下一代DCS和PLC的发展方向和路径
2019-03-12来源：易能立方作者：彭瑜标签：DCS智能控制
引言
美国ARC咨询集团把边缘设备的智能、工业信息安全管理的进展、开放流程自动化OPA稳步推进、虚拟领域和物理领域的深度融合，以及分布式数据分析处理等列为最近几年自动化技术的五大发展趋势。其中开放流程自动化OPA无疑对下一代DCS和PLC的发展方向影响巨大。
摆脱封闭和专用，实现彻底开放
自1970年DCS和PLC相继进入自动化领域之后，处于ISA95模型L1和L2层的自动化硬件和软件结构一直没有变动，迄今为止自动化市场也一直围绕着硬件和软件捆绑的模式在演进，每一个自动化供应商都开发自己的软件环境，并将这种软件环境交付给最终用户。一般来讲，用户并不能真正深入这一软件环境，只能通过供应商提供的组态工具与控制器交互。
受限于这样的状态，可以毫不隐晦地说，现今流程工业自动化控制系统DCS最大的问题在于其封闭和专用的特性。在IT技术飞跃发展的年代，这极大地阻碍了DCS的升级迁移，以及OT与IT深入高效的融合。此外，目前的DCS一般不能提供内在的保护运营、资产设备和其它投资所需要的信息安全特性。
可编程控制器PLC也存在着类似的情况，只不过由于PLC在大多数场景中应用于离散制造业，相对而言问题没有那么突出。它不像DCS系统服务于流程工业的过程控制，需要依靠联网将分散的控制站依据工艺的要求连接成一个密切相关的整体，以寻求整体的优化和预测性维护。
当前工业制造商面对市场竞争的巨大压力，力求降低对控制系统的投资和降低自动化资产生命周期的成本，改善其运营操作的盈利能力。许多在役的控制系统其构成的硬件和软件由于专用、封闭，维护和升级的成本昂贵，一旦需要与一流的第三方部件集成，耗资不菲。尤其在目前IT技术快速深入地滲透和融合到企业运营管理方方面面的形势下，这些控制系统通常不具备本征的信息安全特质，造成了巨大的风险和隐患。还有一个问题是，从长远发展来看，现有的控制器不能有效而恰当地保护设备资产和其它资本投资。
举一个现实的例子。美国埃克森美孚公司曾大量使用Honeywell的DCS系统TDC3000，这些服役二、三十年的系统其备品备件最多可用到2025年。也就是说大约还有五六年的时间，不得不面临升级改造的严重问题。而且为了让这些老系统能够利用Honeywell的云基开放虚拟工程平台，使TDC的环境虚拟化，还能够支持与WirelessHART等无线变送器、仪表的联接，利用低成本、小资源的仿真系统等，他们用了七年时间开发了ExperionLCNR501.1，可以仿真TDC老系统的系统软件，实现100%的二进制兼容和互操作。花了那么长的时间在技术上得以实现，其成本可想而知。
开放自动化的发展节奏加快
鉴于上述存在的问题，多年前埃克森美孚的研究和工程部门公开倡议开发一个全新的、基于标准的过程控制架构，得到ARC咨询集团大力支持，并由非盈利的第三方机构——美国开放集团（TheOpenGroup）组织一个新的面向流程工业控制技术的标准化活动，即开放流程自动化论坛（OPAF）。在选择现有的、卓有成效的适用工业标准的基础上，综合开发新的系列标准。经过两三年的努力，目前论坛已经有超过116个团体成员，形成了一个以大型最终用户为主、包括流程自动化供应商组成的共同体。他们聚焦于如何运用最新的分布式云计算技术和虚拟化技术，重新定义已经日趋陈旧、20多年没有变动的架构，重新定义DCS和PLC，以及与优化运营密切相关的先进控制和MES（见图1）。值得高兴的是，循着这一方向的进展相当迅速，继2018年完成了概念验证的原型系统之后，在2019年二月该组织正式推出了新标准的第一版O-PASVersion1.0，给出了一个与供应商无关的参考架构；而且还计划2020年在埃克森美孚和其它至少两个现场进行试验。
