在IT手艺飞跃成长的年月，流程工业主动化的传统掌握系统DCS正在步入“齿豁头童”。它的关闭性和专用性，极大地阻碍了OT与IT的深入高效的融合。
一个鬼魂正在接近工业主动化的传统地皮。它伟大的潜力，将致使工业主动化厂商历久保有的买卖模型变得日趋陈旧，不得不升级和转型。它还会要求厂商采用正在如潮流涌来的软件手艺和来自云较量范畴的实践。能够一定的是，这一推翻将被几乎整个新的软件手艺，而非硬件手艺所驱动。当这一推翻第一次冲击一连过程主动化的时候，这些新颖的软件手艺的力量和价格，将鞭策流程工业以及其新兴的买卖模型进入很多另外的范畴，包罗工场主动化FA和工业物联网IIoT。驱动这一推翻的一个主要身分就是软件应用的容器化（containerization）。
流程工业主动化的百年新芽
自上个世纪二十年月，流程工业起头了气动仪表和气动掌握器的生产现场应用，最早是在1959年显现了单回路电子掌握器。上世纪70年月8回路数字式掌握器显现，流程工业已经运用生产数据的汗青记录、现场总线收集、天真的系统组态和规模不大的人机界面。
80年月之后，100回路规模的数字式掌握系统DCS起头显现，在L1层起头运用功能块、顺序掌握和自诊断手艺；在L2层已经有了按生产的需要设置分歧规模的系统，大大提高了系统的可用性；在L3层相关的较量机系统已经接近其时的最新水平。
到了2000年，1000回路规模的数字式掌握系统DCS成为主流。流程工业在L1层遍及运用高机能、多功能的DCS系统，配有HART或FF现场总线；而在L3层大量使用低成本的办事器。
图1：DCS的首要进化史
之后的成长，稀奇是近些年来，DCS面临着一些亟待解决的三个主要问题。一个是老龄化。很多正在运行的DCS系统已经服役二三十年，备品备件所需的元器件已经停产或改型，若何低成本且一直产或少停产的进行升级革新，这是最终用户十分关心的问题。第二是继续性。经由几十年运行，掌握系统储蓄了大量的生产运行数据和智能运营的常识库，在掌握系统的升级革新的过程中若何继续和珍爱这些软资产，不容回避。第三是融合性。在IT手艺以高度密集和高速度的体式进入流程工业的今天，OT手艺不得不紧跟IT的措施，不失时机的与之融合。
等不及供给商的动作了。
这一次，是一些有远见的最终用户起头打破僵局，接纳大马金刀的行动。在他们的积极鞭策下，流程主动化行业显现了斥地下一代开放的分布式主动化手艺的全新局势。将来的掌握系统追求的方针很具体：可以低成本替代原有掌握系统，且可按现场需要设置系统；运用进步的边缘设备，但仍可沿用原有的I/O及其电缆布线；具备精巧的APP工业软件的可移植性；轻易与一流的部件和第三方软件集成。还要求用高可用性的实时数据中心组成虚拟化的系统，既要向下有效保持边缘端与I/O端口，向上又要轻易OT与IT的融合。
而这些推翻性的手艺，强烈地受到近些年来IT行业并发的多数个主要手艺的影响和鞭策。个中最主要是大量应用的系统虚拟化，以及云较量、运用普遍的开源软件（OSS）、新软件手艺集成和软件斥地和布置（DevOps），以及超高可用性的布置..。
一百年的老树，正迸发出全新的枝桠。
重现昔时小型机现象
自1970年PLC和DCS进入主动化范畴之后，处于ISA 95的L1和L2的掌握层的主动化硬件和软件构造一向没有更改，迄今为止主动化市场的构造也一向环绕着绑缚式的主动化硬件和软件在演进。
每一个主动化的供给商都斥地本身的软件情况，并将这种软件情况转交给最终用户，而平日他们并不克深入这一软件情况，只能经由供给商供应的掌握器组态软件对象与掌握器交互。这一种构造体式与1970年的小型较量机市场非常雷同，几乎每一个小型机的供给商都是以硬件软件绑缚的应用体式和软件对象，以及本身的渠道伙伴和软件供给商进入和占领市场。
企业掌握的系统集成国际尺度IEC/ISO 62264脱胎于ISA 95。固然这一尺度是在普度CIMS模型的根蒂上成长起来的，适用于流程工业、离散制造业和批量过程工业，但究竟最先获得流程工业的遍及支撑和实践应用。工业4.0的RAMI4.0参考架构模型中的“Hierarchy Levels”的维度，首要是借鉴了ISA 95的概念。因为最终用户对此ISA 95参考模型的承认和青睐，在美国和欧洲工业软件的斥地厂商一样都以此模型为依据。为了更好地办事于智能制造和IIoT的需要，如图1所示，ISA 95在本来的L0至L4的层级之上增加了L5级（企业接入云系统的集成）。
