在IT技術(shù)飛躍發(fā)展的年代，流程工業(yè)自動(dòng)化的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)DCS正在步入“老態(tài)龍鐘”。它的封閉性和專用性，極大地阻礙了OT與IT的深入高效的融合。
一個(gè)幽靈正在接近工業(yè)自動(dòng)化的傳統(tǒng)地盤。它巨大的潛力，將致使工業(yè)自動(dòng)化廠商長(zhǎng)期保有的業(yè)務(wù)模型變得日趨陳舊，不得不升級(jí)和轉(zhuǎn)型。它還會(huì)要求廠商采用正在如潮水涌來(lái)的軟件技術(shù)和來(lái)自云計(jì)算領(lǐng)域的實(shí)踐?？梢钥隙ǖ氖?，這一顛覆將被幾乎整個(gè)新的軟件技術(shù)，而非硬件技術(shù)所驅(qū)動(dòng)。當(dāng)這一顛覆第一次沖擊連續(xù)過(guò)程自動(dòng)化的時(shí)候，這些新穎的軟件技術(shù)的力量和價(jià)值，將推動(dòng)流程工業(yè)以及其新興的業(yè)務(wù)模型進(jìn)入許多其它的領(lǐng)域，包括工廠自動(dòng)化FA和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT。驅(qū)動(dòng)這一顛覆的一個(gè)重要因素就是軟件應(yīng)用的容器化（containerization）。
流程工業(yè)自動(dòng)化的百年新芽
自上個(gè)世紀(jì)二十年代，流程工業(yè)開始了氣動(dòng)儀表和氣動(dòng)控制器的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，最早是在1959年出現(xiàn)了單回路電子控制器。上世紀(jì)70年代8回路數(shù)字式控制器出現(xiàn)，流程工業(yè)已經(jīng)運(yùn)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史記錄、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、靈活的系統(tǒng)組態(tài)和規(guī)模不大的人機(jī)界面。
80年代之后，100回路規(guī)模的數(shù)字式控制系統(tǒng)DCS開始出現(xiàn)，在L1層開始運(yùn)用功能塊、順序控制和自診斷技術(shù)；在L2層已經(jīng)有了按生產(chǎn)的需要配置不同規(guī)模的系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可用性；在L3層相關(guān)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)接近當(dāng)時(shí)的最新水平。
到了2000年，1000回路規(guī)模的數(shù)字式控制系統(tǒng)DCS成為主流。流程工業(yè)在L1層普遍運(yùn)用高性能、多功能的DCS系統(tǒng)，配有HART或FF現(xiàn)場(chǎng)總線；而在L3層大量使用低成本的服務(wù)器。

之后的發(fā)展，特別是近些年來(lái)，DCS面臨著一些亟待解決的三個(gè)重要問(wèn)題。一個(gè)是老齡化。許多正在運(yùn)行的DCS系統(tǒng)已經(jīng)服役二三十年，備品備件所需的元器件已經(jīng)停產(chǎn)或改型，如何低成本且不停產(chǎn)或少停產(chǎn)的進(jìn)行升級(jí)改造，這是最終用戶十分關(guān)心的問(wèn)題。第二是繼承性。經(jīng)過(guò)幾十年運(yùn)行，控制系統(tǒng)積累了大量的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和智能運(yùn)營(yíng)的知識(shí)庫(kù)，在控制系統(tǒng)的升級(jí)改造的過(guò)程中如何繼承和保護(hù)這些軟資產(chǎn)，不容回避。第三是融合性。在IT技術(shù)以高度密集和高速度的方式進(jìn)入流程工業(yè)的今天，OT技術(shù)不得不緊跟IT的步伐，不失時(shí)機(jī)的與之融合。
等不及供應(yīng)商的動(dòng)作了。
這一次，是一些有遠(yuǎn)見的最終用戶開始打破僵局，采取大刀闊斧的舉措。在他們的積極推動(dòng)下，流程自動(dòng)化行業(yè)出現(xiàn)了開發(fā)下一代開放的分布式自動(dòng)化技術(shù)的全新局面。未來(lái)的控制系統(tǒng)追求的目標(biāo)很具體：能夠低成本替代原有控制系統(tǒng)，且可按現(xiàn)場(chǎng)需要配置系統(tǒng)；運(yùn)用先進(jìn)的邊緣設(shè)備，但仍可沿用原有的I/O及其電纜布線；具備良好的APP工業(yè)軟件的可移植性；方便與一流的部件和第三方軟件集成。還要求用高可用性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心構(gòu)成虛擬化的系統(tǒng)，既要向下有效連接邊緣端與I/O端口，向上又要方便OT與IT的融合。
