试论SDX重塑工控系统

南静 丰大军

摘要：本文介绍了工控系统及发展，分析了工控系统的发展脉络，指出“数据表示精细化、数据价值层次化”是主线，继而介绍了软件定义一切（SDX）的提出及实质，分析了软件定义对产业数字化转型的影响以及工控系统向边缘架构的演进，最后展望了SDX对整个社会的影响。

关键词：工控系统；软件定义；工业互联网；云平台；边缘架构

引言

伴随着新技术的跨领域交叉融合、跨行业横向贯通，世界正在接近形态大变革的时代。从基础设施角度称为工业互联网时代，从信息处理角度称为云计算时代，从信息形态角度称为人工智能时代。环顾近几年发生在我们身边的现象，“软件”正在快速地重新“定义”着“一切”（software defined anything，SDX）。继智能手机、平板电脑被软件重新定义之后，其他IT（Internet Technology）产品也在不断被软件重新定义，软件定义的网络（software defined networking ，SDN）、软件定义的数据中心（software-defined data center，SDDC）、软件定义的存储（software defined storage，SDS）、软件定义的路由器等。电视机、冰箱、手表等产品也加入被定义的行列，甚至汽车都在被谷歌、百度等互联网厂家重新定义。在硬件标准化的基础上，再封装以一个标准的应用开发平台（操作系统），“一切”都变得物理功能通用简洁，但促生了无限丰富的应用功能。Netscape的创始人Edson说“软件正在吞噬我们的世界”，C++的发明人Storm说“人类文明运行在软件之上”。

世界的发展之足业已踏入软件定义一切的新时代，软件代码由于承载了行业的工艺、算法等智慧，必将成为一种最为重要的资产，软件编程也将成为一种最为有效的生产方式，软件定义最终将引发各个行业的大变革。那么，天下大势、浩浩荡荡，在 “软件定义”的产业大生态之中的工控系统又该何去何从？

1工控系统及发展

1.1工控系统简述

在很早之前中国和西方已有自动控制装置的明文记载，但直到20世纪30年代经典控制理论完成，并伴随“通信大繁荣”（远距离有线及无线通信技术投入应用），古典工业控制系统才正式起步。1950年随着美国斯佩里-兰德公司造出了第一台商业数据处理机，工业控制系统开始全面与通信系统及电子计算机结合，从此开启了数字化进程。近年来，绝大部分工控系统领域中工业生产环境的物理机器和生产线通常由硬件可编程（逻辑）控制器（PLC）为核心构成的系统进行控制，这也被认为是当前最优化的解决方案并以此驱动工业自动化进程多年。

ISA-99/IEC 62443标准给出了工控系统的明确定义，是“一个包括人员、硬件以及软件，能够對工业过程的安全性、可靠性造成影响的集合”，通常具有以下四项功能：

（1）测量——获取传感器数据并将其作为下一步处理的输入或直接作为输出；

（2）比较——将获取的传感器数据与预先设定的数据进行比较；

（3）计算——计算历史误差、当前误差与后续误差。

（4）矫正——基于测量、比较及计算的结果对自动化过程进行调整。

1.2工控系统发展历程

信息与通信技术的融合发展触发了工控系统在近几十年内的多次更新换代。

工控系统初始时主要采用常规仪表控制系统，或称之为盘架装表控制。在工业控制系统中将检测（各种传感器、变送器）、执行器（石油化工中大量的是控制阀）叫做一次仪表，将控制、计算、显示、指示、报警等叫做二次仪表。常规仪表是指将测量、显示、调节和执行几部分组合设计成一个整体装置。对于某些单参数、单回路的简单控制系统，常规仪表控制具有简单、可靠和经济等优点，但难以胜任大规模和复杂控制场合。

从20世纪50年代开始，工业控制系统开始由之前的气动、电动单元组合式模拟仪表、手动控制升级为使用模拟回路的反馈控制系统。旋即在60年代，系统中的模拟控制电路开始逐步更换为数字控制电路，机电继电器替换为PLC，利用计算机的分时处理功能实现对多个控制回路的多功能数字控制。由于计算机的输出直接作用于控制对象，故称直接数字控制系统（DDC）。该类控制系统的缺点是集中控制的同时也集中了风险。

