時間：2020-09-04
全开放的工业自动化系统正喷薄而出
預言正在實現
1980年美國一個自動化大師指出：在自動化制造商中正在產生一個巨大的壁壘，那就是缺乏一種能完整規范控制系統配置和組態的語言。如果能開發出這樣一種自動化的語言，一定會給最終用戶帶來各種利益，諸如應用程序的可移植性、系統的互操作性、工廠生產的靈活性、以及自動化控制系統投入現場調試前的驗證。40年過去了，自動化領域的學者和工程師們為了實現當年的預言做了許多工作。而這些成果的頂端應該就是IEC 61131-3和IEC 61499。其中大部分的成果已經融合到自動化的軟件產品和平臺中，也有一些開源的實現（如Eclipse Foundation 的4DIAC開源項目）。
進入21世紀的第二個十年之后，工業界對于全開放控制系統的呼吁和訴求也日益強烈，以至于由最終用戶倡議，并積極組織開展下一代開放自動化系統OPA的標準化活動。這一標準化活動的鮮明特色，就是充分吸收和繼承工業標準的已有成果，以及對一切利益攸關者都持開放態度。另外，從一開始就十分注重結合實際的驗證工作，標準的制定必須經得起測試床的測試和工業裝置中試的檢驗和驗證。OPA的一個目標就是要大幅提升控制設計軟件平臺，而不再采用今天DCS運用的專用的功能塊和軟件工具。埃克森美孚（ExxonMobil）和洛馬（Lockheed Martin）曾在2017年指出：看來IEC 61499堪當重任，可能解決這個目標。不過，當前只有少數（區區5個）工業控制軟件，實現或部分實現了IEC 6499標準。
那么，這個標準成熟嗎？有哪些實踐能夠最大化地實現最終用戶的應用程序及組態信息的可移植性呢？
組合拳滿足全開放
IEC 61131-3已經為工業界廣泛接受。但由于開發較早，沒有反映軟件工程之后發展的成果，例如它在概念上沒有支持重新配置和分布式控制。而且，它最大的的局限性在于軟件模型是面向單個設備的，其頂層就是設備（Device），而沒有系統的概念。
隨著智能制造的發展，未來的自動化系統把移植性、可配置性、互操作性、重新配置和分布式作為高層次的要求而專門列出。而IEC 61131-3顯然不能滿足當今復雜工業系統的新要求。為了克服這些局限，IEC從2000年開始開發了IEC 61499標準，歷經多年時間發布了標準的4個部分，但在第二版時撤回了第三部分。現在只有三部分，分別是Part 1分布式和嵌入式控制和自動化的開放架構，Part 2 軟件工具，part4 一致性行規指南。這三個部分，基本上可以用成熟的技術，來推動各個領域的的智能自動化。據悉，IEC 61499-5標準也在準備中。
關于IEC 61499的開放架構，上海交大戴文斌老師對此有個精辟的概括：“IEC 61499基于工程師熟悉的方框圖，將功能塊（FB）從IEC 61131-3中的子程序結構擴展到分布式計算系統中的功能單位，通常作為系統級可執行建模語言使用。其核心是事件觸發的功能塊網絡，功能塊為邏輯代碼提供統一接口封裝，功能塊之間通過事件和數據接口相互連接。”
IEC 61499具有以下主要的特性：
☆建立在現有的領域標準的基礎上
☆面向部件的功能塊
☆通過連接功能塊，以直覺圖形的方式對控制算法建模
☆直接支持分布式
☆不同供應商的設備可進行互動
☆基本支持再組態
IEC 61499第一個工業實現是ISAGRAF，但它并不是實現所有了IEC 61499的規范。由于市場驅動的原因，在實現61499標準時采取了有選擇的特性優先目標，將主要的注意力集中在擴展其工具鏈的系統級工程能力，而不是達到較低級別的代碼的移植性（通過運用XML作為程序的表達）。因此，這一工具鏈在大型復雜的應用程序進行分布式部署時具有顯著的能力，但語法及其表達卻是專用的，并不能在此級別與其它的IEC 61499的工具軟件相兼容。與傳統的IEC61131-3運行環境兼容影響了ISAGRAF決定采用時間執行模型，而不是IEC 61499標準的事件驅動的執行模型。
不過這一標準自發布以來，特別是2005年至2014年這九年期間，并沒有獲得工業界的廣泛接受。即使是在學術界做了大量的研究和開發，發表了數量不菲的論文和專著，情況也沒有大的改觀。比較多的意見集中在IEC 61499的幾個目標如移植性、可配置性和自動化系統的互操作性并沒有被完全證實。看來確實存在若干誤解。
