時間：2020-09-04
全开放的工业自动化系统正喷薄而出
預(yù)言正在實現(xiàn)
1980年美國一個自動化大師指出：在自動化制造商中正在產(chǎn)生一個巨大的壁壘，那就是缺乏一種能完整規(guī)范控制系統(tǒng)配置和組態(tài)的語言。如果能開發(fā)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(yīng)用程序的可移植性、系統(tǒng)的互操作性、工廠生產(chǎn)的靈活性、以及自動化控制系統(tǒng)投入現(xiàn)場調(diào)試前的驗證。40年過去了，自動化領(lǐng)域的學(xué)者和工程師們?yōu)榱藢崿F(xiàn)當(dāng)年的預(yù)言做了許多工作。而這些成果的頂端應(yīng)該就是IEC 61131-3和IEC 61499。其中大部分的成果已經(jīng)融合到自動化的軟件產(chǎn)品和平臺中，也有一些開源的實現(xiàn)（如Eclipse Foundation 的4DIAC開源項目）。
進(jìn)入21世紀(jì)的第二個十年之后，工業(yè)界對于全開放控制系統(tǒng)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(tǒng)OPA的標(biāo)準(zhǔn)化活動。這一標(biāo)準(zhǔn)化活動的鮮明特色，就是充分吸收和繼承工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的已有成果，以及對一切利益攸關(guān)者都持開放態(tài)度。另外，從一開始就十分注重結(jié)合實際的驗證工作，標(biāo)準(zhǔn)的制定必須經(jīng)得起測試床的測試和工業(yè)裝置中試的檢驗和驗證。OPA的一個目標(biāo)就是要大幅提升控制設(shè)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(dāng)重任，可能解決這個目標(biāo)。不過，當(dāng)前只有少數(shù)（區(qū)區(qū)5個）工業(yè)控制軟件，實現(xiàn)或部分實現(xiàn)了IEC 6499標(biāo)準(zhǔn)。
那么，這個標(biāo)準(zhǔn)成熟嗎？有哪些實踐能夠最大化地實現(xiàn)最終用戶的應(yīng)用程序及組態(tài)信息的可移植性呢？
組合拳滿足全開放
IEC 61131-3已經(jīng)為工業(yè)界廣泛接受。但由于開發(fā)較早，沒有反映軟件工程之后發(fā)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(shè)備的，其頂層就是設(shè)備（Device），而沒有系統(tǒng)的概念。
隨著智能制造的發(fā)展，未來的自動化系統(tǒng)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(dāng)今復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的新要求。為了克服這些局限，IEC從2000年開始開發(fā)了IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，歷經(jīng)多年時間發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)的4個部分，但在第二版時撤回了第三部分?，F(xiàn)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(gòu)，Part 2 軟件工具，part4 一致性行規(guī)指南。這三個部分，基本上可以用成熟的技術(shù)，來推動各個領(lǐng)域的的智能自動化。據(jù)悉，IEC 61499-5標(biāo)準(zhǔn)也在準(zhǔn)備中。
關(guān)于IEC 61499的開放架構(gòu)，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(jié)構(gòu)擴展到分布式計算系統(tǒng)中的功能單位，通常作為系統(tǒng)級可執(zhí)行建模語言使用。其核心是事件觸發(fā)的功能塊網(wǎng)絡(luò)，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?！?/p>
IEC 61499具有以下主要的特性：
☆建立在現(xiàn)有的領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(yīng)商的設(shè)備可進(jìn)行互動
☆基本支持再組態(tài)
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。由于市場驅(qū)動的原因，在實現(xiàn)61499標(biāo)準(zhǔn)時采取了有選擇的特性優(yōu)先目標(biāo)，將主要的注意力集中在擴展其工具鏈的系統(tǒng)級工程能力，而不是達(dá)到較低級別的代碼的移植性（通過運用XML作為程序的表達(dá)）。因此，這一工具鏈在大型復(fù)雜的應(yīng)用程序進(jìn)行分布式部署時具有顯著的能力，但語法及其表達(dá)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(tǒng)的IEC61131-3運行環(huán)境兼容影響了ISAGRAF決定采用時間執(zhí)行模型，而不是IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的事件驅(qū)動的執(zhí)行模型。
