工业4.0将信息物理融合系统（CPS）的扁平化趋势图示

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工业4.0将信息物理融合系统（CPS）的扁平化趋势图示

自从工业4.0将信息物理系统（CPS）的概念引入工业生产系统以来，我们经常看到如图1所示的图。

图1：工业生产多层次等级体系扁平化趋势

图的左侧揭示了生产系统的多层分层逻辑结构，而右侧则反映了随着工业4.0和智能制造的发展，这些不同功能软件之间的通信关系和数据流关系不再遵循多级以分层方式扁平化，可以快速协作，直接交换数据。 由此，形成了基于CPS的工业生产自动化系统。

信息物理系统（CPS）在第四次工业革命中发挥着巨大作用，CPS所包含的物理组件无一例外地嵌入了控制、监控和协调软件。

与传统的自动化系统相比，实际物理组件中运行的软件更加复杂，这些组件之间的互连也大大增加。

随着控制软件重要性和复杂性的增加，其升级频率也必须增加。 大规模定制需要制造商根据客户的具体要求对生产流程进行改变（例如在数控机床上添加更新更好的路径规划算法）。 现在可以使用监控和机器学习工具来预测由软件升级变化引起的加工过程的改进。 但如果每次软件升级都需要彻底关机，那么在软件升级过程中无疑会造成相当大的损失。 这就产生了一个不可避免的问题：在升级软件时，应该尽可能部分关闭，甚至根本不关闭。

生产系统通常遵循如图1所示的多级分层结构。系统底层直接与硬件通信，并向上层发送相关数据报告。 传统的分层系统不仅作为各层组件的逻辑结构，实际上还表现为多层的分层部署。 各级组件通常按照制造商预设的IT结构进行部署，网络基础设施中实现的数据流也按照金字塔的定义进行。

随着大量云计算和信息物理融合系统的出现，这种严格的多层等级体系被软化。 各个组件仍然可以根据金字塔的级别进行分类，但它们的部署变得更加灵活，例如在云上。 这些组件之间的交互和相互作用也变得不那么紧密，使得数据可以根据需求流动和传输。

实时应用即将到来

然而，实时组件通常不合并到这种方法中，并且仍然是为专用平台开发的。 一方面，我们希望将这些组件转移到基于云的架构上，同时仍然保持传统控制系统因安全需求而必须具备的可靠性； 另一方面，我们必须为高级应用程序创建一个提高灵活性且易于部署的环境。 弥补了与传统大容量实时控制软件的差距。 这就提出了如何在实时控制中满足上述要求的需求。

对于在云上运行的各类应用软件，可以通过将庞大的应用软件拆分为较小的服务并独立运行来获得灵活性。 在这种情况下，容器技术就应运而生了。

使用容器化操作系统可以将这些服务彼此隔离，而不会造成严重过载。 对于非实时应用软件来说，容器化已经成熟并进入广泛使用的状态。 那么如何使用基于容器的结构来实现实时应用软件呢？

事实上，已经有多种在云端运行工业应用软件的架构。 早在2013年，就有其他人提出了基于云的PLC软件架构的多租户支持（multi-）解决方案，该方案具有可伸缩性和横向扩展性。 他们将实时软件分为软实时、严格实时和硬实时。 所谓实时性是指不导致整个系统失效的*大时间限制。

显然，基于云的系统永远无法满足硬实时要求。 在具有 30 个租户的系统中，该架构产生的往返时间低于 99.72%。 该架构和其他几种架构仍然专注于模拟和运行传统软件。 结论是，目前在云端运行工业软件的工作存在几百毫秒的延迟。 上述工作仅说明了该方法的可行性，但远未解决实际问题。

