試論SDX重塑工控系統(tǒng)

南靜 豐大軍

摘要：本文介紹了工控系統(tǒng)及發(fā)展，分析了工控系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)，指出“數(shù)據(jù)表示精細化、數(shù)據(jù)價值層次化”是主線，繼而介紹了軟件定義一切（SDX）的提出及實質(zhì)，分析了軟件定義對產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的影響以及工控系統(tǒng)向邊緣架構(gòu)的演進，最后展望了SDX對整個社會的影響。

關(guān)鍵詞：工控系統(tǒng)；軟件定義；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；云平臺；邊緣架構(gòu)

引言

伴隨著新技術(shù)的跨領(lǐng)域交叉融合、跨行業(yè)橫向貫通，世界正在接近形態(tài)大變革的時代。從基礎(chǔ)設(shè)施角度稱為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，從信息處理角度稱為云計算時代，從信息形態(tài)角度稱為人工智能時代。環(huán)顧近幾年發(fā)生在我們身邊的現(xiàn)象，“軟件”正在快速地重新“定義”著“一切”（software defined anything，SDX）。繼智能手機、平板電腦被軟件重新定義之后，其他IT（Internet Technology）產(chǎn)品也在不斷被軟件重新定義，軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（software defined networking ，SDN）、軟件定義的數(shù)據(jù)中心（software-defined data center，SDDC）、軟件定義的存儲（software defined storage，SDS）、軟件定義的路由器等。電視機、冰箱、手表等產(chǎn)品也加入被定義的行列，甚至汽車都在被谷歌、百度等互聯(lián)網(wǎng)廠家重新定義。在硬件標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，再封裝以一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開發(fā)平臺（操作系統(tǒng)），“一切”都變得物理功能通用簡潔，但促生了無限豐富的應(yīng)用功能。Netscape的創(chuàng)始人Edson說“軟件正在吞噬我們的世界”，C++的發(fā)明人Storm說“人類文明運行在軟件之上”。

世界的發(fā)展之足業(yè)已踏入軟件定義一切的新時代，軟件代碼由于承載了行業(yè)的工藝、算法等智慧，必將成為一種最為重要的資產(chǎn)，軟件編程也將成為一種最為有效的生產(chǎn)方式，軟件定義最終將引發(fā)各個行業(yè)的大變革。那么，天下大勢、浩浩蕩蕩，在 “軟件定義”的產(chǎn)業(yè)大生態(tài)之中的工控系統(tǒng)又該何去何從？

1工控系統(tǒng)及發(fā)展

1.1工控系統(tǒng)簡述

在很早之前中國和西方已有自動控制裝置的明文記載，但直到20世紀30年代經(jīng)典控制理論完成，并伴隨“通信大繁榮”（遠距離有線及無線通信技術(shù)投入應(yīng)用），古典工業(yè)控制系統(tǒng)才正式起步。1950年隨著美國斯佩里-蘭德公司造出了第一臺商業(yè)數(shù)據(jù)處理機，工業(yè)控制系統(tǒng)開始全面與通信系統(tǒng)及電子計算機結(jié)合，從此開啟了數(shù)字化進程。近年來，絕大部分工控系統(tǒng)領(lǐng)域中工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的物理機器和生產(chǎn)線通常由硬件可編程（邏輯）控制器（PLC）為核心構(gòu)成的系統(tǒng)進行控制，這也被認為是當(dāng)前最優(yōu)化的解決方案并以此驅(qū)動工業(yè)自動化進程多年。

ISA-99/IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)給出了工控系統(tǒng)的明確定義，是“一個包括人員、硬件以及軟件，能夠?qū)I(yè)過程的安全性、可靠性造成影響的集合”，通常具有以下四項功能：

