IEC61499丨理想的開放（fàng）自動化

何為開放係統？

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

不同廠商的軟件（jiàn），硬件（jiàn）都能夠（gòu）方便的接入（rù）開放性係（xì）統.顯然，目前最好的開放性係統就是互聯網。幾乎（hū）快實現萬物互聯的理（lǐ）想（xiǎng）目標了。要知道，計（jì）算機網絡並不是一開（kāi）始就采用開發性協議的，以（yǐ）前各大公司的計算機網絡都是（shì）個（gè）搞一套，比如IBM公司（sī）的SNA網絡，DEC公司的DECNET，都是當時（shí）十分（fèn）流行的計算機網絡（luò）產（chǎn）品。它們之間難（nán）以互聯互通。後來美國建設DARPA網絡過程中，設計了簡（jiǎn）單的TCP/IP協議。逐步使計算機網路成為互聯網現在這個樣子。而ISO標準化委員會著（zhe）名的OSI七層模型就（jiù）稱之為“開放係統互聯（lián）參考模型”。

現代自動控製係統大多（duō）數（shù）是基於網絡實現的。在網絡中接入了大量的傳感（gǎn）器，PLC，計算機，人機交互屏幕等設備和軟件。一個開放自動化係（xì）統，首先要做到不同廠商的設備能夠互聯互通。自動化領域已經開放了各種現場總線（xiàn），比如大家（jiā）耳熟（shú）能詳的現場總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等（děng）等。目前，不同廠商的設備之（zhī）間互聯還比較困（kùn）難，有（yǒu）時需（xū）要各種各樣奇奇（qí）怪怪的網（wǎng）關產品。

要實現（xiàn）設（shè）備真正意義上的互聯（lián）互通，僅僅依靠協議是不夠的，還需要語義的標準化（huà）。隻有互相采用熟悉的語義，溝通才（cái）能（néng）進行。語義標準化的難度和工作量更大。在自動化工程的具體實踐中，我們經常會發現（xiàn）；世界上最長的距離是兩個帶有（yǒu）Ethernet接口的設備卻無法交（jiāo）換數據（jù）。

設（shè）備無法互聯互通的另一個後果是協議和軟件係統成（chéng）為了國際大廠市場的護城河。其它中小型企業（yè）的創新產品無法接（jiē）入以國際大廠自（zì）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主要原因。

係統中的大多數數據可（kě）以通過標準化的協議和（hé）信息模型被外部係統訪問。標準化的協議和信息模型可能包括OPC UA ，MQTT等等。

AI和大數據（jù）在工業自動化領域的應用將會在未來（lái）越來越普及。目前大數（shù）據公司麵臨的最大困惑是，工業大數據被傳統封閉的（de）自動化（huà）係統困死在（zài）信息孤（gū）島（dǎo）中，業主不敢動，係統集成公司不願意開放給第（dì）三（sān）方，大數據公司難以獲取現場數據，大數據麵臨著（zhe）沒（méi）有數據的尷尬局麵。大多數工業雲平台還隻是停（tíng）留在PLC+網關的方式獲取（qǔ）數據，或者與控製係統建立並行的數據采集終端。

理想的開放自動化係統應該在保證係統安全的前提下，向第三（sān）方提供各種數據。是大數據分析，AI訓練，數（shù）字孿生係統能夠獲取足夠的（de）數據。

軟件在自（zì）動（dòng）控製係統中的作用越來越大，開發自動控製係統的軟件的效（xiào）率至（zhì）關（guān）重要。不過（guò）到目前為止，自動控製領（lǐng）域基本（běn）上和早期的計算（suàn）機行業類似，軟件嚴重地依賴所運行的設備。不同廠商的PLC采樣不同的編程工具軟件，開（kāi）發的程序（xù）基本上無法在其它PLC廠商（shāng）的產品上運行。軟件的重用性極低，更換廠商的學習曲線陡峭。

一個（gè）開放自動（dòng）化係統，應該實（shí）現“一次編程，任何地方運行”的理（lǐ）想。IEC61131-3 /IEC61499標（biāo）準都在努力地實現PLC編程語言的標準（zhǔn）化，加上Soft PC技術，部分實現（xiàn）軟件的可移植性，可重用（yòng）性的目標。

一個（gè）大型的工業（yè）自（zì）動（dòng）化係統往往要運行（háng）十（shí）幾年，甚至幾十年。對（duì）於一個封閉式係統而言，設（shè）備的維修，升級和（hé）替換就是一個很大的問題，比如在太陽（yáng）能行業（yè），矽片切割設備上（shàng）千萬元一台，設備早過了（le）保修期，甚至當年開發這（zhè）個設備的（de）工程（chéng）師都已經退休了。內部控製器還（hái）是Intel的（de）386CPU，國內維修人員也難以找到配件，目前隻能拆東牆補西牆。

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

一個理想的（de）開放自動化係統，應該能夠將舊設備上的應用程（chéng）序移（yí）植到新的設備上，軟件資產的生命周期和硬件控（kòng）製器的生命周期分（fèn）離。既可以獨立地更新軟件，也可以獨立地更新硬件。

一個開放的係統其實是一個生態係統，能夠由許多（duō）人參與（yǔ）其中，他們（men）可（kě）能是重要（yào）的自（zì）動化（huà）廠商，也可以（yǐ）是係統集成商，用（yòng）戶和第三方增值開發商。眾人添柴火焰高，社會化開發的生態係統才富有活力。

在傳統的自（zì）動化係（xì）統（tǒng）中所有的PLC功能塊庫（kù），SCADA組件（jiàn）幾乎（hū）都（dōu）是由公司（sī）自己開發的。第（dì）三方難以涉足其（qí）中，而用戶幾乎隻有組（zǔ）態的權利。

