从西门子新控制系统探讨工业控制的发展趋势

周海君， 黄敦华， 季 君

（北京电子科技职业学院， 北京 100176）

0 引言

数字化浪潮在当下的工业领域正在掀起一场前所未有的变革，追根溯源，这是工业发展、IT 技术、消费侧需求达到一定阶段的必然结果。 从工业4.0 和工业互联网概念推出以来， 有关数字化的各种讨论在业界不断掀起波澜，学界和自动化供应商在各种展会、行业峰会上从不同角度憧憬数字化的未来， 而企业界在一段时间的观望之后，也谨慎开始了数字化的尝试。 多个标杆性的项目，例如西门子与赛鼎的工业4.0 解决方案，纷纷落地生根，产生的引领作用显而易见。数字化不再是一个理论模型，而已经是一个个看得到、摸得着、能盈利的工程项目。 下一步的主要问题就是如何在整个工业行业普及数字化解决方案。 工业行业，尤其是在我们国家，呈现出来的广度和深度都让人惊叹。横向上，我们具有全世界最全的行业跨度；纵向上，企业的生产工艺和控制技术参差不齐，从纯手工作业到世界最前沿的控制系统都有。 如何在这样的土壤上扎根并推进数字化解决方案， 这确实是一个很大的命题，系统供应商、行业研究院、生产企业等等都在立足自己的特点之上稳步推出各自的产品或方案。

1 西门子新控制系统概述

西门子面向流程工业的新控制系统SIMATIC PCS neo 正是在数字化推向普及的大背景下发布的， 所以，这个新的控制系统呈现出来的特点也带有很明显的 “承前启后”的特色。 所谓“承前”，就是要延续现在各个行业用户的使用特点，继承用户在现有平台上积累的行业经验，兼容现有运行系统的硬件平台， 遵循现在主流的工业标准。 所谓“启后”，就是要把数字化框架下对底层控制系统的要求体现出来， 要把控制系统架构在面向数字化的大平台之上， 要彻底打通标准控制系统和数字化其他角色的藩篱。 从这个角度来观察这个新系统，会发现以西门子为代表的自动化供应商在回答数字化普及问题上的一些新思路。

现有的西门子流程控制系统是PCS 7， 是在最初的PLC 软硬件平台上发展而来的， 迄今已有三十多年的历史。 尽管在发展之初备受DCS 和PLC 的界定之困，但时至今日， 已经俨然成为全球装机量最大的几大DCS 品牌之一，各项DCS 功能也都齐备。从西门子的产品发布计划来看，新系统PCS neo 在前期会对标现有系统，用两三个版本的时间来实现PCS 7 所有现有功能， 随后在保持与PCS 7 同步研发的基础上加大数字化功能的集成力度。

相较于传统DCS 功能在PCS neo 中的实现， 后者的一些“特殊”之处才是值得关注的重点，从这些新的变化中可以窥见工业控制的数字化未来一角。

1.1 IT 技术的积极引进

PCS neo 完全基于Web 网页的组态和监控， 是其最显著的特色之一。其实在此之前，已经在包括西门子在内的自动化系统中，陆陆续续有过一些基于Web 的工具出现， 例如仪表管理、HMI 等， 但全系统都采用Web 的方式，PCS neo 开创了先河。

基于Web 平台， 是已得到验证的成熟IT 技术在工业领域的集大成， 这其中， 最显著的就是HTML5 技术。HTML5 是面向网页开发的标准， 在2014 年10 月正式发布，在网页数据交互、移动设备支持等功能方面有革命性提升， 目前全球的主流网站几乎都采用了HTML5 标准。 除此之外，大量的其他IT 技术在PCS neo 中得以应用，例如证书管理、PSK、VPN 等。 所有的这些IT 技术在民用领域已经得到了充分的研发和利用，应用在工业控制系统中，从稳定性、通用性和技术储备来看，都是水到渠成的事情。

