāo)桿性的項目，例如西門子與賽鼎的工業(yè)4.0 解決方案，紛紛落地生根，產(chǎn)生的引領(lǐng)作用顯而易見。數(shù)字化不再是一個理論模型，而已經(jīng)是一個個看得到、摸得著、能盈利的工程項目。 下一步的主要問題就是如何在整個工業(yè)行業(yè)普及數(shù)字化解決方案。 工業(yè)行業(yè)，尤其是在我們國家，呈現(xiàn)出來的廣度和深度都讓人驚嘆。橫向上，我們具有全世界最全的行業(yè)跨度；縱向上，企業(yè)的生產(chǎn)工藝和控制技術(shù)參差不齊，從純手工作業(yè)到世界最前沿的控制系統(tǒng)都有。 如何在這樣的土壤上扎根并推進(jìn)數(shù)字化解決方案， 這確實是一個很大的命題，系統(tǒng)供應(yīng)商、行業(yè)研究院、生產(chǎn)企業(yè)等等都在立足自己的特點(diǎn)之上穩(wěn)步推出各自的產(chǎn)品或方案。

1 西門子新控制系統(tǒng)概述

西門子面向流程工業(yè)的新控制系統(tǒng)SIMATIC PCS neo 正是在數(shù)字化推向普及的大背景下發(fā)布的， 所以，這個新的控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的特點(diǎn)也帶有很明顯的 “承前啟后”的特色。 所謂“承前”，就是要延續(xù)現(xiàn)在各個行業(yè)用戶的使用特點(diǎn)，繼承用戶在現(xiàn)有平臺上積累的行業(yè)經(jīng)驗，兼容現(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)的硬件平臺， 遵循現(xiàn)在主流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 所謂“啟后”，就是要把數(shù)字化框架下對底層控制系統(tǒng)的要求體現(xiàn)出來， 要把控制系統(tǒng)架構(gòu)在面向數(shù)字化的大平臺之上， 要徹底打通標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)和數(shù)字化其他角色的藩籬。 從這個角度來觀察這個新系統(tǒng)，會發(fā)現(xiàn)以西門子為代表的自動化供應(yīng)商在回答數(shù)字化普及問題上的一些新思路。

現(xiàn)有的西門子流程控制系統(tǒng)是PCS 7， 是在最初的PLC 軟硬件平臺上發(fā)展而來的， 迄今已有三十多年的歷史。 盡管在發(fā)展之初備受DCS 和PLC 的界定之困，但時至今日， 已經(jīng)儼然成為全球裝機(jī)量最大的幾大DCS 品牌之一，各項DCS 功能也都齊備。從西門子的產(chǎn)品發(fā)布計劃來看，新系統(tǒng)PCS neo 在前期會對標(biāo)現(xiàn)有系統(tǒng)，用兩三個版本的時間來實現(xiàn)PCS 7 所有現(xiàn)有功能， 隨后在保持與PCS 7 同步研發(fā)的基礎(chǔ)上加大數(shù)字化功能的集成力度。

相較于傳統(tǒng)DCS 功能在PCS neo 中的實現(xiàn)， 后者的一些“特殊”之處才是值得關(guān)注的重點(diǎn)，從這些新的變化中可以窺見工業(yè)控制的數(shù)字化未來一角。

1.1 IT 技術(shù)的積極引進(jìn)

PCS neo 完全基于Web 網(wǎng)頁的組態(tài)和監(jiān)控， 是其最顯著的特色之一。其實在此之前，已經(jīng)在包括西門子在內(nèi)的自動化系統(tǒng)中，陸陸續(xù)續(xù)有過一些基于Web 的工具出現(xiàn)， 例如儀表管理、HMI 等， 但全系統(tǒng)都采用Web 的方式，PCS neo 開創(chuàng)了先河。

基于Web 平臺， 是已得到驗證的成熟IT 技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的集大成， 這其中， 最顯著的就是HTML5 技術(shù)。HTML5 是面向網(wǎng)頁開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)， 在2014 年10 月正式發(fā)布，在網(wǎng)頁數(shù)據(jù)交互、移動設(shè)備支持等功能方面有革命性提升， 目前全球的主流網(wǎng)站幾乎都采用了HTML5 標(biāo)準(zhǔn)。 除此之外，大量的其他IT 技術(shù)在PCS neo 中得以應(yīng)用，例如證書管理、PSK、VPN 等。 所有的這些IT 技術(shù)在民用領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的研發(fā)和利用，應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中，從穩(wěn)定性、通用性和技術(shù)儲備來看，都是水到渠成的事情。