（1）測量——獲取傳感器數(shù)據(jù)并將其作為下一步處理的輸入或直接作為輸出；

（2）比較——將獲取的傳感器數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進行比較；

（3）計算——計算歷史誤差、當(dāng)前誤差與后續(xù)誤差。

（4）矯正——基于測量、比較及計算的結(jié)果對自動化過程進行調(diào)整。

1.2工控系統(tǒng)發(fā)展歷程

信息與通信技術(shù)的融合發(fā)展觸發(fā)了工控系統(tǒng)在近幾十年內(nèi)的多次更新?lián)Q代。

工控系統(tǒng)初始時主要采用常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，或稱之為盤架裝表控制。在工業(yè)控制系統(tǒng)中將檢測（各種傳感器、變送器）、執(zhí)行器（石油化工中大量的是控制閥）叫做一次儀表，將控制、計算、顯示、指示、報警等叫做二次儀表。常規(guī)儀表是指將測量、顯示、調(diào)節(jié)和執(zhí)行幾部分組合設(shè)計成一個整體裝置。對于某些單參數(shù)、單回路的簡單控制系統(tǒng)，常規(guī)儀表控制具有簡單、可靠和經(jīng)濟等優(yōu)點，但難以勝任大規(guī)模和復(fù)雜控制場合。

從20世紀50年代開始，工業(yè)控制系統(tǒng)開始由之前的氣動、電動單元組合式模擬儀表、手動控制升級為使用模擬回路的反饋控制系統(tǒng)。旋即在60年代，系統(tǒng)中的模擬控制電路開始逐步更換為數(shù)字控制電路，機電繼電器替換為PLC，利用計算機的分時處理功能實現(xiàn)對多個控制回路的多功能數(shù)字控制。由于計算機的輸出直接作用于控制對象，故稱直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。該類控制系統(tǒng)的缺點是集中控制的同時也集中了風(fēng)險。

1975年前后，在原先采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器的自控和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng)（DCS）。由于當(dāng)時計算機并不普及，所以開發(fā)DCS強調(diào)向用戶提供整個系統(tǒng)；另一方面，隨著數(shù)字化技術(shù)進步，PLC開始進入過程控制和運動控制領(lǐng)域并逐漸在DCS系統(tǒng)中占據(jù)核心控制器地位。DCS采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計思想，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，并在電力、冶金、石化等各行業(yè)都獲得廣泛應(yīng)用。

1.3工控系統(tǒng)發(fā)展脈絡(luò)及趨勢

回顧工控系統(tǒng)發(fā)展歷史不難發(fā)現(xiàn)其一條清晰的發(fā)展脈絡(luò)：隨著計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，工控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)發(fā)展到計算機數(shù)字控制系統(tǒng)；而隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工控系統(tǒng)又從集中式向分散式發(fā)展。亦即IT技術(shù)實現(xiàn)了工控系統(tǒng)的數(shù)字化、分布式變革。然而，IT與OT（Operational Technology）兩化融合推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)普及，還不同于常規(guī)的企業(yè)管理軟件ERP和執(zhí)行管理系統(tǒng)MES應(yīng)用，它不僅僅是收集精細化的問題，而更多是要考慮這些數(shù)據(jù)背后的價值，這只能站在更高的戰(zhàn)略層次上才能評估和定義，因此工控系統(tǒng)向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合的實質(zhì)是“數(shù)據(jù)表示精細化、數(shù)據(jù)價值層次化”。

工控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表示精細化是這樣一個歷程：在常規(guī)儀表控制階段，數(shù)據(jù)是沒有被顯式分離和加以保存的，亦即在模擬回路控制中信號易受干擾、精度不高，且全系統(tǒng)管理困難；在直接數(shù)字控制階段，數(shù)據(jù)能夠被顯式獲取、保存并可以作進一步處理，但管理數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)沒有被相互分離，一支控制回路故障可能導(dǎo)致全系統(tǒng)崩潰；在集散式控制階段，管理數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)之間得到層間分離，控制數(shù)據(jù)回路下放到了工業(yè)現(xiàn)場，管理數(shù)據(jù)顯示則上移到了控制室中的上位機。

繼續(xù)上述思路可知，工控系統(tǒng)必將沿著其規(guī)律繼續(xù)發(fā)展——亦即使工控數(shù)據(jù)表示進一步細化，現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)支持儀表直接響應(yīng)、上一層的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)支持生產(chǎn)線高速運轉(zhuǎn)、再上一層的車間數(shù)據(jù)支持車間設(shè)備高效調(diào)度等。另一方面，數(shù)據(jù)表示精細化也對信息處理的使能技術(shù)——軟件提出了更高要求，亦即全部信息資源由軟件重新賦能。

2軟件定義提出及其實質(zhì)

