IEC61499丨理（lǐ）想的開放自（zì）動化

何為（wéi）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（yào）去給它一個確切的定義，筆者認（rèn）為（wéi）一個徹底的開放性係統應（yīng）該具有下麵幾個（gè）特征：

不同廠商的軟件（jiàn），硬件都能夠（gòu）方便的接入開放性係統.顯然，目前最好的開放性係統就是互聯網（wǎng）。幾乎快實現萬物互（hù）聯的（de）理想目標了。要知道，計算機網（wǎng）絡並不是一開始就采（cǎi）用開發性協議的（de），以前各（gè）大公司的計算機網絡都是個搞一套，比（bǐ）如IBM公司的SNA網絡，DEC公司的DECNET，都是當（dāng）時十分流行的（de）計算機網絡產品。它們之間難以互聯互通。後來美國建設DARPA網絡過程中，設計了簡單的TCP/IP協議。逐步使計算機網路成為互聯網現在（zài）這個樣子（zǐ）。而ISO標準化委員會著名的OSI七層模型就（jiù）稱之為“開放係統互聯參考模型（xíng）”。

現代自動控製係統大多數是基於網絡實現的（de）。在網絡中接入了大量的傳感器，PLC，計算機，人機交互屏（píng）幕等（děng）設備和軟件。一個開放自動化（huà）係統（tǒng），首（shǒu）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（xiàn）場總線，比（bǐ）如大家耳熟能詳的現場總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等等。目前，不同廠商的設備之間互聯（lián）還比較困難，有時需要各種各樣奇奇怪怪的網關（guān）產（chǎn）品。

要實現設備真正意（yì）義上的（de）互聯互通（tōng），僅僅依靠協議是不夠的，還需要語義的標準化。隻有互相采用熟悉的語（yǔ）義，溝通才能進行。語義（yì）標準化的難度和工（gōng）作量更大。在自動化工程的具體實踐中，我們經常會發現；世界上最（zuì）長的距離是兩個帶有Ethernet接口的設備卻無法交換（huàn）數據。

設備無法互聯互通的（de）另一個後（hòu）果（guǒ）是協議和軟件係統成為了國際大廠（chǎng）市場的護城河。其它（tā）中小（xiǎo）型企業（yè）的創新產品無法接（jiē）入以國（guó）際大廠自動控製係統（tǒng）為主的自動化係統中。這也（yě）是我們自動化領域國產化產品水平不高（gāo）的一個主要原因。

係統中的大多數數據可以通過標（biāo）準化的協議和信（xìn）息（xī）模型被（bèi）外部係統（tǒng）訪問。標準化的協議和信息模（mó）型可能包括OPC UA ，MQTT等（děng）等。

AI和大數據在工業自動化領域的應用將會在未來越來越普及。目前大數據公司麵臨的最大困惑是，工業大數（shù）據被傳統封閉的自動化係統困死在信息（xī）孤島中，業主不（bú）敢動，係統集成公司不願意開放（fàng）給第三方，大數據公司難以獲（huò）取現場數據，大數據麵臨著沒有數據的尷尬局麵。大多數工（gōng）業雲平台還（hái）隻是停留在PLC+網關的方式獲（huò）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。是大數據分析，AI訓練，數字孿生（shēng）係統能夠獲取足夠的數據。

軟件在自動控製（zhì）係（xì）統中的作用越來越大，開發自動控製（zhì）係統的軟件的效率至關重要。不過到（dào）目前為止，自動控製領域基（jī）本上和早期的計算機行業類似，軟件嚴重地依賴所（suǒ）運行的設備。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。

一個開放自動（dòng）化係統（tǒng），應該實現“一次編程，任何地方運行”的理想。IEC61131-3 /IEC61499標準都在努力地實現PLC編（biān）程語言的標準（zhǔn）化，加上Soft PC技（jì）術，部（bù）分實現軟件的可移植性，可重用性的目標。

一個大型的工業自動化係統往往要運行十（shí）幾年，甚（shèn）至幾十年。對於一個封閉式係統而言，設備的維修，升級和替換就是一個很（hěn）大的問題，比如在太陽能行（háng）業，矽片切割設備上千萬元一（yī）台，設備早過了保修（xiū）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，國內維修人員（yuán）也難以找到配件，目前隻能拆東牆補西牆。

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

一個理想的開放自動化係統，應該（gāi）能夠（gòu）將舊設備上的應用程序移植到（dào）新的設備上，軟件（jiàn）資產的生命周期和硬件控製器的生（shēng）命周期分離（lí）。既可以獨立（lì）地更新軟件（jiàn），也（yě）可以（yǐ）獨立地更新硬件。

一個開放的係統其實是一（yī）個生態係統，能夠（gòu）由（yóu）許多人參與其中，他們可能是重要的自動化廠商，也可以是係（xì）統集成商，用戶和第三方增（zēng）值開發商。眾人添（tiān）柴火焰高，社會化開發的（de）生態係統才富有活力。

在傳統的自動化係統中（zhōng）所有的PLC功能塊庫（kù），SCADA組件幾乎都是（shì）由公司自（zì）己（jǐ）開（kāi）發（fā）的。第（dì）三方難以（yǐ）涉足其中，而用戶幾乎隻（zhī）有組態的權利。

