容器化應(yīng)該是今后虛擬化的重要手段
“軟件正在吞噬世界”的說法蘊(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)算軟件開發(fā)方法成為軟件開發(fā)的主要方向。經(jīng)過幾年的摸索，云計(jì)算開發(fā)方法在工業(yè)自動(dòng)化軟件開發(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)(VM)明顯有著以下優(yōu)點(diǎn)(見圖1)：
圖1 容器化應(yīng)用軟件與虛擬機(jī)相比，APP顆粒度更小
◆APP的顆粒度更細(xì)，有利于形成輕量級(jí)的容器；
◆所需的硬件開銷要小得多；
◆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，無需其它任何支持；
◆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；
◆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，可以通過特定的平臺(tái)按照需要來選擇和部署，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
流程自動(dòng)化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)能通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口(如OPC UA)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)。另外對(duì)于大型的操作來講，像Kubernetes這樣的編排工具，可以用來維護(hù)、組織和管理容器庫，按照資源的可用性自動(dòng)平衡計(jì)算負(fù)載。下面列舉若干容器化技術(shù)應(yīng)用在不同公司的表現(xiàn)。
1、Honeywell運(yùn)用虛擬化的實(shí)例
Honeywell在容器化技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合需求，步子穩(wěn)，進(jìn)展大。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)。Honeywell Process Solution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開發(fā)Experion LCN(ELCN)有效地仿真了TDC 3000這樣的老系統(tǒng)，使得公司的老客戶得以將其在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上的投資“無限地延壽”。它可與老系統(tǒng)100%的二進(jìn)制兼容和互操作。2018年6月在Honeywell的用戶組織的大會(huì)上向公眾宣布，TDC 3000相同的代碼可以不加修改運(yùn)行在虛擬環(huán)境中，大大減少了可能產(chǎn)生技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。TDC環(huán)境的虛擬化帶來許多附加的利益，包括使工程師具有應(yīng)用Honeywell云基的虛擬工程平臺(tái)(Virtual Engineering Platform)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年的用戶大會(huì)上宣稱其Experion PKS HIVE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)和控制器和I/O這一級(jí)實(shí)現(xiàn)。
2、流程工業(yè)中另一個(gè)容器化應(yīng)用實(shí)例-Module Type Package(MTP)
由德國(guó)流程工業(yè)用戶組織NAMUR發(fā)起的模塊化類型包MTP利用現(xiàn)有的DCS和PLC的部件無縫集成為流程裝置的自動(dòng)化單元，強(qiáng)調(diào)在優(yōu)化性價(jià)比的同時(shí)將工程量降至最低、加快工程交付進(jìn)度。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ABB Ability系統(tǒng)800xA操作流程和編排的智能模塊，由一個(gè)開放架構(gòu)的骨干網(wǎng)通過OPC UA通信將編排層與模塊層鏈接(見圖2)。
圖2 ABB在流程自動(dòng)化MTP運(yùn)用容器化技術(shù)的框圖
3、施耐德的動(dòng)態(tài)
施耐德正在向越來越接近邊緣的場(chǎng)合運(yùn)用容器化技術(shù)，在預(yù)置的數(shù)據(jù)中心或云端運(yùn)用容器，或者在嵌入設(shè)備中的嵌入式系統(tǒng)運(yùn)用容器技術(shù)。施耐德已經(jīng)在產(chǎn)品注冊(cè)平臺(tái)、云端的歷史數(shù)據(jù)庫、云端工程軟件和云端分析軟件中運(yùn)用了容器技術(shù)。這些系統(tǒng)受到微軟和Red Hat等公司的支持，因?yàn)樗鼈兌际窃脑苹脚_(tái)。
施耐德預(yù)測(cè)，基于容器的流程自動(dòng)化OPA愿景的實(shí)現(xiàn)將始于采用像IEC 61499這樣的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镮EC 61499支持以應(yīng)用軟件為中心的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，而與其下層的硬件設(shè)備獨(dú)立無關(guān)。61499圍繞功能塊建立事件驅(qū)動(dòng)的模型，可以用來解決在不同的供應(yīng)商之間確?？梢浦残?、可組態(tài)性和可互操作性的問題，同時(shí)解決硬件與軟件解耦的問題。同時(shí)，61499允許獨(dú)立地開發(fā)具有跨平臺(tái)功能的容器。
4、SICK公司的實(shí)例
