隨著新的開放流程自動化系統的開發和商業化，制造企業、自動化供應商和工程承包商都面臨著采用新的方法開發自動化項目的機遇和挑戰。自動化技術的進步為所有利益相關者創造了新的機會，用以降低其控制系統的更換和持續生命周期的成本，并從自動化投資中獲得更多價值。然而到目前為止，由于對嘗試新事物、投資新技術或改變現有業務實踐猶豫不決或觀望，因此獲益不多，與期望值相距較遠。太多的自動化利益攸關者被困在他們一直以來慣用的行事方式的狀態中。這種墨守成規的態度使自動化投資的價值難以充分發揮，并且使制造商喪失了認識消除工廠/流程的低效率、將其運營提升到高績效水平的機會。
本文將集中討論近些年來工業自動化工程項目實施方法和流程的改善和提升。
傳統與弊端
工業自動化工程項目管理的生命周期包括制定工程規格書、供應商選擇（招投標）、前期工程設計、安裝、調試投運、工廠驗收試驗（FAT）和啟動運行各個階段（見圖1）。在有良好執行保證的前提下，時間跨度一般是兩年。雖然在工程總投資中自動化的投資所占比例很小，一般只有百分之幾，甚至只占1%，但是作為工廠運行操作狀態的測量感知、控制和執行的手段，它對運行的影響和所做的貢獻則高達30%以上。
圖1 工業自動化工程項目的工作流程（源自ARC網站）
這種傳統的工程項目的工作流程最大的問題在于：1）按照固定的順序依次執行，前面的階段如果沒有執行完成，后面的階段無法啟動。2）在工程規格書制定完成并凍結以后，前端工程設計所確定的環節和細節（如I/O通道的配置），在工程實施的過程中通常不容許修改或返工。3）具體表現為硬件支持物理需求的物理設計與具體表現為軟件支持功能性需求能力的功能設計，二者緊密聯系，難以脫鉤。形成這些問題的原委主要植根于工業控制系統的專用性，不支持標準化的硬件設計，以及硬件和軟件的強力捆綁。
工程項目實施的經驗告訴我們，自動化往往是一個關鍵路徑，而且對項目的啟動投運時間和移交起著拖后腿的不良影響。為了應付和管理項目成本和保證進度，業主通常面臨著從無停歇的挑戰；還會遇到在最后的時刻需要更改和添加某些控制和測量手段，不僅直接影響項目的完工時間，而且還導致預算超支。這意味著工程項目實施的可預測性成了一個難解的關鍵。項目成本超支是失控并導致產生動態變化的誘因，由此造成的資本支出計劃、資本回報率和現金流都不可避免地受到這些效率低下的負面影響。在新建的項目中，特別是在大型項目中，至關重要的是使風險最小化、增加靈活性和縮短進度。要盡可能達到這些要求，最重要的是讓自動化系統不再成為工程實施的攔路虎。為此工程設計單位、自動化系統供應商和施工單位需要重新評估傳統的工程實施和交付模型，在采用新的技術和方法的基礎上發展新的項目執行模型，并適應新模型的進展，從方法論的角度改進工程項目實施的工作流程，并予以優化。
自動化工程方法變革的基礎和方向
圖2 三種工程項目實施工作流程的比較（源自：Honeywell網站）
過去二十多年來，工業自動化項目實施的基本工作流程幾乎沒有太多的改變（見圖2最上部分）。隨著近些年來控制系統軟硬件的模塊化、云計算和虛擬化等新技術的采用，控制系統正在擺脫長期以來對專用硬件的依賴，與工程項目的實踐結合起來，奠定了控制系統設計的靈活性、削減非增值的工程活動以及優化工作流程的基礎。于是出現了將物理設計與功能設計分離的工作流程（見圖2的中間部分）。顯然，這為自動化項目管理和工程實施建立新的模型和方法起著關鍵作用。
再進一步優化，在模塊化和具有互操作性的自動化軟硬組件的基礎上發展自動化工程項目開發的新方法，軟硬解耦在工程設計和實施具體表現為所謂的“后期綁定”，即生產設施的硬件不必從項目啟動時與系統工程設計文件緊密配合，據此生成的應用軟件可以與生產設施的設計制造并行實施和執行，直到后期才將二者綁定進入調試階段（見圖2的最下面部分）。這一自動化工程項目開發的新方法必將為項目的投資方、工程項目建成后的運營方帶來巨大的利益，主要表現在降低項目的成本、削減硬件的占用空間、縮短完成工程的時間，同時也為今后提高運營維護效率打下了堅實的基礎。