基于PCS neo 所使用的IT 技术发展脉络以及目前具备的功能，新软件会极大地拓宽工业控制系统的应用前景。

1.1.1 服务器功能的集中部署

Web 架构的主要特点就是强大的数据应用服务器配合小巧灵活的客户端。 PCS neo 中就是如此，在单站结构的项目中，一台服务器中集成了功能组态、运行系统、数据存储等所有功能，而外部的客户端，可以是笔记本、工作站甚至是手机和平板电脑，只需要一个浏览器，连接到中央服务器即可。 当然，在工业领域中，考虑到数据安全和硬件性能瓶颈，分布的服务器架构也是推荐方案之一，即工程师站和监控服务器分开配置。 但他们之间是一个统一的整体，从客户端的角度是看不到数据源的切换的，例如工程组态过程中要切换到当前的运行画面查看生产状态，用户只需要点击一下标签页，但连接的目标数据已经从工程师站切换到了监控服务器。

服务器功能的集中部署离不开现有计算机硬件平台的发展，更快的处理速度，更大的存储能力都使得这一切变成可能。 网络技术，尤其是5G 的普及推广，低延时、高速率等特点使得远程操作变得更为便捷。 这两个趋势在未来会体现得更为深刻， 将来的控制系统就是一个服务器群和一个网络中心，VR 技术、3D 工厂等新功能都会在两者的基础上衍生发展。

1.1.2 网站集群的架构

PCS neo 架构在Web 平台上， 客户端的入口就变成了一个个域名地址：工程师站是一个网页地址，监控站是一个，管理平台是一个…。这种在因特网中司空常见的使用习惯在DCS 中确实为首次。 仔细观察背后的实现逻辑发现，每个服务器上其实就是一个网站，各个网站之间还有一个用户管理域（UMC），这是一个虚拟的域，协调管理同一项目中架构在不同服务器上的网站。

在这个技术背后，需要有如下两大技术作为支撑：首先是服务器之间的高速、大容量数据交换的能力；其次就是网站之间的数据安全。在PCS neo 中，监控服务器M&C和数据归档服务器PH 之间的数据交换量尤其巨大，大量过程变量和消息都需要存储到PH 中，同时PH 也会根据用户的需求， 快速查询并发送给监控服务器大量的历史数据，这对于服务器间的通讯能力有很高的要求。更为主要的是，PCS neo 中的各个角色都架构在和民用网络同样的Web 平台上，各种安全上的风险本来就高，攻击工具、 病毒等都会导致整体系统的不稳定， 如何确保各个Web 之间的通讯安全及其重要。

为了应对这个挑战，PCS neo 中有一个管理控制台Administration Console， 其中除了管理整个项目的软件授权之外， 还有一个重要功能就是管理所有受控计算机的证书。软件安装之后，管理控制台会首先向证书服务器申请一个证书， 基于这个证书， 管理控制台可以创建PCS neo 内部的UMC 虚拟域， 并添加受控计算机。 在此基础上，还可以管理并帮受控计算机向证书服务器申请证书。最后， 虚拟域中已经颁发证书的角色之间可以创建预共享密钥PSK，以便加密角色之间的数据通讯，例如工程师站与监控服务器之间通讯， 以此来避免第三方恶意的项目下载。

在目前的版本中，PCS neo 创建的web 站点是独立的，还不能集成到企业级现有的Web 集群之中，但解决了通讯能力和通讯安全保障这两个前提，PCS neo 的站点与财务、办公自动化等其他Web 站点并存在企业站点集群中只是时间上的问题。届时，可以为最终用户提供更为便捷的使用体验：

（1）随时随地的监控与项目编辑。

（2）生产过程数据与业务数据、财务数据等的大融合。

（3）更为扁平化的生产管理组织结构。

1.1.3 软件开发和升级策略

传统的控制软件升级， 尤其是在需要不间断生产的企业， 需要耗费很高的成本来规划和实施。 但对于PCS neo，未来可以采用类似于微软系统升级服务器WSUS 的方式。 典型配置中，在防火墙外的DMZ 区域部署一台服务器连接到西门子的软件中心， 如果用户有软件维护授权，西门子会主动推送软件的升级包到这台服务器。用户可以在这台服务器上自定义升级策略，例如升级时间、升级批次等。西门子的软件开发模式也发生了很大的变化，未来各个软件的更新周期会更短，各种bug 修复、新功能新需求的开发会在很短的时间内完成并推送给用户。 届时， 所有PCS neo 用户会始终保持最新版的软件和硬件固件，这样会极大地提供用户系统的稳定性。