究其原因，一方面是因為標準的制定及其實現和實施之間，肯定會存在一個滯后的開發周期；更重要的原因是技術上的成熟和市場力量的推動還沒有大到足夠的火候。值得欽佩的是在較為艱難的發展中IEC 61499標準制定的牽頭人（也是IEC 61131-3國際工業控制編程語言標準制定的主導人員）James H. Christenson創立了Holobloc Inc，無償提供IEC 61499的開發包；還有Eclipse Foundation 的4DIAC開源項目，培育了對IEC 61499進一步的開發應用。還有在奧地利注冊的NXTcontrol公司堅持了十幾年，在4DIAC開源的基礎上為IEC 61499的應用開發平臺和產業化做了不少有效的工作，2009年就與三菱電機的德國分支合作，在三菱的PLC中裝載了61499的軟件。這種在歐美工業市場應用上辛勤耕耘，給予埃克森美孚有關技術管理人員深刻印象；甚至還吸引了施耐德的眼光，在2017年收購了這一很有潛力的小公司。在德國、奧地利，經常能見到這一類先知先覺的初創企業，圍繞著自動化的利基市場進入深入的探索。
施耐德之所以青睞NXTcontrol，是因為他們為開發應用基于IEC 61499的軟件產品，充分運用了61499的長處，規避了可能發生的短處和不能容忍的問題，依據長期積累的許多經驗，使基于IEC 61499的軟件開發從科學研究走向了實際的工業應用。他們客戶主要是OEM、集成商，應用于樓宇自動化/能源管理。而施耐德在2016年發布了自動化組態工具Prometheus ，這一工程平臺軟件在功能性上與NXTcontrol的產品十分相似。將這兩個軟件整合，創建一種使軟件獨立于硬件的工程平臺。
今年7月美國一家自動化雜志的主編Lydon曾發表過如下的判斷：早期IEC 61499的開發由于技術上的約束，難以被廣泛采用。隨著技術的進展，基于IEC 61499的軟件平臺在原則上解決了不同供應商之間軟件對硬件的移植性、可配置性和互操作性的問題，從而使軟件與硬件解耦。
這意味著，通過適當地調配和組合基于時間掃描的機制和基于事件的機制，自動化系統可以采用來自IT領域的最佳實踐，方便地與企業的管理系統接口。而且為了讓傳統的PLC和DCS系統繼續在開放自動化系統中發揮作用，正在開發與IEC 61499兼容的接口軟件。像OPAF和NAMUR這樣的的最終用戶組織，正在推進改變現有專用的硬件與軟件捆綁在一起的控制系統的范式。施耐德作為跨國的工業自動化主要供應商熱衷于基于IEC 61499的開發平臺，謀求在開放自動化系統的方向重塑工業自動化系統的視界，這一趨向表明IEC 61499的工業應用正在進入關鍵的發展階段。
實現移植性、互換性、互操作性的實踐
按照《What is IEC 61499》文章中的定義，移植性是指一個軟件工具能接受和正確解釋由另一個軟件工具編寫的軟件部件和系統組態；互操作性是指嵌入式設備能與其它設備一起運行操作，執行并完成分布式應用程序所需要的功能；可配置性是指任意設備及其配備的軟件部件能被軟件工具與多個供應商提供的設備及其配備軟件進行配置。詳見圖1。
圖1 移植性、互操作性和可配置性的圖形解釋
開放流程自動化OPA有四個關鍵概念：互操作性、互換性、組態的移植性、應用程序的移植性。在新開發的標準中OPAS V2.0和V2.1（關于組態的移植性）著重于對不同的自動化部件和系統進行控制策略的移植。在OPAS的標準中，所謂的移植性是指從軟件供應商購買的應用軟件，能按照應用的許可協議在一個公司內部的各種控制系統之間移植。如果經過最終用戶的識別、判斷和采納，就可以將他們的知識產權IP以控制策略的形式進行移植。V2.0和V2.1中用到的已有標準包括：IEC 61131-3（用于控制概念）、IEC 61499（用于執行協調）和IEC 61804（用于功能塊）。未來的OPASV3.0將著重于應用程序的移植性。