而這些顛覆性的技術(shù)，強(qiáng)烈地受到近些年來(lái)IT行業(yè)并發(fā)的若干個(gè)重要技術(shù)的影響和推動(dòng)。其中最重要是大量應(yīng)用的系統(tǒng)虛擬化，以及云計(jì)算、運(yùn)用廣泛的開源軟件（OSS）、新軟件技術(shù)集成和軟件開發(fā)和部署（DevOps），以及超高可用性的部署平臺(tái)。 
一百年的老樹，正迸發(fā)出全新的枝椏。
重現(xiàn)當(dāng)年小型機(jī)現(xiàn)象
自1970年P(guān)LC和DCS進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域之后，處于ISA 95的L1和L2的控制層的自動(dòng)化硬件和軟件結(jié)構(gòu)一直沒(méi)有變動(dòng)，迄今為止自動(dòng)化市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)也一直圍繞著捆綁式的自動(dòng)化硬件和軟件在演進(jìn)。
每一個(gè)自動(dòng)化的供應(yīng)商都開發(fā)自己的軟件環(huán)境，并將這種軟件環(huán)境轉(zhuǎn)交給最終用戶，而通常他們并不能深入這一軟件環(huán)境，只能通過(guò)供應(yīng)商提供的控制器組態(tài)軟件工具與控制器交互。這一種結(jié)構(gòu)方式與1970年的小型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)非常類似，幾乎每一個(gè)小型機(jī)的供應(yīng)商都是以硬件軟件捆綁的應(yīng)用方式和軟件工具，以及自己的渠道伙伴和軟件供應(yīng)商進(jìn)入和占領(lǐng)市場(chǎng)。
企業(yè)控制的系統(tǒng)集成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISO 62264脫胎于ISA 95。雖然這一標(biāo)準(zhǔn)是在普度CIMS模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，適用于流程工業(yè)、離散制造業(yè)和批量過(guò)程工業(yè)，但畢竟最先獲得流程工業(yè)的普遍支持和實(shí)踐應(yīng)用。工業(yè)4.0的RAMI4.0參考架構(gòu)模型中的“Hierarchy Levels”的維度，主要是借鑒了ISA 95的概念。由于最終用戶對(duì)此ISA 95參考模型的認(rèn)可和青睞，在美國(guó)和歐洲工業(yè)軟件的開發(fā)廠商一般都以此模型為依據(jù)。為了更好地服務(wù)于智能制造和IIoT的需要，如圖1所示，ISA 95在原來(lái)的L0至L4的層級(jí)之上增加了L5級(jí)（企業(yè)接入云系統(tǒng)的集成）。

關(guān)心現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)用新技術(shù)的升級(jí)遷移是現(xiàn)有的工廠和成套設(shè)備又一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。制造廠不允許按整個(gè)規(guī)模替代已安裝和運(yùn)行多年的ICS工業(yè)控制系統(tǒng)，這可能會(huì)對(duì)運(yùn)行造成很大的破壞。而現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)積累和容納了大量具有智能特性的數(shù)據(jù)，由于這些都是在專有系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，很難用文件描述，或者難以升級(jí)遷移到新的平臺(tái)。制造廠需要非破壞性的路徑使他們能夠?qū)ΜF(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行更新和升級(jí)改造。
以?？松梨跒槔?，其煉化工廠每天從500萬(wàn)個(gè)變量（tags）中產(chǎn)生13億個(gè)數(shù)據(jù)記錄！每天13億，這還不包括機(jī)械數(shù)據(jù)。存取這么多數(shù)據(jù)的能力，以及將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析利用并轉(zhuǎn)換為活躍的可起作用的信息，是業(yè)務(wù)的關(guān)鍵需要。
