彭 瑜

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

0 引言

一個(gè)巨大的技術(shù)顛覆正在接近工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。其具有的潛力將使得工業(yè)自動(dòng)化廠商長(zhǎng)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?？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(guò)程自動(dòng)化時(shí)，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)及其新興業(yè)務(wù)模型進(jìn)入許多其他領(lǐng)域，包括工廠自動(dòng)化(factory automation,FA)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(industrial internet of things,IIoT)。驅(qū)動(dòng)這一顛覆的重要因素就是軟件應(yīng)用的容器化(containerization)。

1 流程工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧

自20世紀(jì)20年代起，流程工業(yè)開(kāi)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，歷經(jīng)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(guī)模的分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)(1980年)、1 000回路規(guī)模的數(shù)字式控制系統(tǒng)DCS(2000年)各個(gè)階段的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，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(xiàn)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。20世紀(jì)80年代后，在L1層開(kāi)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。進(jìn)入21世紀(jì)，流程工業(yè)在L1層普遍運(yùn)用高性能、多功能的DCS，配有HART或FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)；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(lái)，面臨著一些亟待解決的重要問(wèn)題。①許多正在運(yùn)行的DCS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(hù)十分關(guān)心的問(wèn)題。②經(jīng)過(guò)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(yíng)的知識(shí)庫(kù)，在控制系統(tǒng)的升級(jí)改造的過(guò)程中如何繼承和保護(hù)這些軟資產(chǎn)。③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，運(yùn)營(yíng)技術(shù) (operational technology,OT)如何能夠跟上IT的步伐，又不失時(shí)機(jī)地與之融合。于是在一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的最終用戶(hù)的積極推動(dòng)下，流程自動(dòng)化行業(yè)出現(xiàn)了開(kāi)發(fā)下一代開(kāi)放的分布式自動(dòng)化技術(shù)的迫切要求。

未來(lái)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(xiàn)；具備良好的工業(yè)應(yīng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)成虛擬化的系統(tǒng)，對(duì)下連接由邊緣設(shè)備、單通道的模塊構(gòu)成的分布式控制節(jié)點(diǎn)(distributed control node,DCN)，執(zhí)行常規(guī)的或智能的I/O數(shù)據(jù)采集，以及調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)的控制回路；而在虛擬化的系統(tǒng)中可以運(yùn)用工業(yè)APP市場(chǎng)流動(dòng)性強(qiáng)的、精巧的開(kāi)發(fā)工具，方便加強(qiáng)OT與IT的融合。這些顛覆現(xiàn)有和以往控制系統(tǒng)的技術(shù)，強(qiáng)烈地受到近些年來(lái)IT行業(yè)的若干個(gè)重要技術(shù)的影響和推動(dòng)。這些技術(shù)影響主要表現(xiàn)在大量應(yīng)用的系統(tǒng)虛擬化，云計(jì)算、廣泛運(yùn)用的開(kāi)源軟件(open source software,OSS)、新軟件技術(shù)集成、軟件開(kāi)發(fā)和部署(DevOps)，以及超高可用性的部署平臺(tái)。

2 流程工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)狀和壓力

2.1 流程工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)狀

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(méi)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(kāi)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(hù)。而通常用戶(hù)并不了解這一軟件環(huán)境，只能通過(guò)供應(yīng)商提供的控制器組態(tài)軟件工具與控制器交互。這種結(jié)構(gòu)方式與1970年的小型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)非常類(lèi)似，幾乎每個(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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISO 62264脫胎于ISA 95。雖然這一標(biāo)準(zhǔn)是在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing systems,CIMS)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，適用于流程工業(yè)、離散制造業(yè)和批量過(guò)程工業(yè)。工業(yè)4.0中，RAMI4.0參考架構(gòu)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(hù)對(duì)此ISA 95參考模型的認(rèn)可和青睞，在美國(guó)和歐洲工業(yè)軟件的開(kāi)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，增加了L5企業(yè)云集成的ISA 95的參考模型如圖1所示。