圖3更詳盡地描述這一經過優化的工業自動化工程項目在完成制定技術規格書和前期工程設計之后的實施工作流程。基于物理設計與功能設計的分離，功能性設計可獨立按下述流程實施：在進行與硬件有關的設計（包括I/O數量、類型、安裝地點）、按現場儀表的種類和量程進行I/O地址分配均可在云上進行。之后，可以并行地進行中間編組接線設計（即電纜及其敷設設計）、系統組態、報警組態（依據報警上下限、報警狀態和設定值進行）以及控制組態（根據流程儀表圖P&ID和功能描述加上報警組態結果進行）。在系統組態和完成中間編組接線設計后要進行系統的現場測試驗收（系統FAT），完成后可向業主進行部分交付。在進行系統FAT的同時，可依據示意圖和前期工程設計有關操作規程的闡述開展人機界面HMI的組態。等待上述的工作完成之后就可以開展有關各種組態的現場測試驗收工作，達到功能性的最終交付的要求。在物理設計完成并經過現場測試驗收后，即可將兩者進行后期綁定，開展現場的調試投運工作。
圖3 埃克森美孚采用的工程項目實施流程中的后期綁定
綜上所述，工業自動化工程項目實施的傳統方法必須改變。這既需要與項目相關的工作流程的變革，更需要確保使之工作流程變革成為可能的技術支撐。概括來說，通用的I/O系統和標準化的硬件系統、云基的工程環境和虛擬化的設計、仿真技術就是主要的技術支持（見圖4）。以單點I/O（或稱為通用I/O）為特征的新一代控制系統為控制系統工程和設計的新方法賦予了高度的靈活性，是實現模塊化工程的重要手段。大多數工業自動化供應商都提供“云基工程”功能，創造了一個安全的、虛擬化的、基于云的環境，支持真正的并行工程，允許在不同地點的工程師團隊為實施同一個自動化工程項目協同工作。這種運用標準的、模塊化硬件和云基虛擬化的新工程方法為后期綁定技術提供了前提條件。從方法論的視角看，只有控制系統的硬件設計、配置可以與軟件開發完全脫鉤才有可能在工程后期實施硬件和軟件的綁定。這樣工程師可以在云端的純虛擬環境中開發系統，并在工程調試投運的時刻將軟件部署到硬件系統。它還允許將物理設計與功能設計自動綁定。事實證明這種不是在早期就把硬件系統設計和配置與應用軟件的開發綁定，而是延遲到后期才予以綁定，減少并消除了工程計劃和預算的風險，并提供了更多的靈活性和敏捷性。據一些供應商提供的真實數據表明，在硬件方面：盤柜、接線盒和橋架的數量可減少66%，接線端子可減少70%，室內占用空間可減少40%，自動化硬件成本可減少30-40%；在工程量和建造計劃方面：儀表控制和電氣的工程量減少30-40%，建造量減少20-30%，調試投運工作量減少20-30%，自動化的工作周期減少25%。
圖4 工業自動化工程項目實施流程變革的基礎
后期綁定對工程項目生命周期產生重大影響，主要在于：1）可以取消硬件FAT（現場驗收測試）。由于系統設計完全包含在軟件之中，因此通過硬件虛擬化的方式實現驗證，而不必在現場重復進行FAT的工作完全可行。另一種表達就是用虛擬化的硬件去驗證軟件設計的正確性和可靠性。2）為并行的工程設計創造了條件，即使工程設計人員分布在不同的地點，也可以憑借云基的基礎結構組成靈活的團隊完成控制系統的軟件組態、編程和調試。這種新型的項目工程設計實施方法確保了項目執行的某些階段可以用很少的相互牽連的方式并行地執行，系統的硬件和軟件可以同時進行配置和組態，從而導致項目的執行時間可從18-24個月縮短為12-18個月。
I/O的突破
在流程工業中，DCS系統的I/O一直沿用輸入輸出類型固定、通道也固定的模塊，由此派生出的現場接線方式和通過中間編組接線箱進入控制系統的I/O模塊的方式也一直沿用至今。常規的I/O模塊不論是模擬量輸入和輸出還是開關量輸入和輸出，都由其專用的連接點與現場信號連接。這些在前期的工程設計中已經分配好的I/O地址，一旦在工程調試后期不得不有所調整和改變時，就可能產生麻煩的返工問題，從而影響施工的進度和工程成本。這種固定的I/O結構顯然難以適應工程后期的改動。在實際工作中后期的改動常常是難以避免的，為此不得不在在項目的前期預留一定數量的I/O通道，也就是說從現場接線到中間編組接線箱，再到DCS的I/O模塊以及控制柜都得預留備用的接線和空間。