1.2 云平台概念

云概念在工业领域也在如火如荼地推广， 西门子的MindSphere、GE 的Predix 以及ABB 的ABB ability 等工业云逐渐成为近些年各大工业展的亮点。 工业云平台是工业领域数字化的自然延展，是物联网操作系统的核心，在接下来的工业领域变革中有着举足轻重的地位。 各大自动化厂商通过与阿里云、 亚马逊云等基础设施提供商合作，开发相应的云端APP 帮助用户进行数据分析处理。在这个过程中，底层过程控制系统担负着现场数据采集、预处理以及数据传输的任务，为顶层的软件应用提供支撑。

个性化的工业云APP 满足企业生产管理、 资源调配、工艺优化、财务统计等各式各样的需求，其对于底层控制系统的数据需求、功能需求也各有不同，所以，面向未来的工业控制软件一定会具有更好的开放性和更强的横向集成能力。

1.2.1 数字化软件的整合

PCS neo 是西门子回答未来在基础过程控制层面的一个创新，是数字化解决方案的一环。 除此之外，在过程仿真领域，西门子已经推出了SIMIT 仿真平台，在工程一体化集成方面推出了COMOS 和PAA。 这三个基础软件平台构成了西门子流程行业数字化的三大支柱， 涵盖了从工程设计到虚拟仿真再到调试运营的全过程。 作为三大支柱的核心，PCS neo 重新定义了其内部的组态流程和功能，更好地与其他两个平台融合。 例如PCS neo 中创建的项目在SIMIT 中可以直接引用项目数据来搭建仿真环境。只有数据的充分融合，才能在响应云平台的各种应用需求下发挥最大的效益。

1.2.2 软件云部署

尽管第一个版本的PCS neo 软件尚不支持云部署，但同样基于Web 的底层架构， 让PCS neo 也具备成为工业云平台的一个系统应用的可能性。将来，用户在工业云平台上选择PCS neo 应用， 在里面调用各种辅助性应用APP 来完成工程组态，并按照PAA 的推荐完成现场机柜的设计。 待调试运营之后，云平台上的PCS neo 通过现场的数据网管安全、低时滞地获取生产过程数据，同时，实时将这些信息共享给用户的其他云平台应用软件。这样，用户不会再受操作系统、硬件平台等方面的制约，使用任何终端设备均可以获取生产过程的各方面数据。

1.3 平台融合

PCS neo 中的另外一个值得关注的功能就是对MTP的支持，MTP 是模块化类型包Module Type Packages 的简称，是NAMUR 的一个新标准。 遵循该标准的工业软件可以将过程画面、 通讯数据接口以及对象类型等信息导出为一个MTP 包，在DCS 平台上导入这个包就可以轻松集成原来的子系统或者设备。 最常见的应用就是在一个生产流程中有很多自带控制系统的子设备或者子系统，例如制药中的灌装机，通过MTP 就可以将子设备/子系统的数据和画面在整体DCS 中呈现，无需用户额外的操作。

目前PCS neo 内嵌MTP 相关的功能库， 可以导入标准的MTP 包， 例如TIA Portal 导出的使用S7-1500 控制器的项目MTP 包。按照计划，将来PCS neo 项目自身也可以导出为MTP 包给其他系统。

MTP 的支持打破了不同控制平台之间的藩篱， 对于最终用户来说意义巨大， 使其可以更加关注流程控制本身，而非控制系统之间的繁琐通讯。

1.4 核心功能的小幅优化

相对于在数字化道路上的突飞猛进，PCS neo 在基础核心功能上比较传统。 使用风格上基本集成了PCS 7 现有的成熟做法，例如功能块、控制模板、顺控SFC 等等。PCS 7 的传统用户可以轻松上手使用PCS neo 开展工作。

但在基础功能的细节上，PCS neo 还是有很多优化。例如在硬件的网络视图中借鉴了TIA Portal 的风格，更加清晰直观。硬件组态则变成了表格式的界面，层级结构更为清晰。