图2：ISA 95的参考模型增加了L5企业云集成
关心现有系统运用新手艺的升级迁徙是现有的工场和成套设备又一个要害的问题。制造厂不许可按整个规模替代已安装和运行多年的ICS工业掌握系统，这或者会对运行造成很大的损坏。而现有系统的数据库储蓄和容纳了大量具有智能特征的数据，因为这些都是在专有系统中实现的，很难用文件描述，或许难以升级迁徙到新的..。制造厂需要非损坏性的路径使他们可以对现有系统进行更新和升级革新。
以埃克森美孚为例，其炼化工场天天从500万个变量（tags）中发生13亿个数据记录！天天13亿，这还不包罗机械数据。存取这么多数据的能力，以及将数据进行剖析行使并转换为活跃的可起感化的信息，是买卖的要害需要。
企业急迫需要从系统到边缘再到云端实现剖析的APPs，可是今朝却不那么轻易完成。供给商应对难题的解决方案，似乎掉队了一大截。举一个实际的例子。美国埃克森美孚公司曾大量使用Honeywell的DCS系统TDC 3000，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，不得不面临升级革新的严重问题。并且为了让这些老系统可以行使Honeywell的云基开放虚拟工程..，使TDC的情况虚拟化，还可以支撑与WirelessHART等无线变送器、仪表的联接，行使低成本、小资源的仿真系统等，他们用了七年时间斥地了Experion LCN R501.1，能够仿真TDC老系统的系统软件，实现100%的二进制兼容和互把持。花了那么长的时间在手艺上得以实现，其成本可想而知。
开放的架构
多年前埃克森美孚的研究和工程部门公开倡议斥地一个全新的、基于尺度的过程掌握架构。2014年他们编创了一个根基特征文件，在2015年的ARC论坛上分发，受到相当的存眷，激发了强烈商议，也获得具有沟通要求的另外最终用户的支撑。因为美国开放集体（The Open Group）在为另外工业部门建立尺度方面的专业性和成功示意，埃克森美孚决意托付这个非盈利的第三方，组织一个新的尺度化运动，面向流程掌握工业中买卖和手艺的挑战，斥地一个新的系列尺度。
The Open Group建立了开放流程主动化论坛OPAF（the Open Process Automation™ Forum），接收一批最初的成员，并于2016年11月在旧金山召开了第一次会议。截止到2018岁尾，该组织已经有跨越133个整体成员，包罗最终用户、硬件和软件供给商、系统集成商、学术单元单子和尺度化组织。显然这是一个以大型的最终用户为主及其支撑者流程主动化供给商构成的配合体。
这个组织的使命就是维新。已经20多年没有更改的DCS的架构，在敏捷成长的IT手艺眼前，将若何更生？它笼盖了最新的分布式云较量手艺和虚拟化手艺从新界说DCS和PLC，以及与优化运营亲切相关的进步掌握和MES（拜见图3）。
图3：开放流程主动化OPAF的局限
图4给出OPAF的架构图。OPAF所界说的DCN透露分布式掌握节点，它是由DCF（分布式掌握框架）和DCP（分布式物理根蒂举措）所构成。图中..所标的均为OPAF所界说的部件和模块；海蓝色所标的则是非OPAF界说的另外系统，如传统的DCS、PLC、剖析仪表系统、电气系统、机监控系统、……，但它们都能够经由DCN接入OPAF所界说的联接性框架OCF。
图4：OPAF的架构图
即使是处理企业买卖的事务性..（企业的IT数据中心）和另外非OPAF情况的系统，都能经由DCN接入OCF。至于执行ISA 95的L2和L3功能（如进步掌握算法、MES等）的OT数据中心直接与OCF相联，这一进步较量..采用容器化的软件手艺，将分歧功能的APP组织容纳在分歧的容器中，形成高效执行软件子系统。
要害使命
作为老牌的实时把持系统的斥地商风河（Wind River），已经界说并完成了一个新一代的..产物Titanium Control Platform，个中工业掌握系统的“虚拟化”和“软件界说”已经运用娴熟。针对那些日趋老化的传统工业掌握系统不克支撑与工业物联网保持的问题，这一..承担了预置云规模的根蒂架构，将几个要害根蒂架构公司的..软件（工业级云治理中央件open stack，工业级Linux，工业级存贮集群ceph）协调组合，离别组成掌握节点、较量节点和存贮节点的协调治理，从而以高性价比的体式为传统掌握系统供应升级革新的或者（详见图5）。
图5：风河的Titanium掌握..