基于PCS neo 所使用的IT 技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)以及目前具備的功能，新軟件會極大地拓寬工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1.1.1 服務(wù)器功能的集中部署

Web 架構(gòu)的主要特點(diǎn)就是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器配合小巧靈活的客戶端。 PCS neo 中就是如此，在單站結(jié)構(gòu)的項目中，一臺服務(wù)器中集成了功能組態(tài)、運(yùn)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲等所有功能，而外部的客戶端，可以是筆記本、工作站甚至是手機(jī)和平板電腦，只需要一個瀏覽器，連接到中央服務(wù)器即可。 當(dāng)然，在工業(yè)領(lǐng)域中，考慮到數(shù)據(jù)安全和硬件性能瓶頸，分布的服務(wù)器架構(gòu)也是推薦方案之一，即工程師站和監(jiān)控服務(wù)器分開配置。 但他們之間是一個統(tǒng)一的整體，從客戶端的角度是看不到數(shù)據(jù)源的切換的，例如工程組態(tài)過程中要切換到當(dāng)前的運(yùn)行畫面查看生產(chǎn)狀態(tài)，用戶只需要點(diǎn)擊一下標(biāo)簽頁，但連接的目標(biāo)數(shù)據(jù)已經(jīng)從工程師站切換到了監(jiān)控服務(wù)器。

服務(wù)器功能的集中部署離不開現(xiàn)有計算機(jī)硬件平臺的發(fā)展，更快的處理速度，更大的存儲能力都使得這一切變成可能。 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是5G 的普及推廣，低延時、高速率等特點(diǎn)使得遠(yuǎn)程操作變得更為便捷。 這兩個趨勢在未來會體現(xiàn)得更為深刻， 將來的控制系統(tǒng)就是一個服務(wù)器群和一個網(wǎng)絡(luò)中心，VR 技術(shù)、3D 工廠等新功能都會在兩者的基礎(chǔ)上衍生發(fā)展。

1.1.2 網(wǎng)站集群的架構(gòu)

PCS neo 架構(gòu)在Web 平臺上， 客戶端的入口就變成了一個個域名地址：工程師站是一個網(wǎng)頁地址，監(jiān)控站是一個，管理平臺是一個…。這種在因特網(wǎng)中司空常見的使用習(xí)慣在DCS 中確實為首次。 仔細(xì)觀察背后的實現(xiàn)邏輯發(fā)現(xiàn)，每個服務(wù)器上其實就是一個網(wǎng)站，各個網(wǎng)站之間還有一個用戶管理域（UMC），這是一個虛擬的域，協(xié)調(diào)管理同一項目中架構(gòu)在不同服務(wù)器上的網(wǎng)站。

在這個技術(shù)背后，需要有如下兩大技術(shù)作為支撐：首先是服務(wù)器之間的高速、大容量數(shù)據(jù)交換的能力；其次就是網(wǎng)站之間的數(shù)據(jù)安全。在PCS neo 中，監(jiān)控服務(wù)器M&C和數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器PH 之間的數(shù)據(jù)交換量尤其巨大，大量過程變量和消息都需要存儲到PH 中，同時PH 也會根據(jù)用戶的需求， 快速查詢并發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)器大量的歷史數(shù)據(jù)，這對于服務(wù)器間的通訊能力有很高的要求。更為主要的是，PCS neo 中的各個角色都架構(gòu)在和民用網(wǎng)絡(luò)同樣的Web 平臺上，各種安全上的風(fēng)險本來就高，攻擊工具、 病毒等都會導(dǎo)致整體系統(tǒng)的不穩(wěn)定， 如何確保各個Web 之間的通訊安全及其重要。

為了應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，PCS neo 中有一個管理控制臺Administration Console， 其中除了管理整個項目的軟件授權(quán)之外， 還有一個重要功能就是管理所有受控計算機(jī)的證書。軟件安裝之后，管理控制臺會首先向證書服務(wù)器申請一個證書， 基于這個證書， 管理控制臺可以創(chuàng)建PCS neo 內(nèi)部的UMC 虛擬域， 并添加受控計算機(jī)。 在此基礎(chǔ)上，還可以管理并幫受控計算機(jī)向證書服務(wù)器申請證書。最后， 虛擬域中已經(jīng)頒發(fā)證書的角色之間可以創(chuàng)建預(yù)共享密鑰PSK，以便加密角色之間的數(shù)據(jù)通訊，例如工程師站與監(jiān)控服務(wù)器之間通訊， 以此來避免第三方惡意的項目下載。

