流程工業(yè)自動(dòng)化軟件未來(lái)發(fā)展問(wèn)題探討
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1工業(yè)軟件與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系
許多工業(yè)領(lǐng)域中為其服務(wù)的工業(yè)軟件，通常與該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在依存關(guān)系。工業(yè)軟件的平臺(tái)往往是若干個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)綜合運(yùn)用的成果。最近幾年有影響的流程工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)，有美國(guó)TheOpenGroup主推的開(kāi)放流程自動(dòng)化系列標(biāo)準(zhǔn)OPAS，德國(guó)NAMUR主推的NAMUR開(kāi)放自動(dòng)化NOA，以及由NAMUR發(fā)起的模塊化類(lèi)型包MTP（ModularTypePackage）。概括來(lái)說(shuō)，OPAS是全開(kāi)放的架構(gòu)，重新定義了DCS和PLC，運(yùn)用市場(chǎng)中領(lǐng)先的軟硬部件致力于互操作性和互換性，以及信息安全的能力；NOA在現(xiàn)有DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上運(yùn)用IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本可控的優(yōu)化和信息安全，力求用獨(dú)立于供應(yīng)商的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)4.0的各種案例；MTP利用現(xiàn)有的DCS和PL的部件無(wú)縫集成為流程裝置的自動(dòng)化單元，強(qiáng)調(diào)在優(yōu)化性?xún)r(jià)比的同時(shí)將工程量降至最低，加快工程交付進(jìn)度。這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖然側(cè)重點(diǎn)不同，但是有許多相同和相似之處。對(duì)于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)太多并不是什么好事情，于是OPAF和NAMUR考慮把這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能夠統(tǒng)一在一個(gè)架構(gòu)之中，提出了如圖1所示的架構(gòu)。在未來(lái)的流程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，特別是通過(guò)運(yùn)用IT技術(shù)的成熟和最新成果，瞄準(zhǔn)虛擬化的方向開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工業(yè)軟件。遵循在綜合運(yùn)用多年來(lái)積累的行之有效的基礎(chǔ)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和IT標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的下一代流程工業(yè)自動(dòng)化的系列標(biāo)準(zhǔn)，參與并深入到全開(kāi)放的自動(dòng)化架構(gòu)中。同時(shí)還要從最終用戶(hù)的利益和需求出發(fā)，考慮新舊交替過(guò)程中的平穩(wěn)過(guò)渡，也是發(fā)展工業(yè)軟件必須遵循的原則。
2容器化技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化軟件開(kāi)發(fā)中成效顯著
當(dāng)前我們正處在工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的變革之中，“軟件正在吞噬世界”的說(shuō)法蘊(yùn)含了軟件在系統(tǒng)中發(fā)揮著“基礎(chǔ)設(shè)施化”的作用，而云計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)方法成為軟件開(kāi)發(fā)的主要方向。經(jīng)過(guò)幾年的摸索，云計(jì)算開(kāi)發(fā)方法在工業(yè)自動(dòng)化軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用的虛擬化方向有了很大進(jìn)展，實(shí)際運(yùn)用的結(jié)果驗(yàn)證了容器化在開(kāi)發(fā)工業(yè)自動(dòng)化軟件中所顯現(xiàn)的優(yōu)越性。