IEC61499丨理想的開放自動化

何為開（kāi）放係統（tǒng）？

我們首先來看看什麽是開放性係（xì）統（tǒng）？目前還（hái）沒（méi）有必要去給它一（yī）個確切（qiē）的定義，筆者認為一個徹底的開放性係統應該具有下麵幾個特（tè）征：

不同廠商的（de）軟件（jiàn），硬件都能夠方便（biàn）的接入開放性係統.顯然，目前最好的開放性係統就是互聯網。幾（jǐ）乎快實現（xiàn）萬物互聯的（de）理想目（mù）標了。要知道，計算機網絡並不是一開始就采用開發性協議的，以前各大（dà）公司的（de）計算機（jī）網絡都是個搞一套，比如IBM公司的SNA網絡，DEC公司（sī）的DECNET，都（dōu）是當時十分流行的（de）計算（suàn）機網絡產品。它們之（zhī）間難以互聯互通。後來（lái）美國建設DARPA網絡過程中，設計了簡單的TCP/IP協議。逐步使計算機網路成為互聯網現在這個樣（yàng）子。而ISO標準化委員會著名的OSI七層模型就稱之為“開放係統互聯參考模型”。

現代自動控製係統大多數是基於（yú）網絡實現的（de）。在網絡中接入了大量的（de）傳（chuán）感器，PLC，計算機，人機交互屏幕等設備和軟件。一（yī）個（gè）開（kāi）放（fàng）自動化係統，首先要做（zuò）到不同廠商的設備（bèi）能夠互聯互通。自動化領（lǐng）域已經開放了各種現場總線，比（bǐ）如大家耳熟（shú）能詳的（de）現場總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等等。目前，不同廠商的設備之間互聯還比較困（kùn）難，有時需要各種各樣奇奇怪怪的網關產品。

要實現設備真（zhēn）正（zhèng）意義（yì）上的互（hù）聯互通，僅僅依靠協議是不夠的，還需（xū）要語義的標準化。隻有（yǒu）互相采（cǎi）用（yòng）熟悉的語義，溝通才能進行（háng）。語義標準化的難度（dù）和工作量（liàng）更大。在自（zì）動化工程的具體實踐中，我們經常會發現；世界（jiè）上最（zuì）長的距離是兩個帶有Ethernet接口的設備卻無法交換數據。

設備無法互聯互通的另（lìng）一個（gè）後果是協議和軟件係統成（chéng）為（wéi）了國際大（dà）廠市場的護城河。其它中小型企業的創新產品無法接入以國際大廠自動控製係統為主的自動化係統中。這也是我們自動化領域國產化產品水平不高的一個（gè）主（zhǔ）要原因。

係統中的大多數數據可以通過標準化的協議和信息模型被外部係（xì）統訪（fǎng）問。標（biāo）準化的（de）協議和信息模型可能包括OPC UA ，MQTT等等。

AI和大數據在工業自動化領域（yù）的應（yīng）用將（jiāng）會在（zài）未來越（yuè）來越普及。目前大數據公（gōng）司麵臨的最大困惑是，工業大數據被傳統封閉的自動化係統困死在信息孤島中，業主不敢（gǎn）動，係統集成公司不願意開放給第三方，大數據公司難以獲（huò）取現場數（shù）據，大數據（jù）麵臨著沒有數據的尷尬局（jú）麵。大多數工業雲平台還隻是停留在（zài）PLC+網關的方式獲取數據，或者與（yǔ）控製（zhì）係統建立並行（háng）的數據采集終端。

理想的（de）開放自動化係統應該（gāi）在保（bǎo）證係統安全的前提下（xià），向第三方提供各種數據。是大數據分析，AI訓練，數字（zì）孿生係統能夠獲取足夠的數據。

軟件在自動控製係（xì）統中的作用越來越（yuè）大，開發自動控製係統的軟件的效率至關重要。不過到目前為止，自動控製領域基本上（shàng）和早期的計算機行（háng）業類似，軟（ruǎn）件嚴重地依賴所運行的（de）設備。不同廠商（shāng）的PLC采（cǎi）樣不同的編程（chéng）工具軟件，開發的（de）程序（xù）基本上無法在其它PLC廠商的產品上運行（háng）。軟（ruǎn）件的重用性極低（dī），更換廠（chǎng）商的學習曲（qǔ）線陡峭。