德國(guó)SICK公司以生產(chǎn)傳感器聞名。他們新近推出的TDC(Telematic Data Collection)網(wǎng)關(guān)就是運(yùn)用Docker容器技術(shù)的典一個(gè)產(chǎn)品案例(見圖3)。TDC可以在智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景作為邊緣網(wǎng)關(guān)，采集來自各種傳感器、PLC的數(shù)據(jù)，它支持I/O Link和其他現(xiàn)場(chǎng)總線(見圖4)。
圖3 SICK的TDC邊緣網(wǎng)關(guān)
容器化技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化工程應(yīng)用的一些優(yōu)點(diǎn)
盡管容器化技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用還剛剛開始，但已經(jīng)顯現(xiàn)出一些引人注目的優(yōu)點(diǎn)：
1、過去用傳統(tǒng)的方法做項(xiàng)目要花一年半的時(shí)間，現(xiàn)在只要先在云數(shù)據(jù)中心用虛擬化的方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，等完成后，只要把虛擬化的軟件拷貝到物理設(shè)備中，僅交付一個(gè)帶有應(yīng)用程序的容器就可以了，節(jié)省了許多調(diào)試時(shí)間。而且容器技術(shù)使靈活性達(dá)到新的水平，通過構(gòu)建樣板庫，其內(nèi)存儲(chǔ)許多事先準(zhǔn)備好的應(yīng)用程序。使用時(shí)只要進(jìn)行部署就行，不用從頭開發(fā)。
2、由于容器處在實(shí)際的操作系統(tǒng)之外，因此當(dāng)操作系統(tǒng)升級(jí)時(shí)對(duì)容器內(nèi)的應(yīng)用軟件不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。在運(yùn)用容器化技術(shù)后，原來專門設(shè)計(jì)的相互配合運(yùn)行的軟件和硬件表現(xiàn)了越來越多的獨(dú)立性，以致最后導(dǎo)致硬件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件全都呈現(xiàn)相互無關(guān)的獨(dú)立特性。
3、運(yùn)用容器化技術(shù)，當(dāng)軟件和操作系統(tǒng)需要升級(jí)和替代時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生許多難以克服的痛點(diǎn)。即使實(shí)現(xiàn)不了“無停車的替代”，運(yùn)用容器化技術(shù)可以做到顯著快的替代。從最終用戶的角度看，這可是一件很有用的事情。
4、容器化也給予制造商對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和領(lǐng)域知識(shí)的保護(hù)，以及在技術(shù)升級(jí)期間維持生產(chǎn)繼續(xù)而不致停頓。由于硬件從應(yīng)用軟件中抽象出來，也可以想象這樣的場(chǎng)景：把應(yīng)用軟件移植到更可靠的平臺(tái)所需停機(jī)的時(shí)間最短。
有關(guān)容器化應(yīng)用發(fā)展問題的討論
1、隨著基于Linux的開源容器和編排技術(shù)選項(xiàng)其實(shí)際的表現(xiàn)越來越引人注意，有理由提出如下問題：是否這樣的技術(shù)將是促使開放流程自動(dòng)化論壇OPAF邁向互操作性和即插即用的流程控制的路徑？簡(jiǎn)短的回答：是的，確實(shí)如此。運(yùn)用容器使得應(yīng)用軟件從硬件中抽象出來，或者從另一個(gè)角度說，同樣的應(yīng)用軟件可以在不同的硬件中執(zhí)行，這只取決于特定的安裝方式。如果界面是適當(dāng)設(shè)計(jì)的和定義的(例如基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61499)，那么容器化可移植應(yīng)用軟件，或者不同供應(yīng)商所提供的的應(yīng)用軟件是能夠?qū)崿F(xiàn)互操作性的。
2、當(dāng)前還沒有適合于確定性控制任務(wù)的實(shí)時(shí)的容器化/編排的方案。如果有更多的自動(dòng)化公司一起來參與創(chuàng)建實(shí)時(shí)的Dockers和Kubernets的實(shí)現(xiàn)，這樣的結(jié)果完全可以期待。
3、每個(gè)公司可以持續(xù)地開發(fā)最佳適合于其產(chǎn)品系列的軟件包，而這些軟件由于有IEC 61499的支持可不斷提升其可互操作性。由此可見，容器化和編排技術(shù)一定能推進(jìn)互操作性和開放性。
4、虛擬化的策略也可以以專有的方式提升和推進(jìn)。美國(guó)自動(dòng)化咨詢集團(tuán)ARC雖然認(rèn)同這一正交性(orthogonality)，不過他們主張：正像把知識(shí)產(chǎn)權(quán)從控制語言和專用語言中解放出來，容器化和編排也需要成為工業(yè)方法的一部分，而不是專為某一種機(jī)型準(zhǔn)備具有高度的專用性。讓容器和編排進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這才是走出死胡同的出路。
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。而且企業(yè)軟件、嵌入式軟件和云軟件這三種軟件開發(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)的開源軟件技術(shù)將會(huì)快速發(fā)展和推廣，所有軟件的開發(fā)將會(huì)使用云軟件開發(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)展的開源軟件的步伐所推動(dòng)，而不是由目前工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)所采用的軟件開發(fā)方法邁著緩慢的步伐在前行。