在流程自動化領域，正是對靈活性和成本效率的需求推動了終端用戶采用通用I/O的控制系統和機柜設計。領先的自動化供應商已經開發了新型的I/O系統的解決方案，采用可特征化的I/O（Characterizable I/O）（見圖5上部 ）和可組態的I/O（Configurable I/O）（見圖5下部 ）或者是二者的組合，構成所謂通用的I/O。可特征化的I/O是指I/O模塊可插在標準機柜的任意插槽中，信號類型取決于插入插槽的硬件模塊。可組態的I/O是指I/O模塊中每一個信號通道的類型都可以用軟件組態而不是依賴硬件予以確定，這提供了極大的靈活性和每個通道的獨立性。這類I/O不僅僅有助于為日工程后期更改提供靈活方便的手段，還由于模塊所占用的空間小了，功耗低了，發熱量也減少了，再加上如果使用現場總線或工業以太網升級成了網絡I/O，電纜及其敷設以及現場接線盒、中間接線箱和接線端子的數量都隨之有多達66%的降低，施工量的減少又可確保工程的進度。運用網絡I/O（如現場總線FF、Profibus PA）也允許在后期調試中增加反饋和輔助測量信號和輔助控制信號，而不必為此另外增加接線。更改I/O連接的儀表設備也無需更換I/O模塊，需要增加一些儀表設備也不必再敷設電纜。今后隨著現場儀表設備的智能化越來越普遍，所能提供現場信息越來越多，響應還越來越快，也完全沒有必要為這些信息的增加擔憂傳輸信息的路徑，網絡I/O的電纜依然可以發揮作用。所有這些直接和間接的效應已經通過工程實踐獲得了很大成功，還為硬件設計制造與應用軟件的設計調試脫鉤，為項目工程的管理由前后階段的串接方式進化為并行方式創造了前提條件。
圖5 可特征化的I/O（上）可可組態的I/O（下）（源自：ARC網站）
實際上，通用I/O（或稱單點I/O或單通道I/O）只是眾多I/O系統中的一個主要選項，像常規的多通道I/O、通過現場總線接入I/O 、遠程I/O或采用RS 485的串接I/O仍然會在系統中有它們發揮的機會和場合。
I/O 的DICED概念，即自動檢測、自動集成、自動組態、自動啟用、自動生成文檔的概念（Auto-Dedect, Auto-Integrte, Auto-Configure, Auto-Enable, Auto-Document）最初來源于美國埃克森美孚，這將智能I/O推進到更高層次。其實際意義是通過DICED把自動化工程項目中的許多關鍵要素予以自動化。最早DICED的概念是采取必要的技術手段使基于HART現場總線的儀表設備能實現自調試投用（Self-commissioning），之后一些自動化供應商將這類功能擴展到開關以及數字化的設備。在實用化取得成功后，這項技術把流程自動化系統的調試投用時間大幅減少，估計能節省80%的時間。DICED還為用戶大大地簡化項目整理竣工文檔的工作量，而且會消除出錯的人工因素。自動生成現場儀表的安裝連接圖使得工程設計承包商不必再為此花費精力，而工程施工單位按圖連接儀表后，只要將接線與最近的智能化接線盒相接，待到控制系統上電之后儀表回路就能夠自動進行調試投用。由于智能化I/O無需在意連接的極性，施工方不會犯接線的錯誤，因而也不必要再化人工進行檢查，使自動化系統達到了“傻瓜機”的水平。當項目完成后操作DICED軟件進行不多幾個點擊就主動生成所需的儀表安裝連接的竣工圖。
顯而易見，采用通用I/O對自動化工程項目的影響不僅僅在于減少了硬件、占用空間和接線，還有一個重大的影響是促使系統結構產生了一個基本的轉變，特別是它使系統與硬件相關的工作范疇和系統與軟件相關的工作范疇相互分離，因而從自動化工程項目的管理視角看，與軟件有關的設計、組態、編程和調試完全可以在硬件設計、配置和制造尚未完成的過程中獨立進行，待硬件完成工程驗收后再與軟件進行綁定，這就是所謂的后期綁定，或者靈活綁定。
從傳統的固定I/O，向通用型I/O轉化，已經拉開帷幕。
儀表自動化和電氣自動化拉手
在工程項目中電氣資產占據項目成本中的一個相當大的份額，在許多情形下電力系統的I/O數量不會少于流程自動化系統的I/O數量。因此，電力系統也同樣受到項目成本上升、人力資源受限于熟練工和富有經驗的工程師的短缺，以及電氣資產需要更好的可視化和可操作的信息等的挑戰。
