IEC61499丨理想的開放自動化

何為開放係統？

我們首先來看看什麽是開放性係統？目前還（hái）沒有必要去給它一個確切的定義，筆者認為一個（gè）徹（chè）底的（de）開放性係統應該具有下麵（miàn）幾個特征：

不同廠商的軟件，硬件都能夠方便的接入開放性係統.顯然，目前最好的開放性係統就（jiù）是互聯網。幾乎快實現萬物互聯的理想目標了。要知道（dào），計算機網絡並不（bú）是一開始就采用開（kāi）發性協議的，以（yǐ）前各大公司的計算機網絡都是個搞一套，比如IBM公司的SNA網絡，DEC公司（sī）的DECNET，都是當時十分流行的計算機網（wǎng）絡產品。它們之間（jiān）難以互聯互通。後（hòu）來美國建設DARPA網（wǎng）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（zhǔn）化委員會著名（míng）的OSI七層模型就稱之為“開放係統互聯（lián）參考模（mó）型”。

現代自動控（kòng）製係統大多數是基於網絡實現的。在網絡中接入了大量的傳感器，PLC，計算（suàn）機，人機交互屏幕等設備和軟件。一個開放自（zì）動化係統，首先要做到不同廠商的設備能（néng）夠互（hù）聯互通。自動化領域已經開放了各種（zhǒng）現場總線，比如大（dà）家耳熟（shú）能詳的現場總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等等。目（mù）前，不同廠商的設備之（zhī）間互聯還比較困難（nán），有時需要各種各樣奇奇怪怪的網關產品。

要（yào）實現設（shè）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。隻有（yǒu）互相（xiàng）采用熟悉的語義（yì），溝（gōu）通（tōng）才能進行。語義標準化的難（nán）度和工作量更大。在自（zì）動化工（gōng）程（chéng）的具體實（shí）踐中，我們經常（cháng）會發現；世界上最（zuì）長的距離是兩個帶有Ethernet接（jiē）口的設（shè）備卻無法交換數據。

設備（bèi）無法（fǎ）互聯互通的另一（yī）個後果是協議和（hé）軟件（jiàn）係（xì）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（chǎn）化產品水平不高的一個主要原因。

係統中的大多數數據可以通（tōng）過標準化的協議和（hé）信息模型被外部係統（tǒng）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（dà）數（shù）據在工（gōng）業自動化領域的應用將會在未來越來越普及。目前大數據（jù）公司麵臨的最大困惑是，工業大數據被傳統封（fēng）閉（bì）的自動化係統困死在信息孤島中，業主不敢動，係統集成公司不願意開放給（gěi）第三方，大數據公（gōng）司難以獲取（qǔ）現場（chǎng）數據，大數據麵臨著沒有數據的尷尬（gà）局麵。大（dà）多數工業雲平台還隻是停留在PLC+網關的方式獲取數據，或者與控製（zhì）係統建立並行的數據采集終端。

理想的開放自動化係統（tǒng）應該在保證係統安全的（de）前提下，向第（dì）三方提供各種數據。是大數據分（fèn）析，AI訓練，數字孿生係統能夠（gòu）獲（huò）取足夠（gòu）的數據。

軟件在自動（dòng）控製係統中（zhōng）的作用越來越大，開發自（zì）動控製係統的軟件的效率至關（guān）重要。不過到目（mù）前為止，自（zì）動控製領域基本上和早期的計算機行業類似，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（jiàn），開發的程序基本上無法在其它PLC廠商的產品上運行。軟件的重用性極低，更換廠商的（de）學習曲線陡峭。

一個開放自動化係統，應該實現“一次編程，任何地方運行（háng）”的理想。IEC61131-3 /IEC61499標準都在（zài）努力地實現PLC編程（chéng）語言的標準化，加上Soft PC技術，部分（fèn）實（shí）現軟件（jiàn）的可移植（zhí）性，可（kě）重用性的目標（biāo）。

一個大型的工業自動化係統往往（wǎng）要（yào）運行十幾年，甚至幾十年。對於一個封閉式係統而言，設備（bèi）的維修，升級和替（tì）換就（jiù）是一個很大的問題，比如在（zài）太陽能行業，矽片（piàn）切割設備上千萬元一台，設備早過了保修（xiū）期，甚至當年開發這個設備（bèi）的工（gōng）程師都已經退休了（le）。內部控製器還是Intel的386CPU，國內維修人員也難以找到配（pèi）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（wán）全可以使用現在的控（kòng）製平台替代老舊的控製器，延長設備的使用壽命。

一個（gè）理想的開放自動化係統，應該能夠將舊設備上的應用程序移植到新的設（shè）備上（shàng），軟件（jiàn）資產的生命周（zhōu）期和（hé）硬件控製器（qì）的生命周期分離。既可以獨立地更新（xīn）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，能夠由許多人（rén）參（cān）與其中，他們可能（néng）是（shì）重要的自（zì）動化（huà）廠商，也可以是係統集成商，用戶和第三方增（zēng）值開發商。眾人添柴火焰高，社會化開發的生態（tài）係統才富（fù）有活力。