不過這一標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布以來，特別是2005年至2014年這九年期間，并沒有獲得工業(yè)界的廣泛接受。即使是在學(xué)術(shù)界做了大量的研究和開發(fā)，發(fā)表了數(shù)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(biāo)如移植性、可配置性和自動化系統(tǒng)的互操作性并沒有被完全證實?？磥泶_實存在若干誤解。
究其原因，一方面是因為標(biāo)準(zhǔn)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；更重要的原因是技術(shù)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(fā)展中IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)制定的牽頭人（也是IEC 61131-3國際工業(yè)控制編程語言標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)人員）James H. Christenson創(chuàng)立了Holobloc Inc，無償提供IEC 61499的開發(fā)包；還有Eclipse Foundation 的4DIAC開源項目，培育了對IEC 61499進(jìn)一步的開發(fā)應(yīng)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(chǔ)上為IEC 61499的應(yīng)用開發(fā)平臺和產(chǎn)業(yè)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(yè)市場應(yīng)用上辛勤耕耘，給予?？松梨谟嘘P(guān)技術(shù)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(jīng)常能見到這一類先知先覺的初創(chuàng)企業(yè)，圍繞著自動化的利基市場進(jìn)入深入的探索。
施耐德之所以青睞NXTcontrol，是因為他們?yōu)殚_發(fā)應(yīng)用基于IEC 61499的軟件產(chǎn)品，充分運用了61499的長處，規(guī)避了可能發(fā)生的短處和不能容忍的問題，依據(jù)長期積累的許多經(jīng)驗，使基于IEC 61499的軟件開發(fā)從科學(xué)研究走向了實際的工業(yè)應(yīng)用。他們客戶主要是OEM、集成商，應(yīng)用于樓宇自動化/能源管理。而施耐德在2016年發(fā)布了自動化組態(tài)工具Prometheus ，這一工程平臺軟件在功能性上與NXTcontrol的產(chǎn)品十分相似。將這兩個軟件整合，創(chuàng)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(fā)表過如下的判斷：早期IEC 61499的開發(fā)由于技術(shù)上的約束，難以被廣泛采用。隨著技術(shù)的進(jìn)展，基于IEC 61499的軟件平臺在原則上解決了不同供應(yīng)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(dāng)?shù)卣{(diào)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(tǒng)可以采用來自IT領(lǐng)域的最佳實踐，方便地與企業(yè)的管理系統(tǒng)接口。而且為了讓傳統(tǒng)的PLC和DCS系統(tǒng)繼續(xù)在開放自動化系統(tǒng)中發(fā)揮作用，正在開發(fā)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(jìn)改變現(xiàn)有專用的硬件與軟件捆綁在一起的控制系統(tǒng)的范式。施耐德作為跨國的工業(yè)自動化主要供應(yīng)商熱衷于基于IEC 61499的開發(fā)平臺，謀求在開放自動化系統(tǒng)的方向重塑工業(yè)自動化系統(tǒng)的視界，這一趨向表明IEC 61499的工業(yè)應(yīng)用正在進(jìn)入關(guān)鍵的發(fā)展階段。
實現(xiàn)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(tǒng)組態(tài)；互操作性是指嵌入式設(shè)備能與其它設(shè)備一起運行操作，執(zhí)行并完成分布式應(yīng)用程序所需要的功能；可配置性是指任意設(shè)備及其配備的軟件部件能被軟件工具與多個供應(yīng)商提供的設(shè)備及其配備軟件進(jìn)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(guān)鍵概念：互操作性、互換性、組態(tài)的移植性、應(yīng)用程序的移植性。在新開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)中OPAS V2.0和V2.1（關(guān)于組態(tài)的移植性）著重于對不同的自動化部件和系統(tǒng)進(jìn)行控制策略的移植。在OPAS的標(biāo)準(zhǔn)中，所謂的移植性是指從軟件供應(yīng)商購買的應(yīng)用軟件，能按照應(yīng)用的許可協(xié)議在一個公司內(nèi)部的各種控制系統(tǒng)之間移植。如果經(jīng)過最終用戶的識別、判斷和采納，就可以將他們的知識產(chǎn)權(quán)IP以控制策略的形式進(jìn)行移植。V2.0和V2.1中用到的已有標(biāo)準(zhǔn)包括：IEC 61131-3（用于控制概念）、IEC 61499（用于執(zhí)行協(xié)調(diào)）和IEC 61804（用于功能塊）。未來的OPASV3.0將著重于應(yīng)用程序的移植性。
