在IT技術(shù)飛躍發(fā)展的年代，流程工業(yè)自動(dòng)化的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)DCS正在步入“老態(tài)龍鐘”。它的封閉性和專用性，極大地阻礙了OT與IT的深入高效的融合。
一個(gè)幽靈正在接近工業(yè)自動(dòng)化的傳統(tǒng)地盤。它巨大的潛力，將致使工業(yè)自動(dòng)化廠商長期保有的業(yè)務(wù)模型變得日趨陳舊，不得不升級(jí)和轉(zhuǎn)型。它還會(huì)要求廠商采用正在如潮水涌來的軟件技術(shù)和來自云計(jì)算領(lǐng)域的實(shí)踐?？梢钥隙ǖ氖?，這一顛覆將被幾乎整個(gè)新的軟件技術(shù)，而非硬件技術(shù)所驅(qū)動(dòng)。當(dāng)這一顛覆第一次沖擊連續(xù)過程自動(dòng)化的時(shí)候，這些新穎的軟件技術(shù)的力量和價(jià)值，將推動(dòng)流程工業(yè)以及其新興的業(yè)務(wù)模型進(jìn)入許多其它的領(lǐng)域，包括工廠自動(dòng)化FA和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT。驅(qū)動(dòng)這一顛覆的一個(gè)重要因素就是軟件應(yīng)用的容器化（containerization）。
流程工業(yè)自動(dòng)化的百年新芽
自上個(gè)世紀(jì)二十年代，流程工業(yè)開始了氣動(dòng)儀表和氣動(dòng)控制器的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，最早是在1959年出現(xiàn)了單回路電子控制器。上世紀(jì)70年代8回路數(shù)字式控制器出現(xiàn)，流程工業(yè)已經(jīng)運(yùn)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史記錄、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、靈活的系統(tǒng)組態(tài)和規(guī)模不大的人機(jī)界面。
80年代之后，100回路規(guī)模的數(shù)字式控制系統(tǒng)DCS開始出現(xiàn)，在L1層開始運(yùn)用功能塊、順序控制和自診斷技術(shù)；在L2層已經(jīng)有了按生產(chǎn)的需要配置不同規(guī)模的系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可用性；在L3層相關(guān)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)接近當(dāng)時(shí)的最新水平。
到了2000年，1000回路規(guī)模的數(shù)字式控制系統(tǒng)DCS成為主流。流程工業(yè)在L1層普遍運(yùn)用高性能、多功能的DCS系統(tǒng)，配有HART或FF現(xiàn)場(chǎng)總線；而在L3層大量使用低成本的服務(wù)器。
之后的發(fā)展，特別是近些年來，DCS面臨著一些亟待解決的三個(gè)重要問題。一個(gè)是老齡化。許多正在運(yùn)行的DCS系統(tǒng)已經(jīng)服役二三十年，備品備件所需的元器件已經(jīng)停產(chǎn)或改型，如何低成本且不停產(chǎn)或少停產(chǎn)的進(jìn)行升級(jí)改造，這是最終用戶十分關(guān)心的問題。第二是繼承性。經(jīng)過幾十年運(yùn)行，控制系統(tǒng)積累了大量的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和智能運(yùn)營的知識(shí)庫，在控制系統(tǒng)的升級(jí)改造的過程中如何繼承和保護(hù)這些軟資產(chǎn)，不容回避。第三是融合性。在IT技術(shù)以高度密集和高速度的方式進(jìn)入流程工業(yè)的今天，OT技術(shù)不得不緊跟IT的步伐，不失時(shí)機(jī)的與之融合。
等不及供應(yīng)商的動(dòng)作了。
這一次，是一些有遠(yuǎn)見的最終用戶開始打破僵局，采取大刀闊斧的舉措。在他們的積極推動(dòng)下，流程自動(dòng)化行業(yè)出現(xiàn)了開發(fā)下一代開放的分布式自動(dòng)化技術(shù)的全新局面。未來的控制系統(tǒng)追求的目標(biāo)很具體：能夠低成本替代原有控制系統(tǒng)，且可按現(xiàn)場(chǎng)需要配置系統(tǒng)；運(yùn)用先進(jìn)的邊緣設(shè)備，但仍可沿用原有的I/O及其電纜布線；具備良好的APP工業(yè)軟件的可移植性；方便與一流的部件和第三方軟件集成。還要求用高可用性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)成虛擬化的系統(tǒng)，既要向下有效連接邊緣端與I/O端口，向上又要方便OT與IT的融合。