2.1軟件定義的提出

軟件定義是將軟件作為使能手段為各類信息資源賦能，實現(xiàn)信息系統(tǒng)運行效率和能量效率最大化，也就是將原來高度耦合的信息實體，通過標(biāo)準(zhǔn)化、抽象化，解耦成相互獨立的數(shù)字化組件，自動地進行信息資源的部署、優(yōu)化和管理，并根據(jù)需求、通過重構(gòu)提供超越原來實體的功能，充分展現(xiàn)數(shù)字組合創(chuàng)新的魅力。

在IT基礎(chǔ)架構(gòu)領(lǐng)域，最早出現(xiàn)的是軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN，SDN起源于2006年斯坦福大學(xué)的研究課題；VMware在其VMworld 2012大會上則首次提出軟件定義數(shù)據(jù)中心SDDC的概念。軟件定義，無論SDN、SDDC，都包含控制平面（Control Plane）和數(shù)據(jù)平面（Data Plane），控制平面負責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)度、操縱物理世界，而數(shù)據(jù)平面負責(zé)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)優(yōu)化、負責(zé)物理世界的抽象和虛池化。

中國科學(xué)院院士梅宏教授在2017中國計算機大會作了題為《軟件定義的未來：萬物皆可互聯(lián)，一切均可編程》的主旨演講，提出“從最基本的始能技術(shù)的角度我們正在進入軟件定義的時代”。

2.2軟件定義的技術(shù)實質(zhì)

IT界有一句名言，“計算機科學(xué)領(lǐng)域的任何問題都可以通過增加一個間接的中間層來解決（Any problem in computer science can be solved by anther layer of indirection.）”，軟件定義正好完美地闡釋了這句話。軟件定義的技術(shù)本質(zhì)是“增加中間層以實現(xiàn)解構(gòu)重組”，其基本途徑可以概括為“信息資源虛擬化、系統(tǒng)軟件平臺化、應(yīng)用軟件定制化”。信息資源虛擬化是指將各種實體信息資源抽象化，以便靈活重組、發(fā)揮其最大效能。系統(tǒng)軟件平臺化是指通過基礎(chǔ)軟件對信息資源進行統(tǒng)一管控、按需分配，并通過標(biāo)準(zhǔn)化的編程接口解除上層應(yīng)用軟件和底層信息資源之間的緊耦合關(guān)系，使其可以各自獨立演化，亦即“對信息資源賦予了開放性、對應(yīng)用需求賦予了定制性”。

2.3軟件定義一切的實現(xiàn)條件

繼SDN、SDDC后，軟件定義走向了一個不斷延伸和泛化的時代，現(xiàn)在提出“萬物皆可互聯(lián)，一切均可編程”是因為隨著IT技術(shù)的持續(xù)進步兩個重要的條件已基本具備。

第一個條件是芯片技術(shù)的發(fā)展使其具備了標(biāo)準(zhǔn)化的條件，集成度越來越高，功耗越來越低，可靠性越來越高，成本越來越低。

第二個條件是通信技術(shù)的發(fā)展使信息交互打破了時空的限制，帶寬越來越高，時延越來越低，部署效率越來越高，建設(shè)和運營成本越來越低。實際上通信技術(shù)的發(fā)展也得益于軟件定義了頻率、定義了傳輸交換。

3產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與“軟件定義”產(chǎn)業(yè)生態(tài)

2019年4月18日，中國電子學(xué)會軟件定義推進委員會啟動會暨學(xué)術(shù)論壇在北京舉行，旨在引導(dǎo)和支持各行業(yè)搶抓歷史機遇期，為加快建立“軟件定義”產(chǎn)業(yè)生態(tài)，助力建設(shè)制造強國、網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國和智慧社會提供新思路。智能制造是“中國制造2025”的主攻方向，行業(yè)智能時代已經(jīng)到來，其表現(xiàn)形式是“萬物皆可互聯(lián)”、技術(shù)途徑是“一切均可編程”、內(nèi)涵要義則是“數(shù)據(jù)驅(qū)動智能”。

美國諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎的得主科斯教授把企業(yè)定義為“配置資源的組織”，企業(yè)競爭的背后是資源配置效率的競爭。企業(yè)最本質(zhì)的一個特征就是在不確定性的世界中進行決策，亦即實現(xiàn)“五個正確”——把正確的信息、在正確的時間、用正確的方式傳遞給正確的人，以做出正確的配置決策。企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)正是“數(shù)據(jù)表示精細化、數(shù)據(jù)價值層次化”，以此支持資源優(yōu)化配置。

