IEC61499丨理（lǐ）想的開放（fàng）自動化

何為開放係統？

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

不同廠商的（de）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（tǒng）就是互聯網。幾乎快實現萬物互聯的理想目標了。要知（zhī）道，計（jì）算機網（wǎng）絡並不是一開始就采用開（kāi）發性（xìng）協議的，以前各大公司的計算（suàn）機（jī）網（wǎng）絡都是個搞一（yī）套，比如IBM公司的SNA網絡（luò），DEC公司的（de）DECNET，都是當時十分流行的計算機網絡產（chǎn）品。它們之間難以互聯互通（tōng）。後來美國建設DARPA網絡過程中，設（shè）計了簡單的TCP/IP協議（yì）。逐步使計（jì）算機網路成為互聯網現在這個樣子。而ISO標準化委員會著名的OSI七層（céng）模（mó）型就稱之為“開放（fàng）係統互聯參考模型”。

現代自動控製係統大多數是基於網絡實現的。在網絡中接入（rù）了（le）大量的傳感器，PLC，計算機，人機交互（hù）屏幕等設（shè）備和軟件。一個開放自動化係統，首先要做到不同（tóng）廠商的設備能夠互聯互（hù）通。自動（dòng）化領域已經開放了各種現場總線，比如大家耳熟（shú）能詳的現場總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等（děng）等（děng）。目（mù）前（qián），不同廠商的設備之間互聯還比較困難，有時需要各種各樣奇奇怪怪的（de）網關產品。

要實現設備真正意義上的互聯互通，僅僅依靠協議是不夠（gòu）的，還需要（yào）語義的標準化。隻有互相采用熟悉的語義，溝（gōu）通才能進行。語義標準化的難度和工（gōng）作量更大。在自動化工程的（de）具體實踐中，我們（men）經常會發現；世界上最長的（de）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一個後果是協議和軟件（jiàn）係統成為了國際大廠市場（chǎng）的護城河（hé）。其它中小型企業的創新產品（pǐn）無法（fǎ）接（jiē）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（lǐng）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以通過標準化的協議（yì）和信息模型被外部係統訪問。標準化的協議（yì）和信息模型可能包括OPC UA ，MQTT等等。

AI和大數據在（zài）工（gōng）業自動化領域的應用將會在未來越來（lái）越（yuè）普及。目前大數據公司麵臨（lín）的（de）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，業主不敢動（dòng），係統集成公司不願（yuàn）意開放給第三方（fāng），大數（shù）據公司難以獲取現場數據（jù），大數據麵臨著沒有（yǒu）數據的尷尬局麵。大多數工（gōng）業雲平台還隻（zhī）是停（tíng）留在PLC+網關的方式（shì）獲（huò）取數據（jù），或者與（yǔ）控製係統建立並行的數（shù）據采集終（zhōng）端（duān）。

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

軟件在自（zì）動控製係（xì）統中的作用越來越大，開發自（zì）動控製（zhì）係統的軟件的（de）效率至關重要。不過到目前為（wéi）止，自動控製領域基本上和（hé）早期的計算機行業類似（sì），軟件（jiàn）嚴重地依賴所（suǒ）運行的設備。不同廠商（shāng）的PLC采樣不同的編程工（gōng）具軟件，開發的程序基（jī）本上無法在（zài）其它PLC廠商的產品上運行。軟件的（de）重用性極低，更（gèng）換廠商的學習曲（qǔ）線陡峭。

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

一個大型的工業自動化係統往往要運（yùn）行十幾年，甚至幾十年（nián）。對於一個封閉（bì）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，矽片切割設備上千萬元一台，設備早過了保修期，甚至（zhì）當年開發這個設備的工程（chéng）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件，目前隻（zhī）能拆東牆補西（xī）牆。

如果是一個開放自（zì）動化（huà）係統，我們完全可以（yǐ）使用現在的控製平台替代老舊的控（kòng）製器，延長設（shè）備（bèi）的使用（yòng）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序移植到新的設備上，軟件資產的生命周期和硬件控製器的生命（mìng）周期分離（lí）。既可（kě）以獨立地更新軟（ruǎn）件，也可以獨立地（dì）更新硬件。

一個開放的係（xì）統其實是一個生態係統，能夠（gòu）由（yóu）許（xǔ）多人參與（yǔ）其中，他們可能是重要的自動化廠商，也（yě）可以是係統集成商，用戶和（hé）第三方（fāng）增值開發商。眾人添柴火（huǒ）焰高，社會化開發的生態係統才富有活力。

在傳統的自動化係統中（zhōng）所有的（de）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，而用戶幾乎隻有組（zǔ）態的權利。

而在一個理想的開發（fā）自動化生態中，開發工具，運行時等技術也（yě）許是（shì）核心廠商開發的。但（dàn）是其它（tā）的（de）開發廠商能夠參與開發功（gōng）能塊庫，應用程序。他們（men）可以采（cǎi）樣類似手機App市場那樣推廣，並獲得應有的商業利益。富有創新的技術能（néng）夠迅速地導入。