企業(yè)迫切需要從系統(tǒng)到邊緣再到云端實(shí)現(xiàn)分析的APPs，可是目前卻不那么容易完成。供應(yīng)商應(yīng)對(duì)難題的解決方案，似乎落后了一大截。舉一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子。美國(guó)?？松梨诠驹罅渴褂肏oneywell的DCS系統(tǒng)TDC 3000，這些服役二、三十年的系統(tǒng)其備品備件最多可用到2025年。也就是說(shuō)大約還有五六年的時(shí)間，不得不面臨升級(jí)改造的嚴(yán)重問(wèn)題。而且為了讓這些老系統(tǒng)能夠利用Honeywell的云基開放虛擬工程平臺(tái)，使TDC的環(huán)境虛擬化，還能夠支持與WirelessHART等無(wú)線變送器、儀表的聯(lián)接，利用低成本、小資源的仿真系統(tǒng)等，他們用了七年時(shí)間開發(fā)了Experion LCN R501.1，可以仿真TDC老系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)100%的二進(jìn)制兼容和互操作?；四敲撮L(zhǎng)的時(shí)間在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn)，其成本可想而知。
開放的架構(gòu)
多年前?？松梨诘难芯亢凸こ滩块T公開倡議開發(fā)一個(gè)全新的、基于標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程控制架構(gòu)。2014年他們編創(chuàng)了一個(gè)基本特性文件，在2015年的ARC論壇上分發(fā)，受到相當(dāng)?shù)年P(guān)注，引發(fā)了熱烈討論，也得到具有相同要求的其它最終用戶的支持。由于美國(guó)開放集團(tuán)（The Open Group）在為其它工業(yè)部門創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)方面的專業(yè)性和成功表現(xiàn)，埃克森美孚決定委托這個(gè)非盈利的第三方，組織一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，面向流程控制工業(yè)中業(yè)務(wù)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，開發(fā)一個(gè)新的系列標(biāo)準(zhǔn)。
The Open Group創(chuàng)建了開放流程自動(dòng)化論壇OPAF（the Open Process Automation™ Forum），吸收一批最初的成員，并于2016年11月在舊金山召開了第一次會(huì)議。截止到2018年底，該組織已經(jīng)有超過(guò)133個(gè)團(tuán)體成員，包括最終用戶、硬件和軟件供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商、學(xué)術(shù)單位和標(biāo)準(zhǔn)化組織。顯然這是一個(gè)以大型的最終用戶為主及其支持者流程自動(dòng)化供應(yīng)商組成的共同體。
這個(gè)組織的使命就是維新。已經(jīng)20多年沒(méi)有變動(dòng)的DCS的架構(gòu)，在迅速發(fā)展的IT技術(shù)面前，將如何重生？它覆蓋了最新的分布式云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)重新定義DCS和PLC，以及與優(yōu)化運(yùn)營(yíng)密切相關(guān)的先進(jìn)控制和MES（參見圖3）。

圖4給出OPAF的架構(gòu)圖。OPAF所定義的DCN表示分布式控制節(jié)點(diǎn)，它是由DCF（分布式控制框架）和DCP（分布式物理基礎(chǔ)設(shè)施）所組成。圖中黃色所標(biāo)的均為OPAF所定義的部件和模塊；海藍(lán)色所標(biāo)的則是非OPAF定義的其它系統(tǒng)，如傳統(tǒng)的DCS、PLC、分析儀表系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、……，但它們都可以經(jīng)由DCN接入OPAF所定義的聯(lián)接性框架OCF。

即使是處理企業(yè)業(yè)務(wù)的事務(wù)性平臺(tái)（企業(yè)的IT數(shù)據(jù)中心）和其它非OPAF環(huán)境的系統(tǒng)，都能經(jīng)由DCN接入OCF。至于執(zhí)行ISA 95的L2和L3功能（如先進(jìn)控制算法、MES等）的OT數(shù)據(jù)中心直接與OCF相聯(lián)，這一先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)采用容器化的軟件技術(shù)，將不同功能的APP組織容納在不同的容器中，形成高效執(zhí)行軟件子系統(tǒng)。
