一直以來(lái)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，出于可靠性、安全性以及技術(shù)獨(dú)有的考慮，工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)往往都是相對(duì)封閉的專有系統(tǒng)。這樣的控制系統(tǒng)在過(guò)去幾十年里對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)起到了極大的推動(dòng)作用。

但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步和全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，生產(chǎn)的靈活性、敏捷性以及可維護(hù)性成為工業(yè)企業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。非開(kāi)放、兼容性差的專有控制系統(tǒng)的弊端開(kāi)始逐漸凸顯，特別是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、面向?qū)ο蠹懊嫦蚍?wù)的架構(gòu)等IT技術(shù)不斷融入到OT技術(shù)的趨勢(shì)之下，控制系統(tǒng)的開(kāi)放性顯得更加重要，“即插即用”的非專有的開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)逐漸成為用戶追求的目標(biāo)。

專有自動(dòng)化系統(tǒng)的局限性日益凸顯

無(wú)論是PLC還是DCS控制系統(tǒng)，目前多數(shù)都是各個(gè)廠商自己獨(dú)有技術(shù)的系統(tǒng)，從控制器硬件到編程軟件，甚至I/O都是“捆綁”在一起的，用戶一旦選擇了某個(gè)廠商的系統(tǒng)，就幾乎固定了可用的軟硬件、架構(gòu)和技術(shù)路線，這樣的系統(tǒng)誠(chéng)然在可靠性穩(wěn)定性方面會(huì)有優(yōu)勢(shì)，但是它的缺點(diǎn)和局限性也是顯然的。

隨著設(shè)備的老舊以及生產(chǎn)復(fù)雜性的提升，這樣的系統(tǒng)在維護(hù)和升級(jí)時(shí)就會(huì)面臨產(chǎn)品選擇上的限制和高昂的成本。如果要向其他PLC/DCS供應(yīng)商的系統(tǒng)遷移，硬件和軟件都不能復(fù)用，得重新編程組態(tài)，不僅技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)而且需要高額的投資。

如果涉及多個(gè)不同控制系統(tǒng)的相互集成，需要各種協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，這不但增加了企業(yè)成本，還使系統(tǒng)集成變得異常復(fù)雜，中心控制程序也因此變得龐大冗雜，使系統(tǒng)研發(fā)，維護(hù)和更新效率低下。

而更為重要的是，專有的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法利用IT技術(shù)的進(jìn)步，專為一個(gè)系統(tǒng)而編寫(xiě)的自動(dòng)化軟件應(yīng)用程序無(wú)法在另一個(gè)系統(tǒng)上運(yùn)行，應(yīng)用代碼可移植性不足導(dǎo)致軟件創(chuàng)新受阻和投資受損。上游設(shè)計(jì)工具和下游運(yùn)營(yíng)工具在沒(méi)有巨額投資的情況下無(wú)法與自動(dòng)化系統(tǒng)緊密結(jié)合，因此創(chuàng)建覆蓋整個(gè)流程或設(shè)備生命周期的數(shù)字化線程幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

這些專有系統(tǒng)的局限性最終會(huì)增加用戶的總擁有成本，限制了企業(yè)使用先進(jìn)IT技術(shù)的能力，延緩企業(yè)的工藝生產(chǎn)和工程開(kāi)發(fā)的優(yōu)化與升級(jí)，進(jìn)而錯(cuò)失最佳商機(jī)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這會(huì)限制企業(yè)快速向前發(fā)展、迅速建立市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的能力。

“開(kāi)放性”一直是自動(dòng)化追求的目標(biāo)

事實(shí)上，專有自動(dòng)化系統(tǒng)的局限性并不是今天才顯現(xiàn)出來(lái)的，廠商和用戶在PLC/DCS誕生不久后就開(kāi)始了開(kāi)放性的探索。早期的DCS系統(tǒng)是采用專有網(wǎng)絡(luò)來(lái)通信，系統(tǒng)完全封閉，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠商的設(shè)備，無(wú)論是儀表還是I/O，都不能互連在一起。80年代中后期開(kāi)始興起的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把基于封閉、專用的通信網(wǎng)絡(luò)變成了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)，可以把來(lái)自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備連入控制系統(tǒng)。然而，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各廠商受自身利益的驅(qū)使，全球逐漸形成了十多種常見(jiàn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。

進(jìn)入21世紀(jì)，以TCP/IP為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議上稍作修改的工業(yè)以太網(wǎng)給自動(dòng)化系統(tǒng)帶來(lái)了更大的開(kāi)放性。在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)也開(kāi)始興起。這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都是公開(kāi)的協(xié)議，有的是免費(fèi)的，有的是開(kāi)源的，有的成為了我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用使得更多的設(shè)備更多的系統(tǒng)能夠接入控制系統(tǒng)，“一網(wǎng)到底”也因此成為了可能。遺憾的是，同現(xiàn)場(chǎng)總線一樣，工業(yè)以太網(wǎng)也因?yàn)楦鞣N原因沒(méi)能統(tǒng)一為一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各大廠商各自為政，相互之間需要協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)連通。

