圖1開放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）的范圍

此外，在美國還啟動(dòng)了一個(gè)定義下一代自動(dòng)化系統(tǒng)的項(xiàng)目，其名稱是《開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上的聯(lián)合自動(dòng)化邏輯控制》（FederatedAutomationLogicControlonOpenNetworkSystems，F(xiàn)ALCONS）。這一系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)從任意資源、任意設(shè)備和任意地點(diǎn)獲得任意信息（包括歷史信息）,以優(yōu)化情景意識(shí)和環(huán)境意識(shí)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立在分布式控制節(jié)點(diǎn)（DCN）和單通道I/O模塊的基礎(chǔ)上，支持實(shí)時(shí)的應(yīng)用處理和與其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)時(shí)接口；系統(tǒng)由許多個(gè)有I/O的DCN和無I/O的DCN，以及一個(gè)與云端連接、執(zhí)行集中應(yīng)用的DCN構(gòu)成，DCN的數(shù)量可達(dá)數(shù)千個(gè)。這或許就是下一代PLC的一種愿景。

上述的OPAF概念驗(yàn)證系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了可互操作性、可交換或可替代性、組態(tài)和應(yīng)用的可移植性，以及應(yīng)用開發(fā)的靈活性。由十幾家供應(yīng)商提供的硬件、軟件產(chǎn)品構(gòu)成的系統(tǒng)，產(chǎn)品之間的互操作性都按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，無需通過網(wǎng)關(guān)或通過軟件轉(zhuǎn)換；參與構(gòu)成系統(tǒng)的同類型部件都可以個(gè)別地和自由地在供應(yīng)商間替代，而無需修改底層的邏輯程序。

OPAF的目標(biāo)是對(duì)ISA95的L1和L2的功能標(biāo)準(zhǔn)化，包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表的基本輸入和輸出，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回路的功能塊。OPAF認(rèn)為，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)行的是過程自動(dòng)化的微服務(wù)。當(dāng)今工廠中所用的任意DCS和PLC系統(tǒng)的HMI功能、先進(jìn)控制算法的運(yùn)算功能以及MES的功能，都可以運(yùn)用由服務(wù)器構(gòu)成的虛擬系統(tǒng)，在一種開放型的軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。也就是說，下一代控制系統(tǒng)將被這些由虛擬服務(wù)器和許許多多計(jì)算資源和存貯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2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)置的高可用性服務(wù)器的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2DCS/PLC系統(tǒng)演變?yōu)樾乱淮姆植际娇刂葡到y(tǒng)

開放自動(dòng)化的發(fā)展路徑

軟件容器化技術(shù)發(fā)源于幾十年前的UNIX操作系統(tǒng)，經(jīng)過LINUX開源軟件生態(tài)系統(tǒng)以及大量云計(jì)算服務(wù)供應(yīng)商的大力推動(dòng)，業(yè)已大大降低了門檻，成為可以人們普遍掌握和運(yùn)用的技術(shù)。

對(duì)于軟件開發(fā)商和最終用戶，軟件容器技術(shù)提供兩個(gè)巨大的價(jià)值：1）可為任意數(shù)量的機(jī)器、物理或虛擬對(duì)象，提供自動(dòng)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)過程中創(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。

在開發(fā)容器圖像的過程中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。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，根本無法與軟件容器技術(shù)相抗衡。

圖3是容器化軟件的原理框圖，其中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公司集成源于Linux的容器化技術(shù)的目的，一方面是為了讓應(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跟蹤、應(yīng)用軟件可伸縮，以及僅僅修改升級(jí)個(gè)別APP而不會(huì)影響整個(gè)應(yīng)用軟件等等問題。

圖3Docker公司開發(fā)的容器軟件技術(shù)框圖

圖4則表示如何將容器技術(shù)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。

圖4運(yùn)用容器技術(shù)構(gòu)成分布式控制節(jié)點(diǎn)DCN

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，用于容器開發(fā)、部署和業(yè)務(wù)流程管理的軟件工具在前5～10年中已經(jīng)臻于成熟，并以開源的形式提供使用。它運(yùn)用廣泛，為許多不同類型的平臺(tái)所成功運(yùn)用，包括非常大的系統(tǒng)（例如Google）到最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（如樹莓派，RespberryPi）等。