在目前的版本中，PCS neo 創(chuàng)建的web 站點(diǎn)是獨(dú)立的，還不能集成到企業(yè)級現(xiàn)有的Web 集群之中，但解決了通訊能力和通訊安全保障這兩個前提，PCS neo 的站點(diǎn)與財務(wù)、辦公自動化等其他Web 站點(diǎn)并存在企業(yè)站點(diǎn)集群中只是時間上的問題。屆時，可以為最終用戶提供更為便捷的使用體驗：

（1）隨時隨地的監(jiān)控與項目編輯。

（2）生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、財務(wù)數(shù)據(jù)等的大融合。

（3）更為扁平化的生產(chǎn)管理組織結(jié)構(gòu)。

1.1.3 軟件開發(fā)和升級策略

傳統(tǒng)的控制軟件升級， 尤其是在需要不間斷生產(chǎn)的企業(yè)， 需要耗費(fèi)很高的成本來規(guī)劃和實施。 但對于PCS neo，未來可以采用類似于微軟系統(tǒng)升級服務(wù)器WSUS 的方式。 典型配置中，在防火墻外的DMZ 區(qū)域部署一臺服務(wù)器連接到西門子的軟件中心， 如果用戶有軟件維護(hù)授權(quán)，西門子會主動推送軟件的升級包到這臺服務(wù)器。用戶可以在這臺服務(wù)器上自定義升級策略，例如升級時間、升級批次等。西門子的軟件開發(fā)模式也發(fā)生了很大的變化，未來各個軟件的更新周期會更短，各種bug 修復(fù)、新功能新需求的開發(fā)會在很短的時間內(nèi)完成并推送給用戶。 屆時， 所有PCS neo 用戶會始終保持最新版的軟件和硬件固件，這樣會極大地提供用戶系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 云平臺概念

云概念在工業(yè)領(lǐng)域也在如火如荼地推廣， 西門子的MindSphere、GE 的Predix 以及ABB 的ABB ability 等工業(yè)云逐漸成為近些年各大工業(yè)展的亮點(diǎn)。 工業(yè)云平臺是工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化的自然延展，是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的核心，在接下來的工業(yè)領(lǐng)域變革中有著舉足輕重的地位。 各大自動化廠商通過與阿里云、 亞馬遜云等基礎(chǔ)設(shè)施提供商合作，開發(fā)相應(yīng)的云端APP 幫助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。在這個過程中，底層過程控制系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，為頂層的軟件應(yīng)用提供支撐。

個性化的工業(yè)云APP 滿足企業(yè)生產(chǎn)管理、 資源調(diào)配、工藝優(yōu)化、財務(wù)統(tǒng)計等各式各樣的需求，其對于底層控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求、功能需求也各有不同，所以，面向未來的工業(yè)控制軟件一定會具有更好的開放性和更強(qiáng)的橫向集成能力。

1.2.1 數(shù)字化軟件的整合

PCS neo 是西門子回答未來在基礎(chǔ)過程控制層面的一個創(chuàng)新，是數(shù)字化解決方案的一環(huán)。 除此之外，在過程仿真領(lǐng)域，西門子已經(jīng)推出了SIMIT 仿真平臺，在工程一體化集成方面推出了COMOS 和PAA。 這三個基礎(chǔ)軟件平臺構(gòu)成了西門子流程行業(yè)數(shù)字化的三大支柱， 涵蓋了從工程設(shè)計到虛擬仿真再到調(diào)試運(yùn)營的全過程。 作為三大支柱的核心，PCS neo 重新定義了其內(nèi)部的組態(tài)流程和功能，更好地與其他兩個平臺融合。 例如PCS neo 中創(chuàng)建的項目在SIMIT 中可以直接引用項目數(shù)據(jù)來搭建仿真環(huán)境。只有數(shù)據(jù)的充分融合，才能在響應(yīng)云平臺的各種應(yīng)用需求下發(fā)揮最大的效益。

