分布式开放软件开发技术之工业自动化应用综述下一代DCS和PLC的发展方向和路径

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分布式开放软件开发技术之工业自动化应用综述下一代DCS和PLC的发展方向和路径

下一代DCS和PLC的发展方向和路径

原文：鹏宇科技自动化联盟

介绍

美国ARC咨询集团将边缘设备智能化、工业信息安全管理进步、开放过程自动化OPA稳步推进、虚拟场与物理场深度融合、分布式数据分析处理列为五近年来自动化技术的重大发展。 趋势。 其中，开放式过程自动化OPA无疑将对下一代DCS和PLC的发展方向产生巨大影响。

摆脱封闭和独占，实现完全开放

自1970年DCS和PLC进入自动化领域以来，ISA 95模型的L1和L2层的自动化硬件和软件结构一直没有改变。 到目前为止，自动化市场一直围绕硬件和软件捆绑模式不断发展。 每个自动化供应商都会开发自己的软件环境并将该软件环境提供给*终用户。 一般来说，用户无法真正深入到这个软件环境中，只能通过供应商提供的配置工具与控制器进行交互。

受限于这样的状态，可以明确地说，当今过程工业自动化控制系统DCS的*大问题在于其封闭性和专用性的特点。 在IT技术快速发展的时代，这极大地阻碍了DCS的升级迁移以及OT与IT的深度高效融合。 此外，当前的 DCS 通常不提供保护运营、资产、设备和其他投资所需的固有信息安全功能。

可编程控制器PLC也存在类似的情况，但由于PLC大多数场景都用于离散制造，所以问题相对不那么突出。 与流程工业中服务于过程控制的DCS系统不同，它依靠网络将分散的控制站根据过程要求连接成一个紧密相关的整体，以寻求整体优化和预测性维护。

当前，工业制造商面临着巨大的市场竞争压力，正在努力减少控制系统的投资，降低自动化资产的生命周期成本，以提高其运营的盈利能力。 许多在用控制系统的硬件和软件都是专用的、封闭的，维护和升级成本昂贵。 一旦它们需要与**的第三方组件集成，将花费大量资金。 尤其是在当前IT技术快速深入渗透并融入企业运营管理各个环节的情况下，这些控制系统通常不具备固有的信息安全特性，造成巨大的风险和隐患。 还有一个问题是，现有的控制者不能有效、适当地长期保护设备资产和其他资本投资。

举一个现实生活中的例子。 DCS系统TDC 3000已被美国埃克森美孚公司广泛使用。 这些已服役20至30年的系统的备件*多可供应到2025年。 也就是说，距离我们面临升级转型的严峻问题还有五六年左右的时间。 并且为了让这些旧系统能够使用基于云的开放虚拟工程平台来虚拟化TDC环境，还可以支持与无线发射机和仪器的连接，并使用低成本、小资源的仿真系统等，他们用了七年时间开发了LCN R501.1，可以模拟旧TDC系统的系统软件，并实现100%的二进制兼容性和互操作性。 从技术上实现起来花了这么长时间，成本可想而知。

开放自动化发展步伐不断加快

针对上述问题，埃克森美孚研究与工程部门多年前就公开发起开发一种新的、基于标准的过程控制架构，该架构得到了ARC咨询集团的大力支持，并由非营利性第三方开放组织 - 美国公开赛 The Open Group 组织了一项新的过程工业控制技术标准化活动，即开放过程自动化论坛 (OPAF)。 在选择现有有效适用的行业标准的基础上，全面制定新的系列标准。 经过两三年的努力，论坛目前群成员已超过116人，形成了以大型终端用户为主、过程自动化供应商为主体的社区。 他们重点讨论如何利用*新的分布式云计算技术和虚拟化技术，重新定义二十多年未变的日益过时的架构，重新定义DCS和PLC，以及与优化运行密切相关的先进控制和MES （见图 1）。 幸运的是，这个方向的进展相当迅速。 在2018年完成概念验证原型系统后，2019年2月，该组织正式推出了新标准的**个版本O-PAS .0，给出了一个供应商中立的参考架构； 还计划于 2020 年在埃克森美孚和至少另外两个地点进行试验。