图1开放流程自动化论坛（OPAF）的范围
此外，在美国还启动了一个定义下一代自动化系统的项目，其名称是《开放网络系统上的联合自动化逻辑控制》（FederatedAutomationLogicControlonOpenNetworkSystems，FALCONS）。这一系统将实现从任意资源、任意设备和任意地点获得任意信息（包括历史信息）,以优化情景意识和环境意识。系统的结构建立在分布式控制节点（DCN）和单通道I/O模块的基础上，支持实时的应用处理和与其它网络协议的实时接口；系统由许多个有I/O的DCN和无I/O的DCN，以及一个与云端连接、执行集中应用的DCN构成，DCN的数量可达数千个。这或许就是下一代PLC的一种愿景。
上述的OPAF概念验证系统基本实现了可互操作性、可交换或可替代性、组态和应用的可移植性，以及应用开发的灵活性。由十几家供应商提供的硬件、软件产品构成的系统，产品之间的互操作性都按照标准实现，无需通过网关或通过软件转换；参与构成系统的同类型部件都可以个别地和自由地在供应商间替代，而无需修改底层的逻辑程序。
OPAF的目标是对ISA95的L1和L2的功能标准化，包括现场设备和仪表的基本输入和输出，以及执行调节控制的功能块。目前这些功能都是由专用的DCS和PLC来完成的，规模约为100至1000个PID回路的功能块。OPAF认为，可以用更多、但更小的边缘设备作为过程控制器，这些小的硬件设备每台可以控制少到一两个回路，实际上执行的是过程自动化的微服务。当今工厂中所用的任意DCS和PLC系统的HMI功能、先进控制算法的运算功能以及MES的功能，都可以运用由服务器构成的虚拟系统，在一种开放型的软件环境下实现。也就是说，下一代控制系统将被这些由虚拟服务器和许许多多计算资源和存贮资源要求足够小的自动化边缘设备组成的新系统所替代。图2给出了从现有已在役的DCS/PLC系统逐步地升级迁移到这些小的边缘设备，以及预置的高可用性服务器的发展趋势。
图2DCS/PLC系统演变为新一代的分布式控制系统
开放自动化的发展路径
软件容器化技术发源于几十年前的UNIX操作系统，经过LINUX开源软件生态系统以及大量云计算服务供应商的大力推动，业已大大降低了门槛，成为可以人们普遍掌握和运用的技术。
对于软件开发商和最终用户，软件容器技术提供两个巨大的价值：1）可为任意数量的机器、物理或虚拟对象，提供自动配置、部署和管理分布式应用的方法和手段；（2）容器软件开发过程中创建了一个“容器图像”的存贮库，在软件交付时，这一容器图像形式可在不同于原来开发的软硬件环境的另一种环境中协调地创建，同时还自动建立了包括运行应用软件所要求的所有的软工作环境。
在开发容器图像的过程中完成了一种高度的抽象，使它独立于异构的多CPU、操作系统、软件版本，以及在开发期间运行的环境。由于容器图像划定的范围仅容纳在一个应用软件内，所以容器会将开发者的注意力从管理计算机转移到去管理应用。这极大地改善了应用的部署能力和可见性。显而易见，传统的嵌入式系统软件技术在交付和管理分布式和高可用性的应用软件的能力方面，根本无法与软件容器技术相抗衡。
图3是容器化软件的原理框图，其中Docker将应用软件分隔为若干个可管理的APP功能模块，并将它们打包在一个容器中。Docker公司集成源于Linux的容器化技术的目的，一方面是为了让应用软件的开发能适应每一种开发环境，另一方面是为了解决代码依赖性跟踪、应用软件可伸缩，以及仅仅修改升级个别APP而不会影响整个应用软件等等问题。
图3Docker公司开发的容器软件技术框图