风河在实时把持系统的历久经验与宽泛的低延迟虚拟化和预置的云较量手艺组合起来，在OPAF主导的以义务为要害的（mission critical）验证性项目应用中获得成功。所谓以义务为要害就是需要天天24小时不中止运行，譬如电信系统、航空治理系统、医疗系统、金融剖析系统等。同样，用于流程工业的DCS，也是属于必需不中止运行的掌握系统。
趋附者众
在The Open Group的治理下，该立异项目谋求界说一个能够运用于多个流程工业（化工、炼化、发电、制药、冶金、纸浆和造纸等）的流程掌握架构，知足尺度化、充裕平安性和互把持性的要求。目前工场中所用的随意DCS和PLC的功能，都能够被这些由办事器和许很多多较量资源和存储资源要求充沛小的主动化边缘设备构成的新系统所替代。图6给出了从现有已在役的DCS/PLC系统慢慢地升级迁徙到这些小的边缘设备，以及预置的高可用性的办事器的成长趋势。
图6：新一代分布式掌握系统
OPAF的方针是对ISA 95的L1和L2的功能尺度化 这些功能是：现场设备和仪表的根基的输入和输出，以及执行调节掌握的功能块。今朝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功能块。埃克森美孚和另外一些最终用户深信不疑能够用更多但更小的边缘设备作为过程掌握器。这些小的硬件设备每台能够掌握少到一两个回路，实际上执行过程主动化的微办事。
经由验证的系统使这一立异项目由或者实现进展为实际。OPAF与洛克希德马丁公司和另外公司的一个团队慎密合作，在OPAF架构和由OPAF所选择使用的工业尺度的根蒂上斥地了一个原型系统，进行验证。
介入这一概念验证系统工作的OPAF成员包罗：R.STAHL（供应常规I/O），施耐德电气（供应智能I/O），Intel（供应分布式掌握节点DCNs），NXT control（已被施耐德收购，供应DCNs和软件掌握器，ABB（供应软件掌握器），AspenTech（供应进步掌握软件APC），Inductive Automation（供应人机界面HMI），ANSYS（供应另一个HMI），Wind River（供应实时进步较量..RTAC）。
验证的究竟令人欣喜，这表明OPAF架构已经由概念转化为正在运行的概念验证的系统。在工业主动化界已经商议了十多年的开放主动化系统的或者性，正在一步一步的变为实际。对于流程主动化的行业这不啻为一件感动人心的事件。在2019年二月该组织正式推出了新尺度的第一版O-PAS Version1.0，给出了一个与供给商无关的参考架构；并且还规划2020年在埃克森美孚和另外至少两个现场进行试验。
容器化软件手艺
发源于UNIX的软件容器化手艺，经由LINUX开源软件的鼎力鞭策，业已大大降低了门槛，成为能够较遍及把握和运用的手艺。对于软件斥地商和最终用户，软件容器供应两个伟大价格：1）软件容器手艺可为随意数量的机械、物理或虚拟对象，供应主动的设置、布置和治理分布式应用的方式和手段。（2）容器软件斥地的过程建立了一个“容器图像”的存贮库，在软件交付时，这一容器图像形式可在分歧于本来斥地的软硬件情况的另一种情况中协调地建立，同时还主动竖立了包罗运行应用软件所要求的所有的软工作情况。
斥地容器图像的过程已经完成了一种高度的抽象，使它自力于异构的多CPU、把持系统、软件版本，以及在斥地时代运行的情况。因为容器图像规定的局限仅容纳在一个应用软件内，所以容器会将斥地者的注重力从治理较量机转移到去治理应用。这极大地改善了应用的布置能力和可见性。容器的斥地、布置和买卖流程的软件对象在前五到十年中已经臻于成熟。显而易见，传统的嵌入式系统软件手艺在交付和治理分布式和高可用性的应用软件的能力方面，基本无法与容器软件手艺相抗衡。
今朝在工业主动化行业和汽车、电信这些大行业中，正在为分布式主动化或功能性建立参考架构，甚至在建立特定的解决方案。
全球的汽车工业今朝正在起劲斥地一种参考架构，谋求使一辆汽车兼具平安、主动驾驶、长途办事、信息娱乐和舒适的机能。这包罗界说一个专门的被称为汽车级的Linux（Automotive Grade Linux ）的Linux软件集。在电信行业，很多公司正在斥地包罗旌旗收发基站的根蒂NFV（收集功能虚拟化），以及和电信中央交流器的虚拟化处理功能CORD（Central Office Re-architected as a Datacenter）。