正如前面討論流程自動化系統可以從新型的項目工程和執行方法中得到許多利益，電力系統也同樣從中受益。如果工廠和工業設施中占據電功率最大消耗的電氣產品（譬如開關設備、驅動設備和馬達控制中心MCC），也能將其I/O與系統采用可特征化或可組態的I/O形式，那么不但能像自動化系統那樣在工程項目實施的各個階段采用并行的方式取代串行的方式，邁入了新型的工程執行的生命周期；而且以前分離的工作范圍現在整合在一起，編制工程規范書、進行工程設計以及現場測試和調試投運的時間都會有顯著的縮短，同時工程數據的復用導致工程量可以減少30%。
這就提出了一個新的挑戰，有沒有可能把以往按自動化和儀表專業與電氣專業這兩個孤島進行單獨集成？是否可以一改以往自動化系統和電力系統因為功能性截然不同而分別實施、各自獨立負責運行的局面呢？
如果可以集成，那么又應該怎么集成才合理，才能帶來期望的收益呢？過去流程的操作人員甚至維護人員缺少了解電力系統的可視化手段，他們并不清楚電力系統的運行狀況，也不知道自動化控制系統和設備消耗了多少功率。在一個公共的架構內把自動化產品和電氣產品集成起來，導致工廠的維護人員在資產管理的框架下得以優化維護實踐，把儀表、儀表裝置、電機、變壓器、繼電保護設備、驅動設備、通信網絡和智能化的馬達控制中心等統一管理起來，運用適當的軟件工具對上述的所有資產實行遠程維護，收得降低風險、確保功能安全和信息安全的實效。目前許多供應商提供了對制造過程供電和電氣側的可視化方案，我們應該立足于更主動和更積極的立場將這兩個專業領域進行有效的集成，以期收到大幅度降低能耗和降低項目工程成本的效果。
IEC 61850是一個基于以太網、已廣泛成功實施自動化系統和電氣系統緊密集成的解決方案的基礎。這個國際工業標準定義了開關裝置中智能電器設備和相應的系統之間的通信，考慮到所有的電氣自動化和工程的功能，因此可以認為IEC 61850是集成自動化系統和電力系統的關鍵技術標準。就像現場總線可以為不同廠家的儀表和控制閥提供較高等級的互操作性一樣，IEC 1850標準為不同廠家的電氣設備提供了互操作性的保證；而且也具有和現場總線一樣的增強的故障診斷和資產管理的能力。
圖6 采用IEC 61850集成自動化系統和電氣系統的解決方案（源自：ARC網站）
由圖6可知，符合IEC 61850標準的以太網網絡，既可以作為電氣設備之間的橫向集成通信網絡（智能化分站間的通信），也可以用作這些電氣設備與控制系統服務器之間的縱向集成的通信網絡（服務端/客戶端機制）。DCS系統的控制站之間可以通過控制網絡進行通信，在其下既可以通過現場總線與各種儀表、控制閥通信（如圖7所示左面的控制站），也可以通過IEC 61850規范的以太網與各種電氣設備通信（如圖7所示中間的控制站）。圖7示出IEC 61850選擇的通信模型采用基于ISO/OSI七層模型的通信模式，其通信棧選用over TCP/IP的 MMS（Manufacturing Message Specification）。
圖7 IEC 61850的通信模型（源自：ABB網站）
目前像ABB、施耐德電氣等都有很好的自動化系統和電氣系統集成的解決方案和實踐經驗。有的則通過高級虛擬化工程平臺（如Honeywell的Experion PKS系統的工程平臺）與第三方的服務器通信連接，執行與基于IEC 61850的電氣系統的集成。
焦點：虛擬化工程平臺
在產品競爭之外，積極采用工業自動化工程項目實施的新方法，全面提高系統集成和服務質量是主要工業自動化供應商的另一個重要競爭方向。基于虛擬化工程平臺的技術服務，已成為這些公司相當大的創收份額。有些公司在應用項目實施新方法之前技術服務占到總營業額的20%左右，應用新方法后就可能達到30%以上，甚至更多。因此，我們看到繼Honeywell在8年前推出了LEAP（Lean Project Execution，精益項目執行）之后，ABB推出智能項目（ABB Intelligent ProjectsTM）和自適應項目（ABB Adaptive ProjectsTM），日本橫河推出APEX（Agile Project Execution，敏捷項目執行）。其他如西門子、施耐德和愛默生等也有各自的解決方案。為此，各有關公司建立了技術服務的服務器群，競相開發了私有云工程平臺，由多個內部的數據中心運營著數以千計甚至萬計的虛擬機，為分布在全世界各地的工程項目服務。據Honeywell前幾年發表的數據可知（見圖8），其虛擬機的系統能力達到27000臺，實際運行達到11000-17000臺的規模，每個月有數百個工程項目系統在周轉。