而這些顛覆性的技術(shù)，強(qiáng)烈地受到近些年來IT行業(yè)并發(fā)的若干個(gè)重要技術(shù)的影響和推動(dòng)。其中最重要是大量應(yīng)用的系統(tǒng)虛擬化，以及云計(jì)算、運(yùn)用廣泛的開源軟件（OSS）、新軟件技術(shù)集成和軟件開發(fā)和部署（DevOps），以及超高可用性的部署平臺(tái)。
一百年的老樹，正迸發(fā)出全新的枝椏。
重現(xiàn)當(dāng)年小型機(jī)現(xiàn)象
自1970年P(guān)LC和DCS進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域之后，處于ISA 95的L1和L2的控制層的自動(dòng)化硬件和軟件結(jié)構(gòu)一直沒有變動(dòng)，迄今為止自動(dòng)化市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)也一直圍繞著捆綁式的自動(dòng)化硬件和軟件在演進(jìn)。
每一個(gè)自動(dòng)化的供應(yīng)商都開發(fā)自己的軟件環(huán)境，并將這種軟件環(huán)境轉(zhuǎn)交給最終用戶，而通常他們并不能深入這一軟件環(huán)境，只能通過供應(yīng)商提供的控制器組態(tài)軟件工具與控制器交互。這一種結(jié)構(gòu)方式與1970年的小型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)非常類似，幾乎每一個(gè)小型機(jī)的供應(yīng)商都是以硬件軟件捆綁的應(yīng)用方式和軟件工具，以及自己的渠道伙伴和軟件供應(yīng)商進(jìn)入和占領(lǐng)市場(chǎng)。
企業(yè)控制的系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISO 62264脫胎于ISA 95。雖然這一標(biāo)準(zhǔn)是在普度CIMS模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適用于流程工業(yè)、離散制造業(yè)和批量過程工業(yè)，但畢竟最先獲得流程工業(yè)的普遍支持和實(shí)踐應(yīng)用。工業(yè)4.0的RAMI4.0參考架構(gòu)模型中的“Hierarchy Levels”的維度，主要是借鑒了ISA 95的概念。由于最終用戶對(duì)此ISA 95參考模型的認(rèn)可和青睞，在美國和歐洲工業(yè)軟件的開發(fā)廠商一般都以此模型為依據(jù)。為了更好地服務(wù)于智能制造和IIoT的需要，如圖1所示，ISA 95在原來的L0至L4的層級(jí)之上增加了L5級(jí)（企業(yè)接入云系統(tǒng)的集成）。
關(guān)心現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)用新技術(shù)的升級(jí)遷移是現(xiàn)有的工廠和成套設(shè)備又一個(gè)關(guān)鍵的問題。制造廠不允許按整個(gè)規(guī)模替代已安裝和運(yùn)行多年的ICS工業(yè)控制系統(tǒng)，這可能會(huì)對(duì)運(yùn)行造成很大的破壞。而現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫積累和容納了大量具有智能特性的數(shù)據(jù)，由于這些都是在專有系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，很難用文件描述，或者難以升級(jí)遷移到新的平臺(tái)。制造廠需要非破壞性的路徑使他們能夠?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行更新和升級(jí)改造。
以?？松梨跒槔?，其煉化工廠每天從500萬個(gè)變量（tags）中產(chǎn)生13億個(gè)數(shù)據(jù)記錄！每天13億，這還不包括機(jī)械數(shù)據(jù)。存取這么多數(shù)據(jù)的能力，以及將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析利用并轉(zhuǎn)換為活躍的可起作用的信息，是業(yè)務(wù)的關(guān)鍵需要。
