流程工業開放自動化的重要發展趨勢

彭 瑜

(1.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233；2.PLCopen中國組織，北京 100011)

0 引言

一個巨大的技術顛覆正在接近工業自動化領域。其具有的潛力將使得工業自動化廠商長期保有的業務模型變得日趨陳舊，不得不升級和轉型。可以肯定的是，這一顛覆將被幾乎整個新的軟件技術，而非硬件技術所驅動。當這一顛覆第一次沖擊連續過程自動化時，這些新穎的軟件技術的力量和價值，將推動流程工業及其新興業務模型進入許多其他領域，包括工廠自動化(factory automation,FA)和工業物聯網(industrial internet of things,IIoT)。驅動這一顛覆的重要因素就是軟件應用的容器化(containerization)。

1 流程工業自動化發展的簡要回顧

自20世紀20年代起，流程工業開始了氣動儀表和氣動控制器的生產現場應用，歷經了單回路電子控制器(1959年)、8回路分散控制器(1970年)、100回路規模的分布式控制系統(distributed control system,DCS)(1980年)、1 000回路規模的數字式控制系統DCS(2000年)各個階段的發展。20世紀70年代，流程工業已經運用生產數據的歷史記錄、現場總線網絡、靈活的系統組態和規模不大的人機界面。20世紀80年代后，在L1層開始運用功能塊、順序控制和自診斷技術；在L2層已經有了按生產的需要配置不同規模的系統，大大提高了系統的可用性；在L3層相關的計算機系統已經接近當時的最新水平。進入21世紀，流程工業在L1層普遍運用高性能、多功能的DCS，配有HART或FF現場總線；而在L3層大量使用低成本的服務器。

之后的發展，特別是近些年來，面臨著一些亟待解決的重要問題。①許多正在運行的DCS已經服役二三十年，備品備件所需的元器件已經停產或改型，如何低成本且不停產或少停產的進行升級改造，這是最終用戶十分關心的問題。②經過幾十年運行，控制系統積累了大量的生產運行數據和智能運營的知識庫，在控制系統的升級改造的過程中如何繼承和保護這些軟資產。③在IT技術以高度密集和高速度的方式進入流程工業的今天，運營技術 (operational technology,OT)如何能夠跟上IT的步伐，又不失時機地與之融合。于是在一些有遠見的最終用戶的積極推動下，流程自動化行業出現了開發下一代開放的分布式自動化技術的迫切要求。

未來的控制系統追求的目標很具體：能夠低成本替代原有控制系統，且可按現場需要配置系統；運用先進的邊緣設備，但仍可沿用原有的I/O及其電纜布線；具備良好的工業應用軟件APP的可移植性；方便與一流的部件和第三方軟件集成。要求用高可用性的實時數據中心構成虛擬化的系統，對下連接由邊緣設備、單通道的模塊構成的分布式控制節點(distributed control node,DCN)，執行常規的或智能的I/O數據采集，以及調節現場的控制回路；而在虛擬化的系統中可以運用工業APP市場流動性強的、精巧的開發工具，方便加強OT與IT的融合。這些顛覆現有和以往控制系統的技術，強烈地受到近些年來IT行業的若干個重要技術的影響和推動。這些技術影響主要表現在大量應用的系統虛擬化，云計算、廣泛運用的開源軟件(open source software,OSS)、新軟件技術集成、軟件開發和部署(DevOps)，以及超高可用性的部署平臺。

2 流程工業自動化的現狀和壓力

2.1 流程工業自動化的現狀

自1970年PLC和DCS進入自動化領域之后，處于ISA 95的L1和L2的控制層的自動化硬件和軟件結構一直沒有變動，迄今為止自動化市場的結構也一直圍繞著捆綁式的自動化硬件和軟件在演進。每一個自動化的供應商都開發自己的軟件環境，并將這種軟件環境轉交給最終用戶。而通常用戶并不了解這一軟件環境，只能通過供應商提供的控制器組態軟件工具與控制器交互。這種結構方式與1970年的小型計算機市場非常類似，幾乎每個小型機的供應商都是以硬件軟件捆綁的應用方式和軟件工具，以及自己的渠道伙伴和軟件供應商進入和占領市場。

