隨著數(shù)字化浪潮的崛起，未來自動化技術(shù)走向哪里？美國著名自動化咨詢ARC公司給出了五大發(fā)展趨勢：邊緣設(shè)備的智能、工業(yè)信息安全管理的進展、開放流程自動化OPA穩(wěn)步推進、虛擬領(lǐng)域和物理領(lǐng)域的深度融合，以及分布式數(shù)據(jù)分析處理等。其中開放流程自動化OPA，無疑將對下一代分布式控制系統(tǒng)DCS和可編程控制器PLC的發(fā)展方向影響巨大。

告別封閉和專用，走向徹底開放

自1970年DCS和PLC相繼進入自動化領(lǐng)域之后，處于ISA95模型L1和L2層的自動化硬件和軟件結(jié)構(gòu)一直沒有變動，二者一直牢牢地綁定在一起。迄今為止，自動化市場也一直圍繞著“硬件+軟件”的捆綁模式在演進。每一個自動化供應商都開發(fā)自己的軟件環(huán)境，并將這種軟件環(huán)境交付給最終用戶。一般來講，用戶并不能真正深入這一軟件環(huán)境，只能通過供應商提供的組態(tài)工具與控制器進行有限的交互。

就這樣的受限狀態(tài)而言，可以毫不隱晦地說，現(xiàn)今流程工業(yè)自動化控制系統(tǒng)DCS最大的問題在于其封閉和專用的特性。在IT技術(shù)飛躍發(fā)展的年代，這種封閉性和專用性，極大地阻礙了DCS的升級遷移，以及OT與IT深入高效的融合。而且，DCS一般不能提供內(nèi)在的保護運營、資產(chǎn)設(shè)備和其它投資所需要的信息安全特性。

可編程控制器PLC也存在著類似的情況。只不過由于PLC在大多數(shù)場景中應用于離散制造業(yè)，問題相對沒有那么突出。因為DCS系統(tǒng)服務于流程工業(yè)的過程控制，需要依靠聯(lián)網(wǎng)將分散的控制站依據(jù)工藝的要求連接成一個密切相關(guān)的整體，以尋求整體的優(yōu)化和預測性維護。

時代正在變化。當前工業(yè)制造商面對市場競爭的巨大壓力，力求降低對控制系統(tǒng)的投資和降低自動化資產(chǎn)生命周期的成本，改善其運營操作的盈利能力。許多在役的控制系統(tǒng)其構(gòu)成的硬件和軟件由于專用、封閉，維護和升級的成本昂貴，一旦需要與一流的第三方部件集成，耗資不菲。尤其在目前IT技術(shù)快速深入地滲透和融合到企業(yè)運營管理方方面面的形勢下，這些控制系統(tǒng)通常不具備本征的信息安全特質(zhì)，造成了巨大的風險和隱患。很顯然，從長遠發(fā)展來看，現(xiàn)有的控制器不能有效而恰當?shù)乇Ｗo設(shè)備資產(chǎn)和其它資本投資。

美國埃克森美孚石油公司一直在大量使用Honeywell的DCS系統(tǒng)TDC3000，這些服役二、三十年的系統(tǒng)其備品備件最多可用到2025年。屆時將不得不面臨升級改造的嚴重問題。未雨綢繆，Honeywell用了七年時間開發(fā)了ExperionLCNR501.1，就是為了讓這些老系統(tǒng)能夠利用Honeywell的云基開放虛擬工程平臺，使TDC的運行環(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。新系統(tǒng)可以仿真TDC老系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)100%的二進制兼容和互操作。整整七年，用于系統(tǒng)的軟件技術(shù)升級，其成本可想而知。