關(guān)鍵使命
作為老牌的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)商風(fēng)河（Wind River），已經(jīng)定義并完成了一個(gè)新一代的平臺(tái)產(chǎn)品Titanium Control Platform，其中工業(yè)控制系統(tǒng)的“虛擬化”和“軟件定義”已經(jīng)運(yùn)用嫻熟。針對(duì)那些日趨老化的傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)不能支持與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接的問(wèn)題，這一平臺(tái)承擔(dān)了預(yù)置云規(guī)模的基礎(chǔ)架構(gòu)，將幾個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)公司的平臺(tái)軟件（工業(yè)級(jí)云管理中間件open stack，工業(yè)級(jí)Linux，工業(yè)級(jí)存貯集群ceph）協(xié)調(diào)組合，分別構(gòu)成控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存貯節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)管理，從而以高性價(jià)比的方式為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)提供升級(jí)改造的可能（詳見圖5）。

風(fēng)河在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)與寬泛的低延遲虛擬化和預(yù)置的云計(jì)算技術(shù)組合起來(lái)，在OPAF主導(dǎo)的以任務(wù)為關(guān)鍵的（mission critical）驗(yàn)證性項(xiàng)目應(yīng)用中獲得成功。所謂以任務(wù)為關(guān)鍵就是需要每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行，譬如電信系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、金融分析系統(tǒng)等。同樣，用于流程工業(yè)的DCS，也是屬于必須不間斷運(yùn)行的控制系統(tǒng)。
趨之若鶩
在The Open Group的管理下，該創(chuàng)新項(xiàng)目謀求定義一個(gè)可以運(yùn)用于多個(gè)流程工業(yè)（化工、煉化、發(fā)電、制藥、冶金、紙漿和造紙等）的流程控制架構(gòu)，滿足標(biāo)準(zhǔn)化、充分安全性和互操作性的要求。當(dāng)今工廠中所用的任意DCS和PLC的功能，都可以被這些由服務(wù)器和許許多多計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源要求足夠小的自動(dòng)化邊緣設(shè)備組成的新系統(tǒng)所替代。圖6給出了從現(xiàn)有已在役的DCS/PLC系統(tǒng)逐步地升級(jí)遷移到這些小的邊緣設(shè)備，以及預(yù)置的高可用性的服務(wù)器的發(fā)展趨勢(shì)。

OPAF的目標(biāo)是對(duì)ISA 95的L1和L2的功能標(biāo)準(zhǔn)化  這些功能是：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表的基本的輸入和輸出，以及執(zhí)行調(diào)節(jié)控制的功能塊。目前這些功能都是由專用的DCS和PLC來(lái)完成的，規(guī)模約為100至1000個(gè)PID功能塊。埃克森美孚和其它一些最終用戶深信不疑可以用更多但更小的邊緣設(shè)備作為過(guò)程控制器。這些小的硬件設(shè)備每臺(tái)可以控制少到一兩個(gè)回路，實(shí)際上執(zhí)行過(guò)程自動(dòng)化的微服務(wù)。
經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的系統(tǒng)使這一創(chuàng)新項(xiàng)目由可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)展為現(xiàn)實(shí)。OPAF與洛克希德馬丁公司和其它公司的一個(gè)團(tuán)隊(duì)緊密合作，在OPAF架構(gòu)和由OPAF所選擇使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)，進(jìn)行驗(yàn)證。
