IEC61499丨理想的（de）開放自動化

何為開放係統？

我（wǒ）們首先來看看什麽是開放性係統？目前還沒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（xìng）係統應該具有下麵幾（jǐ）個特征：

不（bú）同廠商的軟件，硬件都（dōu）能夠方便的接入開放性（xìng）係統.顯然，目前（qián）最好的開放性係統就是互聯（lián）網。幾乎快實現萬物互聯的理想目（mù）標（biāo）了。要知道，計算機網絡並不是一開（kāi）始就采用開發性協議的，以前各大公司的計算機網絡（luò）都是個搞一套，比（bǐ）如IBM公司的SNA網絡，DEC公司的（de）DECNET，都是（shì）當時十分流行的計算機網絡產品。它們之間難以互聯互通（tōng）。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（jī）網（wǎng）路（lù）成為互聯網現在這個樣子。而ISO標準化委員會著名的（de）OSI七層模型就稱之為“開放係統互聯參（cān）考模（mó）型”。

現（xiàn）代自動控製係統大多數是（shì）基於網絡實現的。在網絡中接入了大量（liàng）的傳感器，PLC，計算（suàn）機，人機（jī）交互屏幕等設備和（hé）軟件。一個開放自動化係統，首先要做到不同廠商（shāng）的設備能夠（gòu）互聯互通。自動化領域已經開放了（le）各種現場總線，比如大家耳熟能詳的（de）現場（chǎng）總線（xiàn）有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等（děng）等。目前，不同（tóng）廠商的（de）設（shè）備（bèi）之間互聯還比較困難，有時（shí）需要各種各（gè）樣奇奇怪怪的網關產品。

要實現（xiàn）設備真正意義上的互聯互通，僅僅依靠協議是不夠的，還需要（yào）語義的標準化（huà）。隻有（yǒu）互相采用（yòng）熟悉的語義，溝通才（cái）能進行。語義標準化的難（nán）度和工作量更大。在自動化工（gōng）程的具體實踐（jiàn）中，我們經常會發現；世界上最長的距（jù）離是兩個帶有Ethernet接（jiē）口的設備卻無法交換數（shù）據。

設（shè）備（bèi）無法互聯互通的另一個後果是協議和軟件（jiàn）係統成為了（le）國際大廠市場的護城河。其它（tā）中小型企業（yè）的創新產品無法接入（rù）以（yǐ）國際大廠自動控製（zhì）係統為主的自動化係統中。這（zhè）也是我們（men）自動化領域國產化產品水平不高的一（yī）個主要原因。

係統中（zhōng）的大多數數據可以通過標準化的協議和信息模型被外（wài）部係統（tǒng）訪問。標準化的協議（yì）和信息模（mó）型可能包括OPC UA ，MQTT等等（děng）。

AI和大數據在（zài）工業自動化領域的應（yīng）用將會在未來越來越普及。目前大數（shù）據公司（sī）麵臨的最大困惑是（shì），工業大數據被傳統封閉的自動化係統困死在信息孤島中，業主不敢動，係統集成公司不願（yuàn）意開放給第三方，大數據公（gōng）司難以（yǐ）獲取現場數據，大數據麵臨著沒有數（shù）據的尷尬局麵。大多數工業雲平台還（hái）隻是停留在PLC+網關的方式獲取數據，或（huò）者與控製係統建立並（bìng）行的數據采集終端。

理想的開放自動化（huà）係統應該在保證係統安（ān）全的（de）前提下，向第（dì）三方提供各種數據。是大（dà）數據分析，AI訓練，數字（zì）孿（luán）生係（xì）統能（néng）夠獲取足夠的數據。

軟件（jiàn）在自動控製係統中的（de）作用越來越大，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和早期的計算（suàn）機行業（yè）類似，軟件嚴重地依賴所運行（háng）的設備。不同廠商的PLC采樣不同的編程工具軟件，開發的程序基本上無法在其它PLC廠商的（de）產品上運行（háng）。軟（ruǎn）件的重用性極低，更換廠商（shāng）的學習曲線陡峭。