開放自動化的發(fā)展節(jié)奏加快

鑒于上述存在的問題，多年前?？松梨诘难芯亢凸こ滩块T公開倡議開發(fā)一個全新的、基于標準的過程控制架構(gòu)。這得到了ARC咨詢集團大力支持，并由非盈利的第三方機構(gòu)——美國開放集團（TheOpenGroup）一起，組織了一個新的面向流程工業(yè)控制技術(shù)的標準化活動，即開放流程自動化論壇（OPAF）。在選擇現(xiàn)有的、卓有成效的適用工業(yè)標準的基礎(chǔ)上，綜合開發(fā)新的系列標準。經(jīng)過兩三年的努力，目前論壇已經(jīng)有超過130多個團體成員，形成了一個以大型最終用戶為主、包括流程自動化供應商組成的共同體。該組織致力于如何運用最新的分布式云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，重新定義已經(jīng)日趨陳舊、20多年沒有變動的架構(gòu)，重新定義DCS和PLC，以及與優(yōu)化運營密切相關(guān)的先進控制和MES（見圖1）。

循著這一方向的進展，相當迅速。繼2018年完成了概念驗證的原型系統(tǒng)之后，在2019年二月該組織正式推出了新標準的第一版O-PASVersion1.0，給出了一個與供應商無關(guān)的參考架構(gòu)；而且還計劃2020年在埃克森美孚和其它至少兩個現(xiàn)場進行試驗。

圖1：開放流程自動化論壇（OPAF）的范圍

OPAF概念驗證系統(tǒng)（詳見圖2）由?？松梨诤拖到y(tǒng)集成商洛克希德馬?。↙ockheedMartin）和Wood合作實施，包括一個實時先進計算平臺（DellEMC）支持IEC1499運行時控制器、HMI、歷史數(shù)據(jù)存儲、和許多其它服務，用OPCUA實時以太網(wǎng)（由加拿大Matrikon公司提供），連接分布控制節(jié)點（DCN）、智能I/O、操作控制臺、安全保護系統(tǒng)和企業(yè)信息系統(tǒng)等。該系統(tǒng)基本實現(xiàn)了可互操作性、可交換或可替代性、組態(tài)和應用的可移植性，以及應用開發(fā)的靈活性。由十幾家供應商提供的硬件、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準實現(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別地和自由地在供應商間替代，而無需修改底層的邏輯程序。據(jù)稱該系統(tǒng)將在今年在?？松梨诘囊粋€碳氫試驗裝置投入運行控制，比原定計劃大大提前。

圖2：OPAF原型系統(tǒng)參與試驗的公司

OPAF的目標是對ISA95的L1和L2的功能標準化，包括現(xiàn)場設(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PID回路的功能塊。而OPAF則認為，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)備每臺可以控制少到一兩個回路，實際上執(zhí)行的是過程自動化的微服務。當今工廠中所用的任意DCS和PLC系統(tǒng)的HMI功能、先進控制算法的運算功能以及MES的功能，都可以運用由服務器構(gòu)成的虛擬系統(tǒng)，在一種開放型的軟件環(huán)境下實現(xiàn)。也就是說，下一代控制系統(tǒng)將被這些由虛擬服務器和許許多多計算資源和存貯資源要求足夠小的自動化邊緣設(shè)備組成的新系統(tǒng)所替代。圖3給出了從現(xiàn)有已在役的DCS/PLC系統(tǒng)逐步地升級遷移到這些小的邊緣設(shè)備，以及預置的高可用性服務器的發(fā)展趨勢。

圖3：DCS/PLC系統(tǒng)演變?yōu)樾乱淮姆植际娇刂葡到y(tǒng)

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

開放自動化的發(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)以及大量云計算服務供應商的大力推動，業(yè)已大大降低了門檻，成為可以人們普遍掌握和運用的技術(shù)。