企業控制的系統集成國際標準IEC/ISO 62264脫胎于ISA 95。雖然這一標準是在計算機集成制造系統(computer integrated manufacturing systems,CIMS)模型的基礎上發展起來的，適用于流程工業、離散制造業和批量過程工業。工業4.0中，RAMI4.0參考架構模型中的“Hierarchy Levels”的維度[1]，主要是借鑒了ISA 95的概念。由于最終用戶對此ISA 95參考模型的認可和青睞，在美國和歐洲工業軟件的開發廠商一般都以此模型為依據。為了更好地服務于智能制造和IIoT的需要，增加了L5企業云集成的ISA 95的參考模型如圖1所示。

圖1 增加了L5企業云集成的ISA 95的參考模型Fig.1 Reference model of ISA 95 added with L5 enterprise cloud integration

2.2 流程工業自動化的壓力

當前工業制造廠面對市場競爭的巨大壓力，力求降低對控制系統的投資成本和縮減自動化資產生命周期，改善其運營操作的盈利能力。許多在役的控制系統的軟硬件主要是專用而且封閉的，維護和升級的成本昂貴，一旦有需要與一流的第三方部件集成，耗資不菲。尤其在目前IT快速深入地滲透和融合到企業的管理和運營的方方面面的形勢下，在役的控制系統通常不具備本質的信息安全特質，造成了巨大的風險和隱患。還有一個問題就是，現有的DCS不能有效而恰當地保護設備資產和其他資本投資。

關心現有系統運用新技術的升級遷移是現有的工廠和成套設備的又一個關鍵問題。制造廠不允許按整個規模替代已安裝和運行多年的工業控制系統(industrial control system，ICS)，這可能會對運行造成很大的破壞。而現有系統的數據庫積累和容納了大量具有智能特性的數據。由于這些都是在專有系統中實現的，很難用文件來描述，或者難以升級遷移到新的平臺。制造廠需要非破壞性的路徑使他們能夠對現有系統進行更新和升級改造。

以埃克森美孚為例，其煉化工廠每天從500萬個變量(tags)中產生13億個數據記錄，這還不包括機械數據。存取這么多數據的能力，以及對數據進行分析利用并轉換為活躍的可起作用的信息，是業務的關鍵需要。企業迫切需要從系統到邊緣再到云端實現分析的APPs，可是目前卻不那么容易完成，必須用開放、具有可互操作性而且本質安全的系統架構來替代現有的封閉專用工業控制系統。

3 開放流程自動化OPAF的架構

多年前，埃克森美孚的研究和工程部門公開倡議開發一個全新的、基于標準的過程控制架構。2014年，他們編制了一個基本特性文件。該文件在2015年的ARC論壇上分發，受到關注，引發了熱烈討論，也得到具有相同要求的其他最終用戶的支持。由于美國開放集團(The Open Group)在為其他工業部門創建標準方面的專業性和成功表現，埃克森美孚決定委托這個非盈利的第三方，組織一個新的標準化活動，面向流程控制工業中業務和技術的挑戰，開發一個新的系列標準。接著The Open Group創建了開放流程自動化論壇(the open process automation forum,OPAF)[2-4]，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議。目前，該論壇已經有超過116個團體成員，包括最終用戶、硬件和軟件供應商、系統集成商、學術單位和標準化組織。顯然，這是一個由大型的最終用戶及其支持者——流程自動化供應商組成的共同體。他們關注的是，已經20多年沒有變動的DCS的架構，在迅速發展的IT技術的推動下，如何運用最新的分布式云計算技術和虛擬化技術重新定義DCS和PLC，以及與優化運營密切相關的先進控制和制造執行系統(manufacturing execution system,MES)。