圖1 增加了L5企業(yè)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(yè)自動(dòng)化的壓力

當(dāng)前工業(yè)制造廠面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的巨大壓力，力求降低對(duì)控制系統(tǒng)的投資成本和縮減自動(dòng)化資產(chǎn)生命周期，改善其運(yùn)營(yíng)操作的盈利能力。許多在役的控制系統(tǒng)的軟硬件主要是專(zhuān)用而且封閉的，維護(hù)和升級(jí)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(yè)的管理和運(yùn)營(yíng)的方方面面的形勢(shì)下，在役的控制系統(tǒng)通常不具備本質(zhì)的信息安全特質(zhì)，造成了巨大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。還有一個(gè)問(wèn)題就是，現(xiàn)有的DCS不能有效而恰當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)設(shè)備資產(chǎn)和其他資本投資。

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)備的又一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。制造廠不允許按整個(gè)規(guī)模替代已安裝和運(yùn)行多年的工業(yè)控制系統(tǒng)(industrial control system，ICS)，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(kù)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(zhuān)有系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，很難用文件來(lái)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錈捇S每天從500萬(wàn)個(gè)變量(tags)中產(chǎn)生13億個(gè)數(shù)據(jù)記錄，這還不包括機(jī)械數(shù)據(jù)。存取這么多數(shù)據(jù)的能力，以及對(duì)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，必須用開(kāi)放、具有可互操作性而且本質(zhì)安全的系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)替代現(xiàn)有的封閉專(zhuān)用工業(yè)控制系統(tǒng)。

3 開(kāi)放流程自動(dòng)化OPAF的架構(gòu)

多年前，埃克森美孚的研究和工程部門(mén)公開(kāi)倡議開(kāi)發(fā)一個(gè)全新的、基于標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程控制架構(gòu)。2014年，他們編制了一個(gè)基本特性文件。該文件在2015年的ARC論壇上分發(fā)，受到關(guān)注，引發(fā)了熱烈討論，也得到具有相同要求的其他最終用戶(hù)的支持。由于美國(guó)開(kāi)放集團(tuán)(The Open Group)在為其他工業(yè)部門(mén)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)方面的專(zhuān)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(kāi)發(fā)一個(gè)新的系列標(biāo)準(zhǔn)。接著The Open Group創(chuàng)建了開(kāi)放流程自動(dòng)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(kāi)了第一次會(huì)議。目前，該論壇已經(jīng)有超過(guò)116個(gè)團(tuán)體成員，包括最終用戶(hù)、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)由大型的最終用戶(hù)及其支持者——流程自動(dòng)化供應(yīng)商組成的共同體。他們關(guān)注的是，已經(jīng)20多年沒(méi)有變動(dòng)的DCS的架構(gòu)，在迅速發(fā)展的IT技術(shù)的推動(dòng)下，如何運(yùn)用最新的分布式云計(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(yíng)密切相關(guān)的先進(jìn)控制和制造執(zhí)行系統(tǒng)(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(gòu)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(chǔ)設(shè)施(distributed physical infrastructure,DCP)組成。圖3中實(shí)線(xiàn)所標(biāo)的均為OPAF所定義的部件和模塊；虛線(xiàn)所標(biāo)的則是非OPAF定義的其他系統(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)等，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)和其他非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)。

作為老牌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)商風(fēng)河(Wind River)，已經(jīng)定義并完成了新一代的平臺(tái)產(chǎn)品Titanium Control Platform。其中，工業(yè)控制系統(tǒng)被“虛擬化”和“軟件定義”到很高的程度。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(wèn)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?xún)r(jià)比的方式為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)提供升級(jí)改造的可能。風(fēng)河Titanium控制平臺(tái)如圖4所示。風(fēng)河在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的長(zhǎng)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，在OPAF主導(dǎo)的對(duì)執(zhí)行任務(wù)有嚴(yán)格要求的(mission critical)驗(yàn)證性項(xiàng)目應(yīng)用中獲得成功。所謂mission critical是指那些除了計(jì)劃內(nèi)停機(jī)，需要每天24 h不間斷運(yùn)行的任務(wù)，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。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)。

