作者 | 石林才

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一直以來，在工業自動化領域，出於可靠性、安全性以及技術獨有的考慮，工業自動化控制系統往往都是相對封閉的專有系統。這樣的控制系統在過去幾十年裡對工業化生產起到了極大的推動作用。

”

但是，隨著技術的進步和全球市場競爭的加劇，生產的靈活性、敏捷性以及可維護性成為工業企業的關注焦點。非開放、相容性差的專有控制系統的弊端開始逐漸凸顯，特別是當前物聯網、大資料、人工智慧、面向物件及面向服務的架構等IT技術不斷融入到OT技術的趨勢之下，控制系統的開放性顯得更加重要，“即插即用”的非專有的開放自動化系統逐漸成為使用者追求的目標。

專有自動化系統的侷限性日益凸顯

無論是PLC還是DCS控制系統，目前多數都是各個廠商自己獨有技術的系統，從控制器硬體到程式設計軟體，甚至I/O都是“捆綁”在一起的，使用者一旦選擇了某個廠商的系統，就幾乎固定了可用的軟硬體、架構和技術路線，這樣的系統誠然在可靠性穩定性方面會有優勢，但是它的缺點和侷限性也是顯然的。

隨著裝置的老舊以及生產複雜性的提升，這樣的系統在維護和升級時就會面臨產品選擇上的限制和高昂的成本。如果要向其他PLC/DCS供應商的系統遷移，硬體和軟體都不能複用，得重新程式設計組態，不僅技術上難以實現而且需要高額的投資。

如果涉及多個不同控制系統的相互整合，需要各種協議轉換裝置，這不但增加了企業成本，還使系統整合變得異常複雜，中心控制程式也因此變得龐大冗雜，使系統研發，維護和更新效率低下。

而更為重要的是，專有的工業自動化系統無法利用IT技術的進步，專為一個系統而編寫的自動化軟體應用程式無法在另一個系統上執行，應用程式碼可移植性不足導致軟體創新受阻和投資受損。上游設計工具和下游運營工具在沒有鉅額投資的情況下無法與自動化系統緊密結合，因此建立覆蓋整個流程或裝置生命週期的數字化執行緒幾乎不可能實現。

這些專有系統的侷限性最終會增加使用者的總擁有成本，限制了企業使用先進IT技術的能力，延緩企業的工藝生產和工程開發的最佳化與升級，進而錯失最佳商機。從長遠來看，這會限制企業快速向前發展、迅速建立市場優勢的能力。

“開放性”一直是自動化追求的目標

事實上，專有自動化系統的侷限性並不是今天才顯現出來的，廠商和使用者在PLC/DCS誕生不久後就開始了開放性的探索。早期的DCS系統是採用專有網路來通訊，系統完全封閉，各廠家的產品自成系統，不同廠商的裝置，無論是儀表還是I/O，都不能互連在一起。80年代中後期開始興起的現場匯流排技術，把基於封閉、專用的通訊網路變成了基於公開化、標準化的網路，可以把來自不同廠商而遵守同一協議規範的自動化裝置連入控制系統。然而，由於行業與地域發展等歷史原因，加上各廠商受自身利益的驅使，全球逐漸形成了十多種常見的工業現場匯流排。

進入21世紀，以TCP/IP為基礎的乙太網進入自動化領域，在標準乙太網協議上稍作修改的工業乙太網給自動化系統帶來了更大的開放性。在運動控制領域，實時工業乙太網也開始興起。這些工業乙太網協議都是公開的協議，有的是免費的，有的是開源的，有的成為了我國的國家標準。工業乙太網的應用使得更多的裝置更多的系統能夠接入控制系統，“一網到底”也因此成為了可能。遺憾的是，同現場匯流排一樣，工業乙太網也因為各種原因沒能統一為一種協議標準，各大廠商各自為政，相互之間需要協議轉換器來連通。

除了網路開放外，自動化控制系統的硬體和軟體其實也一直在走向開放。在硬體方面，90年代，基於PC的控制技術開始興起，IPC、嵌入式PC開始承擔起工業控制器的角色，這使得裝上Windows或者Linux的工業計算機、甚至商用電腦或者膝上型電腦就可以成為控制器硬體，不依賴硬體廠商，再加上它的作業系統Windows和Linux也很開放，很多IT技術可以在這些“控制器”上直接使用，給自動化控制系統帶來了更大的開放性。

在軟體方面，雖然各個廠商都有自己的程式設計軟體或組態軟體，但早在1993年，國際電工委員會就制定了用於規範PLC，DCS，IPC，CNC和SCADA程式設計系統的標準IEC 61131-3，程式設計軟體只需符合這個規範，便可藉由符合各項標準的語言架構，進而能建立任何人皆可瞭解的程式。目前，大多數廠商的控制器已經支援這一標準，這也奠定了PLC程式設計開放性的基礎。

除了網路、硬體和軟體方面的開放外，一些廠商和使用者也在不斷推動控制系統架構的開放性。比如在2016年，埃克森美孚公司就透過開放流程自動化論壇（OPAF）發起了旨在定義“一個開放、安全、基於標準、支援互操作性並適用於多個流程工業的流程控制架構”，即現在由The Open Group組織的O-PAS標準。另外，德國的流程工業使用者組織（NAMUR）也提出了自己的開放架構NOA，並計劃在2021年至2022年以IEC的標準釋出。