同樣是虛擬化的技術(shù)，容器化較之虛擬機(jī)明顯有著以下優(yōu)點(diǎn)：一是APP的顆粒度更細(xì)，有利于形成輕量級(jí)的容器；二是所需的硬件開(kāi)銷(xiāo)要小得多；三是應(yīng)用代碼及其相關(guān)的軟件環(huán)境打包后安排在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)上的容器引擎執(zhí)行運(yùn)行，無(wú)需其它任何支持；四是容器中各個(gè)應(yīng)用程序相互隔離，這種分割保證了信息安全；五是應(yīng)用代碼的更新升級(jí)可以遠(yuǎn)程部署。總之，容器是獨(dú)立的，可以通過(guò)特定的平臺(tái)按照需要來(lái)選擇和部署，給予使用者很大的靈活性；同時(shí)一個(gè)單獨(dú)而且封閉的容器又提供了原生的信息安全。流程自動(dòng)化工業(yè)對(duì)軟件容器有著其特殊的需要，他們需要能在很大范圍容納各種各樣的應(yīng)用軟件，諸如先進(jìn)流程控制APC、流程優(yōu)化和資產(chǎn)管理等，同時(shí)能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口（如OPCUA）交換數(shù)據(jù)。另外，流程自動(dòng)化的容器需要在不同的物理地點(diǎn)和不同的主計(jì)算機(jī)硬件中移動(dòng)。對(duì)于大型的操作來(lái)講，像Kubernetes這樣的編排工具，可以用來(lái)維護(hù)、組織和管理容器庫(kù)，按照資源的可用性自動(dòng)平衡計(jì)算負(fù)載。以Honeywell運(yùn)用虛擬化為例，不但在服務(wù)器層級(jí)運(yùn)用于HMI和應(yīng)用程序中，而且也開(kāi)始擴(kuò)充到流程自動(dòng)化的其它方面，如用于I/O的軟組態(tài)。HoneywellProcessSolution正在考慮讓軟件和硬件解耦的可能性，不僅僅在服務(wù)器中運(yùn)用容器化技術(shù)，也包括控制器和I/O層級(jí)運(yùn)用容器化技術(shù)。Honeywell開(kāi)發(fā)ExperionLCN（ELCN）有效地仿真了TDC3000這樣的老系統(tǒng)，使公司的老客戶(hù)得以將其在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上的投資“無(wú)限地延壽”。它可與老系統(tǒng)100%的二進(jìn)制兼容和互操作。2018年6月Honeywell在用戶(hù)組織的大會(huì)上向公眾宣布，TDC3000相同的代碼可以不加修改運(yùn)行在虛擬環(huán)境中，大大減少了可能的產(chǎn)生技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。TDC環(huán)境的虛擬化帶來(lái)許多附加的利益，包括使工程師具有應(yīng)用Honeywell云基的虛擬工程平臺(tái)（VirtualEngineeringPlatform）的能力去提供TDC的解決方案。自此以后，Honeywell一直在繼續(xù)其虛擬化的版本，在2019年的用戶(hù)大會(huì)上宣稱(chēng)其ExperionPKSHIVE用于高度集成的虛擬環(huán)境。簡(jiǎn)言之就是具有虛擬化的特性的解決方案以及硬件與軟件的解耦已經(jīng)在應(yīng)用程序這一級(jí)、控制器和I/O這一級(jí)實(shí)現(xiàn)。在流程工業(yè)中另一個(gè)容器化的實(shí)例ModuleTypePackage（MTP）正在開(kāi)發(fā)中。MTP本質(zhì)上是運(yùn)用容器技術(shù)創(chuàng)建易于集成、并運(yùn)用預(yù)定義的自動(dòng)化模塊單元實(shí)現(xiàn)模塊化的流程裝置。這種預(yù)定義的自動(dòng)化模塊化單元，易于按照生產(chǎn)的需要添加、安排和調(diào)整。每個(gè)MTP都符合標(biāo)準(zhǔn)化的方法論和框架，包括將它整合到一個(gè)模塊化的裝置中所有必要的信息（如通信服務(wù)、HMI描述、維護(hù)信息等）。例如ABB的MTP提供清單中包括ABBAbility系統(tǒng)800xA操作流程和編排的智能模塊。由一個(gè)開(kāi)放架構(gòu)的骨干網(wǎng)將編排層由模塊層通過(guò)OPCUA通信鏈接。在下一個(gè)五年或更多一些時(shí)間內(nèi)，云軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)相比其它形式的軟件開(kāi)發(fā)，顯然會(huì)成為主要的形式。而且企業(yè)軟件、嵌入式軟件和云軟件這三種軟件開(kāi)發(fā)將會(huì)極大地融合匯聚。有理由期望用于云計(jì)算業(yè)務(wù)的開(kāi)源軟件技術(shù)將會(huì)快速發(fā)展和推廣，所有軟件的開(kāi)發(fā)將會(huì)使用云軟件開(kāi)發(fā)的方法。值得關(guān)注的是，這一融合匯聚將會(huì)被迅速發(fā)展的開(kāi)源軟件的步伐推動(dòng)，而不是由目前工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)所采用的軟件開(kāi)發(fā)方法邁著緩慢的步伐而前行。
作者：彭瑜 單位：上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院