基礎物理通信技（jì）術：以（yǐ）太網，TSN以太網，CAN，5G等技術將成為開放自動化的主（zhǔ）流通信方式。其上的（de）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。為了使係統中的各部分能夠充分地（dì）互聯，實現所謂的“插入即生產”等工業數字化目標（biāo），各種（zhǒng）資產的數字化信息模型的標準化和工業界達成廣泛共（gòng）識就非常重要。目前OPC UA主要的一種信息模型（xíng）。

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化信息模型更為重要（yào）。要對成千上萬（wàn）的傳感器，設備建模。這是一個巨量的工程，而（ér）且需要業界達成共識。

作為一個（gè）開放自動化係統，需要能夠為建立信（xìn）息模型提供有效工具。

開放（fàng）自動化係統（tǒng）普遍（biàn）采用標準化的編程語（yǔ）言，比（bǐ）如（rú）目前流行的（de）IEC61131-3 PLC語言和（hé）未來的IEC61499功能塊。然而，僅僅采納（nà）了標準化語言還是不夠的（de）。我們知道，無論是IEC61131-3的梯形（xíng）圖，ST和功能塊，還是IEC61499的功能塊應用。它（tā）們都（dōu）還隻是“高級語言”，最終需要轉變成為“機器代碼”或者（zhě）“中間代碼”，最終下載到（dào）PLC中的運行，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（jì）術都（dōu）是嚴重依（yī）賴廠商的（de）。而標準沒有（yǒu）對“機（jī）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）化係統將公開目（mù）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（xù）下載，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（zhè）樣才可能實現“一次編（biān）程，到處運（yùn）行“的夢想。

另（lìng）一個十分重要（yào）的方麵，就是要規範和開放功（gōng）能（néng）塊庫的開（kāi）發技（jì）術。對於IEC61499而言，用戶可以使用ST語（yǔ）言，來構建基本功能塊和複合功能塊。有些開發（fā）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（wù）功能塊，使用C++更加合適。開發環境如何向用戶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（néng）塊庫對於（yú）構建（jiàn）開放自動化生態同樣十分重要。隻有（yǒu）豐富的功能塊（kuài）庫出現，才會帶來開發自動化的繁榮。功能（néng）塊庫對於開放自動化而言，就相（xiàng）當於App和智能手機（jī）的關係。

人們會問，為什麽許（xǔ）多（duō）公司都聲稱采（cǎi）用IEC61131-3標準，但是它們的軟件為（wéi）什麽仍然沒有辦（bàn）法相互兼容呢？這主（zhǔ）要由於像PLC這樣的控製設備的程序是嚴（yán）重依賴（lài）硬件的。盡管（guǎn）控製（zhì）語言和信息模型標準化了。但（dàn）是（shì）大量與硬件有關的程（chéng）序庫，功能塊是廠商依賴型的（de）。

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

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

IT領域和自動控製OT技術的界線越來（lái）越模（mó）糊，自動化會不斷地導入IT領域的新技術，比如AI，大數據，時（shí）間序（xù）列數據庫，雲平台，容器技術等等（děng）。一個好的（de）開放（fàng）自動化係統將促進IT和OT技（jì）術的相互融合。

長期以來，自動控製領域的人機交（jiāo）互接口設備大多數是基（jī）於Windows OS 實現。而且HMI的（de）接口協（xié）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（yǒu）基於Linux/ QT，androids或者 NodeJS。UI設計采樣HTML5/CSS/JavaScript 這（zhè）樣的跨平台，開放性（xìng）技術。

理（lǐ）想的開放自動化的HMI應該是跨平台的，HMI可以允許運行在基（jī）於windows，Linux，androids工業（yè）屏上，也能夠運行在Web，手機（jī）和平板（bǎn）電腦上。實現（xiàn）多屏融合。要實現這一點，使用HTML5/CSS/JavaScript可能更（gèng）加合適。

也有人擔心，開放自動化時代是否真的會到來，畢竟它動了某些大佬們的“奶酪“，原來自動化領域的大（dà）公（gōng）司可能（néng）會失（shī）去一部（bù）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）一批富有情懷和創新精神的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（fàng）自動（dòng）化的潮流中來，開放使自動化市場的蛋糕更大了（le）。也會為它們帶來新的發展（zhǎn）機會。例如施耐德公司（sī）最近就發布了基於IEC61499的EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了他們（men）早先收（shōu）購的nxtControl公（gōng）司的技術。

推（tuī）動開放自動化發展的另一個重要力（lì）量將是開源項（xiàng）目，它們會起（qǐ）到鯰魚效應。給這整個市場帶來（lái）活力。要不然，開放（fàng）自動化會被（bèi）人玩壞來了。人們的擔心並不是空（kōng）穴來風。曆史上有過這樣的事情發生。