參與這一概念驗(yàn)證系統(tǒng)工作的OPAF成員包括：R.STAHL（提供常規(guī)I/O），施耐德電氣（提供智能I/O），Intel（提供分布式控制節(jié)點(diǎn)DCNs），NXT control（已被施耐德收購(gòu)，提供DCNs和軟件控制器，ABB（提供軟件控制器），AspenTech（提供先進(jìn)控制軟件APC），Inductive Automation（提供人機(jī)界面HMI），ANSYS（提供另一個(gè)HMI），Wind River（提供實(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)RTAC）。
驗(yàn)證的結(jié)果令人欣喜，這表明OPAF架構(gòu)已經(jīng)由概念轉(zhuǎn)化為正在運(yùn)行的概念驗(yàn)證的系統(tǒng)。在工業(yè)自動(dòng)化界已經(jīng)討論了十多年的開放自動(dòng)化系統(tǒng)的可能性，正在一步一步的變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。對(duì)于流程自動(dòng)化的行業(yè)這不啻為一件激動(dòng)人心的事件。在2019年二月該組織正式推出了新標(biāo)準(zhǔn)的第一版O-PAS Version1.0，給出了一個(gè)與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的參考架構(gòu)；而且還計(jì)劃2020年在?？松梨诤推渌辽賰蓚€(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。
容器化軟件技術(shù)
發(fā)源于UNIX的軟件容器化技術(shù)，經(jīng)過(guò)LINUX開源軟件的大力推動(dòng)，業(yè)已大大降低了門檻，成為可以較普遍掌握和運(yùn)用的技術(shù)。對(duì)于軟件開發(fā)商和最終用戶，軟件容器提供兩個(gè)巨大價(jià)值：1）軟件容器技術(shù)可為任意數(shù)量的機(jī)器、物理或虛擬對(duì)象，提供自動(dòng)的配置、部署和管理分布式應(yīng)用的方法和手段。（2）容器軟件開發(fā)的過(guò)程創(chuàng)建了一個(gè)“容器圖像”的存貯庫(kù)，在軟件交付時(shí)，這一容器圖像形式可在不同于原來(lái)開發(fā)的軟硬件環(huán)境的另一種環(huán)境中協(xié)調(diào)地創(chuàng)建，同時(shí)還自動(dòng)建立了包括運(yùn)行應(yīng)用軟件所要求的所有的軟工作環(huán)境。
開發(fā)容器圖像的過(guò)程已經(jīng)完成了一種高度的抽象，使它獨(dú)立于異構(gòu)的多CPU、操作系統(tǒng)、軟件版本，以及在開發(fā)期間運(yùn)行的環(huán)境。由于容器圖像劃定的范圍僅容納在一個(gè)應(yīng)用軟件內(nèi)，所以容器會(huì)將開發(fā)者的注意力從管理計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到去管理應(yīng)用。這極大地改善了應(yīng)用的部署能力和可見性。容器的開發(fā)、部署和業(yè)務(wù)流程的軟件工具在前五到十年中已經(jīng)臻于成熟。顯而易見，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)在交付和管理分布式和高可用性的應(yīng)用軟件的能力方面，根本無(wú)法與容器軟件技術(shù)相抗衡。
目前在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)和汽車、電信這些大行業(yè)中，正在為分布式自動(dòng)化或功能性創(chuàng)建參考架構(gòu)，甚至在創(chuàng)建特定的解決方案。
全球的汽車工業(yè)目前正在努力開發(fā)一種參考架構(gòu)，謀求使一輛汽車兼具安全、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程服務(wù)、信息娛樂(lè)和舒適的性能。這包括定義一個(gè)專門的被稱為汽車級(jí)的Linux（Automotive Grade Linux ）的Linux軟件集。在電信行業(yè)，許多公司正在開發(fā)包括信號(hào)收發(fā)基站的基礎(chǔ)NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化），以及和電信中央交換器的虛擬化處理功能CORD（Central Office Re-architected as a Datacenter）。
為迎接數(shù)字化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，這些新創(chuàng)項(xiàng)目具有許多共同的特點(diǎn)：要求大規(guī)模而且長(zhǎng)生命周期的遠(yuǎn)程部署軟件的管理，在工業(yè)軟件的開發(fā)、部署和維護(hù)，以及所有類型的硬件（包括嵌入式設(shè)備）都有所突破，而不是漸近的改進(jìn)。
