圖1開放流程自動化論壇（OPAF）的范圍

此外，在美國還啟動了一個定義下一代自動化系統的項目，其名稱是《開放網絡系統上的聯合自動化邏輯控制》（FederatedAutomationLogicControlonOpenNetworkSystems，FALCONS）。這一系統將實現從任意資源、任意設備和任意地點獲得任意信息（包括歷史信息）,以優化情景意識和環境意識。系統的結構建立在分布式控制節點（DCN）和單通道I/O模塊的基礎上，支持實時的應用處理和與其它網絡協議的實時接口；系統由許多個有I/O的DCN和無I/O的DCN，以及一個與云端連接、執行集中應用的DCN構成，DCN的數量可達數千個。這或許就是下一代PLC的一種愿景。

上述的OPAF概念驗證系統基本實現了可互操作性、可交換或可替代性、組態和應用的可移植性，以及應用開發的靈活性。由十幾家供應商提供的硬件、軟件產品構成的系統，產品之間的互操作性都按照標準實現，無需通過網關或通過軟件轉換；參與構成系統的同類型部件都可以個別地和自由地在供應商間替代，而無需修改底層的邏輯程序。

OPAF的目標是對ISA95的L1和L2的功能標準化，包括現場設備和儀表的基本輸入和輸出，以及執行調節控制的功能塊。目前這些功能都是由專用的DCS和PLC來完成的，規模約為100至1000個PID回路的功能塊。OPAF認為，可以用更多、但更小的邊緣設備作為過程控制器，這些小的硬件設備每臺可以控制少到一兩個回路，實際上執行的是過程自動化的微服務。當今工廠中所用的任意DCS和PLC系統的HMI功能、先進控制算法的運算功能以及MES的功能，都可以運用由服務器構成的虛擬系統，在一種開放型的軟件環境下實現。也就是說，下一代控制系統將被這些由虛擬服務器和許許多多計算資源和存貯資源要求足夠小的自動化邊緣設備組成的新系統所替代。圖2給出了從現有已在役的DCS/PLC系統逐步地升級遷移到這些小的邊緣設備，以及預置的高可用性服務器的發展趨勢。

圖2DCS/PLC系統演變為新一代的分布式控制系統

開放自動化的發展路徑

軟件容器化技術發源于幾十年前的UNIX操作系統，經過LINUX開源軟件生態系統以及大量云計算服務供應商的大力推動，業已大大降低了門檻，成為可以人們普遍掌握和運用的技術。

對于軟件開發商和最終用戶，軟件容器技術提供兩個巨大的價值：1）可為任意數量的機器、物理或虛擬對象，提供自動配置、部署和管理分布式應用的方法和手段；（2）容器軟件開發過程中創建了一個“容器圖像”的存貯庫，在軟件交付時，這一容器圖像形式可在不同于原來開發的軟硬件環境的另一種環境中協調地創建，同時還自動建立了包括運行應用軟件所要求的所有的軟工作環境。

在開發容器圖像的過程中完成了一種高度的抽象，使它獨立于異構的多CPU、操作系統、軟件版本，以及在開發期間運行的環境。由于容器圖像劃定的范圍僅容納在一個應用軟件內，所以容器會將開發者的注意力從管理計算機轉移到去管理應用。這極大地改善了應用的部署能力和可見性。顯而易見，傳統的嵌入式系統軟件技術在交付和管理分布式和高可用性的應用軟件的能力方面，根本無法與軟件容器技術相抗衡。

圖3是容器化軟件的原理框圖，其中Docker將應用軟件分隔為若干個可管理的APP功能模塊，并將它們打包在一個容器中。Docker公司集成源于Linux的容器化技術的目的，一方面是為了讓應用軟件的開發能適應每一種開發環境，另一方面是為了解決代碼依賴性跟蹤、應用軟件可伸縮，以及僅僅修改升級個別APP而不會影響整個應用軟件等等問題。

