從西門子新控制系統探討工業控制的發展趨勢

周海君， 黃敦華， 季 君

（北京電子科技職業學院， 北京 100176）

0 引言

數字化浪潮在當下的工業領域正在掀起一場前所未有的變革，追根溯源，這是工業發展、IT 技術、消費側需求達到一定階段的必然結果。 從工業4.0 和工業互聯網概念推出以來， 有關數字化的各種討論在業界不斷掀起波瀾，學界和自動化供應商在各種展會、行業峰會上從不同角度憧憬數字化的未來， 而企業界在一段時間的觀望之后，也謹慎開始了數字化的嘗試。 多個標桿性的項目，例如西門子與賽鼎的工業4.0 解決方案，紛紛落地生根，產生的引領作用顯而易見。數字化不再是一個理論模型，而已經是一個個看得到、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行業普及數字化解決方案。 工業行業，尤其是在我們國家，呈現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跨度；縱向上，企業的生產工藝和控制技術參差不齊，從純手工作業到世界最前沿的控制系統都有。 如何在這樣的土壤上扎根并推進數字化解決方案， 這確實是一個很大的命題，系統供應商、行業研究院、生產企業等等都在立足自己的特點之上穩步推出各自的產品或方案。

1 西門子新控制系統概述

西門子面向流程工業的新控制系統SIMATIC PCS neo 正是在數字化推向普及的大背景下發布的， 所以，這個新的控制系統呈現出來的特點也帶有很明顯的 “承前啟后”的特色。 所謂“承前”，就是要延續現在各個行業用戶的使用特點，繼承用戶在現有平臺上積累的行業經驗，兼容現有運行系統的硬件平臺， 遵循現在主流的工業標準。 所謂“啟后”，就是要把數字化框架下對底層控制系統的要求體現出來， 要把控制系統架構在面向數字化的大平臺之上， 要徹底打通標準控制系統和數字化其他角色的藩籬。 從這個角度來觀察這個新系統，會發現以西門子為代表的自動化供應商在回答數字化普及問題上的一些新思路。

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

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

1.1 IT 技術的積極引進

PCS neo 完全基于Web 網頁的組態和監控， 是其最顯著的特色之一。其實在此之前，已經在包括西門子在內的自動化系統中，陸陸續續有過一些基于Web 的工具出現， 例如儀表管理、HMI 等， 但全系統都采用Web 的方式，PCS neo 開創了先河。

基于Web 平臺， 是已得到驗證的成熟IT 技術在工業領域的集大成， 這其中， 最顯著的就是HTML5 技術。HTML5 是面向網頁開發的標準， 在2014 年10 月正式發布，在網頁數據交互、移動設備支持等功能方面有革命性提升， 目前全球的主流網站幾乎都采用了HTML5 標準。 除此之外，大量的其他IT 技術在PCS neo 中得以應用，例如證書管理、PSK、VPN 等。 所有的這些IT 技術在民用領域已經得到了充分的研發和利用，應用在工業控制系統中，從穩定性、通用性和技術儲備來看，都是水到渠成的事情。

基于PCS neo 所使用的IT 技術發展脈絡以及目前具備的功能，新軟件會極大地拓寬工業控制系統的應用前景。

1.1.1 服務器功能的集中部署

Web 架構的主要特點就是強大的數據應用服務器配合小巧靈活的客戶端。 PCS neo 中就是如此，在單站結構的項目中，一臺服務器中集成了功能組態、運行系統、數據存儲等所有功能，而外部的客戶端，可以是筆記本、工作站甚至是手機和平板電腦，只需要一個瀏覽器，連接到中央服務器即可。 當然，在工業領域中，考慮到數據安全和硬件性能瓶頸，分布的服務器架構也是推薦方案之一，即工程師站和監控服務器分開配置。 但他們之間是一個統一的整體，從客戶端的角度是看不到數據源的切換的，例如工程組態過程中要切換到當前的運行畫面查看生產狀態，用戶只需要點擊一下標簽頁，但連接的目標數據已經從工程師站切換到了監控服務器。

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

1.1.2 網站集群的架構

PCS neo 架構在Web 平臺上， 客戶端的入口就變成了一個個域名地址：工程師站是一個網頁地址，監控站是一個，管理平臺是一個…。這種在因特網中司空常見的使用習慣在DCS 中確實為首次。 仔細觀察背后的實現邏輯發現，每個服務器上其實就是一個網站，各個網站之間還有一個用戶管理域（UMC），這是一個虛擬的域，協調管理同一項目中架構在不同服務器上的網站。