為了驗證OPA的關鍵概念，埃克森美孚在洛馬的配合下——奇特的組合——建立了一個系統集成實驗室，共有10家公司，包括ABB，ANSYS，AspenTech，Inductive Automation，Intel，nxtControl，R Stahl，RTI，Schneider Electric 和WindRiver等提供了供集成的軟件、硬件等部件。目標就是探索關鍵技術的可行性。利用現有的標準（OPC UA、DDS、IEC 61499等），實驗室采用樹莓派的部件，然后集成各公司提供的工業用部件。而各種功能，則分布在不同的部件中。圖2給出OPA為驗證關鍵概念的測試結果。
圖2 OPAF關鍵技術的驗證（來源：ExxonMobil）
圖2右上圖描述組態的移植性。原系統組態DCN 3使用4DIAC控制軟件，硬件采用樹莓派。通過組態的移植性操作，可以將DCN 3改用NXTcontrol的控制軟件。而圖2左下圖則描述應用程序的移植性。在實時先進計算平臺中的NXTcontrol基于IEC 61499的應用程序PID（虛擬PLC），重新配置到DCN 1（采用Intel的硬件）中，并部署該DCN 1執行基于IEC 61499的PID應用程序。
圖2左上圖描述OPA系統中的互操作性。圖中運行在實時先進計算平臺中的ABB的軟控制器（虛擬PLC）其I/O使用的是STAHL的遠程I/O模塊。ABB的軟控制器對由NXTcontrol構成的DCN 2機型控制。DCN 2的數據送到裝在實時先進計算平臺中的HMI 1軟件（由Inductive Automation公司提供），而且同處在先進計算平臺中的ABB軟控制器也與HMI 1軟件交換數據。
圖2左下圖描述OPA系統的互換性。圖中用樹莓派CPU板構成的DCN 3來取代原來用Intel的CPU模塊構成的DCN 3。要注意的是這兩個硬件板都聯接在實時總線OPC UA上，而且其中都裝有基于IEC 61499的控制程序。
以上實驗驗證了開放流程自動化系統OPA的幾個關鍵技術，之所以能取得符合要求的結果，重要的原因在于基于IEC 61499的軟件工具已臻于成熟。
中國公司難得的機遇
總的說來，一些自動化公司已經把IEC 61499標準列為優先考慮的開發事務。這是因為標準著重于開放的解決方案，極大地簡化了復雜性，并降低了實現分布式控制系統聯接性的成本。在傳統的集中控制的領域，配置和修改諸如PLC等工業設備的代碼受到嚴格的限制。PLC必須逐個地編程，然后在系統的層次上確認這些PLC可以一起協調地相互配合。控制代碼的可復用的程度很差，這是一個很大的問題。
然而在IEC 61499采用事件驅動的執行模型，使分布式的控制邏輯得以實現，執行過程中通信是自動構建無需專門處理。符合IEC 61499的軟件工具通過配置、編程和數據管理的集成手段和工具，將工程設計的成本大大降低。這表現為系統的所有功能（包括控制、信息處理、通信和過程接口）現在有可能不依賴于特定的硬件和操作系統，也就是將應用程序與硬件和操作系統解耦，這將改變多少年來控制硬件與軟件一直緊緊捆綁在一起的狀態。這將突破用戶需要更換一部分硬件，軟件以至提供業務價值的功能性也隨之要更換的局面。這種情形類似于當軟件升級時相應的部分或者全部硬件也不得不更換。現在實施的工程不再依賴于任意特定的硬件和拓撲了。符合IEC 61499的解決方案將軟件與硬件解耦，彼此獨立。當控制系統需要升級的時候，軟件和硬件的成本很低，而效率卻很高。這種高級別的靈活性和敏捷性為智能制造的工程提供了基礎。只需要使用一個軟件工具可以解決所有的控制任務。工程軟件工具可在現有的已經安裝的基礎上將新的產品與老的設備加以集成。
使用一個軟件工具可以解決所有的控制任務。通信的路徑是自動生成的，面向對象的工程設計可以通過預先做好的軟件對象功能塊來完成。編程語言與IEC 61499和成熟的IEC 61131-3標準完全一致。這意味著工程軟件工具可在現有的已經安裝的基礎上將新的產品與老的設備加以集成。
值得指出的是，現在在圈內人士中已經將IEC 61499稱為可執行的系統級建模語言，這主要是因為符合該標準的應用程序本身就是按基于模型的系統工程（MBSE）建立的，而不必再通過模型的轉換就可以直接被部署執行。