OPAF范圍如圖2所示。

圖2 OPAF范圍Fig.2 Scope of OPAF

OPAF架構圖如圖3所示。OPAF所定義的DCN由分布式控制框架(distributed control framework,DCF)和分布式物理基礎設施(distributed physical infrastructure,DCP)組成。圖3中實線所標的均為OPAF所定義的部件和模塊；虛線所標的則是非OPAF定義的其他系統，如傳統的DCS、PLC、分析儀表系統、電氣系統、機監控系統等，但它們都可以經由DCN接入OPAF所定義的聯接性框架OCF。即使是處理企業業務的事務性平臺(企業的IT數據中心)和其他非OPAF環境的系統，都能經由DCN接入OCF。至于執行ISA 95的L2和L3功能(如先進控制算法、MES等)的OT數據中心直接與OCF相聯。這一先進計算平臺采用容器化的軟件技術，將不同功能的APP組織容納在不同的容器中，形成高效執行軟件子系統。

作為老牌的實時操作系統的開發商風河(Wind River)，已經定義并完成了新一代的平臺產品Titanium Control Platform。其中，工業控制系統被“虛擬化”和“軟件定義”到很高的程度。針對那些日趨老化的傳統工業控制系統不能支持與工業物聯網連接的問題，這一平臺承擔了預置云規模的基礎架構，將幾個關鍵基礎架構公司的平臺軟件(工業級云管理中間件open stack，工業級Linux，工業級存貯集群ceph)協調組合，分別構成控制節點、計算節點和存貯節點的協調管理，從而以高性價比的方式為傳統控制系統提供升級改造的可能。風河Titanium控制平臺如圖4所示。風河在實時操作系統的長期經驗與寬泛的低延遲虛擬化和預置的云計算技術組合，在OPAF主導的對執行任務有嚴格要求的(mission critical)驗證性項目應用中獲得成功。所謂mission critical是指那些除了計劃內停機，需要每天24 h不間斷運行的任務，如電信系統、航空管理系統、醫療系統、金融分析系統等。用于流程工業的DCS也是屬于必須不間斷運行的控制系統。

風河Titanium控制平臺如圖4所示。

圖3 OPAF架構圖Fig.3 Architecture of OPAF

圖4 風河Titanium控制平臺Fig. 4 Titanium control platform of Wind River

在The Open Group的管理下，該創新項目謀求定義一個可以運用于多個流程工業(化工、煉化、發電、制藥、冶金、紙漿和造紙等)、基于標準的、具有充分安全和可互操作性的流程控制架構。當今工廠中所用的任意DCS和PLC的功能，都可以被這些由服務器和許多計算資源和存貯資源要求足夠小的自動化邊緣設備組成的新系統所替代。圖5給出了從現有已在役的DCS/PLC系統逐步地升級遷移到這些小的邊緣設備，以及預置的高可用性服務器的發展趨勢。

圖5 新一代分布式控制系統演變圖Fig.5 A next generation of distributed control system transforming

OPAF的目標是對ISA 95的L1和L2的功能標準化，功能包括：現場設備和儀表的基本的輸入和輸出，以及執行調節控制的功能塊。目前，這些功能都是由專用的DCS和PLC來完成的，規模約為100～1 000個PID功能塊。埃克森美孚和其他一些最終用戶深信，可以用更多但更小的邊緣設備作為過程控制器。這些小的硬件設備每臺可以控制一到兩個回路，實際上執行過程自動化的微服務。

經過驗證的系統使這一創新項目由可能實現進展為現實。OPAF與洛克希德馬丁公司和其他公司的一個團隊緊密合作，在OPAF架構和由OPAF所選擇使用的工業標準的基礎上開發了一個原型系統。其目的在于演示。①可互操作性由多個供應商提供的硬件軟件產品構成OPAF架構的實現，它們之間的可互操作性都是按照標準實現的，而無需通過網關或通過軟件轉換。②可交換或可替代性參與構成系統的部件都可以各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。③組態和應用的可移植性。④應用開發的靈活性。

