多年來，與日新月異的IT領域相比，人們在談論工業和OT時往往會聯想到“封閉”和“專有”等刻板印象。誠然，這些經年累月的生態壁壘難以在短期內徹底打破，但在開放自動化浪潮的引領下，變化已悄然發生——在一些領先的數字化工廠，原本繁雜的線纜被無線網絡所替代，快速搭建柔性產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快速開發和測試，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，在業界打出響亮的一槍以來，短短四年間，開放自動化已經從概念逐步深入實踐，越來越多的主流廠商從觀望轉向積極參與，技術與場景的融合成果也不斷涌現。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：“數字化價值正從工業外圍輔助環節向生產控制核心環節不斷滲透。尤其是隨著5G、邊緣計算、人工智能等信息通信技術在工業領域的逐步深入，工業控制領域正經歷一場‘網絡化、開放化、智能化、協同化’的新型工控革命。對于整個工業界來說，采用新的技術和架構，構建開放化的自動化系統逐漸成為共識。”
在此背景下，施耐德電氣聯合中國信息通信研究院、中國聯通以及北京華勝銳盈共同編寫了《工業蜂窩網賦能的開放自動化解決方案》（下稱“報告”），并于9月24日工博會首日發布，通過用自身在工業蜂窩網、邊緣算力賦能開放自動化的應用實踐成果，助力產業高質量發展。站在離散制造業的實際需求，該報告不僅結合新型工控系統的發展趨勢，詳細描述了開放自動化系統架構，還系統性地提出了工業蜂窩網的定義、范疇、典型網絡架構，并對支撐開放自動化的邊緣算力平臺的系統架構、規劃、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布《工業蜂窩網賦能的開放自動化解決方案》報告
網絡和算力平臺加持，助力實現更好的開放自動化未來
由于歷史原因，傳統工控長期面臨“四座大山”，即工業通信生態壁壘、軟硬件強綁定、傳統工業網絡形態復雜以及缺乏靈活的工業算力。據統計，目前工業通信協議的國際標準已超過30種。各大廠商圍繞PLC工控開發軟件和工業通信協議，形成了一個個煙囪式的封閉生態圈，使得不同廠商之間的硬件和軟件難以互換和移植。
縱觀工控系統從封閉走向開放的演變歷程，不難發現，作為工控核心大腦的PLC成為了這一過程中的關鍵“堵點”。
中國聯通大數據首席科學家范濟安回顧以往時表示：“由于工控系統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，無線網絡一般不在考慮之中。然而就在去年，我們聯合施耐德電氣和中國信息通信研究院發布的《5G+PLC深度融合解決方案》報告中，已經驗證了新一代無線蜂窩通信技術5G能夠進入工業控制的核心環節，從而顯著提升產線的柔性能力。”
這種改變意味著工廠不再需要為每個工站都配備一臺PLC，從而大大降低了產線的投資成本，并實現了控制器的集中化。既然PLC不再受到物理束縛，那么連傳統的實體PLC也不再是必需？答案是肯定的。據施耐德電氣工業自動化中國區開放自動化業務發展總監申紅鋒介紹，施耐德電氣和合作伙伴在今年的實際應用中，將控制系統南向鏈接的無線化進一步延伸至控制虛擬化及平臺生態化。同時，網絡連接也從5G專網迭代至融合了5G、4G（含Cat.1、Cat.4等)和NB-IoT等多種網絡制式的工業蜂窩網。
“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本身的發展需求。”申紅鋒進一步解釋道，“有了網絡和算力平臺的加持，開放自動化的愿景得以更好地實現。”
一方面，雖然5G進入南向的能力已經得到驗證，但并不是所有設備都需要享受5G的高速率、大帶寬特性。工業現場的應用十分復雜，不同場景對網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；有的終端部署數量較多，希望成本更加經濟。對此，施耐德電氣與合作伙伴提出了“工業蜂窩網”這一概念。這樣既能滿足不同智能制造場景對網絡能力的差異化要求，還兼具易用、安全、合規、低功耗等特點。
另一方面，傳統實體PLC的“重任”可以由采用超融合架構的工業邊緣算力平臺來承接。北京華勝銳盈科技有限公司總經理/創始合伙人王宇男認為，超融合對工業企業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，二來可以根據企業需求的增長實現快速、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勢。”
開放自動化的前景固然美好，但相比于抽象的概念，企業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架構的一個典型實例。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IT/OT的真正融合，推動工業自動化領域的“即插即生產”，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。