1975年前后，在原先采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统（DCS）。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS强调向用户提供整个系统；另一方面，随着数字化技术进步，PLC开始进入过程控制和运动控制领域并逐渐在DCS系统中占据核心控制器地位。DCS采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式，并在电力、冶金、石化等各行业都获得广泛应用。

1.3工控系统发展脉络及趋势

回顾工控系统发展历史不难发现其一条清晰的发展脉络：随着计算机技术的出现和发展，工控系统从传统的模拟控制系统发展到计算机数字控制系统；而随着通信技术的不断发展，工控系统又从集中式向分散式发展。亦即IT技术实现了工控系统的数字化、分布式变革。然而，IT与OT（Operational Technology）两化融合推动工业互联网普及，还不同于常规的企业管理软件ERP和执行管理系统MES应用，它不仅仅是收集精细化的问题，而更多是要考虑这些数据背后的价值，这只能站在更高的战略层次上才能评估和定义，因此工控系统向工业互联网融合的实质是“数据表示精细化、数据价值层次化”。

工控系统的数据表示精细化是这样一个历程：在常规仪表控制阶段，数据是没有被显式分离和加以保存的，亦即在模拟回路控制中信号易受干扰、精度不高，且全系统管理困难；在直接数字控制阶段，数据能够被显式获取、保存并可以作进一步处理，但管理数据和控制数据没有被相互分离，一支控制回路故障可能导致全系统崩溃；在集散式控制阶段，管理数据和控制数据之间得到层间分离，控制数据回路下放到了工业现场，管理数据显示则上移到了控制室中的上位机。

继续上述思路可知，工控系统必将沿着其规律继续发展——亦即使工控数据表示进一步细化，现场仪表数据支持仪表直接响应、上一层的生产线数据支持生产线高速运转、再上一层的车间数据支持车间设备高效调度等。另一方面，数据表示精细化也对信息处理的使能技术——软件提出了更高要求，亦即全部信息资源由软件重新赋能。

2软件定义提出及其实质

2.1软件定义的提出

软件定义是将软件作为使能手段为各类信息资源赋能，实现信息系统运行效率和能量效率最大化，也就是将原来高度耦合的信息实体，通过标准化、抽象化，解耦成相互独立的数字化组件，自动地进行信息资源的部署、优化和管理，并根据需求、通过重构提供超越原来实体的功能，充分展现数字组合创新的魅力。

在IT基础架构领域，最早出现的是软件定义网络SDN，SDN起源于2006年斯坦福大学的研究课题；VMware在其VMworld 2012大会上则首次提出软件定义数据中心SDDC的概念。软件定义，无论SDN、SDDC，都包含控制平面（Control Plane）和数据平面（Data Plane），控制平面负责数据调度、操纵物理世界，而数据平面负责数据处理和数据优化、负责物理世界的抽象和虚池化。

中国科学院院士梅宏教授在2017中国计算机大会作了题为《软件定义的未来：万物皆可互联，一切均可编程》的主旨演讲，提出“从最基本的始能技术的角度我们正在进入软件定义的时代”。

2.2软件定义的技术实质

IT界有一句名言，“计算机科学领域的任何问题都可以通过增加一个间接的中间层来解决（Any problem in computer science can be solved by anther layer of indirection.）”，软件定义正好完美地阐释了这句话。软件定义的技术本质是“增加中间层以实现解构重组”，其基本途径可以概括为“信息资源虚拟化、系统软件平台化、应用软件定制化”。信息资源虚拟化是指将各种实体信息资源抽象化，以便灵活重组、发挥其最大效能。系统软件平台化是指通过基础软件对信息资源进行统一管控、按需分配，并通过标准化的编程接口解除上层应用软件和底层信息资源之间的紧耦合关系，使其可以各自独立演化，亦即“对信息资源赋予了开放性、对应用需求赋予了定制性”。