參與這一概念驗證系統工作的OPAF成員包括：R.STAHL(提供常規I/O)，施耐德電氣(提供智能I/O)，Intel(提供分布式控制節點DCNs)，NXTcontrol(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(提供先進控制軟件APC)，Inductive Automation(提供人機界面)，ANSYS(提供另一個人機界面)，Wind River(提供實時先進計算平臺RTAC)。驗證表明，OPAF架構已經由概念轉化為正在運行的概念驗證的系統。在工業自動化界已經討論了十多年的開放自動化系統的可能性，正在一步步變為現實。

4 容器化軟件技術

發源于UNIX的軟件容器化技術，經過LINUX開源軟件的大力推動，已大大降低了門檻，成為可以較普遍掌握和運用的技術。對于軟件開發商和最終用戶，軟件容器提供兩個巨大價值。①軟件容器技術可為任意數量的機器、物理或虛擬對象，提供自動的配置、部署和管理分布式應用的方法和手段。②容器軟件開發的過程創建了一個“容器圖像”的存貯庫，在軟件交付時，這一容器圖像形式可在一特定的機器環境中協調地創建；同時，還建立了包括運行應用軟件所要求的所有軟工作環境。

開發容器圖像的過程已經完成了一種高度的抽象，使它獨立于異構的多CPU、操作系統、軟件版本，以及在開發期間運行的環境。由于容器圖像劃定的范圍僅容納在一個應用軟件內，所以容器會將開發者的注意力從管理計算機轉移到去管理應用。這極大地改善了應用的部署能力和可見性。容器的開發、部署和業務流程的軟件工具在過去的五到十年中已經臻于成熟。顯而易見，傳統的嵌入式系統軟件技術在交付和管理分布式和高可用性的應用軟件的能力方面，根本無法與容器軟件技術相抗衡。

目前在工業自動化行業和汽車、電信這些大行業中，正在為分布式自動化或功能性創建參考架構，甚至在創建特定的解決方案。為迎接數字化轉型的挑戰，這些新創項目具有許多共同的特點：要求大規模而且長生命周期的遠程部署軟件的管理，在工業軟件的開發、部署和維護，以及所有類型的硬件(包括嵌入式設備)都有所突破，而不是漸近地改進。

值得高興的是，這些突破正在順利進行或已經完成。一些領先的軟件容器管理和協調配置的開源工具已經具有實時進行分布式應用軟件的部署和管理的能力，而且在商業上達到可以提供的水平。可以預期，同樣的軟件工具將也能融合到開放過程自動化的創新項目中。

舉例而言，全球的汽車工業目前正在努力開發一種參考架構，謀求使一輛汽車兼具安全、自動駕駛、遠程服務、信息娛樂和舒適的性能。這包括定義一個專門的被稱為汽車級的Linux(Automotive Grade Linux )的Linux軟件集。在電信行業，許多公司正在開發包括信號收發基站的基礎網絡功能虛擬化 (network function virtualization,NFV)，以及電信中央交換器的虛擬化處理功能(central office rearchitected as a datacenter,CORD)。

Docker公司開發的容器軟件技術框圖如圖6所示。圖6表示Docker將應用軟件分隔為若干個可管理的APP功能模塊，并將它們打包在一個容器中。Docker繼承Linux的容器化技術的目的，一方面是為了解決應用軟件的開發能適應每一種開發環境，另一方面是為了解決代碼依賴性的跟蹤、應用軟件的可擴可縮，以及僅僅修改升級個別APP而不會影響整個的應用軟件等問題。