企業(yè)迫切需要從系統(tǒng)到邊緣再到云端實(shí)現(xiàn)分析的APPs，可是目前卻不那么容易完成。供應(yīng)商應(yīng)對(duì)難題的解決方案，似乎落后了一大截。舉一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子。美國?？松梨诠驹罅渴褂肏oneywell的DCS系統(tǒng)TDC 3000，這些服役二、三十年的系統(tǒng)其備品備件最多可用到2025年。也就是說大約還有五六年的時(shí)間，不得不面臨升級(jí)改造的嚴(yán)重問題。而且為了讓這些老系統(tǒng)能夠利用Honeywell的云基開放虛擬工程平臺(tái)，使TDC的環(huán)境虛擬化，還能夠支持與WirelessHART等無線變送器、儀表的聯(lián)接，利用低成本、小資源的仿真系統(tǒng)等，他們用了七年時(shí)間開發(fā)了Experion LCN R501.1，可以仿真TDC老系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)100%的二進(jìn)制兼容和互操作?；四敲撮L的時(shí)間在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn)，其成本可想而知。
開放的架構(gòu)
多年前?？松梨诘难芯亢凸こ滩块T公開倡議開發(fā)一個(gè)全新的、基于標(biāo)準(zhǔn)的過程控制架構(gòu)。2014年他們編創(chuàng)了一個(gè)基本特性文件，在2015年的ARC論壇上分發(fā)，受到相當(dāng)?shù)年P(guān)注，引發(fā)了熱烈討論，也得到具有相同要求的其它最終用戶的支持。由于美國開放集團(tuán)（The Open Group）在為其它工業(yè)部門創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)方面的專業(yè)性和成功表現(xiàn)，?？松梨跊Q定委托這個(gè)非盈利的第三方，組織一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，面向流程控制工業(yè)中業(yè)務(wù)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，開發(fā)一個(gè)新的系列標(biāo)準(zhǔn)。
The Open Group創(chuàng)建了開放流程自動(dòng)化論壇OPAF（the Open Process Automation™ Forum），吸收一批最初的成員，并于2016年11月在舊金山召開了第一次會(huì)議。截止到2018年底，該組織已經(jīng)有超過133個(gè)團(tuán)體成員，包括最終用戶、硬件和軟件供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商、學(xué)術(shù)單位和標(biāo)準(zhǔn)化組織。顯然這是一個(gè)以大型的最終用戶為主及其支持者流程自動(dòng)化供應(yīng)商組成的共同體。
這個(gè)組織的使命就是維新。已經(jīng)20多年沒有變動(dòng)的DCS的架構(gòu)，在迅速發(fā)展的IT技術(shù)面前，將如何重生？它覆蓋了最新的分布式云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)重新定義DCS和PLC，以及與優(yōu)化運(yùn)營密切相關(guān)的先進(jìn)控制和MES（參見圖3）。
圖4給出OPAF的架構(gòu)圖。OPAF所定義的DCN表示分布式控制節(jié)點(diǎn)，它是由DCF（分布式控制框架）和DCP（分布式物理基礎(chǔ)設(shè)施）所組成。圖中黃色所標(biāo)的均為OPAF所定義的部件和模塊；海藍(lán)色所標(biāo)的則是非OPAF定義的其它系統(tǒng)，如傳統(tǒng)的DCS、PLC、分析儀表系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、……，但它們都可以經(jīng)由DCN接入OPAF所定義的聯(lián)接性框架OCF。
即使是處理企業(yè)業(yè)務(wù)的事務(wù)性平臺(tái)（企業(yè)的IT數(shù)據(jù)中心）和其它非OPAF環(huán)境的系統(tǒng)，都能經(jīng)由DCN接入OCF。至于執(zhí)行ISA 95的L2和L3功能（如先進(jìn)控制算法、MES等）的OT數(shù)據(jù)中心直接與OCF相聯(lián)，這一先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)采用容器化的軟件技術(shù)，將不同功能的APP組織容納在不同的容器中，形成高效執(zhí)行軟件子系統(tǒng)。
關(guān)鍵使命