這些突破正在順利進(jìn)行或已經(jīng)完成。一些領(lǐng)先的軟件容器管理和協(xié)調(diào)配置的開源工具已經(jīng)具有實(shí)時(shí)進(jìn)行分布式應(yīng)用軟件的部署和管理的能力，而且在商業(yè)上達(dá)到可以提供的水平?？梢灶A(yù)期，同樣的軟件工具將也能融合到開放過(guò)程自動(dòng)化的創(chuàng)新項(xiàng)目中。
圖7釋出容器化軟件的原理框圖，圖中表示Docker將應(yīng)用軟件分隔為若干個(gè)可管理的APP功能模塊，并將它們打包在一個(gè)容器中。Docker集成Linux的容器化技術(shù)的目的，一方面是為了解決應(yīng)用軟件的開發(fā)能適應(yīng)每一種開發(fā)環(huán)境，另一方面是為了解決代碼依賴性的跟蹤、應(yīng)用軟件的可擴(kuò)可縮，以及僅僅修改升級(jí)個(gè)別APP而不會(huì)影響整個(gè)的應(yīng)用軟件等問(wèn)題。 


圖8則表示將容器技術(shù)如何運(yùn)用于OPAF的架構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)分布式控制節(jié)點(diǎn)DCN。根據(jù)實(shí)際的需要，可在在一個(gè)DCN容器中容納所需要的各種APP，如監(jiān)控和管理DCN的APP、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的APP、現(xiàn)有的過(guò)程控制算法APP、新開發(fā)的過(guò)程控制算法APP等等。

從技術(shù)成熟度來(lái)講，基于容器的軟件部署已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化了，以開源的形式提供使用。它運(yùn)用廣泛，并為許多不同類型的平臺(tái)所成功運(yùn)用，從非常的大的系統(tǒng)（Google）到最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（樹莓派，Raspberry Pi），都已經(jīng)得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的驗(yàn)證。
軟件開發(fā)的三大類別
從發(fā)展過(guò)程看，軟件開發(fā)已經(jīng)分成了三個(gè)主要的類別：企業(yè)軟件（業(yè)務(wù)運(yùn)行）；嵌入式軟件（運(yùn)行于設(shè)備、模塊等“物”中）；最近一些年形成的云軟件（運(yùn)行于第三方的云資源上）。盡管這三類軟件存在著一些重疊，但它們各自有自身獨(dú)特的開發(fā)及其工具環(huán)境。

軟件開發(fā)的三個(gè)類別
在下一個(gè)五年或更多一些時(shí)間內(nèi)，云軟件開發(fā)技術(shù)相比其它形式的軟件開發(fā)，顯然會(huì)成為主要的形式，而且這三種軟件開發(fā)將會(huì)極大地融合匯聚。更值得關(guān)注的是，這一融合匯聚將會(huì)被迅速發(fā)展的開源軟件的步伐所推動(dòng)，而不是由目前工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)所采用的軟件開發(fā)方法邁著緩慢的步伐在前行。
這一融合匯聚的第一階段將是所謂原生云軟件（cloud-native software）的開發(fā)，開發(fā)常規(guī)企業(yè)軟件與云軟件的融合。當(dāng)云原生軟件以向下擴(kuò)展的形式聚焦嵌入式軟件在物聯(lián)網(wǎng)，特別是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的要求時(shí)，這將推動(dòng)第二階段的融合。工業(yè)自動(dòng)化已邁開了這樣的步伐，在過(guò)去的兩年中已經(jīng)在許多工業(yè)產(chǎn)品導(dǎo)入了Docker和Linux容器的技術(shù)。除此而外，一種正在云執(zhí)行平臺(tái)上出現(xiàn)、并被稱為單核與嵌入式軟件開發(fā)低資源的專業(yè)組合的云技術(shù)，也不容忽視。單核技術(shù)目前還活躍在許多研究領(lǐng)域中，但很快會(huì)轉(zhuǎn)入應(yīng)用。事實(shí)上風(fēng)險(xiǎn)投資已經(jīng)在向?yàn)槠髽I(yè)和工業(yè)IoT市場(chǎng)開發(fā)單核產(chǎn)品的方向投資。
