專有自動化系統(tǒng)的局限性日益凸顯 “即插即用”的開放自動化未來可期

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

但是，隨著技術(shù)的進步和全球市場競爭的加劇，生產(chǎn)的靈活性、敏捷性以及可維護性成為工業(yè)企業(yè)的關(guān)注焦點。非開放、兼容性差的專有控制系統(tǒng)的弊端開始逐漸凸顯，特別是當前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、面向?qū)ο蠹懊嫦蚍盏募軜?gòu)等IT技術(shù)不斷融入到OT技術(shù)的趨勢之下，控制系統(tǒng)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(tǒng)逐漸成為用戶追求的目標。

專有自動化系統(tǒng)的局限性日益凸顯

無論是PLC還是DCS控制系統(tǒng)，目前多數(shù)都是各個廠商自己獨有技術(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)誠然在可靠性穩(wěn)定性方面會有優(yōu)勢，但是它的缺點和局限性也是顯然的。

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

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

而更為重要的是，專有的工業(yè)自動化系統(tǒng)無法利用IT技術(shù)的進步，專為一個系統(tǒng)而編寫的自動化軟件應用程序無法在另一個系統(tǒng)上運行，應用代碼可移植性不足導致軟件創(chuàng)新受阻和投資受損。上游設計工具和下游運營工具在沒有巨額投資的情況下無法與自動化系統(tǒng)緊密結(jié)合，因此創(chuàng)建覆蓋整個流程或設備生命周期的數(shù)字化線程幾乎不可能實現(xiàn)。

這些專有系統(tǒng)的局限性最終會增加用戶的總擁有成本，限制了企業(yè)使用先進IT技術(shù)的能力，延緩企業(yè)的工藝生產(chǎn)和工程開發(fā)的優(yōu)化與升級，進而錯失最佳商機。從長遠來看，這會限制企業(yè)快速向前發(fā)展、迅速建立市場優(yōu)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(tǒng)的局限性并不是今天才顯現(xiàn)出來的，廠商和用戶在PLC/DCS誕生不久后就開始了開放性的探索。早期的DCS系統(tǒng)是采用專有網(wǎng)絡來通信，系統(tǒng)完全封閉，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠商的設備，無論是儀表還是I/O，都不能互連在一起。80年代中后期開始興起的現(xiàn)場總線技術(shù)，把基于封閉、專用的通信網(wǎng)絡變成了基于公開化、標準化的網(wǎng)絡，可以把來自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動化設備連入控制系統(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的工業(yè)現(xiàn)場總線。

進入21世紀，以TCP/IP為基礎的以太網(wǎng)進入自動化領(lǐng)域，在標準以太網(wǎng)協(xié)議上稍作修改的工業(yè)以太網(wǎng)給自動化系統(tǒng)帶來了更大的開放性。在運動控制領(lǐng)域，實時工業(yè)以太網(wǎng)也開始興起。這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都是公開的協(xié)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(yè)以太網(wǎng)的應用使得更多的設備更多的系統(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)場總線一樣，工業(yè)以太網(wǎng)也因為各種原因沒能統(tǒng)一為一種協(xié)議標準，各大廠商各自為政，相互之間需要協(xié)議轉(zhuǎn)換器來連通。

除了網(wǎng)絡開放外，自動化控制系統(tǒng)的硬件和軟件其實也一直在走向開放。在硬件方面，90年代，基于PC的控制技術(shù)開始興起，IPC、嵌入式PC開始承擔起工業(yè)控制器的角色，這使得裝上Windows或者Linux的工業(yè)計算機、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也很開放，很多IT技術(shù)可以在這些“控制器”上直接使用，給自動化控制系統(tǒng)帶來了更大的開放性。

在軟件方面，雖然各個廠商都有自己的編程軟件或組態(tài)軟件，但早在1993年，國際電工委員會就制定了用于規(guī)范PLC，DCS，IPC，CNC和SCADA編程系統(tǒng)的標準IEC 61131-3，編程軟件只需符合這個規(guī)范，便可借由符合各項標準的語言架構(gòu)，進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)支持這一標準，這也奠定了PLC編程開放性的基礎。

除了網(wǎng)絡、硬件和軟件方面的開放外，一些廠商和用戶也在不斷推動控制系統(tǒng)架構(gòu)的開放性。比如在2016年，?？松梨?a target="_blank">公司就通過開放流程自動化論壇（OPAF）發(fā)起了旨在定義“一個開放、安全、基于標準、支持互操作性并適用于多個流程工業(yè)的流程控制架構(gòu)”，即現(xiàn)在由The Open Group組織的O-PAS標準。另外，德國的流程工業(yè)用戶組織（NAMUR）也提出了自己的開放架構(gòu)NOA，并計劃在2021年至2022年以IEC的標準發(fā)布。