作為老牌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)商風(fēng)河（Wind River），已經(jīng)定義并完成了一個(gè)新一代的平臺(tái)產(chǎn)品Titanium Control Platform，其中工業(yè)控制系統(tǒng)的“虛擬化”和“軟件定義”已經(jīng)運(yùn)用嫻熟。針對(duì)那些日趨老化的傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)不能支持與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接的問題，這一平臺(tái)承擔(dān)了預(yù)置云規(guī)模的基礎(chǔ)架構(gòu)，將幾個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)公司的平臺(tái)軟件（工業(yè)級(jí)云管理中間件open stack，工業(yè)級(jí)Linux，工業(yè)級(jí)存貯集群ceph）協(xié)調(diào)組合，分別構(gòu)成控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存貯節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)管理，從而以高性價(jià)比的方式為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)提供升級(jí)改造的可能（詳見圖5）。
風(fēng)河在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的長期經(jīng)驗(yàn)與寬泛的低延遲虛擬化和預(yù)置的云計(jì)算技術(shù)組合起來，在OPAF主導(dǎo)的以任務(wù)為關(guān)鍵的（mission critical）驗(yàn)證性項(xiàng)目應(yīng)用中獲得成功。所謂以任務(wù)為關(guān)鍵就是需要每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，譬如電信系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、金融分析系統(tǒng)等。同樣，用于流程工業(yè)的DCS，也是屬于必須不間斷運(yùn)行的控制系統(tǒng)。
趨之若鶩
在The Open Group的管理下，該創(chuàng)新項(xiàng)目謀求定義一個(gè)可以運(yùn)用于多個(gè)流程工業(yè)（化工、煉化、發(fā)電、制藥、冶金、紙漿和造紙等）的流程控制架構(gòu)，滿足標(biāo)準(zhǔn)化、充分安全性和互操作性的要求。當(dāng)今工廠中所用的任意DCS和PLC的功能，都可以被這些由服務(wù)器和許許多多計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源要求足夠小的自動(dòng)化邊緣設(shè)備組成的新系統(tǒng)所替代。圖6給出了從現(xiàn)有已在役的DCS/PLC系統(tǒng)逐步地升級(jí)遷移到這些小的邊緣設(shè)備，以及預(yù)置的高可用性的服務(wù)器的發(fā)展趨勢(shì)。
OPAF的目標(biāo)是對(duì)ISA 95的L1和L2的功能標(biāo)準(zhǔn)化 這些功能是：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表的基本的輸入和輸出，以及執(zhí)行調(diào)節(jié)控制的功能塊。目前這些功能都是由專用的DCS和PLC來完成的，規(guī)模約為100至1000個(gè)PID功能塊。?？松梨诤推渌恍┳罱K用戶深信不疑可以用更多但更小的邊緣設(shè)備作為過程控制器。這些小的硬件設(shè)備每臺(tái)可以控制少到一兩個(gè)回路，實(shí)際上執(zhí)行過程自動(dòng)化的微服務(wù)。
經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)使這一創(chuàng)新項(xiàng)目由可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)展為現(xiàn)實(shí)。OPAF與洛克希德馬丁公司和其它公司的一個(gè)團(tuán)隊(duì)緊密合作，在OPAF架構(gòu)和由OPAF所選擇使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)，進(jìn)行驗(yàn)證。