圖3Docker公司開發的容器軟件技術框圖

圖4則表示如何將容器技術運用于OPAF的架構，構成一個分布式控制節點DCN。根據實際需要，可在在一個DCN容器中容納所需要的各種APP，如監控和管理DCN的APP、現場總線和工業以太網的APP、現有的過程控制算法APP、新開發的過程控制算法APP等等。

圖4運用容器技術構成分布式控制節點DCN

從技術成熟度來講，基于容器的軟件部署已經高度標準化了，用于容器開發、部署和業務流程管理的軟件工具在前5～10年中已經臻于成熟，并以開源的形式提供使用。它運用廣泛，為許多不同類型的平臺所成功運用，包括非常大的系統（例如Google）到最小的計算機系統（如樹莓派，RespberryPi）等。

再來觀察傳統的嵌入式系統及其軟件開發的市場。目前許多嵌入式軟件包含了許多專用元素，即使它們是基于開源軟件開發的也是如此；傳統的嵌入式系統及其軟件應用缺乏靈活性，操作系統和軟件工具鏈呈現碎片化，開發速度很慢；硬件/軟件的集成存在不少不確定性的問題；難以解決日趨重要的信息安全問題。當嵌入式系統軟件的市場受到Linux沖擊的時候，其它方面的傳統嵌入式市場已經堅持了許多年。這一市場需要改變過去運用的技術，才能適應向工業物聯網IIoT、工業4.0、智能制造和其它類似領域的轉移，其轉型的路徑必然是進入網絡式（即分布式）的嵌入式系統。未來的嵌入式系統肯定會要求整個軟件棧（從居于頂層的應用軟件一直到其使用的操作系統和管理程序）具有自動升級的能力，特別是工業嵌入式系統急需在其整個生命周期過程中進行開發、實施、部署和管理。

如果工業自動化當前的技術棧不再能很好地提供服務的話，替代的顯然是云計算的軟件技術。大約五年時間內所有軟件的開發將會使用云軟件開發的方法，這一趨勢已不是初露端倪，而是如日中天。如果說“軟件正在吞噬世界”，那么吞噬軟件開發的軟件則是云軟件開發及其工具。甚至在嵌入式軟件的特殊領域，軟件開發幾乎會被當前和未來的云軟件技術所左右，或者完全吞沒。

這當然不是說所有的應用軟件都在云端運行，而是說云軟件所用的軟件開發和部署技術，將要以壓倒的優勢超越其它軟件開發的形式，占據主要地位。原因是云計算市場雖然已經規模很大，但仍是相當興旺、且一直在發展的行業，當下火熱的云計算軟件技術就和云計算本身一樣，其發展勢頭方興未艾，諸如OpenStack、CloudFoundry、Docker和Kubernetes等軟件已經在過去的5～10年內相繼宣布為開源。云計算方面的專家認為云計算模型包含了顯著的冗余性，而且還有很大的改善余地；因而人們應該期望，此領域的技術發展一定是迅速和持續的。工業自動化市場要關注和運用它，是因為云軟件技術可以將軟件規模縮小至相當小的系統內，這類系統正是工業自動化和OPAF所需要的。

在過去的兩年期間，已經在許多工業產品中導入了容器開發技術。除此而外，還有一種云技術也值得注意，這就是在云執行平臺上出現、所謂的“單核與只要求很小的計算和存儲資源的嵌入式軟件開發組合”。單核技術目前在許多研究領域中十分活躍，隨著風險投資的大量涌入，肯定會很快投入實際應用。

結束語

下一代DCS和PLC的架構肯定都會向開放、分布式、具有充分的可互操作性和內在信息安全的方向發展；為有效地實現這樣的架構，其軟件環境一定要大量地吸取和采用開源云計算軟件技術，并結合工業自動化的要求和特點，從而走出一條具有持久生命力的開發之路。

工控編程語言國際標準IEC61131-3及其相伴的分布式國際標準IEC61499，還有PLCopen開發的XML規范等，都是OPAF所選定的基礎依據標準。由此可見，經過多年來實際運用的驗證，這些行之有效的基礎底層標準，將在未來的分布式開放DCS和PLC系統中繼續發揮重要的作用。