一（yī）個開放自動化係統（tǒng），應該實現“一次編程，任何地方運行”的理想。IEC61131-3 /IEC61499標準都在努（nǔ）力地實現PLC編（biān）程（chéng）語言的標準化，加（jiā）上Soft PC技術，部分實現（xiàn）軟件的可移植性，可重用性的目標（biāo）。

一個大型的工業自動化係統往往要運行十幾年，甚至幾十年。對於一個封閉式係統而言，設備的維修，升級和替換就是一個很大的（de）問題，比如在太陽能行（háng）業，矽（guī）片切割設備上千（qiān）萬元一台（tái），設備早過了保修期，甚至當年開發這個設備的工程師都已經退休了。內部控製器還是Intel的386CPU，國內維修人員也難以找到配件，目前隻（zhī）能拆東牆補西牆。

如果是一個開放自動化係統，我們完全可以使（shǐ）用現在（zài）的控製平（píng）台替（tì）代老舊的控製器，延長設備的使用壽命。

一（yī）個理想的（de）開放自動化係統，應該能夠（gòu）將（jiāng）舊設備（bèi）上的應用程序移植到新的設備上，軟件資產的生命周期和硬（yìng）件控製器（qì）的生命周期（qī）分離（lí）。既可以獨立地更新軟件（jiàn），也可以獨立地更（gèng）新硬件。

一個開放的係統其實是一個生態係統，能夠由許多人參（cān）與其中，他們可能是重要的自動化（huà）廠商，也可以是（shì）係統集成商（shāng），用戶和第三方增值（zhí）開發商。眾人添柴火焰高（gāo），社會化開發（fā）的生態係統才富有（yǒu）活（huó）力。

在傳（chuán）統的自動化係（xì）統中所有的PLC功能塊庫（kù），SCADA組件幾乎都是由公司自（zì）己開發的。第三方難以涉（shè）足其中，而用戶幾乎隻有組態的權利。

而在一個理想的開發自動化生態中，開發工具，運行時等技術也許是核心廠（chǎng）商開發的。但是其它的開發廠商能（néng）夠參與開發功能（néng）塊庫，應用程序。他們可以采樣類似手機App市場那樣推廣，並獲得應有的商（shāng）業利益。富有創新的技術能夠迅速地導入（rù）。

基礎物理通信技術：以太（tài）網，TSN以太（tài）網，CAN，5G等技術將成為開放自動（dòng）化的主流通信方式。其上的通信協議包括TCP/IP，HTTP，modbusTCP，websocket，MQTT等等。

信息模型主要解決語義的問題。為了（le）使係統中的各部分能夠充分地互聯，實現（xiàn）所謂（wèi）的“插入即生產”等工業數字化目標，各種資產的（de）數字化信息（xī）模型的標準化和工業界達成廣泛共識就非常（cháng）重要。目前OPC UA主要的（de）一種信息模型。

采用統一的（de）信息模型姑且重要，而為自動控（kòng）製領域的各種資（zī）產建立數字化信（xìn）息模型更為重要。要對成千上萬的（de）傳感器，設備（bèi）建模。這是一個（gè）巨（jù）量（liàng）的工（gōng）程（chéng），而且需要業界達成共識。

作為一個開放自動化係統，需（xū）要能夠為建（jiàn）立信息模型提供有效工具。

開放自動化係統普遍采用標準化的編程（chéng）語言，比如目前流行的IEC61131-3 PLC語言和未來的IEC61499功能塊。然而，僅僅（jǐn）采納了標準化語言還是（shì）不夠（gòu）的。我們（men）知（zhī）道，無論是IEC61131-3的梯形圖，ST和功能塊，還是IEC61499的（de）功能塊應用（yòng）。它們都（dōu）還隻是“高級語言”，最（zuì）終（zhōng）需要轉（zhuǎn）變成為“機器（qì）代（dài）碼（mǎ）”或者“中間代碼”，最終下載（zǎi）到PLC中的運行（háng），它們或者是特（tè）殊CPU的機（jī）器代碼，或者是廠商自定義的（de）中間代碼（mǎ）。這些技術都是嚴重依賴廠商的。而標準沒有對“機器代碼”或者“中間代碼”，的格式提出格式規範。這導致了PLC程序無法直接在不同廠商硬件上運行。開放自動（dòng）化係統將公開（kāi）目標代碼的格式，並且采樣類似XML這樣的語言來描述。