參與這一概念驗(yàn)證系統(tǒng)工作的OPAF成員包括：R.STAHL（提供常規(guī)I/O），施耐德電氣（提供智能I/O），Intel（提供分布式控制節(jié)點(diǎn)DCNs），NXT control（已被施耐德收購，提供DCNs和軟件控制器，ABB（提供軟件控制器），AspenTech（提供先進(jìn)控制軟件APC），Inductive Automation（提供人機(jī)界面HMI），ANSYS（提供另一個(gè)HMI），Wind River（提供實(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)RTAC）。
驗(yàn)證的結(jié)果令人欣喜，這表明OPAF架構(gòu)已經(jīng)由概念轉(zhuǎn)化為正在運(yùn)行的概念驗(yàn)證的系統(tǒng)。在工業(yè)自動(dòng)化界已經(jīng)討論了十多年的開放自動(dòng)化系統(tǒng)的可能性，正在一步一步的變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。對(duì)于流程自動(dòng)化的行業(yè)這不啻為一件激動(dòng)人心的事件。在2019年二月該組織正式推出了新標(biāo)準(zhǔn)的第一版O-PAS Version1.0，給出了一個(gè)與供應(yīng)商無關(guān)的參考架構(gòu)；而且還計(jì)劃2020年在?？松梨诤推渌辽賰蓚€(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。
容器化軟件技術(shù)
發(fā)源于UNIX的軟件容器化技術(shù)，經(jīng)過LINUX開源軟件的大力推動(dòng)，業(yè)已大大降低了門檻，成為可以較普遍掌握和運(yùn)用的技術(shù)。對(duì)于軟件開發(fā)商和最終用戶，軟件容器提供兩個(gè)巨大價(jià)值：1）軟件容器技術(shù)可為任意數(shù)量的機(jī)器、物理或虛擬對(duì)象，提供自動(dòng)的配置、部署和管理分布式應(yīng)用的方法和手段。（2）容器軟件開發(fā)的過程創(chuàng)建了一個(gè)“容器圖像”的存貯庫，在軟件交付時(shí)，這一容器圖像形式可在不同于原來開發(fā)的軟硬件環(huán)境的另一種環(huán)境中協(xié)調(diào)地創(chuàng)建，同時(shí)還自動(dòng)建立了包括運(yùn)行應(yīng)用軟件所要求的所有的軟工作環(huán)境。
開發(fā)容器圖像的過程已經(jīng)完成了一種高度的抽象，使它獨(dú)立于異構(gòu)的多CPU、操作系統(tǒng)、軟件版本，以及在開發(fā)期間運(yùn)行的環(huán)境。由于容器圖像劃定的范圍僅容納在一個(gè)應(yīng)用軟件內(nèi)，所以容器會(huì)將開發(fā)者的注意力從管理計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到去管理應(yīng)用。這極大地改善了應(yīng)用的部署能力和可見性。容器的開發(fā)、部署和業(yè)務(wù)流程的軟件工具在前五到十年中已經(jīng)臻于成熟。顯而易見，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)在交付和管理分布式和高可用性的應(yīng)用軟件的能力方面，根本無法與容器軟件技術(shù)相抗衡。
目前在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)和汽車、電信這些大行業(yè)中，正在為分布式自動(dòng)化或功能性創(chuàng)建參考架構(gòu)，甚至在創(chuàng)建特定的解決方案。
全球的汽車工業(yè)目前正在努力開發(fā)一種參考架構(gòu)，謀求使一輛汽車兼具安全、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程服務(wù)、信息娛樂和舒適的性能。這包括定義一個(gè)專門的被稱為汽車級(jí)的Linux（Automotive Grade Linux ）的Linux軟件集。在電信行業(yè)，許多公司正在開發(fā)包括信號(hào)收發(fā)基站的基礎(chǔ)NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化），以及和電信中央交換器的虛擬化處理功能CORD（Central Office Re-architected as a Datacenter）。