一個開放自動化係統，應該實現“一次編程，任何地方（fāng）運（yùn）行”的理想。IEC61131-3 /IEC61499標準都在努力地實現PLC編程語言的標準化，加上（shàng）Soft PC技術，部（bù）分實現軟件的可移植（zhí）性，可重用性的目標。

一個大型的工業自動化係統往往（wǎng）要運行（háng）十幾年，甚至幾（jǐ）十年。對於一個封閉式係統而言，設（shè）備的維修，升（shēng）級和替換就是一個很大的（de）問題，比如在太陽（yáng）能行業，矽片切割設（shè）備上千萬元一台，設（shè）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（bù）控製器還是Intel的386CPU，國內維修（xiū）人員也難以找到（dào）配件，目前隻能拆東牆補西牆（qiáng）。

如果是一個開放自動化係統，我們完全可以（yǐ）使（shǐ）用現在的控製平台替代老舊的控（kòng）製器，延長設備（bèi）的使用壽命。

一個理想的（de）開放自動化係統，應該能夠將舊設（shè）備（bèi）上的應用程序移（yí）植到新的設備上（shàng），軟件資產的生命周期和硬（yìng）件控製器的生命（mìng）周期分離。既可以獨立地（dì）更新軟件，也（yě）可以（yǐ）獨立地更新（xīn）硬件。

一個開放的（de）係統其實是一個（gè）生態係統，能夠由許多人（rén）參與其中，他們可能是重要的自動化廠商，也可以是（shì）係統集成商，用戶和第三方增值開發（fā）商。眾人添柴火焰高，社會化開（kāi）發的生態係統才富有活力。

在傳（chuán）統的自動化係統中所有的PLC功能塊庫，SCADA組（zǔ）件幾乎都是由公司自己開發的。第（dì）三方難以涉足其中，而用戶（hù）幾乎隻有組（zǔ）態的（de）權（quán）利。

而在一個理想的開發（fā）自動化生態中，開發工（gōng）具，運行（háng）時等（děng）技術也（yě）許（xǔ）是核心廠商開（kāi）發的。但是（shì）其它的開發（fā）廠商能夠參（cān）與開發功能塊庫，應用程序。他們可以采樣（yàng）類似手機App市場那（nà）樣推廣，並獲得應有的商業利益。富有創新的技術（shù）能夠迅速地導入。

基礎物（wù）理通信技術：以太網，TSN以太網，CAN，5G等技術將成為開放自動化的主流通信（xìn）方式。其上的通信（xìn）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（tí）。為了使係統中的各（gè）部分能夠充分地（dì）互（hù）聯，實現所謂的“插入即（jí）生產”等（děng）工業數（shù）字化目標，各種資產的數字化信（xìn）息模型的標準化和工業界達成廣泛共識就非常重要。目前OPC UA主要的一種信息（xī）模型。

采用統一（yī）的信息（xī）模型姑且重要，而為自動控製領域的各種（zhǒng）資產建立數字化信息模型更為重要（yào）。要對成千上萬的傳感器，設備建模。這是一個巨量的工程，而且需要業界達成共識。

作為一個開放自動化係統（tǒng），需要（yào）能夠為建立信息模型提供有效工（gōng）具（jù）。

開放自動化係統普（pǔ）遍采用標（biāo）準化的編程語（yǔ）言，比如目前流行的IEC61131-3 PLC語言和未來的IEC61499功能塊。然而，僅僅采納了標準化語言還是不夠的。我們知（zhī）道，無論是IEC61131-3的梯形圖，ST和功能（néng）塊，還是IEC61499的功能塊應用。它們都還隻是“高（gāo）級語言”，最終需要轉變成為“機器代碼”或者（zhě）“中間代碼”，最終下載（zǎi）到PLC中的運行，它們或（huò）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。而標準沒有對“機器代碼”或者“中（zhōng）間代碼”，的格式提（tí）出格式規範。這導致了PLC程序無法直接在不同廠商硬件（jiàn）上運行。開放自動化係統（tǒng）將公開目標代碼的格式，並且采（cǎi）樣類似XML這樣的語言（yán）來描述。