除了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放外，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件和軟件其實(shí)也一直在走向開(kāi)放。在硬件方面，90年代，基于PC的控制技術(shù)開(kāi)始興起，IPC、嵌入式PC開(kāi)始承擔(dān)起工業(yè)控制器的角色，這使得裝上Windows或者Linux的工業(yè)計(jì)算機(jī)、甚至商用電腦或者筆記本電腦就可以成為控制器硬件，不依賴硬件廠商，再加上它的操作系統(tǒng)Windows和Linux也很開(kāi)放，很多IT技術(shù)可以在這些“控制器”上直接使用，給自動(dòng)化控制系統(tǒng)帶來(lái)了更大的開(kāi)放性。

在軟件方面，雖然各個(gè)廠商都有自己的編程軟件或組態(tài)軟件，但早在1993年，國(guó)際電工委員會(huì)就制定了用于規(guī)范PLC，DCS，IPC，CNC和SCADA編程系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3，編程軟件只需符合這個(gè)規(guī)范，便可借由符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言架構(gòu)，進(jìn)而能建立任何人皆可了解的程序。目前，大多數(shù)廠商的控制器已經(jīng)支持這一標(biāo)準(zhǔn)，這也奠定了PLC編程開(kāi)放性的基礎(chǔ)。

除了網(wǎng)絡(luò)、硬件和軟件方面的開(kāi)放外，一些廠商和用戶也在不斷推動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)的開(kāi)放性。比如在2016年，?？松梨诠揪屯ㄟ^(guò)開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）發(fā)起了旨在定義“一個(gè)開(kāi)放、安全、基于標(biāo)準(zhǔn)、支持互操作性并適用于多個(gè)流程工業(yè)的流程控制架構(gòu)”，即現(xiàn)在由The Open Group組織的O-PAS標(biāo)準(zhǔn)。另外，德國(guó)的流程工業(yè)用戶組織（NAMUR）也提出了自己的開(kāi)放架構(gòu)NOA，并計(jì)劃在2021年至2022年以IEC的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

IEC 61499- 全開(kāi)放自動(dòng)化的曙光

無(wú)論是廠商還是用戶，都一直在孜孜追求各個(gè)層級(jí)的開(kāi)放自動(dòng)化。但由于技術(shù)和利益等原因，目前自動(dòng)化的開(kāi)放程度并不高?，F(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)依然種類繁多，不同廠商的設(shè)備之間互聯(lián)還比較困難。各類廠商自己開(kāi)發(fā)的PLC盡管都支持IEC 61131-3，但他們的硬件不能互相替換，軟件沒(méi)有辦法相互兼容，程序并不能復(fù)用和移植。

那有沒(méi)有更高層次的開(kāi)放，讓自動(dòng)化設(shè)備和IT設(shè)備一樣做到“即插即用”，軟件可以復(fù)用，硬件可以通用，網(wǎng)絡(luò)可以萬(wàn)物互聯(lián)呢？好消息是，這樣的開(kāi)放自動(dòng)化已經(jīng)初露曙光。

在互聯(lián)互通方面，TSN已經(jīng)得到大多數(shù)廠商的支持，在語(yǔ)義互操作方面，OPC UA已經(jīng)成為主要的信息模型，在硬件方面，基于IPC和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的邊緣控制器有可能成為主流趨勢(shì)。而更重要的是，在軟件復(fù)用、軟硬件解耦等方面，一個(gè)更高層次的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)IEC61499已經(jīng)開(kāi)始得到業(yè)界的支持。

盡管IEC 61131-3對(duì)PLC編程語(yǔ)言進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但它只是單個(gè)設(shè)備上程序的標(biāo)準(zhǔn)，以單個(gè)設(shè)備為頂層軟件模型，沒(méi)有系統(tǒng)的概念，所以當(dāng)現(xiàn)代控制系統(tǒng)走向分散的數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，IEC 61131-3不能滿足復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的要求了。于是，IEC從2000年開(kāi)始開(kāi)發(fā)面向分布式控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61499，并在2005年全部發(fā)布完成。

和IEC61131-3一樣，IEC61499也使用基于功能塊的圖形編程方法。但不同的是，IEC61131-3是基于時(shí)間掃描的程序執(zhí)行過(guò)程，而IEC61499是基于事件驅(qū)動(dòng)的功能塊網(wǎng)絡(luò)，更符合現(xiàn)代軟件工程，功能塊為邏輯代碼提供統(tǒng)一接口封裝，功能塊之間通過(guò)事件和數(shù)據(jù)接口相互連接。