風(fēng)河Titanium控制平臺(tái)如圖4所示。

圖3 OPAF架構(gòu)圖Fig.3 Architecture of OPAF

圖4 風(fēng)河Titanium控制平臺(tái)Fig. 4 Titanium control platform of Wind River

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)、基于標(biāo)準(zhǔn)的、具有充分安全和可互操作性的流程控制架構(gòu)。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5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5 新一代分布式控制系統(tǒng)演變圖Fig.5 A next generation of distributed control system transforming

OPAF的目標(biāo)是對(duì)ISA 95的L1和L2的功能標(biāo)準(zhǔn)化，功能包括：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(zhuān)用的DCS和PLC來(lái)完成的，規(guī)模約為100～1 000個(gè)PID功能塊。?？松梨诤推渌恍┳罱K用戶(hù)深信，可以用更多但更小的邊緣設(shè)備作為過(guò)程控制器。這些小的硬件設(shè)備每臺(tái)可以控制一到兩個(gè)回路，實(shí)際上執(zhí)行過(guò)程自動(dòng)化的微服務(wù)。

經(jīng)過(guò)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他公司的一個(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(kāi)發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)。其目的在于演示。①可互操作性由多個(gè)供應(yīng)商提供的硬件軟件產(chǎn)品構(gòu)成OPAF架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，它們之間的可互操作性都是按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的，而無(wú)需通過(guò)網(wǎng)關(guān)或通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換。②可交換或可替代性參與構(gòu)成系統(tǒng)的部件都可以各別地和自由地在供應(yīng)商間替代，而無(wú)需修改底層的邏輯程序。③組態(tài)和應(yīng)用的可移植性。④應(yīng)用開(kāi)發(fā)的靈活性。

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)，NXTcontrol(已被施耐德收購(gòu)，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)，ANSYS(提供另一個(gè)人機(jī)界面)，Wind River(提供實(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)RTAC)。驗(yàn)證表明，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(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)的可能性，正在一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

4 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(guò)LINUX開(kāi)源軟件的大力推動(dòng)，已大大降低了門(mén)檻，成為可以較普遍掌握和運(yùn)用的技術(shù)。對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)商和最終用戶(hù)，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(kāi)發(fā)的過(guò)程創(chuàng)建了一個(gè)“容器圖像”的存貯庫(kù)，在軟件交付時(shí)，這一容器圖像形式可在一特定的機(jī)器環(huán)境中協(xié)調(diào)地創(chuàng)建；同時(shí)，還建立了包括運(yùn)行應(yīng)用軟件所要求的所有軟工作環(huán)境。

開(kāi)發(fā)容器圖像的過(guò)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)性。容器的開(kāi)發(fā)、部署和業(yè)務(wù)流程的軟件工具在過(guò)去的五到十年中已經(jīng)臻于成熟。顯而易見(jiàn)，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(wú)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(chē)、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。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(zhǎng)生命周期的遠(yuǎn)程部署軟件的管理，在工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)、部署和維護(hù)，以及所有類(lèi)型的硬件(包括嵌入式設(shè)備)都有所突破，而不是漸近地改進(jìn)。

值得高興的是，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(kāi)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(kāi)放過(guò)程自動(dòng)化的創(chuàng)新項(xiàng)目中。

舉例而言，全球的汽車(chē)工業(yè)目前正在努力開(kāi)發(fā)一種參考架構(gòu)，謀求使一輛汽車(chē)兼具安全、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程服務(wù)、信息娛樂(lè)和舒適的性能。這包括定義一個(gè)專(zhuān)門(mén)的被稱(chēng)為汽車(chē)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(kāi)發(fā)包括信號(hào)收發(fā)基站的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)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(kāi)發(fā)的容器軟件技術(shù)框圖如圖6所示。圖6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繼承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(kāi)發(fā)能適應(yīng)每一種開(kāi)發(fā)環(huán)境，另一方面是為了解決代碼依賴(lài)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(wèn)題。