為了驗證OPA的關(guān)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(tǒng)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(biāo)就是探索關(guān)鍵技術(shù)的可行性。利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)（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(yè)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(guān)鍵概念的測試結(jié)果。
圖2 OPAF關(guān)鍵技術(shù)的驗證（來源：ExxonMobil）
圖2右上圖描述組態(tài)的移植性。原系統(tǒng)組態(tài)DCN 3使用4DIAC控制軟件，硬件采用樹莓派。通過組態(tài)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(yīng)用程序的移植性。在實時先進(jìn)計算平臺中的NXTcontrol基于IEC 61499的應(yīng)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(zhí)行基于IEC 61499的PID應(yīng)用程序。
圖2左上圖描述OPA系統(tǒng)中的互操作性。圖中運行在實時先進(jìn)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(yuǎn)程I/O模塊。ABB的軟控制器對由NXTcontrol構(gòu)成的DCN 2機型控制。DCN 2的數(shù)據(jù)送到裝在實時先進(jìn)計算平臺中的HMI 1軟件（由Inductive Automation公司提供），而且同處在先進(jìn)計算平臺中的ABB軟控制器也與HMI 1軟件交換數(shù)據(jù)。
圖2左下圖描述OPA系統(tǒng)的互換性。圖中用樹莓派CPU板構(gòu)成的DCN 3來取代原來用Intel的CPU模塊構(gòu)成的DCN 3。要注意的是這兩個硬件板都聯(lián)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(tǒng)OPA的幾個關(guān)鍵技術(shù)，之所以能取得符合要求的結(jié)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(jīng)把IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)列為優(yōu)先考慮的開發(fā)事務(wù)。這是因為標(biāo)準(zhǔn)著重于開放的解決方案，極大地簡化了復(fù)雜性，并降低了實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)聯(lián)接性的成本。在傳統(tǒng)的集中控制的領(lǐng)域，配置和修改諸如PLC等工業(yè)設(shè)備的代碼受到嚴(yán)格的限制。PLC必須逐個地編程，然后在系統(tǒng)的層次上確認(rèn)這些PLC可以一起協(xié)調(diào)地相互配合。控制代碼的可復(fù)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(qū)動的執(zhí)行模型，使分布式的控制邏輯得以實現(xiàn)，執(zhí)行過程中通信是自動構(gòu)建無需專門處理。符合IEC 61499的軟件工具通過配置、編程和數(shù)據(jù)管理的集成手段和工具，將工程設(shè)計的成本大大降低。這表現(xiàn)為系統(tǒng)的所有功能（包括控制、信息處理、通信和過程接口）現(xiàn)在有可能不依賴于特定的硬件和操作系統(tǒng)，也就是將應(yīng)用程序與硬件和操作系統(tǒng)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(tài)。這將突破用戶需要更換一部分硬件，軟件以至提供業(yè)務(wù)價值的功能性也隨之要更換的局面。這種情形類似于當(dāng)軟件升級時相應(yīng)的部分或者全部硬件也不得不更換?，F(xiàn)在實施的工程不再依賴于任意特定的硬件和拓?fù)淞?。符合IEC 61499的解決方案將軟件與硬件解耦，彼此獨立。當(dāng)控制系統(tǒng)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(chǔ)。只需要使用一個軟件工具可以解決所有的控制任務(wù)。工程軟件工具可在現(xiàn)有的已經(jīng)安裝的基礎(chǔ)上將新的產(chǎn)品與老的設(shè)備加以集成。
使用一個軟件工具可以解決所有的控制任務(wù)。通信的路徑是自動生成的，面向?qū)ο蟮墓こ淘O(shè)計可以通過預(yù)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(biāo)準(zhǔn)完全一致。這意味著工程軟件工具可在現(xiàn)有的已經(jīng)安裝的基礎(chǔ)上將新的產(chǎn)品與老的設(shè)備加以集成。
值得指出的是，現(xiàn)在在圈內(nèi)人士中已經(jīng)將IEC 61499稱為可執(zhí)行的系統(tǒng)級建模語言，這主要是因為符合該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序本身就是按基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）建立的，而不必再通過模型的轉(zhuǎn)換就可以直接被部署執(zhí)行。