據申紅鋒介紹：“自2020年發布以來，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迭代，至今已經更新至V24.0版。全新升級的版本在‘高、大、穩、廣、易’這五個方面得到了強化——‘高’指的是整合了工業視覺算法、數字孿生等高級應用；‘大’意味著更大的系統規模，目前每個解決方案可支持超過5000個I/O；‘穩’意味著系統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議；‘易’則是通過提升易用性為用戶帶來更好的開發體驗。目前，該平臺已經在交通基礎設施、水與污水處理、地下管廊、隧道、物流、廠務系統、離散工業生產線、數據中心等多個行業得到了廣泛應用。”
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必須擁抱的未來？”，那必須得看企業能從中獲得哪些“真金白銀”的收益。
在施耐德電氣上海工廠，算、網、控的融合正在賦能自動化設備的改造和柔性產線的構建，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低壓產品事業部副總裁應鵬介紹：“施耐德電氣上海工廠之所以要部署工業蜂窩網和開放自動化平臺，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。”
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，系統生命周期到達終點。這意味著一旦出現故障，維修或替換將面臨困難，甚至可能造成生產線的長時間停頓，影響生產計劃和交貨周期。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，導致設備數據采集困難。
為了解決這些挑戰，施耐德電氣聯合合作伙伴采用工業蜂窩網+虛擬PLC的方式對原來的系統架構進行改造。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蜂窩網與I/O交互，將原有的硬接線通過無線方式代替，提高了產線的柔性，而EAE SoftdPAC則實現了軟硬件解耦，提高了軟件的可重用性。應鵬介紹稱，本系統已成功于2024年3月正式進入商用環境下運行，成功驗證了工業蜂窩網+EAE可以在高速設備（CT<5s）上使用，改造前后設備產品質量保持一致，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，一些新產線為了提質增效，也希望進一步引入AI等新興技術，但往往會擔憂轉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視覺技術來優化產品質量檢測。按照傳統方案，工業相機需要將拍攝的圖片通過內置算法自行判斷并將結果發送給產線MES系統，再通過MES系統將信息傳遞給PLC，整體信息流冗長復雜，而且工業AI相機價值不菲、成本高昂。如今，有了施耐德電氣工業蜂窩網與開放自動化平臺相結合的方案，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，并通過統一的算力平臺進行承載。這樣就能充分發揮控制和計算的結合對生產效率和質量等帶來的提升。”
機遇與挑戰并存，開放自動化的發展需要生態協同
在國家新型工業化政策的指引下，新型工業控制系統迎來廣闊的空間和新的機遇。作為工業領域的顛覆性創新，開放自動化既是新工業革命的內在要求，也是驅動產業高質量發展的不竭動力，它推動了IT與OT的深度融合，幫助制造商提高生產過程的柔性和透明性，降低生產和建設成本，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并存之路。
首先是工業網絡方面，范濟安指出：“目前存量市場上工業有線網絡依然大量存在，但隨著客戶定制化需求的增加和生產裝備的智能化，制造企業的生產必然更加柔性，客觀地為無線網絡帶來機會。未來工廠網絡將是有線、無線相互融合的過程，其中無線網絡中的工業蜂窩網將向多網融合，便于運維的方向發展。如今我們和施耐德電氣的合作，已經在工廠生產中得到成功驗證，面向未來整個行業的成千上萬家工廠，我們也在研究如何把5G與工業蜂窩網+開放自動化打造成一個服務于多企業的新型工控平臺。”
然后是在算力平臺方面，王宇男進一步表示：“雖然工業邊緣或現場側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或平臺來滿足行業客戶的應用需求。”
隨著產業轉型升級進一步步入深水區，“開放”即意味著將更多的工業企業納入這股浪潮，所以生態圈的合作非常關鍵。目前，整個產業的生態合作已經積極開展，據王哲介紹，2023年11月，信通院聯合20余家企業和科研機構共同啟動“新型工控啟航行動”，圍繞技術驗證、標準研制、應用創新和產業促進四個關鍵環節展開工作，以推動新型工業控制技術創新發展，促進產業生態建設。目前，該行動已經完成了六項標準的研制，發布了四份研究報告，并在新型工控技術驗證測試床搭建方面取得重要成果。
站在技術演進與產業變革的轉折點上，擁抱開放自動化已經成為制造企業的必選之路。對于施耐德電氣來說，開放（OPEN）是面向工業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建設；E是Energy，我們正在用自身擅長的能源管理軟件和數字化技術助力各行各業提高工業和能源的效率，實現綠色智能制造目標；N是指Next generation，寓意我們將堅定不移地向著下一代工業自動化，即軟件定義的、開放的自動化未來持續邁進。”
欲了解更多關于《工業蜂窩網賦能的開放自動化解決方案》報告的精彩內容，歡迎前往施耐德電氣官網下載報告。