在這個技術背后，需要有如下兩大技術作為支撐：首先是服務器之間的高速、大容量數據交換的能力；其次就是網站之間的數據安全。在PCS neo 中，監控服務器M&C和數據歸檔服務器PH 之間的數據交換量尤其巨大，大量過程變量和消息都需要存儲到PH 中，同時PH 也會根據用戶的需求， 快速查詢并發送給監控服務器大量的歷史數據，這對于服務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在和民用網絡同樣的Web 平臺上，各種安全上的風險本來就高，攻擊工具、 病毒等都會導致整體系統的不穩定， 如何確保各個Web 之間的通訊安全及其重要。

為了應對這個挑戰，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之外， 還有一個重要功能就是管理所有受控計算機的證書。軟件安裝之后，管理控制臺會首先向證書服務器申請一個證書， 基于這個證書， 管理控制臺可以創建PCS neo 內部的UMC 虛擬域， 并添加受控計算機。 在此基礎上，還可以管理并幫受控計算機向證書服務器申請證書。最后， 虛擬域中已經頒發證書的角色之間可以創建預共享密鑰PSK，以便加密角色之間的數據通訊，例如工程師站與監控服務器之間通訊， 以此來避免第三方惡意的項目下載。

在目前的版本中，PCS neo 創建的web 站點是獨立的，還不能集成到企業級現有的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 的站點與財務、辦公自動化等其他Web 站點并存在企業站點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）隨時隨地的監控與項目編輯。

（2）生產過程數據與業務數據、財務數據等的大融合。

（3）更為扁平化的生產管理組織結構。

1.1.3 軟件開發和升級策略

傳統的控制軟件升級， 尤其是在需要不間斷生產的企業， 需要耗費很高的成本來規劃和實施。 但對于PCS neo，未來可以采用類似于微軟系統升級服務器WSUS 的方式。 典型配置中，在防火墻外的DMZ 區域部署一臺服務器連接到西門子的軟件中心， 如果用戶有軟件維護授權，西門子會主動推送軟件的升級包到這臺服務器。用戶可以在這臺服務器上自定義升級策略，例如升級時間、升級批次等。西門子的軟件開發模式也發生了很大的變化，未來各個軟件的更新周期會更短，各種bug 修復、新功能新需求的開發會在很短的時間內完成并推送給用戶。 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的穩定性。

1.2 云平臺概念

云概念在工業領域也在如火如荼地推廣， 西門子的MindSphere、GE 的Predix 以及ABB 的ABB ability 等工業云逐漸成為近些年各大工業展的亮點。 工業云平臺是工業領域數字化的自然延展，是物聯網操作系統的核心，在接下來的工業領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、 亞馬遜云等基礎設施提供商合作，開發相應的云端APP 幫助用戶進行數據分析處理。在這個過程中，底層過程控制系統擔負著現場數據采集、預處理以及數據傳輸的任務，為頂層的軟件應用提供支撐。

個性化的工業云APP 滿足企業生產管理、 資源調配、工藝優化、財務統計等各式各樣的需求，其對于底層控制系統的數據需求、功能需求也各有不同，所以，面向未來的工業控制軟件一定會具有更好的開放性和更強的橫向集成能力。

1.2.1 數字化軟件的整合

PCS neo 是西門子回答未來在基礎過程控制層面的一個創新，是數字化解決方案的一環。 除此之外，在過程仿真領域，西門子已經推出了SIMIT 仿真平臺，在工程一體化集成方面推出了COMOS 和PAA。 這三個基礎軟件平臺構成了西門子流程行業數字化的三大支柱， 涵蓋了從工程設計到虛擬仿真再到調試運營的全過程。 作為三大支柱的核心，PCS neo 重新定義了其內部的組態流程和功能，更好地與其他兩個平臺融合。 例如PCS neo 中創建的項目在SIMIT 中可以直接引用項目數據來搭建仿真環境。只有數據的充分融合，才能在響應云平臺的各種應用需求下發揮最大的效益。

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， 讓PCS neo 也具備成為工業云平臺的一個系統應用的可能性。將來，用戶在工業云平臺上選擇PCS neo 應用， 在里面調用各種輔助性應用APP 來完成工程組態，并按照PAA 的推薦完成現場機柜的設計。 待調試運營之后，云平臺上的PCS neo 通過現場的數據網管安全、低時滯地獲取生產過程數據，同時，實時將這些信息共享給用戶的其他云平臺應用軟件。這樣，用戶不會再受操作系統、硬件平臺等方面的制約，使用任何終端設備均可以獲取生產過程的各方面數據。