再來觀察傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)及其軟件開發(fā)的市場(chǎng)。目前許多嵌入式軟件包含了許多專用元素，即使它們是基于開源軟件開發(fā)的也是如此；傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)及其軟件應(yīng)用缺乏靈活性，操作系統(tǒng)和軟件工具鏈呈現(xiàn)碎片化，開發(fā)速度很慢；硬件/軟件的集成存在不少不確定性的問題；難以解決日趨重要的信息安全問題。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)軟件的市場(chǎng)受到Linux沖擊的時(shí)候，其它方面的傳統(tǒng)嵌入式市場(chǎng)已經(jīng)堅(jiān)持了許多年。這一市場(chǎng)需要改變過去運(yùn)用的技術(shù)，才能適應(yīng)向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT、工業(yè)4.0、智能制造和其它類似領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移，其轉(zhuǎn)型的路徑必然是進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)式（即分布式）的嵌入式系統(tǒng)。未來的嵌入式系統(tǒng)肯定會(huì)要求整個(gè)軟件棧（從居于頂層的應(yīng)用軟件一直到其使用的操作系統(tǒng)和管理程序）具有自動(dòng)升級(jí)的能力，特別是工業(yè)嵌入式系統(tǒng)急需在其整個(gè)生命周期過程中進(jìn)行開發(fā)、實(shí)施、部署和管理。

如果工業(yè)自動(dòng)化當(dāng)前的技術(shù)棧不再能很好地提供服務(wù)的話，替代的顯然是云計(jì)算的軟件技術(shù)。大約五年時(shí)間內(nèi)所有軟件的開發(fā)將會(huì)使用云軟件開發(fā)的方法，這一趨勢(shì)已不是初露端倪，而是如日中天。如果說“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領(lǐng)域，軟件開發(fā)幾乎會(huì)被當(dāng)前和未來的云軟件技術(shù)所左右，或者完全吞沒。

這當(dāng)然不是說所有的應(yīng)用軟件都在云端運(yùn)行，而是說云軟件所用的軟件開發(fā)和部署技術(shù)，將要以壓倒的優(yōu)勢(shì)超越其它軟件開發(fā)的形式，占據(jù)主要地位。原因是云計(jì)算市場(chǎng)雖然已經(jīng)規(guī)模很大，但仍是相當(dāng)興旺、且一直在發(fā)展的行業(yè)，當(dāng)下火熱的云計(jì)算軟件技術(shù)就和云計(jì)算本身一樣，其發(fā)展勢(shì)頭方興未艾，諸如OpenStack、CloudFoundry、Docker和Kubernetes等軟件已經(jīng)在過去的5～10年內(nèi)相繼宣布為開源。云計(jì)算方面的專家認(rèn)為云計(jì)算模型包含了顯著的冗余性，而且還有很大的改善余地；因而人們應(yīng)該期望，此領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展一定是迅速和持續(xù)的。工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)要關(guān)注和運(yùn)用它，是因?yàn)樵栖浖夹g(shù)可以將軟件規(guī)模縮小至相當(dāng)小的系統(tǒng)內(nèi)，這類系統(tǒng)正是工業(yè)自動(dòng)化和OPAF所需要的。

在過去的兩年期間，已經(jīng)在許多工業(yè)產(chǎn)品中導(dǎo)入了容器開發(fā)技術(shù)。除此而外，還有一種云技術(shù)也值得注意，這就是在云執(zhí)行平臺(tái)上出現(xiàn)、所謂的“單核與只要求很小的計(jì)算和存儲(chǔ)資源的嵌入式軟件開發(fā)組合”。單核技術(shù)目前在許多研究領(lǐng)域中十分活躍，隨著風(fēng)險(xiǎn)投資的大量涌入，肯定會(huì)很快投入實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)束語

下一代DCS和PLC的架構(gòu)肯定都會(huì)向開放、分布式、具有充分的可互操作性和內(nèi)在信息安全的方向發(fā)展；為有效地實(shí)現(xiàn)這樣的架構(gòu)，其軟件環(huán)境一定要大量地吸取和采用開源云計(jì)算軟件技術(shù)，并結(jié)合工業(yè)自動(dòng)化的要求和特點(diǎn)，從而走出一條具有持久生命力的開發(fā)之路。

工控編程語言國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3及其相伴的分布式國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61499，還有PLCopen開發(fā)的XML規(guī)范等，都是OPAF所選定的基礎(chǔ)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，經(jīng)過多年來實(shí)際運(yùn)用的驗(yàn)證，這些行之有效的基礎(chǔ)底層標(biāo)準(zhǔn)，將在未來的分布式開放DCS和PLC系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。