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

告別封閉和專用，走向徹底開放

自1970年DCS和PLC相繼進入自動化領域之后，處于ISA95模型L1和L2層的自動化硬件和軟件結構一直沒有變動，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自己的軟件環境，并將這種軟件環境交付給最終用戶。一般來講，用戶并不能真正深入這一軟件環境，只能通過供應商提供的組態工具與控制器進行有限的交互。

就這樣的受限狀態而言，可以毫不隱晦地說，現今流程工業自動化控制系統DCS最大的問題在于其封閉和專用的特性。在IT技術飛躍發展的年代，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一般不能提供內在的保護運營、資產設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在大多數場景中應用于離散制造業，問題相對沒有那么突出。因為DCS系統服務于流程工業的過程控制，需要依靠聯網將分散的控制站依據工藝的要求連接成一個密切相關的整體，以尋求整體的優化和預測性維護。

時代正在變化。當前工業制造商面對市場競爭的巨大壓力，力求降低對控制系統的投資和降低自動化資產生命周期的成本，改善其運營操作的盈利能力。許多在役的控制系統其構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技術快速深入地滲透和融合到企業運營管理方方面面的形勢下，這些控制系統通常不具備本征的信息安全特質，造成了巨大的風險和隱患。很顯然，從長遠發展來看，現有的控制器不能有效而恰當地保護設備資產和其它資本投資。

美國?？松梨谑凸疽恢痹诖罅渴褂肏oneywell的DCS系統TDC3000，這些服役二、三十年的系統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用了七年時間開發了ExperionLCNR501.1，就是為了讓這些老系統能夠利用Honeywell的云基開放虛擬工程平臺，使TDC的運行環境虛擬化，還能夠支持與WirelessHART等無線變送器、儀表的聯接，利用低成本、小資源的仿真系統等。新系統可以仿真TDC老系統的系統軟件，實現100%的二進制兼容和互操作。整整七年，用于系統的軟件技術升級，其成本可想而知。

開放自動化的發展節奏加快

鑒于上述存在的問題，多年前?？松梨诘难芯亢凸こ滩块T公開倡議開發一個全新的、基于標準的過程控制架構。這得到了ARC咨詢集團大力支持，并由非盈利的第三方機構——美國開放集團（TheOpenGroup）一起，組織了一個新的面向流程工業控制技術的標準化活動，即開放流程自動化論壇（OPAF）。在選擇現有的、卓有成效的適用工業標準的基礎上，綜合開發新的系列標準。經過兩三年的努力，目前論壇已經有超過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和虛擬化技術，重新定義已經日趨陳舊、20多年沒有變動的架構，重新定義DCS和PLC，以及與優化運營密切相關的先進控制和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的參考架構;而且還計劃2020年在?？松梨诤推渌辽賰蓚€現場進行試驗。

圖1：開放流程自動化論壇（OPAF）的范圍

OPAF概念驗證系統（詳見圖2）由?？松梨诤拖到y集成商洛克希德馬丁（LockheedMartin）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、歷史數據存儲、和許多其它服務，用OPCUA實時以太網（由加拿大Matrikon公司提供），連接分布控制節點（DCN）、智能I/O、操作控制臺、安全保護系統和企業信息系統等。該系統基本實現了可互操作性、可交換或可替代性、組態和應用的可移植性，以及應用開發的靈活性。由十幾家供應商提供的硬件、軟件產品構成的系統，產品之間的互操作性都按照標準實現，無需通過網關或通過軟件轉換;參與構成系統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。據稱該系統將在今年在?？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，包括現場設備和儀表的基本輸入和輸出，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、但更小的邊緣設備作為過程控制器，這些小的硬件設備每臺可以控制少到一兩個回路，實際上執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成的虛擬系統，在一種開放型的軟件環境下實現。也就是說，下一代控制系統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備組成的新系統所替代。圖3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3：DCS/PLC系統演變為新一代的分布式控制系統

此外，在美國還啟動了一個定義下一代自動化系統的項目，其名稱是《開放網絡系統上的聯合自動化邏輯控制》（FederatedAutomationLogicControlonOpenNetworkSystems，FALCONS）。這一系統將實現從任意資源、任意設備和任意地點獲得任意信息（包括歷史信息），以優化情景感知和環境感知。系統的結構建立在分布式控制節點（DCN）和單通道I/O模塊的基礎上，支持實時的應用處理和與其它網絡協議的實時接口;系統由許多個有I/O的DCN和無I/O的DCN，以及一個與云端連接、執行集中應用的DCN構成，DCN的數量可達數千個。這或許就是下一代PLC的一種愿景。

開放自動化的發展路徑

軟件容器化技術發源于幾十年前的UNIX操作系統，經過LINUX開源軟件生態系統以及大量云計算服務供應商的大力推動，業已大大降低了門檻，成為可以人們普遍掌握和運用的技術。

對于軟件開發商和最終用戶，軟件容器技術提供兩個巨大的價值：一是可為任意數量的機器、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;二是容器軟件開發過程中創建了一個“容器圖像”的存貯庫，在軟件交付時，這一容器圖像形式可在不同于原來開發的軟硬件環境的另一種環境中協調地創建，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境。

在開發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。

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，根本無法與軟件容器技術相抗衡。

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，用于容器開發、部署和業務流程管理的軟件工具在前5～10年中已經臻于成熟，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（例如Google）到最小的計算機系統（如樹莓派，RaspberryPi）等。

嵌入式軟件難逃沖擊

傳統的嵌入式系統及其軟件開發的市場，也在受到沖擊。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的，也同樣如此。

傳統的嵌入式系統及其軟件應用缺乏靈活性，操作系統和軟件工具鏈呈現碎片化，開發速度很慢;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軟件的市場受到Linux沖擊的時候，傳統嵌入式市場的其它方面（如開發的工具鏈）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，才能適應向工業物聯網IIoT、工業4.0、智能制造和其它類似領域的轉移，其轉型的路徑必然是進入網絡式（即分布式）的嵌入式系統。未來的嵌入式系統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和管理程序）具有自動升級的能力，特別是工業嵌入式系統急需在其整個生命周期過程中進行開發、實施、部署和管理。

如果工業自動化當前的技術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。大約五年時間內所有軟件的開發將會使用云軟件開發的方法，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”，那么吞噬軟件開發的軟件則是云軟件開發及其工具。即使在嵌入式軟件的特殊領域，軟件開發幾乎會被當前和未來的云軟件技術所左右。

云計算技術將左右自動化的軟件開發

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和部署技術，將要以壓倒的優勢超越其它軟件開發的形式，占據主要地位。原因是云計算市場雖然已經規模很大，但仍是相當興旺、且一直在發展的行業，當下火熱的云計算軟件技術就和云計算本身一樣，其發展勢頭方興未艾，諸如OpenStack、CloudFoundry、Docker和Kubernetes（簡稱K8）等軟件已經在過去的5～10年內相繼宣布為開源。

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，此領域的技術發展一定是迅速和持續的。工業自動化市場要關注和運用它，是因為云軟件技術可以將軟件規模縮小至相當小的系統內，這類系統正是工業自動化和OPAF所需要的。

在過去的兩年期間，已經在許多工業產品中導入了容器開發技術。這在剛結束的2019年漢諾威工業博覽會上已有很好的體現。除此而外，還有一種云技術也值得注意，這就是在云執行平臺上出現、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組合”。單核技術目前在許多研究領域中十分活躍，隨著風險投資的大量涌入，肯定會很快投入實際應用。

責任編輯：gt