屹今為止，消費互聯(lián)網(wǎng)已然取得了巨大成功，其源由正在于“軟件定義”的強大賦能作用。與之相比，工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)能、效率、價值與消費互聯(lián)網(wǎng)不匹配，需要以更多的技術(shù)、資源對其進行持續(xù)優(yōu)化，以降低成本、提升效率、優(yōu)化結(jié)構(gòu)。有鑒于此，人們想到了將IT領(lǐng)域的基本賦能技術(shù)引入OT領(lǐng)域，通過融合OT來構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，借由“軟件定義”挖掘產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)價值，并重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

4“軟件定義”重塑工控系統(tǒng)

工控系統(tǒng)以往的發(fā)展變革中，架構(gòu)和基本組件是相伴隨的。“軟件定義”產(chǎn)業(yè)生態(tài)對工控系統(tǒng)的重塑同樣會表現(xiàn)為架構(gòu)和基本組件的伴隨變革。

4.1工控系統(tǒng)架構(gòu)變革

傳統(tǒng)工控系統(tǒng)采用典型的層次模型。從傳感器到執(zhí)行器的現(xiàn)場設(shè)備層處于第一級，用于控制這些現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)和動作的現(xiàn)場控制層處于第二級，過程監(jiān)控層處于第三級、允許用戶監(jiān)視和控制他們的工業(yè)控制過程，MES處于第四級，可以通過跟蹤生產(chǎn)過程的設(shè)備運行來控制成本，ERP處于第五級、用于管理主要業(yè)務(wù)流程的的長供應(yīng)鏈、以實現(xiàn)效益最大化，再往上就是外部網(wǎng)絡(luò)。然而該模型在產(chǎn)業(yè)中實際落地的少，尤其MES、ERP成功應(yīng)用案例少，主要原因就在于使能手段不足及其架構(gòu)不適配。

隨著IT技術(shù)向OT領(lǐng)域滲透，工控系統(tǒng)架構(gòu)變革的基本趨勢必然是“扁平化”。有觀點就認為“頂層的ERP和MES逐漸融合，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上層聯(lián)動；而下層的執(zhí)行層設(shè)備和系統(tǒng)則會智能化，并由可能通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)互操作”，但是實際情況應(yīng)更具革新性。兩化融合，OT的發(fā)展路徑是智能化，需具備低層級的實時處理和響應(yīng)能力，并由IT網(wǎng)絡(luò)提供深度的數(shù)據(jù)挖掘能力，亦即由工控系統(tǒng)向計算網(wǎng)絡(luò)演進，并與IT網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，兩者共同支撐起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，前者稱為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣架構(gòu)、執(zhí)行邊緣計算，后者稱為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺、執(zhí)行云計算。

2018年6月24日，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司（簡稱中國電子）在北京舉行“人工智能制造業(yè)技術(shù)與創(chuàng)新應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟啟動暨中國電子工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成果發(fā)布會”。會上，中國電子正式發(fā)布“兩平臺一工程”智能制造推進方案（見圖1），兩平臺分別指“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”和“智能制造核心產(chǎn)品和安全創(chuàng)新平臺”，一工程指“智能制造能力提升工程”，這是中國電子推進智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總綱領(lǐng)，形象地點明了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“一體兩翼”的總體架構(gòu)。同年，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）聯(lián)合發(fā)布《邊緣計算參考架構(gòu)3.0》白皮書，書中指出“邊緣計算不是單一的部件，也不是單一的層次，而是涉及到EC-IaaS、EC-PaaS、EC-SaaS的端到端開放平臺”，并進一步指出“云計算適用于非實時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策場景，邊緣計算適用于實時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策場景，兩者不是替代關(guān)系，而是互補關(guān)系” （見圖2）。

實際上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是一個分布式的計算平臺，它很好地解決了云平臺和邊緣架構(gòu)的融合問題。工控架構(gòu)的演進方向正是邊緣計算架構(gòu)（見圖3），由下到上分別為基礎(chǔ)設(shè)施層（記為ECIaas）、系統(tǒng)平臺層（記為ECPaaS）和應(yīng)用軟件層（記為ECSaaS），這是“軟件定義”的典型架構(gòu)，也便于邊云之間對應(yīng)協(xié)同，其中北向是服務(wù)整合流、南向是需求分配流、東向是數(shù)據(jù)流（交由云端深度分析）、西向是規(guī)則流（用于提升邊緣端能效）。云邊融合的典型情形是“IT技術(shù)向OT領(lǐng)域滲透、OT數(shù)據(jù)向IT領(lǐng)域升華”。

