彭瑜 | 全开放的工业自动化系统正喷薄而出
01
自动化先贤的预言正在实现
“在自动化制造商中正在产生一个巨大的壁垒，那就是缺乏一种能完整规范控制系统配置和组态的语言。如果能开发出这样一种自动化的语言，一定会给最终用户带来各种利益，诸如应用程序的可移植性、系统的互操作性、工厂生产的灵活性，以及自动化控制系统投入现场调试前的验证。”
——1980年美国自动化大师的预言
40 年过去了，自动化领域的学者和工程师们为了实现当年大师的预言做了许多工作。而这些成果的顶端应该就是 IEC 61131-3 和 IEC 61499。其中大部分的成果已经融合到自动化的软件产品和平台中，也有一些开源的实现（如 Eclipse Foundation 的 4DIAC 开源项目）。
进入 21 世纪的第二个十年之后，工业界对于全开放控制系统的呼吁和诉求也日益强烈，以至于由最终用户倡议并积极组织开展下一代开放自动化系统 OPA 的标准化活动。这一标准化活动的鲜明特色除了充分吸收和继承工业标准的已有成果，以及对一切利益攸关者都持开放态度而外，从一开始就十分注重结合实际的验证工作，标准的制定必须经得起测试床的测试和工业装置中试的检验和验证。OPA 的一个目标就是要大幅提升控制设计软件平台，而不再采用今天 DCS 运用的专用的功能块和软件工具。埃克森美孚（ExxonMobil）和洛马（Lockheed Martin）曾在 2017 年指出：IEC 61499 看起来可能解决这个目标。不过当前只有少数（区区 5 个）的工业控制软件实现或部分实现了 IEC 6499 标准。这个技术成熟吗？有哪些实践能够最大化地实现最终用户的应用程序及组态信息的可移植性？
02
IEC61131-3和61499的组合满足全开放自动化系统要求
IEC 61131-3已经为工业界广泛接受，可能是因为它开发较早，没有反映软件工程之后发展的成果，它在概念上没有支持重新配置（reconfiguration）和分布式控制。另外，IEC 61131-3的局限性在于它的软件模型是面向单个设备的，其顶层就是设备（Device），没有系统的概念。
随着智能制造的发展，未来的自动化系统把移植性、可配置性（configurability）、互操作性、重新配置和分布式作为高层次的要求而专门列出。显然IEC 61131-3不能满足当今复杂工业系统的新要求。为了克服这些局限，IEC从2000年开始开发了IEC 61499标准，历经多年时间发布了标准的4个部分，但在第二版时撤回了IEC 61499-3，所以现在只有Part 1分布式和嵌入式控制和自动化的开放架构，Part 2 软件工具，Part 4 功能块符合要求的基本概要，基本上用成熟的技术赋能于各个领域的的智能自动化。据悉IEC61499-5正在准备中。
“IEC 61499基于工程师熟悉的方框图，将功能块（FB）从IEC 61131-3中的子程序结构扩展到分布式计算系统中的功能单位，通常作为系统级可执行建模语言使用。其核心是事件触发的功能块网络，功能块为逻辑代码提供统一接口封装，功能块之间通过事件和数据接口相互连接。”
——上海交通大学戴文斌老师
对IEC 61499开放架构的精辟概括
IEC 61499具有以下主要的特性
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1 |
建立在现有的领域标准的基础上； |
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面向部件的功能块； |
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通过连接功能块，以直觉图形的方式对控制算法建模； |
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直接支持分布式； |
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不同供应商的设备可进行互动； |
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基本支持再组态。 |
IEC 61499 第一个工业实现是 ISAGRAF，但它并不是这一国际标准的全面实现。它不是实现所有的 IEC 61499 的规范，而是由于市场驱动的原因，在实现 61499 标准时采取了有选择的特性优先目标，将主要的注意力集中在扩展其工具链的系统级工程能力，而不是达到较低级别的代码的移植性（通过运用 XML 作为程序的表达）。因此，这一工具链在大型复杂的应用程序进行分布式部署时具有显著的能力，但语法及其表达却是专用的，并不能在此级别与其它的 IEC 61499 的工具软件相兼容。与传统的 IEC61131-3 运行环境兼容影响了 ISAGRAF 决定采用时间执行模型，而不是 IEC61499 标准的事件驱动的执行模型。