云計(jì)算是一個(gè)有2500億美元的研發(fā)投資的大業(yè)務(wù)。它正在迅速增長(zhǎng)，并主要被諸如亞馬遜、阿里巴巴、微軟、Google、IBM及相關(guān)巨頭所掌控和關(guān)注，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。有理由期望用于云計(jì)算業(yè)務(wù)的開源軟件技術(shù)將會(huì)快速發(fā)展和推廣。不出5年時(shí)間所有軟件的開發(fā)將會(huì)使用云軟件開發(fā)的方法。在軟件的“食物鏈”內(nèi)，如果“軟件正在吞噬世界”，那么吞噬軟件開發(fā)的軟件則是云軟件開發(fā)及其工具。甚至在嵌入式軟件的特殊的領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)幾乎會(huì)被當(dāng)前和未來(lái)的云軟件技術(shù)所左右，或者說(shuō)被當(dāng)前和未來(lái)的云軟件技術(shù)所吞沒(méi)。
統(tǒng)一與分歧
下一代的DCS和PLC正在向開放、分布式、具有充分的互操作性和內(nèi)在的信息安全的架構(gòu)發(fā)展。而要有效地實(shí)現(xiàn)這樣的架構(gòu)，需要大量地采用開源的云計(jì)算軟件技術(shù)。在今后的分布式控制系統(tǒng)DCS和PLC的自動(dòng)化應(yīng)用，容器軟件技術(shù)一定會(huì)大放異彩?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，有效的運(yùn)用容器部署和業(yè)務(wù)流程編排軟件很可能成為未來(lái)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)成功的關(guān)鍵因素。
技術(shù)上可以說(shuō)是大勢(shì)所趨。但在業(yè)務(wù)模式上卻出現(xiàn)兩種對(duì)立的觀點(diǎn)。OPAF發(fā)布的業(yè)務(wù)指南中指出，關(guān)鍵的利益攸關(guān)者是多元化的，包括最終用戶、系統(tǒng)集成商、硬件供應(yīng)商、分系統(tǒng)供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商和服務(wù)提供商。在下一代的流程自動(dòng)化系統(tǒng)中，系統(tǒng)集成商/分系統(tǒng)集成商的角色將越來(lái)越關(guān)鍵。從現(xiàn)在的單一的DCS供應(yīng)商轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)集成商，將是一次流程自動(dòng)化格局的重塑。
然而以DCS系統(tǒng)主要廠商之一的艾默生則并不想要如此復(fù)雜的局面。它堅(jiān)持認(rèn)為，用戶寧愿依賴一兩個(gè)戰(zhàn)略性的的供應(yīng)商，而不是依靠少數(shù)幾個(gè)協(xié)議和系統(tǒng)集成商的能力，去將幾千個(gè)智能設(shè)備集成起來(lái)。艾默生這一派期望繼續(xù)沿襲流程工業(yè)迄今為止慣用的方法，即一個(gè)巨大的工程項(xiàng)目只能由一兩個(gè)有完全能力的戰(zhàn)略承包商負(fù)責(zé)。由于意見不合，艾默生于2018年還退出了OPAF這一組織。
另辟蹊徑的德國(guó)人
在美國(guó)人牽頭的OPAF重新定義現(xiàn)有DCS、PLC之后，德國(guó)流程工業(yè)用戶組織NAMUR提出了另一類的開放架構(gòu)NOA，并計(jì)劃在2021年至2022年以IEC的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。
德國(guó)NAMUR倡議的NOA（見圖9），堅(jiān)持在原有的工業(yè)信息化、自動(dòng)化金字塔結(jié)構(gòu)的前提下，引入確有實(shí)效的IT技術(shù)，與OT技術(shù)深度融合，提升運(yùn)行維護(hù)的優(yōu)化能力。

由圖9可以清晰地發(fā)現(xiàn)：（1）NOA開放架構(gòu)其頂層設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)都是圍繞不改動(dòng)現(xiàn)有的流程工業(yè)自動(dòng)化、信息化的金字塔結(jié)構(gòu)考慮的。因此其開放架構(gòu)的構(gòu)想是在原有的基礎(chǔ)上引入云計(jì)算技術(shù)和其它新的IT技術(shù)，以加強(qiáng)和充實(shí)原有架構(gòu)開放性不足的缺陷，又不至于由于開放而喪失信息安全的內(nèi)在保證。（2）NOA所設(shè)計(jì)的范圍涵蓋由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)、MES級(jí)到ERP級(jí)，而不像OPAF僅涉及L1和L2。