1.2.2 軟件云部署

盡管第一個版本的PCS neo 軟件尚不支持云部署，但同樣基于Web 的底層架構(gòu)， 讓PCS neo 也具備成為工業(yè)云平臺的一個系統(tǒng)應(yīng)用的可能性。將來，用戶在工業(yè)云平臺上選擇PCS neo 應(yīng)用， 在里面調(diào)用各種輔助性應(yīng)用APP 來完成工程組態(tài)，并按照PAA 的推薦完成現(xiàn)場機(jī)柜的設(shè)計。 待調(diào)試運(yùn)營之后，云平臺上的PCS neo 通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)網(wǎng)管安全、低時滯地獲取生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，同時，實時將這些信息共享給用戶的其他云平臺應(yīng)用軟件。這樣，用戶不會再受操作系統(tǒng)、硬件平臺等方面的制約，使用任何終端設(shè)備均可以獲取生產(chǎn)過程的各方面數(shù)據(jù)。

1.3 平臺融合

PCS neo 中的另外一個值得關(guān)注的功能就是對MTP的支持，MTP 是模塊化類型包Module Type Packages 的簡稱，是NAMUR 的一個新標(biāo)準(zhǔn)。 遵循該標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)軟件可以將過程畫面、 通訊數(shù)據(jù)接口以及對象類型等信息導(dǎo)出為一個MTP 包，在DCS 平臺上導(dǎo)入這個包就可以輕松集成原來的子系統(tǒng)或者設(shè)備。 最常見的應(yīng)用就是在一個生產(chǎn)流程中有很多自帶控制系統(tǒng)的子設(shè)備或者子系統(tǒng)，例如制藥中的灌裝機(jī)，通過MTP 就可以將子設(shè)備/子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和畫面在整體DCS 中呈現(xiàn)，無需用戶額外的操作。

目前PCS neo 內(nèi)嵌MTP 相關(guān)的功能庫， 可以導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)的MTP 包， 例如TIA Portal 導(dǎo)出的使用S7-1500 控制器的項目MTP 包。按照計劃，將來PCS neo 項目自身也可以導(dǎo)出為MTP 包給其他系統(tǒng)。

MTP 的支持打破了不同控制平臺之間的藩籬， 對于最終用戶來說意義巨大， 使其可以更加關(guān)注流程控制本身，而非控制系統(tǒng)之間的繁瑣通訊。

1.4 核心功能的小幅優(yōu)化

相對于在數(shù)字化道路上的突飛猛進(jìn)，PCS neo 在基礎(chǔ)核心功能上比較傳統(tǒng)。 使用風(fēng)格上基本集成了PCS 7 現(xiàn)有的成熟做法，例如功能塊、控制模板、順控SFC 等等。PCS 7 的傳統(tǒng)用戶可以輕松上手使用PCS neo 開展工作。

但在基礎(chǔ)功能的細(xì)節(jié)上，PCS neo 還是有很多優(yōu)化。例如在硬件的網(wǎng)絡(luò)視圖中借鑒了TIA Portal 的風(fēng)格，更加清晰直觀。硬件組態(tài)則變成了表格式的界面，層級結(jié)構(gòu)更為清晰。

這也體現(xiàn)了PCS neo 的開發(fā)初衷， 在兼容現(xiàn)有體系的基礎(chǔ)上積極創(chuàng)新。對于廣大的工業(yè)用戶來說，這或許才是真正現(xiàn)實的數(shù)字化之路。

2 工業(yè)控制的發(fā)展趨勢

西門子的新過程控制系統(tǒng)PCS neo 的發(fā)布只是一個縮影， 其中的功能和潛在應(yīng)用場景折射出了工業(yè)控制的發(fā)展趨勢。 在其他主要自動化廠商的發(fā)展計劃中也可以看到類似的計劃。例如艾默生在2016 年推出的plantweb，也是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理念， 強(qiáng)調(diào)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的安全搜集和分析處理，為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)的普及奠定基礎(chǔ)。國內(nèi)自動化廠家浙大中控則以supOS 工業(yè)操作系統(tǒng)為切入點(diǎn)提出了一整套的數(shù)字化解決方案，包括工業(yè)互聯(lián)云平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺、工業(yè)智能APPs 等等。

綜上各家大致相當(dāng)?shù)陌l(fā)展計劃， 工業(yè)控制軟件的發(fā)展脈絡(luò)已經(jīng)十分清晰，主要可以歸納為如下三個方面。

2.1 軟件層面創(chuàng)新的加速

工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)在的數(shù)字化發(fā)展需求，以及基于5G 通信的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)完成覆蓋，都勢必要求對于設(shè)備和工廠大數(shù)據(jù)進(jìn)行潛在價值挖掘。包括基礎(chǔ)工業(yè)軟件以及云應(yīng)用的各種APP 都會順應(yīng)這個趨勢，不斷進(jìn)行改良和開發(fā)。