為迎接數(shù)字化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，這些新創(chuàng)項(xiàng)目具有許多共同的特點(diǎn)：要求大規(guī)模而且長生命周期的遠(yuǎn)程部署軟件的管理，在工業(yè)軟件的開發(fā)、部署和維護(hù)，以及所有類型的硬件（包括嵌入式設(shè)備）都有所突破，而不是漸近的改進(jìn)。
這些突破正在順利進(jìn)行或已經(jīng)完成。一些領(lǐng)先的軟件容器管理和協(xié)調(diào)配置的開源工具已經(jīng)具有實(shí)時(shí)進(jìn)行分布式應(yīng)用軟件的部署和管理的能力，而且在商業(yè)上達(dá)到可以提供的水平?？梢灶A(yù)期，同樣的軟件工具將也能融合到開放過程自動(dòng)化的創(chuàng)新項(xiàng)目中。
圖7釋出容器化軟件的原理框圖，圖中表示Docker將應(yīng)用軟件分隔為若干個(gè)可管理的APP功能模塊，并將它們打包在一個(gè)容器中。Docker集成Linux的容器化技術(shù)的目的，一方面是為了解決應(yīng)用軟件的開發(fā)能適應(yīng)每一種開發(fā)環(huán)境，另一方面是為了解決代碼依賴性的跟蹤、應(yīng)用軟件的可擴(kuò)可縮，以及僅僅修改升級(jí)個(gè)別APP而不會(huì)影響整個(gè)的應(yīng)用軟件等問題。
圖8則表示將容器技術(shù)如何運(yùn)用于OPAF的架構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)分布式控制節(jié)點(diǎn)DCN。根據(jù)實(shí)際的需要，可在在一個(gè)DCN容器中容納所需要的各種APP，如監(jiān)控和管理DCN的APP、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的APP、現(xiàn)有的過程控制算法APP、新開發(fā)的過程控制算法APP等等。
從技術(shù)成熟度來講，基于容器的軟件部署已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化了，以開源的形式提供使用。它運(yùn)用廣泛，并為許多不同類型的平臺(tái)所成功運(yùn)用，從非常的大的系統(tǒng)（Google）到最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（樹莓派，Raspberry Pi），都已經(jīng)得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的驗(yàn)證。
軟件開發(fā)的三大類別
從發(fā)展過程看，軟件開發(fā)已經(jīng)分成了三個(gè)主要的類別：企業(yè)軟件（業(yè)務(wù)運(yùn)行）；嵌入式軟件（運(yùn)行于設(shè)備、模塊等“物”中）；最近一些年形成的云軟件（運(yùn)行于第三方的云資源上）。盡管這三類軟件存在著一些重疊，但它們各自有自身獨(dú)特的開發(fā)及其工具環(huán)境。
軟件開發(fā)的三個(gè)類別
在下一個(gè)五年或更多一些時(shí)間內(nèi)，云軟件開發(fā)技術(shù)相比其它形式的軟件開發(fā)，顯然會(huì)成為主要的形式，而且這三種軟件開發(fā)將會(huì)極大地融合匯聚。更值得關(guān)注的是，這一融合匯聚將會(huì)被迅速發(fā)展的開源軟件的步伐所推動(dòng)，而不是由目前工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)所采用的軟件開發(fā)方法邁著緩慢的步伐在前行。
這一融合匯聚的第一階段將是所謂原生云軟件（cloud-native software）的開發(fā)，開發(fā)常規(guī)企業(yè)軟件與云軟件的融合。當(dāng)云原生軟件以向下擴(kuò)展的形式聚焦嵌入式軟件在物聯(lián)網(wǎng)，特別是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的要求時(shí)，這將推動(dòng)第二階段的融合。工業(yè)自動(dòng)化已邁開了這樣的步伐，在過去的兩年中已經(jīng)在許多工業(yè)產(chǎn)品導(dǎo)入了Docker和Linux容器的技術(shù)。除此而外，一種正在云執(zhí)行平臺(tái)上出現(xiàn)、并被稱為單核與嵌入式軟件開發(fā)低資源的專業(yè)組合的云技術(shù)，也不容忽視。單核技術(shù)目前還活躍在許多研究領(lǐng)域中，但很快會(huì)轉(zhuǎn)入應(yīng)用。事實(shí)上風(fēng)險(xiǎn)投資已經(jīng)在向?yàn)槠髽I(yè)和工業(yè)IoT市場(chǎng)開發(fā)單核產(chǎn)品的方向投資。