PLC的程序下載，更新，運行監控稱為（wéi）管理協（xié）議（yì），它們同樣需要標準化和開放協議。這樣才可能實現“一次編程，到處運（yùn）行“的夢（mèng）想。

另一個十（shí）分重要（yào）的方麵，就是（shì）要規範和開放功能（néng）塊庫的開發技術。對於IEC61499而言，用戶可以使用ST語言，來構建基本（běn）功能塊和複合功能（néng）塊。有些開發工具可以使用Lua，java來編寫功能塊庫。如果要開發涉及通信，硬件的服務功能塊，使用C++更加合適。開（kāi）發環境如何向用戶（hù）開放運行時的功能塊接口，使用戶，第（dì）三方開發者開放功能塊庫對於構建開放自動化生態（tài）同樣十分重要。隻有豐富（fù）的功能塊（kuài）庫出現，才會帶來開發自動化的繁榮。功能塊庫對於開放自動化而言，就相當於App和智能（néng）手機的關係。

人們會問，為什麽許多公司都聲稱采（cǎi）用IEC61131-3標準，但是（shì）它們的軟件為什麽仍然（rán）沒有辦法相（xiàng）互兼容呢？這主要由於像PLC這樣的控製（zhì）設備的程序是嚴重依（yī）賴硬件的。盡管控（kòng）製語言（yán）和信（xìn）息模型標準化（huà）了。但是大量與硬件有關的程（chéng）序庫，功（gōng）能塊是廠商依賴型的（de）。

理想的開放自動化係統，應該允許開放第三方硬（yìng）件以（yǐ）及（jí）相關的功能塊庫。

TCP/UDP，MQTT，HTTPS，Web API等IT領域的通信協議（yì）成為開放自動（dòng）化係統的接口。這些都是IT領域常用的通信協議（yì）。

IT領域和自動控製OT技術的界（jiè）線（xiàn）越來越模糊（hú），自動化會不斷地導（dǎo）入（rù）IT領域的新技術，比如AI，大數據，時間序列數據庫，雲平台（tái），容器技術等等。一個好的開放自動化係統將（jiāng）促進IT和OT技術的相互融（róng）合（hé）。

長期以來，自動控製領域的（de）人（rén）機交互接口（kǒu）設備大多數是基於Windows OS 實現。而且HMI的接（jiē）口協議和信息模型各不（bú）相同。許多（duō）HMI使用C#或（huò）者C++ 實現。近（jìn）年來（lái）也有基於Linux/ QT，androids或者 NodeJS。UI設計采樣HTML5/CSS/JavaScript 這樣的跨平（píng）台，開放性技術。

理想的開放自動（dòng）化的（de）HMI應（yīng）該（gāi）是跨（kuà）平台的，HMI可以允許運行在（zài）基於windows，Linux，androids工業屏上，也能夠運行在Web，手機和平板（bǎn）電腦上。實現多屏融合。要實現這一點，使用HTML5/CSS/JavaScript可能更加合適。

也有人擔心，開放自動化時代是否（fǒu）真的會到（dào）來，畢竟它動了某些大佬（lǎo）們的“奶酪“，原（yuán）來（lái）自動化領域的大公司可能會失去一部分原有的優勢。對於這一點，我還是比較樂觀的。開放自動化會被一批（pī）富有情懷和創新精神（shén）的（de）企業和個體不斷地推動，為自動化帶來繁榮和創新。大公司也會積極參與開放自動化的潮流中來，開放使自動化市場的蛋（dàn）糕更大了。也會為它們帶來新的發展機會。例如施耐德公司最近就發布了基於IEC61499的（de）EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了他們早先收購的nxtControl公（gōng）司的技術。

推動開放自動化發展的另一個重要力量將是開源（yuán）項目，它們會起到鯰魚效應。給這整個市場帶來活力。要不然，開放自動化會被人玩壞來了。人（rén）們的擔心並不是空穴來風（fēng）。曆史（shǐ）上有過這樣的事情（qíng）發生。