圖6 容器軟件技術框圖Fig.6 Technical block diagram of container software developed

基于容器技術的DCN如圖7所示。圖7表示如何將容器技術運用于OPAF的架構，構成一個DCN。根據實際需要，可在一個DCN容器中容納所需的各種APP，如監控和管理DCN的APP、現場總線和工業以太網的APP、現有的過程控制算法APP、新開發的過程控制算法APP等。

從技術成熟度來講，基于容器的軟件部署已經高度標準化了，以開源的形式提供使用。它運用廣泛，并為許多不同類型的平臺所成功運用，從非常大的系統(Google)到最小的計算機系統(樹莓派，Respberry Pi)，都已經得到現場運用的驗證。

圖7 基于容器技術的DCNFig.7 DCN by using container technology

5 軟件開發的匯聚融合

從發展過程看，軟件開發已經分成了三個主要的類別：企業軟件(業務運行)、嵌入式軟件(運行于設備、模塊等“物”中)以及近年來形成的云軟件(運行于第三方的云資源上)。盡管這三類軟件存在一些重疊，但它們各自有自身獨特的開發及其工具環境。

在下一個五年或更多一些時間內，云軟件開發技術相比其他形式的軟件開發，顯然會成為主要的形式，而且這三種軟件開發將會極大地融合匯聚。更值得關注的是，這一融合匯聚將會被迅速發展的開源軟件所推動，而不是由目前自動化工業所采用的軟件開發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，開發常規企業軟件與云軟件的融合。當云原生軟件以向下擴展的形式聚焦嵌入式軟件在物聯網，特別是工業物聯網的要求時，這將推動第二階段的融合。工業自動化已邁開了這樣的步伐，在過去的兩年中已經在許多工業產品導入了Docker和Linux容器的技術。除此而外，一種正在云執行平臺上出現、被稱為單核與嵌入式軟件開發低資源的專業組合的云技術，也不容忽視。單核技術目前還活躍在許多研究領域中，但很快會轉入應用。事實上風險投資已經在向為企業和IIoT市場開發單核產品的方向投資。

云計算是一個有2 500億美元的研發投資的大業務。它正在迅速增長，并主要被諸如亞馬遜、阿里巴巴、微軟、Google、IBM及相關巨頭所掌控和關注，競爭非常激烈。有理由期望用于云計算業務的開源軟件技術將會快速發展和推廣。不出5年時間，所有軟件的開發將會使用云軟件開發的方法。在軟件的“食物鏈”內，如果“軟件正在吞噬世界”，那么吞噬軟件開發的軟件則是云軟件開發及其工具。

6 結束語

下一代的DCS和PLC肯定都朝向開放、分布式、具有充分的可互操作性和內在的信息安全的架構發展。為有效地實現這樣的架構，大量地采用開源的云計算軟件技術，是大勢所趨。但在業務模式上卻出現兩種對立的觀點。OPAF發布的業務指南《開放流程自動化標準的價值提議和業務實例》中指出，關鍵的利益攸關者是最終用戶、系統集成商、硬件供應商、分系統供應商、軟件供應商和服務提供商。而以DCS系統主要廠商之一的Emerson則認為，用戶寧愿依賴一兩個戰略性的的供應商，而不是依靠少數幾個協議和非常懂行的系統集成商有能力將幾千個智能設備集成起來。言下之意是沿襲流程工業迄今為止慣用的方法，即一個巨大的工程項目只能由一兩個有完全能力的戰略承包商負責。由于意見不合，Emerson于2018年還退出了OPAF這一組織。可以想象，在下一代的流程自動化系統中，系統集成商/分系統集成商的角色將越來越關鍵，而從現在的單一的DCS供應商轉換為系統集成商，也許會有一個過程。相信機會是為有充沛的創新能力和不竭的進取精神的系統集成商準備的，他們一定會贏得最終客戶的信任。

在今后的分布式控制系統DCS和PLC的自動化應用，容器軟件技術一定會大放異彩。可以毫不夸張地說，有效地運用容器部署和業務流程編排軟件很可能成為未來過程自動化系統成功的關鍵因素。