为迎接数字化转型的挑战，这些新创项目具有很多配合的特点：要求大规模并且长生命周期的长途布置软件的治理，在工业软件的斥地、布置和维护，以及所有类型的硬件（包罗嵌入式设备）都有所冲破，而不是渐近的改善。
这些冲破正在顺利进行或已经完成。一些领先的软件容器治理和协调设置的开源对象已经具有实时进行分布式应用软件的布置和治理的能力，并且在贸易上达到能够供应的水平。能够预期，同样的软件对象将也能融合到开放过程主动化的立异项目中。
图7释出容器化软件的道理框图，图中透露Docker将应用软件分隔为多数个可治理的APP功能模块，并将它们打包在一个容器中。Docker集成Linux的容器化手艺的目的，一方面是为认识决应用软件的斥地能适应每一种斥地情况，另一方面是为认识决代码依靠性的跟踪、应用软件的可扩可缩，以及仅仅点窜升级个体APP而不会影响整个的应用软件等问题。
图7：Docker公司斥地的容器软件手艺框图
图8则透露将容器手艺若何运用于OPAF的架构，组成一个分布式掌握节点DCN。凭据实际的需要，可在在一个DCN容器中容纳所需要的各类APP，如监控和治理DCN的APP、现场总线和工业以太网的APP、现有的过程掌握算法APP、新斥地的过程掌握算法APP等等。
图8：运用容器手艺组成分布式掌握节点DCN
从手艺成熟度来讲，基于容器的软件布置已经高度尺度化了，以开源的形式供应使用。它运用普遍，并为很多分歧类型的..所成功运用，从非常的大的系统（Google）到最小的较量机系统（树莓派，Raspberry Pi），都已经获得现场运用的验证。
软件斥地的三大类别
从成长过程看，软件斥地已经分成了三个首要的类别：企业软件（买卖运行）；嵌入式软件（运行于设备、模块等“物”中）；比来一些年形成的云软件（运行于第三方的云资源上）。尽管这三类软件存在着一些重叠，但它们各自有自身奇特的斥地及其对象情况。
流程工业主动化的将来 主动化 软服之家
软件斥地的三个类别
鄙人一个五年或更多一些时间内，云软件斥地手艺比拟另外形式的软件斥地，显然会成为首要的形式，并且这三种软件斥地将会极大地融合汇聚。更值得存眷的是，这一融合汇聚将会被敏捷成长的开源软件的措施所鞭策，而不是由今朝工业主动化工业所采用的软件斥地方式迈着迟缓的措施在前行。
这一融合汇聚的第一阶段将是所谓原生云软件（cloud-native software）的斥地，斥地常规企业软件与云软件的融合。当云原生软件以向下扩展的形式聚焦嵌入式软件在物联网，稀奇是工业物联网的要求时，这将鞭策第二阶段的融合。工业主动化已迈开了如许的措施，在曩昔的两年中已经在很多工业产物导入了Docker和Linux容器的手艺。除此而外，一种正在云执行..上显现、并被称为单核与嵌入式软件斥地低资源的专业组合的云手艺，也不容轻忽。单核手艺今朝还活跃在很多研究范畴中，但很快会转入应用。事实优势险投资已经在向为企业和工业IoT市场斥地单核产物的偏向投资。
云较量是一个有2500亿美元的研发投资的大买卖。它正在敏捷增进，并首要被诸如亚马逊、阿里巴巴、微软、Google、IBM及相关巨头所掌控和存眷，竞争非常激烈。有来由盼望用于云较量买卖的开源软件手艺将会快速成长和推广。不出5年时间所有软件的斥地将会使用云软件斥地的方式。在软件的“食物链”内，若是“软件正在吞噬世界”，那么吞噬软件斥地的软件则是云软件斥地及其对象。甚至在嵌入式软件的特别的范畴内斥地几乎会被当前和将来的云软件手艺所摆布，或许说被当前和将来的云软件手艺所淹没。
统一与不合
下一代的DCS和PLC正在向开放、分布式、具有充裕的互把持性和内涵的信息平安的架构成长。而要有效地实现如许的架构，需要大量地采用开源的云较量软件手艺。在往后的分布式掌握系统DCS和PLC的主动化应用，容器软件手艺必然会大放异彩。能够毫不夸张地说，有效的运用容器布置和买卖流程编排软件很或者成为将来过程主动化系统成功的要害身分。