云計(jì)算是一個(gè)有2500億美元的研發(fā)投資的大業(yè)務(wù)。它正在迅速增長，并主要被諸如亞馬遜、阿里巴巴、微軟、Google、IBM及相關(guān)巨頭所掌控和關(guān)注，競(jìng)爭非常激烈。有理由期望用于云計(jì)算業(yè)務(wù)的開源軟件技術(shù)將會(huì)快速發(fā)展和推廣。不出5年時(shí)間所有軟件的開發(fā)將會(huì)使用云軟件開發(fā)的方法。在軟件的“食物鏈”內(nèi)，如果“軟件正在吞噬世界”，那么吞噬軟件開發(fā)的軟件則是云軟件開發(fā)及其工具。甚至在嵌入式軟件的特殊的領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)幾乎會(huì)被當(dāng)前和未來的云軟件技術(shù)所左右，或者說被當(dāng)前和未來的云軟件技術(shù)所吞沒。
統(tǒng)一與分歧
下一代的DCS和PLC正在向開放、分布式、具有充分的互操作性和內(nèi)在的信息安全的架構(gòu)發(fā)展。而要有效地實(shí)現(xiàn)這樣的架構(gòu)，需要大量地采用開源的云計(jì)算軟件技術(shù)。在今后的分布式控制系統(tǒng)DCS和PLC的自動(dòng)化應(yīng)用，容器軟件技術(shù)一定會(huì)大放異彩?？梢院敛豢鋸埖卣f，有效的運(yùn)用容器部署和業(yè)務(wù)流程編排軟件很可能成為未來過程自動(dòng)化系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素。
技術(shù)上可以說是大勢(shì)所趨。但在業(yè)務(wù)模式上卻出現(xiàn)兩種對(duì)立的觀點(diǎn)。OPAF發(fā)布的業(yè)務(wù)指南中指出，關(guān)鍵的利益攸關(guān)者是多元化的，包括最終用戶、系統(tǒng)集成商、硬件供應(yīng)商、分系統(tǒng)供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商和服務(wù)提供商。在下一代的流程自動(dòng)化系統(tǒng)中，系統(tǒng)集成商/分系統(tǒng)集成商的角色將越來越關(guān)鍵。從現(xiàn)在的單一的DCS供應(yīng)商轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)集成商，將是一次流程自動(dòng)化格局的重塑。
然而以DCS系統(tǒng)主要廠商之一的艾默生則并不想要如此復(fù)雜的局面。它堅(jiān)持認(rèn)為，用戶寧愿依賴一兩個(gè)戰(zhàn)略性的的供應(yīng)商，而不是依靠少數(shù)幾個(gè)協(xié)議和系統(tǒng)集成商的能力，去將幾千個(gè)智能設(shè)備集成起來。艾默生這一派期望繼續(xù)沿襲流程工業(yè)迄今為止慣用的方法，即一個(gè)巨大的工程項(xiàng)目只能由一兩個(gè)有完全能力的戰(zhàn)略承包商負(fù)責(zé)。由于意見不合，艾默生于2018年還退出了OPAF這一組織。
另辟蹊徑的德國人
在美國人牽頭的OPAF重新定義現(xiàn)有DCS、PLC之后，德國流程工業(yè)用戶組織NAMUR提出了另一類的開放架構(gòu)NOA，并計(jì)劃在2021年至2022年以IEC的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。
德國NAMUR倡議的NOA（見圖9），堅(jiān)持在原有的工業(yè)信息化、自動(dòng)化金字塔結(jié)構(gòu)的前提下，引入確有實(shí)效的IT技術(shù)，與OT技術(shù)深度融合，提升運(yùn)行維護(hù)的優(yōu)化能力。
由圖9可以清晰地發(fā)現(xiàn)：（1）NOA開放架構(gòu)其頂層設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)都是圍繞不改動(dòng)現(xiàn)有的流程工業(yè)自動(dòng)化、信息化的金字塔結(jié)構(gòu)考慮的。因此其開放架構(gòu)的構(gòu)想是在原有的基礎(chǔ)上引入云計(jì)算技術(shù)和其它新的IT技術(shù)，以加強(qiáng)和充實(shí)原有架構(gòu)開放性不足的缺陷，又不至于由于開放而喪失信息安全的內(nèi)在保證。（2）NOA所設(shè)計(jì)的范圍涵蓋由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)、MES級(jí)到ERP級(jí)，而不像OPAF僅涉及L1和L2。（3）充分考慮用戶已有資產(chǎn)的可用性和安全性，在進(jìn)行IT與OT融合升級(jí)時(shí)不會(huì)傷筋動(dòng)骨。（4）作為德國提出的流程工業(yè)的開放架構(gòu)，NOA還需要充分考慮與德國工業(yè)4.0的對(duì)接，因此增加了按工業(yè)4.0資產(chǎn)管理殼的理念和方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理。（5）但NOA沒有對(duì)現(xiàn)有的DCS如何升級(jí)遷移作出任何考慮，面對(duì)現(xiàn)有在役DCS日益老化，備品備件難以長期供應(yīng)的困境，沒有給出解決方案。
