IEC61499丨理想的開放自動化

何（hé）為開放係統？

我們首先來看看什麽是開放性係統？目前（qián）還沒有必要去給它一個確（què）切的定（dìng）義，筆者認為（wéi）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，硬件都（dōu）能夠方便的接入開放（fàng）性係統.顯然，目前最好的開放性（xìng）係統就（jiù）是互聯（lián）網。幾（jǐ）乎快實現萬物互聯的理想目標了。要知道，計算機網絡並不是一開始就（jiù）采用開發性協議的，以前各大（dà）公司的（de）計算機網絡都是（shì）個搞一（yī）套，比如IBM公司的SNA網絡，DEC公司的DECNET，都（dōu）是（shì）當時（shí）十分流行的計算機網絡產品。它們之間難以互聯互通。後來美（měi）國建設DARPA網絡過程中，設計（jì）了簡單的（de）TCP/IP協議。逐步使計算機網路成為互（hù）聯網現（xiàn）在這個樣子（zǐ）。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（xiàn）代自動控製係（xì）統大多（duō）數是基於網絡實現的。在網（wǎng）絡中接入了大量的傳感器（qì），PLC，計（jì）算機，人機交（jiāo）互屏幕等設備和軟（ruǎn）件。一個開放自動化係統，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，比如大家耳熟能詳的現場（chǎng）總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等（děng）等。目（mù）前，不同廠商的設備之間互聯還比較困難，有（yǒu）時需（xū）要各種（zhǒng）各樣奇奇怪怪的網關產品。

要實（shí）現設備真正意義上的互聯互通，僅僅依靠協議是不夠的，還需（xū）要語義的標準化。隻有互相采用熟悉的語義，溝通才能進（jìn）行。語義標（biāo）準化（huà）的難度和工作（zuò）量更大。在自動化工程的（de）具體實踐中，我們經常會發現；世界上最（zuì）長的距離是兩（liǎng）個帶有Ethernet接口的設備卻無法交（jiāo）換數據（jù）。

設備無法互聯互通的另一個後果是協議和軟件係統成為了國際大廠市場的護城河。其它中小型企業的創新產品無法接入（rù）以國際大廠自動控（kòng）製係（xì）統為主的（de）自動化係統中（zhōng）。這也是我們自動化領域國產化產（chǎn）品水平不高的（de）一個（gè）主要（yào）原因。

係統（tǒng）中的大多數數據可以通過標準化的協議和信息（xī）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（shù）據在工業自（zì）動化領域的（de）應用將會（huì）在未來越來越普及。目前大數據公司麵（miàn）臨的最大困惑是，工業（yè）大（dà）數據被傳統封閉的自動化係統困死（sǐ）在信息孤島中，業主不敢動，係統集成（chéng）公司不願意開（kāi）放給第三（sān）方，大數據公（gōng）司難以獲取現場數據，大數（shù）據麵臨著沒有數據的尷尬局麵。大多數工業雲平（píng）台還隻是（shì）停留在（zài）PLC+網關的方式獲取數據（jù），或者與控（kòng）製係統建立（lì）並（bìng）行的數據采集終端。

理想的開放自動化係統應該在保證係（xì）統安全的前提下，向第三方提供各種數據。是大數據分析，AI訓練，數字孿生係統能夠（gòu）獲取足（zú）夠的數據。

軟件在自動控製係統中的作用（yòng）越來越大，開發（fā）自動（dòng）控製係統的軟件的效率至關重要。不過到（dào）目前為止，自動控製領（lǐng）域基本（běn）上和早期的計算機（jī）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（chéng）工具軟件，開（kāi）發的程（chéng）序基本上無法在其它PLC廠（chǎng）商的產品上運行。軟件的重用性極低，更（gèng）換廠（chǎng）商的學習曲（qǔ）線（xiàn）陡峭（qiào）。

一個開放自動化係統，應該實現（xiàn）“一次編程，任何地方（fāng）運行”的理想。IEC61131-3 /IEC61499標準（zhǔn）都在（zài）努力（lì）地實現PLC編程語（yǔ）言的標準化，加上Soft PC技術，部（bù）分（fèn）實現軟件（jiàn）的可移植性，可重用性的（de）目（mù）標。

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（shēng）級和替換就是一個很大的問題，比如在太陽能行業，矽片（piàn）切割設備上千萬元（yuán）一台，設備早（zǎo）過了保修期，甚至當年開發這個（gè）設備的工（gōng）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（yǐ）找到配件，目前隻能拆東牆補西牆。

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

一個理想的開（kāi）放自動化係統，應該能夠將舊設備（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（jiàn）控（kòng）製器的生命周期分離。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（xì）統其實是一個（gè）生態（tài）係統，能夠由許多人參與其中，他們可能是重要的自動化廠商（shāng），也可以是係統集成商，用戶（hù）和第三方增值開（kāi）發（fā）商。眾人添柴火（huǒ）焰高，社會化開發的生態係統才富有活（huó）力。

在傳統的自動化係統中所有的PLC功能塊庫，SCADA組件幾乎都（dōu）是由公司自己開（kāi）發的。第三方難以涉足其中，而用（yòng）戶幾乎隻有組態的權利（lì）。