2.3软件定义一切的实现条件

继SDN、SDDC后，软件定义走向了一个不断延伸和泛化的时代，现在提出“万物皆可互联，一切均可编程”是因为随着IT技术的持续进步两个重要的条件已基本具备。

第一个条件是芯片技术的发展使其具备了标准化的条件，集成度越来越高，功耗越来越低，可靠性越来越高，成本越来越低。

第二个条件是通信技术的发展使信息交互打破了时空的限制，带宽越来越高，时延越来越低，部署效率越来越高，建设和运营成本越来越低。实际上通信技术的发展也得益于软件定义了频率、定义了传输交换。

3产业数字化转型与“软件定义”产业生态

2019年4月18日，中国电子学会软件定义推进委员会启动会暨学术论坛在北京举行，旨在引导和支持各行业抢抓历史机遇期，为加快建立“软件定义”产业生态，助力建设制造强国、网络强国、数字中国和智慧社会提供新思路。智能制造是“中国制造2025”的主攻方向，行业智能时代已经到来，其表现形式是“万物皆可互联”、技术途径是“一切均可编程”、内涵要义则是“数据驱动智能”。

美国诺贝尔经济学奖的得主科斯教授把企业定义为“配置资源的组织”，企业竞争的背后是资源配置效率的竞争。企业最本质的一个特征就是在不确定性的世界中进行决策，亦即实现“五个正确”——把正确的信息、在正确的时间、用正确的方式传递给正确的人，以做出正确的配置决策。企业数字化转型的目标正是“数据表示精细化、数据价值层次化”，以此支持资源优化配置。

屹今为止，消费互联网已然取得了巨大成功，其源由正在于“软件定义”的强大赋能作用。与之相比，工业领域的产能、效率、价值与消费互联网不匹配，需要以更多的技术、资源对其进行持续优化，以降低成本、提升效率、优化结构。有鉴于此，人们想到了将IT领域的基本赋能技术引入OT领域，通过融合OT来构建工业互联网，借由“软件定义”挖掘产业数据价值，并重塑产业生态。

4“软件定义”重塑工控系统

工控系统以往的发展变革中，架构和基本组件是相伴随的。“软件定义”产业生态对工控系统的重塑同样会表现为架构和基本组件的伴随变革。

4.1工控系统架构变革

传统工控系统采用典型的层次模型。从传感器到执行器的现场设备层处于第一级，用于控制这些现场仪表数据和动作的现场控制层处于第二级，过程监控层处于第三级、允许用户监视和控制他们的工业控制过程，MES处于第四级，可以通过跟踪生产过程的设备运行来控制成本，ERP处于第五级、用于管理主要业务流程的的长供应链、以实现效益最大化，再往上就是外部网络。然而该模型在产业中实际落地的少，尤其MES、ERP成功应用案例少，主要原因就在于使能手段不足及其架构不适配。

随着IT技术向OT领域渗透，工控系统架构变革的基本趋势必然是“扁平化”。有觀点就认为“顶层的ERP和MES逐渐融合，实现生产数据的上层联动；而下层的执行层设备和系统则会智能化，并由可能通过现场总线实现互操作”，但是实际情况应更具革新性。两化融合，OT的发展路径是智能化，需具备低层级的实时处理和响应能力，并由IT网络提供深度的数据挖掘能力，亦即由工控系统向计算网络演进，并与IT网络协同，两者共同支撑起工业互联网，前者称为工业互联网边缘架构、执行边缘计算，后者称为工业互联网云平台、执行云计算。

2018年6月24日，中国电子信息产业集团有限公司（简称中国电子）在北京举行“人工智能制造业技术与创新应用产业联盟启动暨中国电子工业互联网成果发布会”。会上，中国电子正式发布“两平台一工程”智能制造推进方案（见图1），两平台分别指“工业互联网平台”和“智能制造核心产品和安全创新平台”，一工程指“智能制造能力提升工程”，这是中国电子推进智能制造产业发展的总纲领，形象地点明了工业互联网“一体两翼”的总体架构。同年，边缘计算产业联盟（ECC）与工业互联网产业联盟（AII）联合发布《边缘计算参考架构3.0》白皮书，书中指出“边缘计算不是单一的部件，也不是单一的层次，而是涉及到EC-IaaS、EC-PaaS、EC-SaaS的端到端开放平台”，并进一步指出“云计算适用于非实时、长周期数据、业务决策场景，边缘计算适用于实时性、短周期数据、本地决策场景，两者不是替代关系，而是互补关系” （见图2）。