容器化简史

容器技术于 20 世纪 90 年代开始发展，当时 Sun 等公司正在构建非常大型的 UNIX 服务器。 从运行管理的角度来看，容器技术可以很容易地将应用软件划分为大型计算机内的几个小模块，而不是让一个大型应用软件全部捆绑在一起运行。 容器*初的概念是在众多应用软件之间采用分区的方式，让管理大型服务器变得更加简单和方便。容器技术的缺点是必须有UNIX系统管理

技术性很强，这对于当时的大公司来说不是问题，比如Sun、微软、SAP等，但却限制了容器技术的应用到相对较小的公司。 当容器技术逐渐在Linux中出现时，情况就完全不同了，它的应用变得非常流行。

这要归功于风险投资支持的软件工具，它极大地简化了在 Linux 中创建、部署和运行容器技术的过程。 2013年正式宣布成为开源软件社区。在此后的五年里，容器软件受到了云计算和企业计算的双重青睐。 更令人欣喜的是，这两年不少工业自动化产品都配备了系统集成软件工具，让*终用户可以轻松地将自己的应用集成到自己的产品中。

电信行业正在经历全面数字化。 重要任务之一是将所有模拟信号处理转移到网络*前沿的边缘设备。 所有其他从无线基站通过局端交换机完成的业务将完全由软件完成。 其结果将是一个高度灵活的基础设施，可以在不改变硬件的情况下添加新服务。 多年来，电信网络运营商一直憧憬发展具有实时性要求的大规模软件定义基础设施，而关键的技术支撑就是容器化。

值得强调的是，容器可以缩小规模以适应非常小的系统。 运行时软件已经可以安装到 Pi等具有ARM内核的单板计算机终端中，以支持工业物联网应用和服务，这为工业自动化带来了许多新的可能性。

容器化技术时代

自2013年容器化成为普遍采用的技术以来，云计算技术已成为数字化业务转型的关键手段。 优异的可移植性、系统资源的高效共享以及广泛的支持等特点使其受欢迎程度不断增长。 一家研究公司2017年3月发布的报告指出，66%的组织拥有使用容器技术加速开发效率的经验和理解，75%的公司在应用部署速度方面取得了适度或显着的提升。 提升。

这些积极影响在*新发布的《2018 IT趋势报告》中也得到了积极证实：44%的受访者将容器技术列为*重要的首选技术，38%的人认为容器技术将是未来*重要的技术。 5年内*重要的优先技术。 这些统计数据证实，人们对容器技术的兴趣和采用将会增长。

集装箱双火枪手

要成功部署容器，您必须了解影响该技术的所有方面。 尤其是编排对于管理容器技术的生命周期有很大帮助。 容器化技术采用得越多，容器的编排就会变得越来越重要。 这是因为IT管理者广泛采用管道管理方式，需要在节点集群上运行容器软件来实现调度、服务发现、监控巡检。 容器编排就是解决这些日常必须关注的焦点问题。

开源软件世界正在很大程度上集中在用于容器管理和部署的单一工具上，即所谓的容器编排工具（简称 K8s）。 K8s原本是一个开源容器管理和部署的内部工具软件。 使用容器化技术实现SaaS产品是成功的，可靠性非常高。 K8s和K8s作为管理和构建容器的技术，是目前企业软件领域*流行的开源产品。 这种强大的工具组合对于在异构环境（例如工业自动化）中部署各种分布式应用程序也非常有用。 有价值的。 相信也可以根据工厂运作或工程经验来讨论该技术在行业中的潜在适用性，以支持未来的自动化专家和IT专家开发各种应用。 如图2所示，在开发应用软件的过程中，首先开发APP代码，然后使用容器化技术将APP放置在环境中，并使用K8s编排进行部署和运行管理。