不过这一标准自发布以来，特别是 2005 年至 2014 年这九年期间，并没有获得工业界的广泛接受，即使是在学术界做了大量的研究和开发，发表了数量不菲的论文和专著，情况也没有大的改观。比较多的意见集中在 IEC 61499 的几个目标如移植性、可配置性和自动化系统的互操作性并没有被完全证实。看来确实存在若干误解。究其原因一方面是因为标准的制定及其实现和实施之间，肯定会存在一个滞后的开发周期；更重要的原因是技术上的成熟和市场力量的推动还没有大到足够的火候。值得钦佩的是，在较为艰难的发展中 IEC 61499 标准制定的牵头人（也是 IEC 61131-3 国际工业控制编程语言标准制定的主导人员）James H. Christenson 创立了 Holobloc Inc，无偿提供 IEC61499 的开发包；还有 Eclipse Foundation 的 4DIAC 开源项目，培育了对 IEC 61499 进一步的开发应用。还有在奥地利注册的 NXTcontrol 公司坚持了十几年，在 4DIAC 开源的基础上为 IEC 61499 的应用开发平台和产业化做了不少有效的工作，2009 年就与三菱电机的德国分支合作，在三菱的 PLC 中装载了 61499 的软件。他们在欧美工业市场应用上辛勤耕耘，给予埃克森美孚有关技术管理人员深刻印象；他们还吸引了施耐德的眼光，在 2017 年收购了这一很有潜力的小公司。
据 ARC 的资深分析专家分析，施耐德之所以青睐 NXTcontrol 是因为他们在 IEC 61499 实际的工业应用领域（而不是科学研究）积累了许多经验。为了开发应用基于 IEC 61499 的软件产品，他们遇到了 61499 的长处、短处和不能容忍的问题。NXTControl 的客户主要是 OEM、集成商，楼宇自动化/能源管理是他们的最大多数的应用案例。而施耐德在 2016 年发布了有远见的自动化组态工具 Prometheus ，这一工程平台软件在功能性上与 NXTcontrol 的产品十分相似。将这两个软件整合，创建一种使软件独立于硬件的工程平台，这大概是主要的价值所在。
今年 7 月美国 automation.com 的主编 Lydon 曾发表过如下的判断，早期 IEC 61499 的开发由于技术上的约束，难以被广泛采用。随着技术的进展，基于 IEC 61499 的软件平台在原则上解决了不同供应商之间软件对硬件的移植性、可配置性和互操作性的问题，从而使软件与硬件解耦。同时通过适当地调配和组合基于时间扫描的机制和基于事件的机制，可以方便地使自动化系统采用来自 IT 领域的最佳实践，易于与企业的管理系统接口。而且为了让传统的 PLC 和 DCS 系统继续在开放自动化系统中发挥作用，正在开发与 IEC 61499 兼容的包装软件（wrapper）。像 OPAF 和 NAMUR 这样的的最终用户组织，正在推进改变现有专用的硬件与软件捆绑在一起的控制系统的范式。施耐德作为跨国的工业自动化主要供应商热衷于基于 IEC 61499 的开发平台，谋求在开放自动化系统的方向重塑工业自动化系统的视界，这一趋向表明 IEC 61499 的工业应用正在进入关键的发展阶段。
03
实现移植性、互换性与互操作性的实践
按照 James H. Christenson 在其撰写的《What is IEC 61499》文章中的定义，移植性是指一个软件工具能接受和正确解释由另一个软件工具编写的软件部件和系统组态；互操作性是指嵌入式设备能与其它设备一起运行操作，执行并完成分布式应用程序所需要的功能；可配置性是指任意设备及其配备的软件部件能被软件工具与多个供应商提供的设备及其配备软件进行配置。详见图 1。
图 1 移植性、互操作性和可配置性的图形解释
开放流程自动化 OPA 有四个关键概念：互操作性、互换性、组态的移植性、应用程序的移植性。在新开发的标准中 OPAS V2.0 和 V2.1（关于组态的移植性）着重于对不同的自动化部件和系统进行控制策略的移植。在 OPAS 的标准中，所谓的移植性是指从软件供应商购买的应用软件，能按照应用的许可协议在一个公司内部的各种控制系统之间移植。如果经过最终用户的识别、判断和采纳，就可以将他们的知识产权 IP 以控制策略的形式进行移植。V2.0 和 V2.1 中用到的已有标准包括：IEC 61131-3（用于控制概念）、IEC 61499（用于执行协调）和 IEC 61804（用于功能块）。未来的 OPAS V3.0 将着重于应用程序的移植性。为了验证OPA的关键概念，ExxonMobil在洛马的配合下建立了一个系统集成 实验室，共有10家公司（ABB，ANSYS，AspenTech，Inductive Automation，Intel，nxtControl，R Stahl，RTI，Schneider Electric 和Wind River）提供了供集成的软件、硬件等部件。目标是探索关键技术的可行性；建立由多家公司提供的硬、软部件集成的系统。采取的方法是：利用现有的标准（OPC UA、DDS、IEC 61499 等）；启动时先用实验室的部件树莓派；然后集成各公司提供的工业用部件；各种功能分布在不同的部件中。图2给出OPA为验证关键概念的测试结果。