手艺上能够说是大势所趋。但在买卖模式上却显现两种对立的概念。OPAF发布的买卖指南中指出，要害的好处攸关者是多元化的，包罗最终用户、系统集成商、硬件供给商、分系统供给商、软件供给商和办事供应商。鄙人一代的流程主动化系统中，系统集成商/分系统集成商的脚色将越来越要害。从如今的单一的DCS供给商转换为系统集成商，将是一次流程主动化款式的重塑。
然而以DCS系统首要厂商之一的艾默生则并不想要如斯复杂的局势。它对峙认为，用户宁肯依靠一两个计谋性的的供给商，而不是依靠少数几个和谈和系统集成商的能力，去将几千个智能设备集成起来。艾默生这一派盼望持续沿袭流程工业迄今为止习用的方式，即一个伟大的工程项目只能由一两个有完万能力的计谋承包商负责。因为定见错误，艾默生于2018年还退出了OPAF这一组织。
另辟门路的德国人
在美国人牵头的OPAF从新界说现有DCS、PLC之后，德国流程工业用户组织NAMUR提出了另一类的开放架构NOA，并规划在2021年至2022年以IEC的尺度发布。
德国NAMUR倡议的NOA（见图9），对峙在原有的工业信息化、主动化金字塔构造的前提下，引入确有实效的IT手艺，与OT手艺深度融合，提拔运行维护的优化能力。
图9：NAMUR的开放架构
由图9能够清楚地发现：（1）NOA开放架构其顶层设计的起点和方针都是环绕不篡改现有的流程工业主动化、信息化的金字塔构造考虑的。是以其开放架构的构想是在原有的根蒂上引入云较量手艺和另外新的IT手艺，以增强和充实原有架构开放性不足的缺陷，又不至于因为开放而损失信息平安的内涵包管。（2）NOA所设计的局限涵盖由现场级、根蒂主动化级、MES级到ERP级，而不像OPAF仅涉及L1和L2。（3）充裕考虑用户已有资产的可用性和平安性，在进行IT与OT融合升级时不会伤筋动骨。（4）作为德国提出的流程工业的开放架构，NOA还需要充裕考虑与德国工业4.0的对接，是以增加了按工业4.0资产治理壳的理念和方式对现场设备进行治理。（5）但NOA没有对现有的DCS若何升级迁徙作出任何考虑，面临现有在役DCS日益老化，备品备件难以历久供给的逆境，没有给出解决方案。
笔者认为，作为从不接收主动化制造厂商列入的纯用户组织，NAMUR更多地是从用户今朝的好处出发，其合理性示意在尽量挖掘现有系统的潜力，能少花钱就不多花钱。
图10：NAMUR的NOA架构框图
图10进一步诠释了NOA架构的构想。在这个别系中，焦点的过程掌握是具有确定性的掌握系统DCS，这是现存的专用系统，不具备开放性。为实现运维监控和优化，NOA的解决方案是在流程工业的装配这一级引入具有开放性和靠得住性的IT根蒂架构，这是一个相关工业软件APP..，执行功课调剂、进步过程掌握、报警治理，同时也实现对工业4.0设备的治理（即按工业4.0要求完成资产治理壳的治理）；为合营优化和展望性维护所加装的低成本多参数的传感器和对生产装配监控的振动检测系统，全都纳入这一系统。现存的的DCS系统经由开放的OPC UA与装配级M+O系统保持。在此根蒂上再在多个已建成的装配级M+O系统之上，竖立集中的全局的M+O系统，执行排产、进步的剖析、汗青记录、靠得住性治理、集中的HMI，以及生产收集的仿真等功能。这同样应该是一个开放靠得住的相关工业软件的APP..。固然现有的DCS系统只有专用的接口，但为了与集中的M+O系统保持，需要将其转换为开放性的接口。如许的设计达到了NAMUR纰谬现有DCS系统加以篡改的初志。
小记：两行白鹭上苍天
尽管在若何实现开放性上，稀奇是DCS若何升级迁徙上，OPAF与NOA大相庭径，不外他们照样找到了根蒂要求的配合点，即他们都需要完美的描述现场设备的信息模型。在这一点上，他们都支撑由现场通信集体（FieldComm GROUP） 、OPC基金会和ProfiBUS/ProfiNET国际组织正在合作斥地的流程主动化现场设备的信息模型PA-DIM。
此外，这些年不事声张在斥地的进步物理层和谈APL也大有进展，行使单根双绞线传输10MHz以太网旌旗同时为现场设备供电的手艺，已经日趋成熟。
自此，活着界局限内环绕流程工业开放主动化的将来成长，已经显现了两条显着分歧但大有潜力的手艺路线。流程工业主动化完整的将来蓝图，根基成型。