图2：工业APP应用和K8容器化

“容器镜像”是创建容器的基础，是其他容器开发工具使用的分发文件的软件手段。 使用容器镜像时，软件分发和部署是用户驱动和应用程序驱动的，而不是软件提供商驱动的，这可以大大减轻*终用户的集成负担，让他们更加专注于软件应用程序。 与容器技术的使用相反，如果软件打包管理程序由软件提供商（而不是用户）驱动软件分发自动化软件开发，则*终用户或系统集成商需要负责确保正确的分发。版本已组装且需要。 正确设置所有运行时配置参数。 通过打包管理器交付软件实际上为要集成的软件提供了模块化单元； 从*终用户的角度来看，容器映像提供单一但完全集成的应用程序。 如前所述，联网设备是由嵌入式系统组成，特别是那些未来需要远程监控、管理、升级和提供服务的高价值设备和服务； 他们的软件堆栈将需要提供高度自动化的服务。 因此，未来的嵌入式系统，包括工业自动化领域，肯定需要容器化编排工具K8s的支持。

如图3所示，运营管理平台需要K8s或Sworm等APP调度和部署工具来运行和管理众多节点集群。

图3：企业版管理平台及其运行节点集群

软件容器化对工业自动化的价值

在设计和配置自动化系统时，容器技术为工业自动化*终用户及其供应商提供了几个重要的价值：

1）关注应用程序，而不是系统。 这有效地将应用程序开发与执行计算、存储和网络控制的系统解耦，使应用程序开发人员和系统支持专家能够以*小的干扰将他们的工作解耦，其价值超出了系统的使用寿命。 2）为分布式系统创建和管理容器镜像存储库提供了良好的解决方案，而无需考虑不同硬件、处理器架构、操作系统和支撑软件的依赖关系带来的复杂性。 3）容器镜像文件的分层特性使供应商和*终用户能够高效地创建容器并通过迭代增强存储库。 容器底部的功能往往会在很多应用中长期使用，而容器顶部的功能往往是需要频繁更改或重新开发的特殊应用。 4）应用部署到生产环境之前，开发者可以自行创建容器开发部署环境，极大方便了开发工作，提高了测试工作的效率。

容器编排也非常重要：1）编排提供了系统管理能力，比如大大简化了系统扩展的控制。 2）提供了一种声明式的分布式系统配置，即分布式系统的预设状态。 运行编排程序的目的就是为了达到并维持这种预设状态，从而使分布式系统实现应用的高可用性； 当分布式系统受到部分干扰和损坏时，编排程序可以自动将系统恢复到预设状态，即具有“自我恢复”的特性。 3）与命令式配置工具相比，声明式系统配置更不容易出错，因为命令式配置工具在执行纠正操作时，必须首先找到执行表哪里出了问题。 4）声明式系统配置，例如与控制系统的结合，使系统只需稍加改动即可实现回滚功能。 然而，软件封装管理程序、嵌入式系统技术以及现有的DCS产品不可能以简单的方式实现这一功能。 5）围绕容器构建编排程序，将主要运营精力集中在*终用户关心的应用程序的性能上。 由于每个容器都是一个应用程序，因此无需调度来自许多不同应用程序的信号或运行记录来专注于特定应用程序的诊断。 6）关注应用而不是关注控制系统本身也在许多其他方面带来了一些边际好处，例如更容易正确地创建、部署和维护应用程序，同时使应用程序运行时问题与控制系统的问题相互依赖本身。 分离。

集装箱化正在渗透工业自动化

集装箱化技术已经对工业自动化产生了一定的影响。 据不完全统计，2019年汉诺威工业博览会上，750家制造商、2000多种产品使用了容器化计算技术。

以下是工业自动化中使用容器化的三个案例。

（1）埃克森美孚倡导的开放式过程自动化OPA

埃克森美孚倡导的开放式过程自动化OPA是针对现有DCS和PLC系统无法适应未来OT/IT深度融合的要求而提出的标准化活动。 本次活动重点讨论了如何利用*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，以及与优化密切相关的先进控制和MES运营。 图4展示了容器技术如何应用​​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：利用容器技术组成分布式控制节点（DCN）