對于軟件開發(fā)商和最終用戶，軟件容器技術(shù)提供兩個巨大的價值：一是可為任意數(shù)量的機器、物理或虛擬對象，提供自動配置、部署和管理分布式應用的方法和手段；二是容器軟件開發(fā)過程中創(chuàng)建了一個“容器圖像”的存貯庫，在軟件交付時，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，同時還自動建立了包括運行應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)期間運行的環(huán)境。由于容器圖像劃定的范圍僅容納在一個應用軟件內(nèi)，所以容器會將開發(fā)者的注意力從管理計算機轉(zhuǎn)移到去管理應用。這極大地改善了應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用軟件的能力方面，根本無法與軟件容器技術(shù)相抗衡。

從技術(shù)成熟度來講，基于容器的軟件部署已經(jīng)高度標準化了，用于容器開發(fā)、部署和業(yè)務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。它運用廣泛，為許多不同類型的平臺所成功運用，包括非常大的系統(tǒng)（例如Google）到最小的計算機系統(tǒng)（如樹莓派，RaspberryPi）等。

嵌入式軟件難逃沖擊

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)及其軟件開發(fā)的市場，也在受到?jīng)_擊。目前許多嵌入式軟件包含了許多專用元素，即使是基于開源軟件開發(fā)的，也同樣如此。

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)及其軟件應用缺乏靈活性，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。這是因為當嵌入式系統(tǒng)軟件的市場受到Linux沖擊的時候，傳統(tǒng)嵌入式市場的其它方面（如開發(fā)的工具鏈）仍然在原地踏步不前，不曾與時俱進。

這一市場需要改變過去運用的技術(shù)，才能適應向工業(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)肯定會要求整個軟件棧（從居于頂層的應用軟件一直到其使用的操作系統(tǒng)和管理程序）具有自動升級的能力，特別是工業(yè)嵌入式系統(tǒng)急需在其整個生命周期過程中進行開發(fā)、實施、部署和管理。

如果工業(yè)自動化當前的技術(shù)棧不再能很好地提供服務的話，替代的顯然是云計算的軟件技術(shù)。大約五年時間內(nèi)所有軟件的開發(fā)將會使用云軟件開發(fā)的方法，這一趨勢已不是初露端倪，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。即使在嵌入式軟件的特殊領(lǐng)域，軟件開發(fā)幾乎會被當前和未來的云軟件技術(shù)所左右。

云計算技術(shù)將左右自動化的軟件開發(fā)

這當然不是說所有的應用軟件都在云端運行，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)勢超越其它軟件開發(fā)的形式，占據(jù)主要地位。原因是云計算市場雖然已經(jīng)規(guī)模很大，但仍是相當興旺、且一直在發(fā)展的行業(yè)，當下火熱的云計算軟件技術(shù)就和云計算本身一樣，其發(fā)展勢頭方興未艾，諸如OpenStack、CloudFoundry、Docker和Kubernetes（簡稱K8）等軟件已經(jīng)在過去的5～10年內(nèi)相繼宣布為開源。

云計算方面的專家認為云計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)自動化市場要關(guān)注和運用它，是因為云軟件技術(shù)可以將軟件規(guī)?？s小至相當小的系統(tǒng)內(nèi)，這類系統(tǒng)正是工業(yè)自動化和OPAF所需要的。

在過去的兩年期間，已經(jīng)在許多工業(yè)產(chǎn)品中導入了容器開發(fā)技術(shù)。這在剛結(jié)束的2019年漢諾威工業(yè)博覽會上已有很好的體現(xiàn)。除此而外，還有一種云技術(shù)也值得注意，這就是在云執(zhí)行平臺上出現(xiàn)、所謂的“單核與只要求很小的計算和存儲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，隨著風險投資的大量涌入，肯定會很快投入實際應用。

結(jié)束語

工控編程語言國際標準IEC61131-3及其相伴的分布式國際標準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)標準。由此可見，經(jīng)過多年來實際運用的驗證，這些行之有效的基礎(chǔ)底層標準，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。

而下一代DCS和PLC的架構(gòu)肯定都會向開放、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算軟件技術(shù)，并結(jié)合工業(yè)自動化的要求和特點，從而走出一條具有持久生命力的開發(fā)之路。