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

基于容器技術(shù)的DCN如圖7所示。圖7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)DCN。根據(jù)實(shí)際需要，可在一個(gè)DCN容器中容納所需的各種APP，如監(jiān)控和管理DCN的APP、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)的APP、現(xiàn)有的過(guò)程控制算法APP、新開(kāi)發(fā)的過(guò)程控制算法APP等。

從技術(shù)成熟度來(lái)講，基于容器的軟件部署已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化了，以開(kāi)源的形式提供使用。它運(yùn)用廣泛，并為許多不同類(lèi)型的平臺(tái)所成功運(yùn)用，從非常大的系統(tǒng)(Google)到最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(樹(shù)莓派，Respberry Pi)，都已經(jīng)得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的驗(yàn)證。

圖7 基于容器技術(shù)的DCNFig.7 DCN by using container technology

5 軟件開(kāi)發(fā)的匯聚融合

從發(fā)展過(guò)程看，軟件開(kāi)發(fā)已經(jīng)分成了三個(gè)主要的類(lèi)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)以及近年來(lái)形成的云軟件(運(yùn)行于第三方的云資源上)。盡管這三類(lèi)軟件存在一些重疊，但它們各自有自身獨(dú)特的開(kāi)發(fā)及其工具環(huán)境。

在下一個(gè)五年或更多一些時(shí)間內(nèi)，云軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)相比其他形式的軟件開(kāi)發(fā)，顯然會(huì)成為主要的形式，而且這三種軟件開(kāi)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(kāi)源軟件所推動(dòng)，而不是由目前自動(dòng)化工業(yè)所采用的軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)，開(kāi)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(kāi)了這樣的步伐，在過(guò)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)、被稱(chēng)為單核與嵌入式軟件開(kāi)發(fā)低資源的專(zhuān)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IIoT市場(chǎng)開(kāi)發(fā)單核產(chǎn)品的方向投資。

云計(jì)算是一個(gè)有2 500億美元的研發(fā)投資的大業(yè)務(wù)。它正在迅速增長(zhǎng)，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(zhēng)非常激烈。有理由期望用于云計(jì)算業(yè)務(wù)的開(kāi)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(kāi)發(fā)將會(huì)使用云軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)的軟件則是云軟件開(kāi)發(fā)及其工具。

6 結(jié)束語(yǔ)

下一代的DCS和PLC肯定都朝向開(kāi)放、分布式、具有充分的可互操作性和內(nèi)在的信息安全的架構(gòu)發(fā)展。為有效地實(shí)現(xiàn)這樣的架構(gòu)，大量地采用開(kāi)源的云計(jì)算軟件技術(shù)，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《開(kāi)放流程自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值提議和業(yè)務(wù)實(shí)例》中指出，關(guān)鍵的利益攸關(guān)者是最終用戶(hù)、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。而以DCS系統(tǒng)主要廠商之一的Emerson則認(rèn)為，用戶(hù)寧愿依賴(lài)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)議和非常懂行的系統(tǒng)集成商有能力將幾千個(gè)智能設(shè)備集成起來(lái)。言下之意是沿襲流程工業(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(jiàn)不合，Emerson于2018年還退出了OPAF這一組織?？梢韵胂螅谙乱淮牧鞒套詣?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(lái)越關(guān)鍵，而從現(xiàn)在的單一的DCS供應(yīng)商轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)集成商，也許會(huì)有一個(gè)過(guò)程。相信機(jī)會(huì)是為有充沛的創(chuàng)新能力和不竭的進(jìn)取精神的系統(tǒng)集成商準(zhǔn)備的，他們一定會(huì)贏得最終客戶(hù)的信任。

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。可以毫不夸張地說(shuō)，有效地運(yùn)用容器部署和業(yè)務(wù)流程編排軟件很可能成為未來(lái)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素。