IEC 61499- 全開放自動化的曙光

無論是廠商還是用戶，都一直在孜孜追求各個層級的開放自動化。但由于技術(shù)和利益等原因，目前自動化的開放程度并不高。現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)通信標準依然種類繁多，不同廠商的設備之間互聯(lián)還比較困難。各類廠商自己開發(fā)的PLC盡管都支持IEC 61131-3，但他們的硬件不能互相替換，軟件沒有辦法相互兼容，程序并不能復用和移植。

那有沒有更高層次的開放，讓自動化設備和IT設備一樣做到“即插即用”，軟件可以復用，硬件可以通用，網(wǎng)絡可以萬物互聯(lián)呢？好消息是，這樣的開放自動化已經(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和實時操作系統(tǒng)的邊緣控制器有可能成為主流趨勢。而更重要的是，在軟件復用、軟硬件解耦等方面，一個更高層次的開放標準IEC61499已經(jīng)開始得到業(yè)界的支持。

盡管IEC 61131-3對PLC編程語言進行了標準規(guī)范，但它只是單個設備上程序的標準，以單個設備為頂層軟件模型，沒有系統(tǒng)的概念，所以當現(xiàn)代控制系統(tǒng)走向分散的數(shù)字控制系統(tǒng)時，IEC 61131-3不能滿足復雜工業(yè)系統(tǒng)的要求了。于是，IEC從2000年開始開發(fā)面向分布式控制系統(tǒng)的標準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是基于時間掃描的程序執(zhí)行過程，而IEC61499是基于事件驅(qū)動的功能塊網(wǎng)絡，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，功能塊之間通過事件和數(shù)據(jù)接口相互連接。

每個機電部件對應都有它的控制微服務

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的編程語言或者C++等高級語言編寫，而且與硬件設備資源無關(guān)。

IEC 61499的功能塊編程

IEC 61499標準通過提出獨立于底層系統(tǒng)設備的應用模型，實現(xiàn)了應用程序代碼跨越多廠商平臺和工程設計工具的可移植性。通過功能塊的標準化封裝實現(xiàn)了軟件的可復用性，從而使軟件與硬件解耦。而其事件驅(qū)動的特性非常適合與IT系統(tǒng)交互，從而使得先進的IT技術(shù)可以很好地引入到自動化系統(tǒng)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(tǒng)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(gòu)的主要推薦標準之一。

開放自動化開啟新征途

IEC 61499標準從發(fā)布到現(xiàn)在已經(jīng)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(xiàn)和實施之間，肯定會存在一個滯后的開發(fā)周期，而更重要的原因是技術(shù)上的約束，特別是IEC 61499的軟件開發(fā)平臺一直比較缺乏，更多的用戶習慣在成熟的只支持IEC61131-3的幾大自動化廠商軟件平臺上開發(fā)應用。

IEC 61499第一個工業(yè)實現(xiàn)是ISaGRAF，但它并不是實現(xiàn)所有了IEC 61499的規(guī)范。后來Eclipse Foundation 創(chuàng)建了IEC 61499的一個開源項目4 diac，培育了一些開發(fā)應用。另外，在奧地利注冊的nxtControl公司堅持了十幾年，為IEC 61499的應用開發(fā)平臺和產(chǎn)業(yè)化做了不少有效的工作。

可以看出，對于IEC 61499，自動化廠商并沒有表現(xiàn)出多大的熱情。

但這一切正在發(fā)生改變。

2017年，施耐德電氣收購了nxtControl這家在IEC 61499具有全球領(lǐng)導地位的公司。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

得益于IEC 61499標準，EcoStruxure開放自動化平臺可以使自動化應用程序能夠使用以資產(chǎn)為中心、可移植、經(jīng)驗證的軟件組件來構(gòu)建，而無需依賴底層硬件基礎設施。用戶可將應用程序分發(fā)到所選的任何支持IEC 61499標準的系統(tǒng)硬件架構(gòu)，無需額外的編程工作。支持已獲驗證的軟件最佳實踐，從而簡化與IT系統(tǒng)互操作的自動化應用程序的創(chuàng)建過程。

相較于傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)，EcoStruxure開放自動化平臺可將執(zhí)行傳統(tǒng)自動化任務所需的時間縮短2-7倍，將用戶開發(fā)應用創(chuàng)新程序的速度提升3倍，排除故障的速度提升6倍。

施耐德電氣認為，現(xiàn)在是在工業(yè)自動化領(lǐng)域大膽行動的時候了，并呼吁整個行業(yè)的工業(yè)用戶、廠商、原始設備制造商、系統(tǒng)集成商和總包商（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(yè)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！

編輯：hfy