圖8 Honeywell公司的私有云工程平臺（圖源：Honeywell網站）
必須在擁有豐富經驗和深度的專業知識的基礎上，才可能在流程工業自動化領域運用虛擬化技術，為新建的流程工廠也為現有的流程工廠提供設計、開發和工程實施的虛擬化解決方案。一個完整的解決方案應在充分理解流程自動化設計要求的基礎上，協同流程工藝、自動化、儀表、電氣、通信、安全（功能安全和信息安全）等多專業的知識和經驗，運用IT領域的虛擬化技術構造一個集成的虛擬化環境（包括設計、執行和運行諸階段的系統數字孿生，即仿真的集成環境），并與為控制和自動化用戶提供解決方案的供應商保持一致。換句話說就是必須全面的虛擬化，而不是局部的虛擬化；必須對工程實施的全過程虛擬化，不只是支持應用組態和程序的虛擬化。因此虛擬化技術供應商應該提供下列各種要素：
☆ 經過驗證并獲得業界公認為行之有效的流程控制系統虛擬化方面的專業知識。
☆ 虛擬化場景必須包括所需的全部硬件和軟件的組件。
☆ 由計算機輔助進行虛擬化部署的安裝和組態，并且對所支持的節點進行性能指導。
☆ 為虛擬化基礎設施提供產品、服務和長期支持的“一站式”服務。
☆ 支持虛擬化的長期戰略方法，包括未來產品的路線圖。
圖9 建立全局化的工程項目交付模型（來源：Honeywell網站）
利用虛擬化的工程平臺實施工程項目的管理和運作，建立在全局化的工程項目交付模型的基礎上（見圖9）。交付模型要求在技術標準的基礎上，通過樣板、工作指南、檢查清單、標準化的工程數據庫和標準化的設計、仿真等工具，按照全局項目管理方法論GPM（Global Project Methodology）的方法、邏輯和順序實施，在公共的工程平臺上自動生成項目的交付成果。在項目執行過程中，進行數據驅動的集成化項目管理，數據包括計劃進度、資源、采購、財務和其它有關的數據，管理包括項目計劃和調度、資源管理、成本和現金預測管理、更改變動管理、風險管理、場景和項目評估、運行儀表顯示等內容。顯而易見，這種平臺的開發、完善、持續改進和持續服務絕非一日之功，是領域知識、經驗、訣竅的長期積累和沉淀，是OT和IT深度融合在此細分行業的體現。
小記：開放自動化與虛擬化工程平臺攜手共進
將近二十年沒有什么變動的工業自動化項目實施方法和流程，由于其在計劃進度和工程成本等方面難以控制，現場的工作量巨大致使有效性難以滿足要求等原因，多為最終用戶所詬病。現今，控制系統的標準化特別是I/O系統的通用化已成為現實可行，加之虛擬化和云基工程平臺在工業自動化領域應用的迅速發展，使得工業自動化工程項目執行實施的新方法和新流程在近些年來正在推廣運用。一些居于頭部地位的工業自動化供應商往往是許多大型項目的主承包商，其系統集成的能力和業績以及項目實施管理的手段不可避免成為市場競爭、爭取項目中標不可或缺的重要因素。國內居于領先地位的DCS廠商鮮見有這方面的報道和信息。
筆者曾撰文指出開放自動化目前開展的三個方面中，除以美國開放流程自動化論壇OPAF倡導的開放自動化標準和以德國NAMUR倡導的NOA（NAMUR Open Automation）和以模塊化為主要特征的模塊類型包MTP（Modular Type Package）之外，另外一個重要的方面是在模塊化和具有互操作性的自動化軟硬組件的基礎上形成自動化工程項目開發的新方法，軟硬解耦在工程設計和實施具體表現為所謂的“后期綁定”。參考國外先進工業國家的技術發展動向，結合國內的具體情況開展開放自動化的機會正等待著、期望著工業自動化的從業人員施展拳腳，這應該也是工業數字化轉型大有用武之地的長遠之計。