2017年12月8日，在南京第二屆世界智能制造大會上，曾經(jīng)的中控創(chuàng)始人褚健教授提出了工業(yè)操作系統(tǒng)的概念，并發(fā)布了首款產(chǎn)品-supOS。supOS采用三層架構(gòu)。第一層是物聯(lián)套件，主要負責(zé)邊緣端數(shù)據(jù)采集和控制； 第二層是工業(yè)操作系統(tǒng)平臺，主要負責(zé)物聯(lián)套件設(shè)備接入、對象化模型組織、數(shù)據(jù)存儲處理、可視化數(shù)據(jù)分析、工業(yè)APP開發(fā)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法應(yīng)用等；第三層是智能工業(yè)APP生態(tài)，與合作伙伴一起構(gòu)建面向特定場景的智能工業(yè)APP，形成行業(yè)解決方案。實際上，工業(yè)操作系統(tǒng)只是類比計算機操作系統(tǒng)對邊緣計算架構(gòu)的一個別名罷了，因此supOS可以視為邊緣計算架構(gòu)的產(chǎn)品落地。

4.2工控系統(tǒng)基礎(chǔ)組件變革

傳統(tǒng)工控系統(tǒng)的基本組件就是作為基礎(chǔ)設(shè)施的PLC和現(xiàn)場儀表，組件變革的方向是智能化和開放化，技術(shù)形態(tài)就是“軟件”定義的解耦重構(gòu)。軟件定義硬件，已經(jīng)武裝到了設(shè)備的最末端。

現(xiàn)場儀表主要是通過嵌入芯片實現(xiàn)智能化，如智能傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等。2018年德國漢諾威博覽會上，有傳感器制造商推出了可編程的傳感器，同時建立了一套軟件體系，可以幫助現(xiàn)場工作人員建立面向傳感器應(yīng)用的APP商店。這從根本上改變了對傳感器只有開關(guān)信號的傳統(tǒng)認知。

PLC開放化的第一種技術(shù)途徑是基于SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）對遺留系統(tǒng)作改造（見圖4），將PLC與I/O模塊解耦，PLC的入出總線被高速網(wǎng)絡(luò)功能所取代，基于SDN的控制可以提供靈活的業(yè)務(wù)隔離，SDN控制器允許在I/O結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建靈活的虛擬通道，以適應(yīng)PLC和I/O模塊之間的連接流。

PLC開放化的第二種技術(shù)途徑是軟件重新定義PLC，讓應(yīng)用程序定義硬件PLC的功能，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離（參考架構(gòu)見圖5）。

北京中數(shù)科技有限公司的軟件定義PLC實現(xiàn)方案見圖6。

中國電子旗下中電智能科技有限公司的全國產(chǎn)化軟件定義PLC實現(xiàn)方案見圖7。

5結(jié)語

“軟件定義”的涵義是重新使能，這是信息處理的核心所在，也是IT取得巨得成功的一個關(guān)鍵原因。軟件定義的前提是被定義信息資源智能化及其基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化，有點兒類似于圖靈機原理，所有復(fù)雜的運算都可以由基本的移位指令支撐實現(xiàn)。因此，人們堅信軟件能夠定義一切，軟件足以定義未來。

從技術(shù)發(fā)展趨勢上，IOT時代所有硬件產(chǎn)品都具備智能、聯(lián)網(wǎng)的特性，所有硬件產(chǎn)品都是一個智能終端，因此這些產(chǎn)品都可以由軟件重新賦能。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算架構(gòu)中，ECPaaS平臺是最重要的部分，國內(nèi)外各實力廠家都聚焦這個地方。有了ECPaaS平臺的支撐，面向場景的工業(yè)APP應(yīng)用正在呼之欲出，平民開發(fā)師（非專業(yè)軟件人士）正在涌現(xiàn)，實際上當(dāng)前很多企業(yè)的設(shè)備維護都是這一類人員。這是一個巨大的進步，一種開放式的知識洪流，從這個意義上講軟件正在重新定義人（人是各種社會關(guān)系的總和——馬克思語）、并在重新定義人類社會。

（作者單位：中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所）