这也体现了PCS neo 的开发初衷， 在兼容现有体系的基础上积极创新。对于广大的工业用户来说，这或许才是真正现实的数字化之路。

2 工业控制的发展趋势

西门子的新过程控制系统PCS neo 的发布只是一个缩影， 其中的功能和潜在应用场景折射出了工业控制的发展趋势。 在其他主要自动化厂商的发展计划中也可以看到类似的计划。例如艾默生在2016 年推出的plantweb，也是基于工业互联网的理念， 强调对现场数据的安全搜集和分析处理，为后续物联网的普及奠定基础。国内自动化厂家浙大中控则以supOS 工业操作系统为切入点提出了一整套的数字化解决方案，包括工业互联云平台、大数据分析平台、工业智能APPs 等等。

综上各家大致相当的发展计划， 工业控制软件的发展脉络已经十分清晰，主要可以归纳为如下三个方面。

2.1 软件层面创新的加速

工业领域内在的数字化发展需求，以及基于5G 通信的物联网基础网络完成覆盖，都势必要求对于设备和工厂大数据进行潜在价值挖掘。包括基础工业软件以及云应用的各种APP 都会顺应这个趋势，不断进行改良和开发。

基础工业软件方面， 主要是进行横向集成和纵向开放两个维度的改良。 横向集成是在核心控制的层面打通与其他软件的连接，通过集成来提高工程效率，并为上层软件奠定基石。 纵向开放是指在确保信息安全的前提下将数据输送到信息网络甚至云端， 其目的是将核心控制纳入到整体数字化方案中，而非一个信息黑盒。

云应用APP 是软件比拼的另一个主战场，轻量化和客制化是其主要特点。 如果说同一行业的生产流程的一致性决定了基础控制系统的普适性， 那生产企业的个体差异会在数据处理、挖掘、整合等方面呈现出千姿百态的需求， 这也就决定了自动化厂家在完成云平台的搭建完成之后会营造APP 开发的繁荣景象，以此来实现软件层面生态环境的建设。

2.2 硬件创新的稳健推进

相较于软件方面一日千里的发展变化， 硬件上的创新则显得十分稳健。 硬件和生产流程的绑定关系十分密切，可以说现在的控制硬件已经是生产流程中的一部分。生产流程、生产规模如果没有一个质的变化，那么作为其中一部分的控制硬件也不会有更多更新的需求。

硬件的稳健创新主要还是在行业细化和功能集成两个方面发力。行业细化是指特定需求的硬件开发，例如在腐蚀性的生产线要求带防腐图层，适当宽温等现场模块。这种行业细化需求在将来的大数据分析中会更加凸显，基于大量的维护基础数据， 模块的综合使用成本会分析出来，用户也会更为清晰地看到行业专用模块的优势。功能集成则是为了节省用户的工程成本， 例如信号隔离的安全栅在模块中集成，自定义模块的大量开发等。

2.3 业务链的整合和竞争

数字化大潮从根本上把生产自动化的重点从底层控制转到了上层应用， 用户的思维逻辑也会逐渐转变为上层业务数据决定下层控制的功能和框架， 这对于自动化厂家而言， 在用户粘度和最大化工程效率两个方面提出了严峻的考虑：基础核心控制在用户侧的权重下降，同质竞争变得更为白热化， 用户对于自动化品牌的依赖度会有一定程度的下降； 而底层控制系统的整合程度高低会成为用户的主要衡量指标， 没有用户希望看到上层业务数据的一个小改动需要底层控制每个接口独立规划和重新设计。

控制系统开发、硬件设计、仿真环境设计、视频监控网络搭建以及大数据分析等业务， 目前都是相互独立工作平台，相互之间存在文件形式的数据传递，但是这种被动的、单向的数据流无疑会是业务整合的一个瓶颈。打通底层控制系统各个工作平台的藩篱， 让项目数据在各个平台之间共享，这样才会最大化工程效率，尤其是在响应上层应用层的需求上。

3 结束语

西门子PCS neo 的发布是工业控制发展新阶段的一个剪影，其中折射出来的技术、业务模式等方面的信息清晰地给我们展示了即将到来的工业控制系统发展之路。 在数字化的大潮中，这个小趋势或许只是一朵小浪花，但也是离我们最近的一朵，如何拥抱这种变化，并在其中有所作为，是这个行业所有人都应该考虑的问题，本文是一个引子，从大体趋势上做了简述，希望能起到抛砖引玉的作用。