图4则表示如何将容器技术运用于OPAF的架构，构成一个分布式控制节点DCN。根据实际需要，可在在一个DCN容器中容纳所需要的各种APP，如监控和管理DCN的APP、现场总线和工业以太网的APP、现有的过程控制算法APP、新开发的过程控制算法APP等等。
图4运用容器技术构成分布式控制节点DCN
从技术成熟度来讲，基于容器的软件部署已经高度标准化了，用于容器开发、部署和业务流程管理的软件工具在前5～10年中已经臻于成熟，并以开源的形式提供使用。它运用广泛，为许多不同类型的平台所成功运用，包括非常大的系统（例如Google）到最小的计算机系统（如树莓派，RespberryPi）等。
再来观察传统的嵌入式系统及其软件开发的市场。目前许多嵌入式软件包含了许多专用元素，即使它们是基于开源软件开发的也是如此；传统的嵌入式系统及其软件应用缺乏灵活性，操作系统和软件工具链呈现碎片化，开发速度很慢；硬件/软件的集成存在不少不确定性的问题；难以解决日趋重要的信息安全问题。当嵌入式系统软件的市场受到Linux冲击的时候，其它方面的传统嵌入式市场已经坚持了许多年。这一市场需要改变过去运用的技术，才能适应向工业物联网IIoT、工业4.0、智能制造和其它类似领域的转移，其转型的路径必然是进入网络式（即分布式）的嵌入式系统。未来的嵌入式系统肯定会要求整个软件栈（从居于顶层的应用软件一直到其使用的操作系统和管理程序）具有自动升级的能力，特别是工业嵌入式系统急需在其整个生命周期过程中进行开发、实施、部署和管理。
如果工业自动化当前的技术栈不再能很好地提供服务的话，替代的显然是云计算的软件技术。大约五年时间内所有软件的开发将会使用云软件开发的方法，这一趋势已不是初露端倪，而是如日中天。如果说“软件正在吞噬世界”，那么吞噬软件开发的软件则是云软件开发及其工具。甚至在嵌入式软件的特殊领域，软件开发几乎会被当前和未来的云软件技术所左右，或者完全吞没。
这当然不是说所有的应用软件都在云端运行，而是说云软件所用的软件开发和部署技术，将要以压倒的优势超越其它软件开发的形式，占据主要地位。原因是云计算市场虽然已经规模很大，但仍是相当兴旺、且一直在发展的行业，当下火热的云计算软件技术就和云计算本身一样，其发展势头方兴未艾，诸如OpenStack、CloudFoundry、Docker和Kubernetes等软件已经在过去的5～10年内相继宣布为开源。云计算方面的专家认为云计算模型包含了显著的冗余性，而且还有很大的改善余地；因而人们应该期望，此领域的技术发展一定是迅速和持续的。工业自动化市场要关注和运用它，是因为云软件技术可以将软件规模缩小至相当小的系统内，这类系统正是工业自动化和OPAF所需要的。
在过去的两年期间，已经在许多工业产品中导入了容器开发技术。除此而外，还有一种云技术也值得注意，这就是在云执行平台上出现、所谓的“单核与只要求很小的计算和存储资源的嵌入式软件开发组合”。单核技术目前在许多研究领域中十分活跃，随着风险投资的大量涌入，肯定会很快投入实际应用。
结束语
下一代DCS和PLC的架构肯定都会向开放、分布式、具有充分的可互操作性和内在信息安全的方向发展；为有效地实现这样的架构，其软件环境一定要大量地吸取和采用开源云计算软件技术，并结合工业自动化的要求和特点，从而走出一条具有持久生命力的开发之路。
工控编程语言国际标准IEC61131-3及其相伴的分布式国际标准IEC61499，还有PLCopen开发的XML规范等，都是OPAF所选定的基础依据标准。由此可见，经过多年来实际运用的验证，这些行之有效的基础底层标准，将在未来的分布式开放DCS和PLC系统中继续发挥重要的作用。
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