而在一個理想的開發自動化生態中，開發工具，運行（háng）時（shí）等技術也許是核心（xīn）廠商開發的。但是其它（tā）的開發（fā）廠商能夠參與開發功能（néng）塊庫，應用程序。他們可以采樣（yàng）類似手機（jī）App市（shì）場那（nà）樣推廣，並獲得應有的商業利益（yì）。富有創新的技術能（néng）夠迅速地導入。

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

信息模型主要解決語義的問題。為了使係統中的各部分（fèn）能夠充分地互聯，實現所謂（wèi）的“插入即生產”等工（gōng）業（yè）數字化目標，各種資產的數字（zì）化信息（xī）模型的標準化（huà）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（zī）產建立數字化信息模型更為重要。要對（duì）成千上萬的傳（chuán）感器（qì），設（shè）備建模。這是一個巨量的工程（chéng），而且需要（yào）業界達成共識。

作（zuò）為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（de）編程語言，比如目前流行的IEC61131-3 PLC語言和未來的IEC61499功能（néng）塊。然而，僅僅采（cǎi）納了標準化語言還是不夠的。我們知道，無論（lùn）是IEC61131-3的梯形圖，ST和功能塊，還是IEC61499的功（gōng）能（néng）塊應（yīng）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（zhōng）間代碼”，最（zuì）終下載到PLC中的運行，它們或者是特殊CPU的機（jī）器代碼（mǎ），或者是廠商自定義的中（zhōng）間代碼。這些技術都是嚴重依賴廠商的。而標準沒有對（duì）“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（wú）法直接（jiē）在不同廠商硬件上運行。開放自動化（huà）係統將公開目標代碼的格式，並且采樣類似XML這樣的語言來描述（shù）。

PLC的程（chéng）序下（xià）載，更新，運行監控稱為管理協議，它們（men）同樣需要標準化和（hé）開放協議。這樣才可能實現“一次編程，到處運行“的夢想。

另（lìng）一個十分重要的方麵，就是要規範和開放功能塊庫的開發技術（shù）。對於IEC61499而言，用戶可以使用ST語言，來構建基本（běn）功（gōng）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（kù）。如果要開發涉及通信，硬件（jiàn）的服務功能塊，使用C++更加合適。開發環境如何向用（yòng）戶開放運行時的功能塊接口（kǒu），使用戶，第三方（fāng）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（yào）。隻有（yǒu）豐富的功能塊庫出現，才會帶來開發自（zì）動化（huà）的（de）繁（fán）榮。功能塊庫對於（yú）開（kāi）放（fàng）自動化而（ér）言，就相當於（yú）App和智能手（shǒu）機的關係。

人們會問，為什（shí）麽許多公司都聲（shēng）稱采用IEC61131-3標準，但（dàn）是它們的軟件為什麽仍然沒有辦法相互兼容呢？這主要（yào）由於像（xiàng）PLC這樣（yàng）的控製設備的程序是嚴重依賴硬件的（de）。盡管控製語言（yán）和信息模型標準化了。但是大量與硬件有關的程序庫，功能塊是廠商依賴型（xíng）的。

理想的開（kāi）放自動化係統，應該（gāi）允許開放第三方硬件以及相關的功能塊（kuài）庫。

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

IT領域和自（zì）動控製OT技術（shù）的界線越來越模糊（hú），自動化會不斷地導入IT領域的新技術，比如AI，大數據，時間序列數據庫，雲平台，容器技術等等。一個好的開放自動化係（xì）統將促（cù）進IT和OT技術的相互融合。

長期以來，自（zì）動控製領域的人（rén）機交互接口設備大（dà）多數是基於Windows OS 實現。而（ér）且HMI的接口協議和信息（xī）模型各不（bú）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（shè）計采樣HTML5/CSS/JavaScript 這樣的跨平台（tái），開放性技術。

理想的開放自動化的HMI應該是跨平（píng）台的，HMI可以允許運行在（zài）基於windows，Linux，androids工業屏上，也能夠運行在Web，手機和平板電（diàn）腦上。實現多屏融（róng）合。要實現這一點，使用HTML5/CSS/JavaScript可能（néng）更加合適。

也有人擔心，開放自動（dòng）化時代是否真的會到來，畢竟它動了某些大佬們的“奶（nǎi）酪“，原來自動化領域的大公司可能會失去一（yī）部分原有的優勢。對（duì）於這一點，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業和個體不斷地推動，為自動化（huà）帶來繁榮和（hé）創新。大公司也會積極參與開（kāi）放自動化的潮流中來，開放使自動（dòng）化市場（chǎng）的蛋糕更大了。也會為它們帶來新的發展機會。例如施耐德公（gōng）司（sī）最近就發布了基於IEC61499的EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了（le）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個重要力量將是開源項目，它們會起到鯰魚效應。給這整個市場帶來活力。要不然，開（kāi）放自動化會被（bèi）人玩壞來了（le）。人（rén）們的擔（dān）心並不是（shì）空穴來風。曆史上有過這樣的事情發生。