图 1 开放流程自动化论坛 (OPAF) 的范围

此外，一个定义下一代自动化系统的项目已经在美国启动，名为“开放网络系统上的联合自动化逻辑控制”（Logic on Open）。 该系统将能够从任何资源、任何设备和任何位置访问任何信息（包括历史信息），以优化态势感知和环境感知。 系统结构基于分布式控制节点（DCN）和单通道I/O模块，支持实时应用处理以及与其他网络协议的实时接口； 系统由多个带I/O的DCN和不带I/O的DCN组成。 它由/O的DCN和连接到云并执行集中式应用程序的DCN组成。 DCN的数量可达数千个。 这可能是下一代PLC的愿景。

上述OPAF概念验证系统基本上实现了互操作性、互换性或可替代性、配置和应用的可移植性以及应用开发的灵活性。 在由十几家供应商提供的软硬件产品组成的系统中，产品之间的互操作按照标准实现，无需网关或软件转换； 参与系统的同类型组件可以单独、自由地在厂商之间进行替换，无需修改底层逻辑。

OPAF的目标是标准化ISA 95的L1和L2功能，包括现场设备和仪器的基本输入和输出，以及执行监管控制的功能块。 目前这些功能由专用DCS和PLC完成，规模约为100～1000个PID环功能块。 OPAF 相信更多但更小的边缘设备可以用作过程控制器。 这些小型硬件设备中的每一个都可以控制少至一两个循环，并实际执行流程自动化微服务。 当今工厂使用的任何DCS和PLC系统的HMI功能、先进控制算法的计算功能以及MES的功能都可以使用由服务器组成的虚拟系统在开放的软件环境中实现。 换句话说，下一代控制系统将被这些由虚拟服务器和许多计算和存储资源需求足够小的自动化边缘设备组成的新系统所取代。 图2显示了逐步升级和迁移现有DCS/PLC系统以服务于这些小型边缘设备和预配置高可用性服务器的发展趋势。

图2 DCS/PLC系统演变成新一代集散控制系统

开放自动化的发展路径

软件容器化技术起源于几十年前的UNIX操作系统。 通过LINUX开源软件生态系统和大量云计算服务商的大力推广，门槛大大降低，成为人们可以广泛掌握和使用的技术。

对于软件开发者和*终用户来说，软件容器技术提供了两个巨大的价值：1）它可以提供为任意数量的机器、物理或虚拟对象自动配置、部署和管理分布式应用程序的方法和手段； (2)在容器软件的开发过程中，会创建一个“容器镜像”的存储库。 当软件交付时，这种容器镜像形式可以在不同于其*初开发的软硬件环境的环境中和谐地创建，同时也自动建立了一个包含运行应用软件的所有要求的软工作环境。

容器镜像的开发实现了高度抽象，使其独立于异构多CPU、操作系统、软件版本以及开发过程中运行的环境。 由于容器镜像的范围仅包含在一个应用程序内，因此容器将开发人员的注意力从管理计算机转移到管理应用程序。 这极大地提高了应用程序部署能力和可见性。 显然，传统嵌入式系统软件技术在交付和管理分布式、高可用应用软件的能力方面根本无法与软件容器技术竞争。

图3是容器化软件的示意框图，其中应用软件被划分为若干可管理的APP功能模块并封装在容器中。 该公司集成了源自Linux的容器化技术。 一方面是让应用软件的开发能够适应各种开发环境。 另一方面是解决代码依赖跟踪、应用软件可扩展性，只是修改和升级个别情况。 APP不存在影响整个应用软件等问题。

图3 公司开发的容器软件技术框图

图4展示了如何将容器技术应用到OPAF架构中，形成分布式控制节点DCN。 根据实际需要，DCN容器中可以容纳各种所需的APP，例如用于监控和管理DCN的APP、用于现场总线和工业以太网的APP、现有的过程控制算法APP以及新开发的过程控制算法。 APP等。