实际上，工业互联网就是一个分布式的计算平台，它很好地解决了云平台和边缘架构的融合问题。工控架构的演进方向正是边缘计算架构（见图3），由下到上分别为基础设施层（记为ECIaas）、系统平台层（记为ECPaaS）和应用软件层（记为ECSaaS），这是“软件定义”的典型架构，也便于边云之间对应协同，其中北向是服务整合流、南向是需求分配流、东向是数据流（交由云端深度分析）、西向是规则流（用于提升边缘端能效）。云边融合的典型情形是“IT技术向OT领域渗透、OT数据向IT领域升华”。

2017年12月8日，在南京第二届世界智能制造大会上，曾经的中控创始人褚健教授提出了工业操作系统的概念，并发布了首款产品-supOS。supOS采用三层架构。第一层是物联套件，主要负责边缘端数据采集和控制； 第二层是工业操作系统平台，主要负责物联套件设备接入、对象化模型组织、数据存储处理、可视化数据分析、工业APP开发、大数据分析和人工智能算法应用等；第三层是智能工业APP生态，与合作伙伴一起构建面向特定场景的智能工业APP，形成行业解决方案。实际上，工业操作系统只是类比计算机操作系统对边缘计算架构的一个别名罢了，因此supOS可以视为边缘计算架构的产品落地。

4.2工控系统基础组件变革

传统工控系统的基本组件就是作为基础设施的PLC和现场仪表，组件变革的方向是智能化和开放化，技术形态就是“软件”定义的解耦重构。软件定义硬件，已经武装到了设备的最末端。

现场仪表主要是通过嵌入芯片实现智能化，如智能传感器、智能网关等。2018年德国汉诺威博览会上，有传感器制造商推出了可编程的传感器，同时建立了一套软件体系，可以帮助现场工作人员建立面向传感器应用的APP商店。这从根本上改变了对传感器只有开关信号的传统认知。

PLC开放化的第一种技术途径是基于SDN（软件定义网络）对遗留系统作改造（见图4），將PLC与I/O模块解耦，PLC的入出总线被高速网络功能所取代，基于SDN的控制可以提供灵活的业务隔离，SDN控制器允许在I/O结构上创建灵活的虚拟通道，以适应PLC和I/O模块之间的连接流。

PLC开放化的第二种技术途径是软件重新定义PLC，让应用程序定义硬件PLC的功能，即实现数据平面和控制平面的分离（参考架构见图5）。

北京中数科技有限公司的软件定义PLC实现方案见图6。

中国电子旗下中电智能科技有限公司的全国产化软件定义PLC实现方案见图7。

5结语

“软件定义”的涵义是重新使能，这是信息处理的核心所在，也是IT取得巨得成功的一个关键原因。软件定义的前提是被定义信息资源智能化及其基础上的标准化，有点儿类似于图灵机原理，所有复杂的运算都可以由基本的移位指令支撑实现。因此，人们坚信软件能够定义一切，软件足以定义未来。

从技术发展趋势上，IOT时代所有硬件产品都具备智能、联网的特性，所有硬件产品都是一个智能终端，因此这些产品都可以由软件重新赋能。在工业互联网边缘计算架构中，ECPaaS平台是最重要的部分，国内外各实力厂家都聚焦这个地方。有了ECPaaS平台的支撑，面向场景的工业APP应用正在呼之欲出，平民开发师（非专业软件人士）正在涌现，实际上当前很多企业的设备维护都是这一类人员。这是一个巨大的进步，一种开放式的知识洪流，从这个意义上讲软件正在重新定义人（人是各种社会关系的总和——马克思语）、并在重新定义人类社会。

（作者单位：中国电子信息产业集团有限公司第六研究所）