IEC 61499 - 全開放自動化的曙光

無論是廠商還是使用者，都一直在孜孜追求各個層級的開放自動化。但由於技術和利益等原因，目前自動化的開放程度並不高。現場匯流排、工業乙太網等工業通訊標準依然種類繁多，不同廠商的裝置之間互聯還比較困難。各類廠商自己開發的PLC儘管都支援IEC 61131-3，但他們的硬體不能互相替換，軟體沒有辦法相互相容，程式並不能複用和移植。

那有沒有更高層次的開放，讓自動化裝置和IT裝置一樣做到“即插即用”，軟體可以複用，硬體可以通用，網路可以萬物互聯呢？好訊息是，這樣的開放自動化已經初露曙光。

在互聯互通方面，TSN已經得到大多數廠商的支援，在語義互操作方面，OPC UA已經成為主要的資訊模型，在硬體方面，基於IPC和實時作業系統的邊緣控制器有可能成為主流趨勢。而更重要的是，在軟體複用、軟硬體解耦等方面，一個更高層次的開放標準IEC61499已經開始得到業界的支援。

儘管IEC 61131-3對PLC程式語言進行了標準規範，但它只是單個裝置上程式的標準，以單個裝置為頂層軟體模型，沒有系統的概念，所以當現代控制系統走向分散的數字控制系統時，IEC 61131-3不能滿足複雜工業系統的要求了。於是，IEC從2000年開始開發面向分散式控制系統的標準IEC 61499，並在2005年全部發布完成。

和IEC61131-3一樣，IEC61499也使用基於功能塊的圖形程式設計方法。但不同的是，IEC61131-3是基於時間掃描的程式執行過程，而IEC61499是基於事件驅動的功能塊網路，更符合現代軟體工程，功能塊為邏輯程式碼提供統一介面封裝，功能塊之間透過事件和資料介面相互連線。

▎每個機電部件對應都有它的控制微服務

功能塊程式設計是IEC61499的核心理念，其目的是採用面向物件的程式設計思想，使工業控制軟體封裝成為功能塊形式的軟體元件，功能塊可以用IEC61131-3的程式語言或者C++等高階語言編寫，而且與硬體裝置資源無關。

▎IEC 61499的功能塊程式設計

IEC 61499標準透過提出獨立於底層系統裝置的應用模型，實現了應用程式程式碼跨越多廠商平臺和工程設計工具的可移植性。透過功能塊的標準化封裝實現了軟體的可複用性，從而使軟體與硬體解耦。而其事件驅動的特性非常適合與IT系統互動，從而使得先進的IT技術可以很好地引入到自動化系統之中。IEC 61499的這些特性為建立“即插即用”、全開放、互操作的自動化系統奠定了基礎。

也正因為如此，無論是OPAF還是NAMUR都將IEC 61499標準作為其開放架構的主要推薦標準之一。

開放自動化開啟新徵途

IEC 61499標準從釋出到現在已經有15年的時間了，但其實際的應用進展一直比較緩慢。究其原因，一方面是因為標準的制定及其實現和實施之間，肯定會存在一個滯後的開發週期，而更重要的原因是技術上的約束，特別是IEC 61499的軟體開發平臺一直比較缺乏，更多的使用者習慣在成熟的只支援IEC61131-3的幾大自動化廠商軟體平臺上開發應用。

IEC 61499第一個工業實現是ISaGRAF，但它並不是實現所有了IEC 61499的規範。後來Eclipse Foundation 建立了IEC 61499的一個開源專案4 diac，培育了一些開發應用。另外，在奧地利註冊的nxtControl公司堅持了十幾年，為IEC 61499的應用開發平臺和產業化做了不少有效的工作。

可以看出，對於IEC 61499，自動化廠商並沒有表現出多大的熱情。

但這一切正在發生改變。

2017年，施耐德電氣收購了nxtControl這家在IEC 61499具有全球領導地位的公司。而在2020年10月，施耐德電氣正式釋出了基於IEC 61499標準的EcoStruxure開放自動化平臺（EcoStruxure Automation Expert）。

▎施耐德電氣開放自動化平臺

得益於IEC 61499標準，EcoStruxure開放自動化平臺可以使自動化應用程式能夠使用以資產為中心、可移植、經驗證的軟體元件來構建，而無需依賴底層硬體基礎設施。使用者可將應用程式分發到所選的任何支援IEC 61499標準的系統硬體架構，無需額外的程式設計工作。支援已獲驗證的軟體最佳實踐，從而簡化與IT系統互操作的自動化應用程式的建立過程。

相較於傳統的自動化系統，EcoStruxure開放自動化平臺可將執行傳統自動化任務所需的時間縮短2-7倍，將使用者開發應用創新程式的速度提升3倍，排除故障的速度提升6倍。

施耐德電氣認為，現在是在工業自動化領域大膽行動的時候了，並呼籲整個行業的工業使用者、廠商、原始裝置製造商、系統整合商和總包商（EPC）來擁抱開放自動化。

可以預見，開放自動化將在施耐德電氣這樣的自動化巨頭的推動下開啟新的征途，那就是“即插即用”的全開放自動化，這也是工業自動化走向未來的星辰大海。

本文在撰寫過程中得到彭瑜、姚遠和魏毅等專家的指導，筆者在此特表感謝！