(2)采用容器化技术进行实时控制

目前还没有产品，但是一些大学和研究机构已经在架构上做了大量的研发实验。 例如，德国斯图加特大学软件技术研究所就“基于容器的架构设计与实时控制应用的实现”做出了有益的探索。 他们将实时任务模块化，并设计了实现容器化的架构。 在分析基于容器化的实时控制应用软件的机遇和挑战后，提出了一种具有可重用和可移植特性的参考架构。 该架构结合了容器之间以及容器与硬件之间的通信解决方案。

（3）德国SICK公司以生产传感器闻名

德国SICK公司以生产传感器而闻名。 他们新推出的 TDC（数据）网关是使用容器技术的一个示例（见图 5）。 它可以在智能制造和工业物联网中作为边缘网关收集来自各种传感器和PLC的数据，并支持I/O Link和其他现场总线（见图6）。

图 5：SICK 的 TDC 边缘网关

图6：SICK TDC边缘网关的应用

谨慎严谨的态度

国内从事工业自动化的单位也对此进行了探索和研究。

例如，和利时的丁彦先生认为，容器技术只能用于自动化行业的远程部署和升级，无法替代功能模块。 容器编排技术*初用于互联网无状态服务。 然而，由于工业自动化程序通常是通过状态机来描述的，因此显然不适合使用无状态服务进行编排。 用无状态微服务编排替换有状态功能块会误导很多人，所以不要对工业自动化中的微服务抱有太高的期望。 工业物联网的实时计算部分是有状态的。 例如，大肆宣传的“边缘计算”实际上是有状态的。 同样，工业仿真软件也是有状态的。 在“状态机”场景下，微服务和容器作用不大。 由于微服务的很多支撑技术（如集群、负载均衡等）通常都是针对无状态的服务场景，在很多工业自动化、仿真等有状态计算中无法充分发挥作用。

当然，配置编译好的PLC项目可以作为微服务包，也可以使用远程更新项目和固件升级。 但仅此而已。 互联网公司过度炒作微服务，很容易导致一些从事自动化开发的人掉进沟里。

一些从事实时操作系统开发的人士认为，阿里云的ECS可以算是工业级的，占用资源少，支持大多数概念，实时性能也是微秒级的。 例如，ARM9 等处理器可以支持具有 16MB 内存的多个容器。 远程控制程序库可以直接打包成ECS包。 同样的，也可以导入环境，实现远程管理、安装、升级等。不过，也存在不同的说法。 使用ECS后，一些搞自动化的人认为ECS是为IT设计的。 实时性虽然好，但不能保证工业控制中所需时间的确定性，即不能保证*差执行时间。 满足控制任务的要求工业4.0将信息物理融合系统（CPS）的扁平化趋势图示，与现场设备不兼容。

上述讨论的一些问题表明，利用云计算技术进行工业自动化仍处于初步探索阶段。 从实时任务及其调度到容器及其编排，虚拟化的方向应该是正确的。 OPC UA是一种典型的有状态服务方法。 目前在欧洲，使用IEC 61131-3+OPC UA进行分布式控制得到了广泛支持，并可能成为主流。

不过，首先，这些技术虽然可以借鉴，但能否经受工业界考验，还需要实际应用的检验； 其次，工业自动化的要求与互联网的要求存在一定的差异。 云计算技术必须将本质应用到工业上，尤其是实时控制上时，是绝对不可能照搬的。 还需要进一步开发和研究，并注重实际应用测试，检验其功能性、可靠性和可信度。

工业自动化领域软件开发的推动和云计算容器化技术的采用将是不可逆转的趋势，对于下一代开放式DCS/PLC系统的软件实现将起到不可替代的推动作用； 在制造系统向分布式、扁平化方向发展的过程中，容器化及其编排技术对于工业自动化领域的软件开发、管理和维护具有重要的应用价值； 在智能制造、工业互联网和工业物联网的发展中，K8s的广泛应用将成为自动化软件的新工具。

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