每個(gè)機(jī)電部件對(duì)應(yīng)都有它的控制微服務(wù)

功能塊編程是IEC61499的核心理念，其目的是采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，使工業(yè)控制軟件封裝成為功能塊形式的軟件組件，功能塊可以用IEC61131-3的編程語(yǔ)言或者C++等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，而且與硬件設(shè)備資源無(wú)關(guān)。

IEC 61499的功能塊編程

IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)提出獨(dú)立于底層系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用模型，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序代碼跨越多廠商平臺(tái)和工程設(shè)計(jì)工具的可移植性。通過(guò)功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化封裝實(shí)現(xiàn)了軟件的可復(fù)用性，從而使軟件與硬件解耦。而其事件驅(qū)動(dòng)的特性非常適合與IT系統(tǒng)交互，從而使得先進(jìn)的IT技術(shù)可以很好地引入到自動(dòng)化系統(tǒng)之中。IEC 61499的這些特性為建立“即插即用”、全開(kāi)放、互操作的自動(dòng)化系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

也正因?yàn)槿绱耍瑹o(wú)論是OPAF還是NAMUR都將IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)作為其開(kāi)放架構(gòu)的主要推薦標(biāo)準(zhǔn)之一。

開(kāi)放自動(dòng)化開(kāi)啟新征途

IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)從發(fā)布到現(xiàn)在已經(jīng)有15年的時(shí)間了，但其實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)展一直比較緩慢。究其原因，一方面是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的制定及其實(shí)現(xiàn)和實(shí)施之間，肯定會(huì)存在一個(gè)滯后的開(kāi)發(fā)周期，而更重要的原因是技術(shù)上的約束，特別是IEC 61499的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)一直比較缺乏，更多的用戶習(xí)慣在成熟的只支持IEC61131-3的幾大自動(dòng)化廠商軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

IEC 61499第一個(gè)工業(yè)實(shí)現(xiàn)是ISaGRAF，但它并不是實(shí)現(xiàn)所有了IEC 61499的規(guī)范。后來(lái)Eclipse Foundation 創(chuàng)建了IEC 61499的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目4 diac，培育了一些開(kāi)發(fā)應(yīng)用。另外，在奧地利注冊(cè)的nxtControl公司堅(jiān)持了十幾年，為IEC 61499的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)化做了不少有效的工作。

可以看出，對(duì)于IEC 61499，自動(dòng)化廠商并沒(méi)有表現(xiàn)出多大的熱情。

但這一切正在發(fā)生改變。

2017年，施耐德電氣收購(gòu)了nxtControl這家在IEC 61499具有全球領(lǐng)導(dǎo)地位的公司。而在2020年10月，施耐德電氣正式發(fā)布了基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的EcoStruxure開(kāi)放自動(dòng)化平臺(tái)（EcoStruxure Automation Expert）。

施耐德電氣開(kāi)放自動(dòng)化平臺(tái)

得益于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，EcoStruxure開(kāi)放自動(dòng)化平臺(tái)可以使自動(dòng)化應(yīng)用程序能夠使用以資產(chǎn)為中心、可移植、經(jīng)驗(yàn)證的軟件組件來(lái)構(gòu)建，而無(wú)需依賴底層硬件基礎(chǔ)設(shè)施。用戶可將應(yīng)用程序分發(fā)到所選的任何支持IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)硬件架構(gòu)，無(wú)需額外的編程工作。支持已獲驗(yàn)證的軟件最佳實(shí)踐，從而簡(jiǎn)化與IT系統(tǒng)互操作的自動(dòng)化應(yīng)用程序的創(chuàng)建過(guò)程。

相較于傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)，EcoStruxure開(kāi)放自動(dòng)化平臺(tái)可將執(zhí)行傳統(tǒng)自動(dòng)化任務(wù)所需的時(shí)間縮短2-7倍，將用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新程序的速度提升3倍，排除故障的速度提升6倍。

施耐德電氣認(rèn)為，現(xiàn)在是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域大膽行動(dòng)的時(shí)候了，并呼吁整個(gè)行業(yè)的工業(yè)用戶、廠商、原始設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商和總包商（EPC）來(lái)?yè)肀ч_(kāi)放自動(dòng)化。

可以預(yù)見(jiàn)，開(kāi)放自動(dòng)化將在施耐德電氣這樣的自動(dòng)化巨頭的推動(dòng)下開(kāi)啟新的征途，那就是“即插即用”的全開(kāi)放自動(dòng)化，這也是工業(yè)自動(dòng)化走向未來(lái)的星辰大海。

本文在撰寫(xiě)過(guò)程中得到彭瑜、姚遠(yuǎn)和魏毅等專家的指導(dǎo)，筆者在此特表感謝！

編輯：hfy