1.3 平臺融合

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

目前PCS neo 內嵌MTP 相關的功能庫， 可以導入標準的MTP 包， 例如TIA Portal 導出的使用S7-1500 控制器的項目MTP 包。按照計劃，將來PCS neo 項目自身也可以導出為MTP 包給其他系統。

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， 使其可以更加關注流程控制本身，而非控制系統之間的繁瑣通訊。

1.4 核心功能的小幅優化

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

但在基礎功能的細節上，PCS neo 還是有很多優化。例如在硬件的網絡視圖中借鑒了TIA Portal 的風格，更加清晰直觀。硬件組態則變成了表格式的界面，層級結構更為清晰。

這也體現了PCS neo 的開發初衷， 在兼容現有體系的基礎上積極創新。對于廣大的工業用戶來說，這或許才是真正現實的數字化之路。

2 工業控制的發展趨勢

西門子的新過程控制系統PCS neo 的發布只是一個縮影， 其中的功能和潛在應用場景折射出了工業控制的發展趨勢。 在其他主要自動化廠商的發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，也是基于工業互聯網的理念， 強調對現場數據的安全搜集和分析處理，為后續物聯網的普及奠定基礎。國內自動化廠家浙大中控則以supOS 工業操作系統為切入點提出了一整套的數字化解決方案，包括工業互聯云平臺、大數據分析平臺、工業智能APPs 等等。

綜上各家大致相當的發展計劃， 工業控制軟件的發展脈絡已經十分清晰，主要可以歸納為如下三個方面。

2.1 軟件層面創新的加速

工業領域內在的數字化發展需求，以及基于5G 通信的物聯網基礎網絡完成覆蓋，都勢必要求對于設備和工廠大數據進行潛在價值挖掘。包括基礎工業軟件以及云應用的各種APP 都會順應這個趨勢，不斷進行改良和開發。

基礎工業軟件方面， 主要是進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據輸送到信息網絡甚至云端， 其目的是將核心控制納入到整體數字化方案中，而非一個信息黑盒。

云應用APP 是軟件比拼的另一個主戰場，輕量化和客制化是其主要特點。 如果說同一行業的生產流程的一致性決定了基礎控制系統的普適性， 那生產企業的個體差異會在數據處理、挖掘、整合等方面呈現出千姿百態的需求， 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 開發的繁榮景象，以此來實現軟件層面生態環境的建設。

2.2 硬件創新的穩健推進

相較于軟件方面一日千里的發展變化， 硬件上的創新則顯得十分穩健。 硬件和生產流程的綁定關系十分密切，可以說現在的控制硬件已經是生產流程中的一部分。生產流程、生產規模如果沒有一個質的變化，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。

硬件的穩健創新主要還是在行業細化和功能集成兩個方面發力。行業細化是指特定需求的硬件開發，例如在腐蝕性的生產線要求帶防腐圖層，適當寬溫等現場模塊。這種行業細化需求在將來的大數據分析中會更加凸顯，基于大量的維護基礎數據， 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專用模塊的優勢。功能集成則是為了節省用戶的工程成本， 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等。

2.3 業務鏈的整合和競爭

數字化大潮從根本上把生產自動化的重點從底層控制轉到了上層應用， 用戶的思維邏輯也會逐漸轉變為上層業務數據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峻的考慮：基礎核心控制在用戶側的權重下降，同質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； 而底層控制系統的整合程度高低會成為用戶的主要衡量指標， 沒有用戶希望看到上層業務數據的一個小改動需要底層控制每個接口獨立規劃和重新設計。

控制系統開發、硬件設計、仿真環境設計、視頻監控網絡搭建以及大數據分析等業務， 目前都是相互獨立工作平臺，相互之間存在文件形式的數據傳遞，但是這種被動的、單向的數據流無疑會是業務整合的一個瓶頸。打通底層控制系統各個工作平臺的藩籬， 讓項目數據在各個平臺之間共享，這樣才會最大化工程效率，尤其是在響應上層應用層的需求上。

3 結束語

西門子PCS neo 的發布是工業控制發展新階段的一個剪影，其中折射出來的技術、業務模式等方面的信息清晰地給我們展示了即將到來的工業控制系統發展之路。 在數字化的大潮中，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，是這個行業所有人都應該考慮的問題，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。