（3）充分考慮用戶已有資產(chǎn)的可用性和安全性，在進(jìn)行IT與OT融合升級(jí)時(shí)不會(huì)傷筋動(dòng)骨。（4）作為德國(guó)提出的流程工業(yè)的開放架構(gòu)，NOA還需要充分考慮與德國(guó)工業(yè)4.0的對(duì)接，因此增加了按工業(yè)4.0資產(chǎn)管理殼的理念和方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理。（5）但NOA沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有的DCS如何升級(jí)遷移作出任何考慮，面對(duì)現(xiàn)有在役DCS日益老化，備品備件難以長(zhǎng)期供應(yīng)的困境，沒(méi)有給出解決方案。
筆者認(rèn)為，作為從不吸收自動(dòng)化制造廠商參加的純用戶組織，NAMUR更多地是從用戶目前的利益出發(fā)，其合理性表現(xiàn)在盡量挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的潛力，能少花錢就不多花錢。

圖10進(jìn)一步詮釋了NOA架構(gòu)的構(gòu)想。在這個(gè)體系中，核心的過(guò)程控制是具有確定性的控制系統(tǒng)DCS，這是現(xiàn)存的專用系統(tǒng)，不具備開放性。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)維監(jiān)控和優(yōu)化，NOA的解決方案是在流程工業(yè)的裝置這一級(jí)引入具有開放性和可靠性的IT基礎(chǔ)架構(gòu)，這是一個(gè)相關(guān)工業(yè)軟件APP平臺(tái)，執(zhí)行作業(yè)調(diào)度、先進(jìn)過(guò)程控制、報(bào)警管理，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)4.0設(shè)備的管理（即按工業(yè)4.0要求完成資產(chǎn)管理殼的管理）；為配合優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)所加裝的低成本多參數(shù)的傳感器和對(duì)生產(chǎn)裝置監(jiān)控的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，全都納入這一系統(tǒng)。現(xiàn)存的的DCS系統(tǒng)通過(guò)開放的OPC UA與裝置級(jí)M+O系統(tǒng)連接。在此基礎(chǔ)上再在多個(gè)已建成的裝置級(jí)M+O系統(tǒng)之上，建立集中的全局的M+O系統(tǒng)，執(zhí)行排產(chǎn)、先進(jìn)的分析、歷史記錄、可靠性管理、集中的HMI，以及生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的仿真等功能。這同樣應(yīng)該是一個(gè)開放可靠的相關(guān)工業(yè)軟件的APP平臺(tái)。雖然現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)只有專用的接口，但為了與集中的M+O系統(tǒng)連接，需要將其轉(zhuǎn)換為開放性的接口。這樣的設(shè)計(jì)達(dá)到了NAMUR不對(duì)現(xiàn)有DCS系統(tǒng)加以改動(dòng)的初衷。
小記：兩行白鷺上青天
盡管在如何實(shí)現(xiàn)開放性上，特別是DCS如何升級(jí)遷移上，OPAF與NOA大相庭徑，不過(guò)他們還是找到了基礎(chǔ)要求的共同點(diǎn)，即他們都需要完善的描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息模型。在這一點(diǎn)上，他們都支持由現(xiàn)場(chǎng)通信集團(tuán)（FieldComm GROUP） 、OPC基金會(huì)和ProfiBUS/ProfiNET國(guó)際組織正在合作開發(fā)的流程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息模型PA-DIM。
另外，這些年不事聲張?jiān)陂_發(fā)的先進(jìn)物理層協(xié)議APL也大有進(jìn)展，利用單根雙絞線傳輸10MHz以太網(wǎng)信號(hào)同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電的技術(shù)，已經(jīng)日趨成熟。
自此，在世界范圍內(nèi)圍繞流程工業(yè)開放自動(dòng)化的未來(lái)發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了兩條明顯不同但大有潛力的技術(shù)路線。流程工業(yè)自動(dòng)化完整的未來(lái)藍(lán)圖，基本成型。