PLC的程序下載，更新，運行監控（kòng）稱為管理協議，它們同樣需要標準化和開放（fàng）協議。這樣才可能實現“一次編程，到處（chù）運行“的夢想。

另一個十分重要的方麵，就是要（yào）規範和開放功能塊庫的開發技術。對於IEC61499而言，用戶可以使用ST語言，來構建基本功能塊（kuài）和複合（hé）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）開發涉及通信，硬件的服務功能塊，使用C++更加合適。開發環境如何（hé）向用（yòng）戶開放運行時的功能塊接口，使用戶（hù），第三方開發者開放（fàng）功能塊庫對於構建開（kāi）放自動化生態同樣（yàng）十分（fèn）重（chóng）要。隻有豐富的功能（néng）塊庫出現（xiàn），才（cái）會帶來開發自動化的繁榮。功能塊庫對（duì）於開放自動化而言，就相當於App和智能手機（jī）的（de）關係。

人們會問，為（wéi）什麽許多公司都（dōu）聲稱采用IEC61131-3標準，但是它們的軟件為什麽仍然沒有辦（bàn）法相互兼（jiān）容呢？這主要由於（yú）像PLC這樣的控製設備的程序是嚴重依賴硬件的。盡管控製語言和信息模型（xíng）標準化了。但是大量與硬件有（yǒu）關的程序庫，功能塊是廠商依賴（lài）型的。

理想的（de）開放（fàng）自動化係統，應該（gāi）允許開放第三方硬件以及相關的功能塊庫。

TCP/UDP，MQTT，HTTPS，Web API等IT領域的通（tōng）信協議成為開放自動化係統的接口。這些（xiē）都是（shì）IT領域常用的通信協（xié）議。

IT領域和自動控製OT技術的界線越來越模糊，自動化會不斷地導入IT領域的新（xīn）技（jì）術，比如AI，大（dà）數據，時間序列數據庫，雲平台，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（hù）融合。

長（zhǎng）期以來，自動控製領域的（de）人機交互接口設備大多數是（shì）基於Windows OS 實現。而且HMI的接口協議和信息模型各不相同。許多HMI使用C#或者C++ 實現。近年來也有基於Linux/ QT，androids或者（zhě） NodeJS。UI設計采（cǎi）樣（yàng）HTML5/CSS/JavaScript 這樣的跨平台，開放（fàng）性技術。

理想的開放自動化的HMI應該是跨平台的，HMI可（kě）以允許運行在（zài）基（jī）於windows，Linux，androids工業屏上，也能夠運行在（zài）Web，手機和平板（bǎn）電腦上。實現多（duō）屏（píng）融合。要實現這（zhè）一點，使（shǐ）用HTML5/CSS/JavaScript可（kě）能更加合適。

也有人擔心，開放自動化時代是否真的（de）會到來，畢竟它動了某些大佬們的“奶酪“，原來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（yī）點，我還是比較樂觀的。開放自動化會被一批富有情懷和創新精神的企（qǐ）業和個體不斷地（dì）推動，為自（zì）動化（huà）帶來繁榮和（hé）創新。大（dà）公司也會（huì）積極參與開放自（zì）動化的潮流中來，開放使自動（dòng）化市場的蛋糕更大了。也會為它們帶來（lái）新的（de）發展機會。例如施耐德公司最近就發布了基於IEC61499的EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了他們早先收購的（de）nxtControl公司的（de）技術。

推動（dòng）開（kāi）放自動化發展（zhǎn）的另一個（gè）重要力量將是開源項目，它們會（huì）起到鯰魚效應。給這整（zhěng）個市場帶來活力。要不然，開（kāi）放自動化會被人玩壞來（lái）了。人們的擔心並不是空穴來風。曆史（shǐ）上有過這樣的事情發生（shēng）。