筆者認(rèn)為，作為從不吸收自動(dòng)化制造廠商參加的純用戶組織，NAMUR更多地是從用戶目前的利益出發(fā)，其合理性表現(xiàn)在盡量挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的潛力，能少花錢就不多花錢。
圖10進(jìn)一步詮釋了NOA架構(gòu)的構(gòu)想。在這個(gè)體系中，核心的過程控制是具有確定性的控制系統(tǒng)DCS，這是現(xiàn)存的專用系統(tǒng)，不具備開放性。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)維監(jiān)控和優(yōu)化，NOA的解決方案是在流程工業(yè)的裝置這一級(jí)引入具有開放性和可靠性的IT基礎(chǔ)架構(gòu)，這是一個(gè)相關(guān)工業(yè)軟件APP平臺(tái)，執(zhí)行作業(yè)調(diào)度、先進(jìn)過程控制、報(bào)警管理，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)4.0設(shè)備的管理（即按工業(yè)4.0要求完成資產(chǎn)管理殼的管理）；為配合優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)所加裝的低成本多參數(shù)的傳感器和對(duì)生產(chǎn)裝置監(jiān)控的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，全都納入這一系統(tǒng)?，F(xiàn)存的的DCS系統(tǒng)通過開放的OPC UA與裝置級(jí)M+O系統(tǒng)連接。在此基礎(chǔ)上再在多個(gè)已建成的裝置級(jí)M+O系統(tǒng)之上，建立集中的全局的M+O系統(tǒng)，執(zhí)行排產(chǎn)、先進(jìn)的分析、歷史記錄、可靠性管理、集中的HMI，以及生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的仿真等功能。這同樣應(yīng)該是一個(gè)開放可靠的相關(guān)工業(yè)軟件的APP平臺(tái)。雖然現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)只有專用的接口，但為了與集中的M+O系統(tǒng)連接，需要將其轉(zhuǎn)換為開放性的接口。這樣的設(shè)計(jì)達(dá)到了NAMUR不對(duì)現(xiàn)有DCS系統(tǒng)加以改動(dòng)的初衷。
小記：兩行白鷺上青天
盡管在如何實(shí)現(xiàn)開放性上，特別是DCS如何升級(jí)遷移上，OPAF與NOA大相庭徑，不過他們還是找到了基礎(chǔ)要求的共同點(diǎn)，即他們都需要完善的描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息模型。在這一點(diǎn)上，他們都支持由現(xiàn)場(chǎng)通信集團(tuán)（FieldComm GROUP） 、OPC基金會(huì)和ProfiBUS/ProfiNET國際組織正在合作開發(fā)的流程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息模型PA-DIM。
另外，這些年不事聲張?jiān)陂_發(fā)的先進(jìn)物理層協(xié)議APL也大有進(jìn)展，利用單根雙絞線傳輸10MHz以太網(wǎng)信號(hào)同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電的技術(shù)，已經(jīng)日趨成熟。
自此，在世界范圍內(nèi)圍繞流程工業(yè)開放自動(dòng)化的未來發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了兩條明顯不同但大有潛力的技術(shù)路線。流程工業(yè)自動(dòng)化完整的未來藍(lán)圖，基本成型。
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