图2 OPAF关键技术的验证（来源：ExxonMobil）
图 2 中右上图描述组态的移植性
原系统组态 DCN 3 使用 4DIAC 控制软件，硬件采用树莓派。如果我们想通过组态的移植性操作，将 DCN 3 改用 NXTcontrol的控制软件。操作按以下顺序进行：先将 4DIAC 的组态信息输出到基于 XML 的移植软件，再由该基于 XML 的移植软件输入到 NXTcontrol 控制软件的组态管理程序中。接下去由 NXTcontrol 控制软件对硬件树莓派进行部署，使之成为 DCN 3 的执行部件。于是原来 DCN 3的硬件执行 4DIAC 的Runtime 改为执行NXTcontrol 的 Runtime。
图 2 中左下图描述应用程序的移植性
将在实时先进计算平台中的 NXTcontrol 基于 IEC 61499 的应用程序 PID（虚拟 PLC）重新配置到 DCN 1（采用 Intel 的硬件）中，并部署该 DCN 1 执行基于 IEC 61499 的 PID 应用程序。
图 2中左上图描述 OPA 系统中的互操作性
图中运行在实时先进计算平台中的 ABB 的软控制器（虚拟 PLC）其 I/O 使用的是 STAHL 的远程 I/O 模块。ABB的软控制器对由 NXTcontrol 构成的 DCN 2 机型控制。DCN 2 的数据送到装在实时先进计算平台中的 HMI 1 软件（由 Inductive Automation 公司提供），而且同处在先进计算平台中的 ABB 软控制器也与 HMI 1 软件交换数据。
图 2 中左下图描述 OPA 系统的互换性
图中用树莓派 CPU 板构成的 DCN 3 来取代原来用 Intel 的 CPU 模块构成的 DCN 3。要注意的是这两个硬件板都联接在实时总线 OPC UA 上，而且其中都装有基于 IEC 61499 的控制程序。
以上实验验证了开放流程自动化系统 OPA 的几个关键技术，之所以能取得符合要求的结果，重要的原因在于基于 IEC 61499 的软件工具已臻于成熟。
04
期望更多中国公司利用自动化发展的难得机会
总的说来，一些自动化公司已经把IEC 61499标准列为优先考虑的开发事务。这是因为标准着重于开放的解决方案，极大地简化了复杂性，并降低了实现分布式控制系统联接性的成本。在传统的集中控制的领域，配置和修改诸如PLC等工业设备的代码受到严格的限制。PLC必须逐个地编程，然后在系统的层次上确认这些PLC可以一起协调地相互配合。控制代码的可复用的程度很差，这是一个很大的问题。IEC 61499采用事件驱动的执行模型，使分布式的控制逻辑得以实现，执行过程中通信是自动构建无需专门处理。符合IEC 61499的软件工具通过配置、编程和数据管理的集成手段和工具，将工程设计的成本大大降低。这表现为系统的所有功能（包括控制、信息处理、通信和过程接口）现在有可能不依赖于特定的硬件和操作系统，也就是将应用程序与硬件和操作系统解耦，这将改变多少年来控制硬件与软件一直紧紧捆绑在一起的状态。这将突破用户需要更换一部分硬件，软件以至提供业务价值的功能性也随之要更换的局面。这种情形类似于当软件升级时相应的部分或者全部硬件也不得不更换。现在实施的工程不再依赖于任意特定的硬件和拓扑了。符合IEC61499的解决方案将软件与硬件解耦，彼此独立。当控制系统需要升级的时候，软件和硬件的成本很低，而效率却很高。这种高级别的灵活性和敏捷性为智能制造的工程提供了基础。
使用一个软件工具可以解决所有的控制任务。通信的路径是自动生成的，面向对象的工程设计可以通过预先做好的软件对象功能块来完成。编程语言与IEC 61499和成熟的IEC 61131-3标准完全一致。这意味着工程软件工具可在现有的已经安装的基础上将新的产品与老的设备加以集成。
值得指出的是，现在在圈内人士中已经将IEC 61499称为可执行的系统级建模语言，这主要是因为符合IEC 61499的应用程序本身就是按基于模型的系统工程MBSE建立的，不必再通供模型的转换就可以直接被部署执行。
显然，从现在起到未来的5至10年间工业自动化格局一定会发生大的变化。其中IEC 61499的潜在巨大影响我们绝不能低估。考虑到相当大部分国外的公还处在观望或刚起步的阶段，这对于国产自动化工程软件应该是一个难得的机遇。因为运用IEC 61499开发控制工程的软件平台的技术我国还是处于前沿的。上海交大自动化系戴文斌团队长期耕耘于这一方向，取得了很好的开发科研成果。上海乐异自动化科技有限公司已经能够提供基于IEC 61131-3+IEC 61499+HMI的运行时（runtime）环境。只要在产业化的方向上进一步努力和积累，找到具体落实的举措，一个具有发展前途、而且又有自主知识产权的工程软件平台一定会出现在我国的工业自动化的领域。
期待我国有更多公司抓住机遇，用这样的标准为指导，用先进的IT软件技术来实现自动化软件的时代跨越，那么在工业自动化软件领域取得令人鼓舞的进展和广泛实际应用是完全可能实现的。