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

基礎物理通信技術：以太網，TSN以太網，CAN，5G等技（jì）術將成為開放自（zì）動化的主流通信方式。其上的（de）通信協（xié）議包括TCP/IP，HTTP，modbusTCP，websocket，MQTT等等。

信息模（mó）型（xíng）主要解決語義的問題。為了使係統中的各部分能夠充分地（dì）互聯，實現所謂（wèi）的（de）“插入即生產”等工業數字化目標（biāo），各種資產的數字化信息模型的標準化和（hé）工業界達成廣泛共識就非常重要。目前OPC UA主（zhǔ）要的一種信息模型。

采用統一的信息（xī）模型姑且重（chóng）要，而為自動控製領域（yù）的各種資產建（jiàn）立數字化信息模型更為重要。要對成千上萬的傳感器（qì），設備建模。這是一個巨量的工程，而且需要（yào）業界達成共識。

作為（wéi）一個開放自動化係統，需（xū）要能夠（gòu）為建立信息模型提供有效（xiào）工具。

開放自動化係統普遍采（cǎi）用標準化的編程語言（yán），比如目前流行的IEC61131-3 PLC語言和（hé）未來（lái）的IEC61499功能（néng）塊。然而，僅僅采納了標準化語言還是不（bú）夠的。我們知（zhī）道，無論（lùn）是IEC61131-3的梯形圖，ST和功能塊，還是（shì）IEC61499的功能塊應用。它們都還隻是“高級語言”，最終需（xū）要轉變成為“機器代碼”或者“中間代碼”，最終下載到PLC中的運行，它（tā）們或者（zhě）是特殊CPU的機器（qì）代碼，或者（zhě）是廠商自定（dìng）義的中（zhōng）間代碼。這些技術（shù）都是（shì）嚴重依賴廠商的。而標準沒（méi）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。開放自動化係統將公開目標代碼的格式，並且采樣類似XML這樣的（de）語言來描述。

PLC的（de）程序下載，更新，運（yùn）行監控稱為管理協議，它們（men）同樣需要標準化和開放協議。這樣（yàng）才可（kě）能實現“一（yī）次編程，到處運行“的夢想。

另一個十分重要的方麵，就是要規範和（hé）開放功能塊（kuài）庫的開發技術。對於IEC61499而言，用戶可以使用ST語言，來構建基（jī）本功能塊和複合功（gōng）能塊。有些開發工具可以使用（yòng）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（shǐ）用C++更加合適。開（kāi）發環境如何向用戶（hù）開放（fàng）運行時的功能塊（kuài）接口，使用戶，第三方開發者開放功能塊庫對於構建開放自動化生態同樣十分重要。隻有豐富的功能塊庫出現，才會帶來（lái）開發自動化的繁榮。功能塊庫對於開放（fàng）自動化而言，就相當於（yú）App和智能手機的關係。

人們會（huì）問，為什（shí）麽許多公司都聲（shēng）稱采用IEC61131-3標準，但是它們的軟件為（wéi）什麽仍然沒（méi）有辦法相互兼（jiān）容呢？這主要由於像PLC這樣（yàng）的控製設備的程序是嚴重（chóng）依賴硬件的。盡管控製語言和信息模（mó）型標準化了。但是大量與硬件有關的程序庫，功能塊是廠商依賴型的。

理想的開放自動化係統，應該允許開放第三方硬件以及相關的功能塊庫（kù）。

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

IT領域和（hé）自（zì）動控製OT技（jì）術的界線越來越模糊，自動化會不斷地導入（rù）IT領域的新（xīn）技術，比如AI，大數據，時間序列數據庫，雲平台，容器技術等等。一個好的開放（fàng）自動化係統將促進IT和OT技術的相互融合。

長期以來（lái），自動控製領域的人機交互接口設備（bèi）大多數是基於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（shí）現（xiàn）。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）放性技術。

理想的開放自（zì）動化的HMI應該是跨平台（tái）的，HMI可以（yǐ）允許運行在基於windows，Linux，androids工業屏上（shàng），也能夠運行在Web，手機和平板電腦上。實現多屏融合。要實現這一點，使用HTML5/CSS/JavaScript可能更加（jiā）合適。

也有人擔心，開放自（zì）動化時代（dài）是否真的會到來，畢竟（jìng）它（tā）動了某些大佬（lǎo）們的“奶（nǎi）酪“，原來自（zì）動化領域的大公司（sī）可能會失去一（yī）部分原有的優勢。對於這一點，我（wǒ）還是（shì）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業（yè）和個體不斷地（dì）推動，為自動化帶來繁榮和創新。大公司也會積極參與開（kāi）放自動化的潮流中（zhōng）來，開放使（shǐ）自動化市場的蛋糕更大了。也會為（wéi）它們帶來新的發展機會。例如施（shī）耐德（dé）公司最近就發布（bù）了基於IEC61499的EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了他們早先收購的nxtControl公司的技術。

推動開放（fàng）自動化發展的另一個重要力（lì）量將（jiāng）是開源項（xiàng）目，它們會（huì）起到鯰魚（yú）效應。給這整（zhěng）個市場帶來活力。要不然（rán），開放自動化會被人玩壞來了。人們的擔心並不是空穴來風。曆史上有過這（zhè）樣的事情發生。