图4 利用容器技术组建分布式控制节点DCN

从技术成熟度来看，基于容器的软件部署已经高度标准化。 用于容器开发、部署和业务流程管理的软件工具在过去 5 到 10 年内已经成熟，并且以开源形式提供。 它被广泛使用并在许多不同类型的平台上成功使用，从非常大的系统（例如 Pi）到*小的计算机系统（例如 Pi）。

让我们看看传统嵌入式系统及其软件开发的市场。 目前，许多嵌入式软件即使是基于开源软件开发的，也包含许多专门的元素； 传统嵌入式系统及其软件应用缺乏灵活性分布式开放软件开发技术之工业自动化应用综述下一代DCS和PLC的发展方向和路径，操作系统和软件工具链各自为政，开发速度很慢； 硬件/软件的集成存在很多不确定性； 难以解决日益重要的信息安全问题。 虽然嵌入式系统软件市场受到Linux的冲击，但其他传统嵌入式市场却持续了很多年。 这个市场需要改变过去使用的技术，以适应向工业物联网（IIoT）、工业4.0、智能制造和其他类似领域的转变。 它的转型路径一定是进入网络化（即分布式）嵌入式系统。 未来的嵌入式系统肯定会要求整个软件堆栈（从顶层应用软件到其使用的操作系统和虚拟机管理程序）都具有自动升级的能力。 特别是工业嵌入式系统迫切需要在其整个生命周期内进行升级。 开发、实施、部署和管理。

如果目前工业自动化的技术栈已经不能提供良好的服务，替代的显然是云计算软件技术。 大约五年内，所有软件开发都将采用云软件开发方式。 这种趋势不仅正在兴起，而且正在如火如荼地进行。 如果说“软件正在吞噬世界”，那么正在吞噬软件开发的就是云软件开发及其工具。 即使在嵌入式软件这一专业领域，软件开发也几乎被当前和未来的云软件技术所主导或完全吞没。

这当然并不是说所有的应用软件都运行在云端，而是说云软件所采用的软件开发和部署技术将以压倒性的优势主导其他形式的软件开发。 原因是，虽然云计算市场已经非常大自动化软件开发，但它仍然是一个非常繁荣和不断增长的行业。 当前炙手可热的云计算软件技术正如云计算本身一样，发展势头方兴未艾。 、Cloud、It等软件在过去的5到10年里陆续宣布开源。 云计算专家认为，云计算模型存在较大冗余，还有很大改进空间； 因此，人们应该预期这一领域的技术发展将是快速且持续的。 工业自动化市场应该关注并使用它，因为云软件技术可以将软件的规模缩小到相当小的系统。 这种类型的系统正是工业自动化和 OPAF 所需要的。

近两年来，容器开发技术已被引入到许多工业产品中。 此外，还有一项云技术值得注意，就是云执行平台上出现的所谓“仅需要少量计算和存储资源的单核和嵌入式软件开发组合”。 单核技术目前活跃在多个研究领域，随着风险投资的涌入，相信很快就会投入实际应用。

结论

下一代DCS和PLC的架构必将朝着开放、分布式、完全互操作和本质上信息安全的方向发展； 为了有效地实现这样的架构，其软件环境必须吸收和采用大量的开源云计算软件技术，结合工业自动化的要求和特点，从而创造出一条具有持久生命力的发展道路。

工业控制编程语言国际标准IEC 61131-3及其配套的分布式国际标准IEC 61499，以及制定的XML规范，都是OPAF选择的基础标准。 可以看出，经过多年的实际应用验证，这些行之有效的基础底层标准将继续在未来的分布式开放式DCS和PLC系统中发挥重要作用。

关于作者

彭宇：1960年毕业于清华大学动力工程系。上海工业自动化仪表研究所教授级高级工程师，PLC open China组织名誉主席，中国智能制造综合标准化工作组专家，中国智能制造综合标准化工作组专家。工业和信息化部智能制造标准化体系建设工作组、中国科技自动化联盟首席专家顾问。 长期从事工业过程控制系统的研究与开发。 自1996年起，研究领域集中于PC控制、现场总线、工业以太网、MES、现场设备无线通信等； 近年来主要研究智能制造相关自动化技术。 由于他对我国工程技术发展的特殊贡献，1993年获国务院特殊津贴。

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