基礎(chǔ)工業(yè)軟件方面， 主要是進(jìn)行橫向集成和縱向開放兩個維度的改良。 橫向集成是在核心控制的層面打通與其他軟件的連接，通過集成來提高工程效率，并為上層軟件奠定基石。 縱向開放是指在確保信息安全的前提下將數(shù)據(jù)輸送到信息網(wǎng)絡(luò)甚至云端， 其目的是將核心控制納入到整體數(shù)字化方案中，而非一個信息黑盒。

云應(yīng)用APP 是軟件比拼的另一個主戰(zhàn)場，輕量化和客制化是其主要特點(diǎn)。 如果說同一行業(yè)的生產(chǎn)流程的一致性決定了基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的普適性， 那生產(chǎn)企業(yè)的個體差異會在數(shù)據(jù)處理、挖掘、整合等方面呈現(xiàn)出千姿百態(tài)的需求， 這也就決定了自動化廠家在完成云平臺的搭建完成之后會營造APP 開發(fā)的繁榮景象，以此來實現(xiàn)軟件層面生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

2.2 硬件創(chuàng)新的穩(wěn)健推進(jìn)

相較于軟件方面一日千里的發(fā)展變化， 硬件上的創(chuàng)新則顯得十分穩(wěn)健。 硬件和生產(chǎn)流程的綁定關(guān)系十分密切，可以說現(xiàn)在的控制硬件已經(jīng)是生產(chǎn)流程中的一部分。生產(chǎn)流程、生產(chǎn)規(guī)模如果沒有一個質(zhì)的變化，那么作為其中一部分的控制硬件也不會有更多更新的需求。

硬件的穩(wěn)健創(chuàng)新主要還是在行業(yè)細(xì)化和功能集成兩個方面發(fā)力。行業(yè)細(xì)化是指特定需求的硬件開發(fā)，例如在腐蝕性的生產(chǎn)線要求帶防腐圖層，適當(dāng)寬溫等現(xiàn)場模塊。這種行業(yè)細(xì)化需求在將來的大數(shù)據(jù)分析中會更加凸顯，基于大量的維護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 模塊的綜合使用成本會分析出來，用戶也會更為清晰地看到行業(yè)專用模塊的優(yōu)勢。功能集成則是為了節(jié)省用戶的工程成本， 例如信號隔離的安全柵在模塊中集成，自定義模塊的大量開發(fā)等。

2.3 業(yè)務(wù)鏈的整合和競爭

數(shù)字化大潮從根本上把生產(chǎn)自動化的重點(diǎn)從底層控制轉(zhuǎn)到了上層應(yīng)用， 用戶的思維邏輯也會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯蠈訕I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)決定下層控制的功能和框架， 這對于自動化廠家而言， 在用戶粘度和最大化工程效率兩個方面提出了嚴(yán)峻的考慮：基礎(chǔ)核心控制在用戶側(cè)的權(quán)重下降，同質(zhì)競爭變得更為白熱化， 用戶對于自動化品牌的依賴度會有一定程度的下降； 而底層控制系統(tǒng)的整合程度高低會成為用戶的主要衡量指標(biāo)， 沒有用戶希望看到上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一個小改動需要底層控制每個接口獨(dú)立規(guī)劃和重新設(shè)計。

控制系統(tǒng)開發(fā)、硬件設(shè)計、仿真環(huán)境設(shè)計、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)搭建以及大數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)， 目前都是相互獨(dú)立工作平臺，相互之間存在文件形式的數(shù)據(jù)傳遞，但是這種被動的、單向的數(shù)據(jù)流無疑會是業(yè)務(wù)整合的一個瓶頸。打通底層控制系統(tǒng)各個工作平臺的藩籬， 讓項目數(shù)據(jù)在各個平臺之間共享，這樣才會最大化工程效率，尤其是在響應(yīng)上層應(yīng)用層的需求上。

3 結(jié)束語

西門子PCS neo 的發(fā)布是工業(yè)控制發(fā)展新階段的一個剪影，其中折射出來的技術(shù)、業(yè)務(wù)模式等方面的信息清晰地給我們展示了即將到來的工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展之路。 在數(shù)字化的大潮中，這個小趨勢或許只是一朵小浪花，但也是離我們最近的一朵，如何擁抱這種變化，并在其中有所作為，是這個行業(yè)所有人都應(yīng)該考慮的問題，本文是一個引子，從大體趨勢上做了簡述，希望能起到拋磚引玉的作用。