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

基（jī）礎物理通信技（jì）術：以（yǐ）太（tài）網，TSN以太網，CAN，5G等技術將成（chéng）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（jiě）決語義的（de）問題。為了（le）使係統中的（de）各部分能夠充分地互聯，實（shí）現所謂的“插入即生（shēng）產”等工業數字化目標，各種資產的數字化信息模型的標（biāo）準化和工業界達成廣泛共識就非常重要。目（mù）前OPC UA主要的一種信息模型。

采用統一的信息模型姑且重要，而為自動控製領域的各種資產建立數字（zì）化信息模型更為重要（yào）。要對（duì）成千上萬的傳（chuán）感器，設備（bèi）建（jiàn）模。這是一個巨量（liàng）的（de）工程，而且需要業界達成共識。

作為（wéi）一個開放自動化係統，需要能夠為建立信息（xī）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語言，比如目前流行的IEC61131-3 PLC語（yǔ）言和未來的IEC61499功能塊。然而，僅僅采納了標準化語言還是（shì）不夠的。我們知道，無論是（shì）IEC61131-3的梯形圖，ST和功能塊，還是IEC61499的功能塊應用。它（tā）們都還隻（zhī）是“高級語（yǔ）言”，最終（zhōng）需要轉變（biàn）成為“機器代碼”或者“中間代碼”，最（zuì）終下載到（dào）PLC中的（de）運行，它們或者是特殊CPU的機器代碼，或者是廠商自定義的中間代碼。這些技術都是嚴重依賴廠商的。而（ér）標準沒有對“機器（qì）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。開放自動化係統將公開目標代碼的格式，並且采樣類似（sì）XML這樣的語言來描述。

PLC的程（chéng）序下載（zǎi），更新，運行監控稱為管理協議，它（tā）們同樣需要標準化和開放協議。這樣才可能實現“一次編程，到處運行“的夢想。

另一個十分重要的方麵，就是要規（guī）範和開放功能塊（kuài）庫的開發技術。對於IEC61499而言，用戶（hù）可以使用ST語言，來構（gòu）建基本功能塊和複合功能塊。有些開發工具可以使用Lua，java來編寫功能塊庫。如果要（yào）開發涉（shè）及通信，硬件的服務功能塊，使用C++更加合適。開發環境如何向用戶開放運（yùn）行時的功能塊接口（kǒu），使用戶，第三方開發者（zhě）開放功能塊庫（kù）對（duì）於構建開放自（zì）動化生態同樣十分重（chóng）要。隻有豐富的功能（néng）塊庫出現，才（cái）會（huì）帶來開發自動化的繁（fán）榮。功能塊庫對於開（kāi）放（fàng）自動化而言，就（jiù）相當於App和智能手機的關係。

人們會問，為什麽許多公（gōng）司都（dōu）聲稱采用IEC61131-3標準，但是它們的（de）軟件為什麽（me）仍然沒有辦法相互兼容呢？這主要（yào）由於像PLC這樣的控製設備的程序是嚴重依賴硬件（jiàn）的。盡管控製語言和信息模型標準化了。但是大量與硬（yìng）件有關的程序庫，功（gōng）能塊是廠商依賴型的。

理想的開放自動化係（xì）統，應該允許開放第三方硬件以及相關的（de）功能塊庫。

TCP/UDP，MQTT，HTTPS，Web API等IT領域的通信協議成為開放自動化係統（tǒng）的接（jiē）口。這些都是（shì）IT領域常用的通信（xìn）協議。

IT領（lǐng）域和自動（dòng）控製OT技（jì）術的（de）界線越來（lái）越模糊，自動（dòng）化會不（bú）斷（duàn）地導入IT領域的新技術，比如AI，大數據，時間序列（liè）數（shù）據庫，雲平台（tái），容（róng）器技術等等。一個（gè）好的開放（fàng）自動化係統將促進IT和（hé）OT技（jì）術的相互（hù）融合。

長期以來，自動控製領域的人機交互接（jiē）口設備大多數是基於Windows OS 實現。而且HMI的接口（kǒu）協議和（hé）信息模型各不相同。許多HMI使用C#或者C++ 實現。近年來也有基於Linux/ QT，androids或者 NodeJS。UI設計采樣HTML5/CSS/JavaScript 這樣的跨平台，開（kāi）放（fàng）性技術。

理想的開放自動化的HMI應該（gāi）是跨平台的，HMI可以允許運行在基於windows，Linux，androids工業（yè）屏上，也能夠運行在Web，手機和平板電腦上（shàng）。實現（xiàn）多（duō）屏融合。要實現這一點，使用HTML5/CSS/JavaScript可能更加合適。

也有（yǒu）人（rén）擔心，開放自動化時代是否真的會到來，畢竟它動了某些大佬們（men）的“奶酪“，原來自動化領域的大公司可能會（huì）失去一部分原有的優勢（shì）。對於這一點，我還是比較樂觀的。開（kāi）放自動化會被一批富有情（qíng）懷和（hé）創新精神的企業和（hé）個體不斷地推動，為自動化帶來繁榮和創（chuàng）新（xīn）。大公司也會積極參與開放自動化（huà）的潮流中來（lái），開放使自動（dòng）化市場的蛋糕更大了。也會為它們帶來新的（de）發展機會。例如施耐德公司最（zuì）近就發布了基於IEC61499的EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了他們早（zǎo）先收購（gòu）的nxtControl公司的技術。

推動（dòng）開放自動化發展的另一個重要（yào）力量將是開源項目，它們會起（qǐ）到鯰魚效應。給這整個市場帶來活力。要（yào）不然，開放自動化會被人玩壞來了。人們的擔心並不是空穴來風。曆史上（shàng）有過這樣的事情發（fā）生。