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

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

基礎物理通信技術：以太網（wǎng），TSN以太網，CAN，5G等技術將成為開放自動化的（de）主流通信方式。其上的通信協議包（bāo）括TCP/IP，HTTP，modbusTCP，websocket，MQTT等（děng）等。

信息模型主要解決語義的問（wèn）題。為了使係統中的各部分能（néng）夠充分地互聯，實現所謂的“插入（rù）即生產（chǎn）”等工（gōng）業數字化目標，各種資產的數字（zì）化信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主要的一種信息模型。

采用統（tǒng）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化（huà）信息模（mó）型更為重要。要對成千上萬的傳感器，設備建（jiàn）模。這（zhè）是一個巨量的工程（chéng），而（ér）且需要業界（jiè）達成共識。

作為一個開放自動化係統，需要能夠為建立信息模型提（tí）供有效工具。

開放自動化係統普遍（biàn）采用標（biāo）準化的編程語言，比如目前（qián）流行的IEC61131-3 PLC語（yǔ）言和未來的IEC61499功能塊。然而，僅僅（jǐn）采納了標準化語言還是不夠（gòu）的。我們知道，無論是IEC61131-3的梯形圖，ST和功能塊，還是IEC61499的功能塊應用。它們都還隻是“高級語言”，最終需要轉變成為“機器代碼”或者“中間代碼”，最終下（xià）載到PLC中的運（yùn）行（háng），它們或者是特殊CPU的機器代碼，或者是廠商自定義的（de）中間代碼。這些技術都是嚴重（chóng）依賴（lài）廠商的。而標準（zhǔn）沒有對“機器代碼”或者“中間代碼”，的（de）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（zì）動化係（xì）統將（jiāng）公開目標代碼（mǎ）的格式，並且（qiě）采樣類似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（shí）分重要的方麵，就（jiù）是要（yào）規範和開放功能塊庫的開發技術。對（duì）於IEC61499而言，用戶可以使用ST語言，來構建基本功能塊和複合功能塊。有（yǒu）些開發工具可以使用Lua，java來編寫功能塊庫。如（rú）果要開發涉及通信，硬件的服務功能塊（kuài），使用C++更加合（hé）適。開發環境如何向用戶開放運行時（shí）的功能塊接口，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（zhī）有豐富的功能塊庫出（chū）現，才會帶來（lái）開發自動化的繁榮。功能塊庫對於開放自動（dòng）化而（ér）言，就相當於App和智能手機的關係。

人們會問，為什麽許多公司（sī）都（dōu）聲稱采用IEC61131-3標準，但（dàn）是它們的軟件為什麽仍然沒（méi）有辦法相互兼（jiān）容呢？這主要由於像（xiàng）PLC這樣的控製設備的程序是嚴重依賴硬（yìng）件的。盡管控製語言和（hé）信息模（mó）型標準化了。但是大量與硬件有關的程（chéng）序庫，功能塊是廠（chǎng）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。

TCP/UDP，MQTT，HTTPS，Web API等IT領域的（de）通信協議成為（wéi）開放自（zì）動化係統的（de）接口。這些都是IT領域常用（yòng）的通（tōng）信協議。

IT領域和自動控製（zhì）OT技術的界線越來越模糊，自動化會不斷地導入IT領域的新技術，比如AI，大數據（jù），時間序列數據（jù）庫，雲平台，容器技術等等。一個好的開放自動化係統將促進（jìn）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大多數（shù）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（yòng）C#或者C++ 實（shí）現。近年來也有基於Linux/ QT，androids或者 NodeJS。UI設計采樣HTML5/CSS/JavaScript 這樣（yàng）的跨平台，開放性技術。

理想的開放自動化的HMI應該是跨平台的，HMI可以允（yǔn）許運（yùn）行在基於windows，Linux，androids工業屏上，也（yě）能夠運行在Web，手機和（hé）平板電腦上。實現多屏融合。要實現這一點（diǎn），使（shǐ）用HTML5/CSS/JavaScript可能更加合適。

也有人擔心，開放自動化時代是否真的會到來，畢竟它動了某些大（dà）佬們的“奶酪“，原來自動化領域的大公司可（kě）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（bèi）一批富有情懷和（hé）創新精神的企業和個（gè）體不斷地推動，為自（zì）動化帶來繁榮和創新。大公司（sī）也會（huì）積極參與開放自動化的潮流中來，開放使自動化市場的蛋糕更（gèng）大了。也會為它（tā）們帶（dài）來新的發展（zhǎn）機會。例（lì）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nxtControl公司的技術。

推動開放自動化發展的另一（yī）個重要力（lì）量將是（shì）開源項目，它們會起到鯰魚效應。給這整個市場帶來活力。要不然（rán），開（kāi）放自動化會被人玩壞來了。人們的（de）擔心（xīn）並不是（shì）空穴來風。曆史上有過這樣的事情發生。