開放流程自動(dòng)化論壇重新定義DCS和PLC及對(duì)MES進(jìn)行優(yōu)化

隨著數(shù)字化浪潮的崛起，未來自動(dòng)化技術(shù)走向哪里？美國著名自動(dòng)化咨詢ARC公司給出了五大發(fā)展趨勢(shì)：邊緣設(shè)備的智能、工業(yè)信息安全管理的進(jìn)展、開放流程自動(dòng)化OPA穩(wěn)步推進(jìn)、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(dòng)化OPA，無疑將對(duì)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(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域之后，處于ISA95模型L1和L2層的自動(dòng)化硬件和軟件結(jié)構(gòu)一直沒有變動(dòng)，二者一直牢牢地綁定在一起。迄今為止，自動(dòng)化市場也一直圍繞著“硬件+軟件”的捆綁模式在演進(jìn)。每一個(gè)自動(dòng)化供應(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(yīng)商提供的組態(tài)工具與控制器進(jìn)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(dòng)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(jí)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(hù)運(yùn)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(yīng)用于離散制造業(yè)，問題相對(duì)沒有那么突出。因?yàn)镈CS系統(tǒng)服務(wù)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(gè)密切相關(guān)的整體，以尋求整體的優(yōu)化和預(yù)測性維護(hù)。

時(shí)代正在變化。當(dāng)前工業(yè)制造商面對(duì)市場競爭的巨大壓力，力求降低對(duì)控制系統(tǒng)的投資和降低自動(dòng)化資產(chǎn)生命周期的成本，改善其運(yùn)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(hù)和升級(jí)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(yùn)營管理方方面面的形勢(shì)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(fēng)險(xiǎn)和隱患。很顯然，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，現(xiàn)有的控制器不能有效而恰當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)設(shè)備資產(chǎn)和其它資本投資。

美國?？松梨谑凸疽恢痹诖罅渴褂肏oneywell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(shí)將不得不面臨升級(jí)改造的嚴(yán)重問題。未雨綢繆，Honeywell用了七年時(shí)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(tái)，使TDC的運(yùn)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(shí)現(xiàn)100%的二進(jìn)制兼容和互操作。整整七年，用于系統(tǒng)的軟件技術(shù)升級(jí)，其成本可想而知。

開放自動(dòng)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(gè)全新的、基于標(biāo)準(zhǔn)的過程控制架構(gòu)。這得到了ARC咨詢集團(tuán)大力支持，并由非盈利的第三方機(jī)構(gòu)——美國開放集團(tuán)（TheOpenGroup）一起，組織了一個(gè)新的面向流程工業(yè)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，即開放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）。在選擇現(xiàn)有的、卓有成效的適用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，綜合開發(fā)新的系列標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過兩三年的努力，目前論壇已經(jīng)有超過130多個(gè)團(tuán)體成員，形成了一個(gè)以大型最終用戶為主、包括流程自動(dòng)化供應(yīng)商組成的共同體。該組織致力于如何運(yùn)用最新的分布式云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，重新定義已經(jīng)日趨陳舊、20多年沒有變動(dòng)的架構(gòu)，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（見圖1）。

循著這一方向的進(jìn)展，相當(dāng)迅速。繼2018年完成了概念驗(yàn)證的原型系統(tǒng)之后，在2019年二月該組織正式推出了新標(biāo)準(zhǔn)的第一版O-PASVersion1.0，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年在埃克森美孚和其它至少兩個(gè)現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1：開放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）的范圍

OPAF概念驗(yàn)證系統(tǒng)（詳見圖2）由埃克森美孚和系統(tǒng)集成商洛克希德馬?。↙ockheedMartin）和Wood合作實(shí)施，包括一個(gè)實(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)（DellEMC）支持IEC1499運(yùn)行時(shí)控制器、HMI、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、和許多其它服務(wù)，用OPCUA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（由加拿大Matrikon公司提供），連接分布控制節(jié)點(diǎn)（DCN）、智能I/O、操作控制臺(tái)、安全保護(hù)系統(tǒng)和企業(yè)信息系統(tǒng)等。該系統(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。據(jù)稱該系統(tǒng)將在今年在?？松梨诘囊粋€(gè)碳?xì)湓囼?yàn)裝置投入運(yùn)行控制，比原定計(jì)劃大大提前。

圖2：OPAF原型系統(tǒng)參與試驗(yàn)的公司

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。而OPAF則認(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3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(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(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。

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：一是可為任意數(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;二是容器軟件開發(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。

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，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(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。這是因?yàn)楫?dāng)嵌入式系統(tǒng)軟件的市場受到Linux沖擊的時(shí)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(shí)俱進(jìn)。

這一市場需要改變過去運(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。即使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。

云計(jì)算技術(shù)將左右自動(dòng)化的軟件開發(fā)

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（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(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)?？s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)。這在剛結(jié)束的2019年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)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(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。

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