1980年美國一個(gè)自動(dòng)化大師指出：在自動(dòng)化制造商中正在產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)化的語言，一定會(huì)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(dòng)化控制系統(tǒng)投入現(xiàn)場調(diào)試前的驗(yàn)證。40年過去了，自動(dòng)化領(lǐng)域的學(xué)者和工程師們?yōu)榱藢?shí)現(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(dòng)化的軟件產(chǎn)品和平臺(tái)中，也有一些開源的實(shí)現(xiàn)（如Eclipse Foundation 的4DIAC開源項(xiàng)目）。
進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)十年之后，工業(yè)界對(duì)于全開放控制系統(tǒng)的呼吁和訴求也日益強(qiáng)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(dòng)化系統(tǒng)OPA的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。這一標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)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(duì)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(shí)際的驗(yàn)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(yàn)和驗(yàn)證。OPA的一個(gè)目標(biāo)就是要大幅提升控制設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，而不再采用今天DCS運(yùn)用的專用的功能塊和軟件工具。?？松梨冢‥xxonMobil）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(gè)目標(biāo)。不過，當(dāng)前只有少數(shù)（區(qū)區(qū)5個(gè)）工業(yè)控制軟件，實(shí)現(xiàn)或部分實(shí)現(xiàn)了IEC 6499標(biāo)準(zhǔn)。
那么，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)成熟嗎？有哪些實(shí)踐能夠大化地實(shí)現(xiàn)最終用戶的應(yīng)用程序及組態(tài)信息的可移植性呢？
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，它大的的局限性在于軟件模型是面向單個(gè)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(dòng)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(shí)間發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)部分，但在第二版時(shí)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(dòng)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(gè)部分，基本上可以用成熟的技術(shù)，來推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的的智能自動(dòng)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(duì)此有個(gè)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(kuò)展到分布式計(jì)算系統(tǒng)中的功能單位，通常作為系統(tǒng)級(jí)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?！?/div>
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(duì)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(dòng)
☆基本支持再組態(tài)
IEC 61499第一個(gè)工業(yè)實(shí)現(xiàn)是ISAGRAF，但它并不是實(shí)現(xiàn)所有了IEC 61499的規(guī)范。由于市場驅(qū)動(dòng)的原因，在實(shí)現(xiàn)61499標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(kuò)展其工具鏈的系統(tǒng)級(jí)工程能力，而不是達(dá)到較低級(jí)別的代碼的移植性（通過運(yùn)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(shí)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(jí)別與其它的IEC 61499的工具軟件相兼容。與傳統(tǒng)的IEC61131-3運(yùn)行環(huán)境兼容影響了ISAGRAF決定采用時(shí)間執(zhí)行模型，而不是IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的事件驅(qū)動(dòng)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(gè)目標(biāo)如移植性、可配置性和自動(dòng)化系統(tǒng)的互操作性并沒有被完全證實(shí)?？磥泶_實(shí)存在若干誤解。
究其原因，一方面是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的制定及其實(shí)現(xiàn)和實(shí)施之間，肯定會(huì)存在一個(gè)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(dòng)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(xiàng)目，培育了對(duì)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(jiān)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(tái)和產(chǎn)業(yè)化做了不少有效的工作，2009年就與三菱電機(jī)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)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，圍繞著自動(dòng)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?yàn)樗麄優(yōu)殚_發(fā)應(yīng)用基于IEC 61499的軟件產(chǎn)品，充分運(yùn)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(yàn)，使基于IEC 61499的軟件開發(fā)從科學(xué)研究走向了實(shí)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(dòng)化/能源管理。而施耐德在2016年發(fā)布了自動(dòng)化組態(tài)工具Prometheus ，這一工程平臺(tái)軟件在功能性上與NXTcontrol的產(chǎn)品十分相似。將這兩個(gè)軟件整合，創(chuàng)建一種使軟件獨(dú)立于硬件的工程平臺(tái)。
今年7月美國一家自動(dòng)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(tái)在原則上解決了不同供應(yīng)商之間軟件對(duì)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(shí)間掃描的機(jī)制和基于事件的機(jī)制，自動(dòng)化系統(tǒng)可以采用來自IT領(lǐng)域的實(shí)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(dòng)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(dòng)化主要供應(yīng)商熱衷于基于IEC 61499的開發(fā)平臺(tái)，謀求在開放自動(dòng)化系統(tǒng)的方向重塑工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)移植性、互換性、互操作性的實(shí)踐
按照《What is IEC 61499》文章中的定義，移植性是指一個(gè)軟件工具能接受和正確解釋由另一個(gè)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(yùn)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(gè)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(dòng)化OPA有四個(gè)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(duì)不同的自動(dòng)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www.cechina.cn，能按照應(yīng)用的許可協(xié)議在一個(gè)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(shí)別、判斷和采納，就可以將他們的知識(shí)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(yàn)證OPA的關(guān)鍵概念，?？松梨谠诼羼R的配合下——奇特的組合——建立了一個(gè)系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室，共有10家公司，包括ABB控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，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(shí)驗(yàn)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(yàn)證關(guān)鍵概念的測試結(jié)果。
圖2 OPAF關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)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(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)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(yùn)行在實(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)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(duì)由NXTcontrol構(gòu)成的DCN 2機(jī)型控制。DCN 2的數(shù)據(jù)送到裝在實(shí)時(shí)先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)中的HMI 1軟件（由Inductive Automation公司提供），而且同處在先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)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(gè)硬件板都聯(lián)接在實(shí)時(shí)總線OPC UA上，而且其中都裝有基于IEC 61499的控制程序。
以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了開放流程自動(dòng)化系統(tǒng)OPA的幾個(gè)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(jī)遇
總的說來，一些自動(dòng)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?yàn)闃?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(shí)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(gè)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(gè)很大的問題。
然而在IEC 61499采用事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模型，使分布式的控制邏輯得以實(shí)現(xiàn)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，執(zhí)行過程中通信是自動(dòng)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(jì)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(jià)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(jí)時(shí)相應(yīng)的部分或者全部硬件也不得不更換?，F(xiàn)在實(shí)施的工程不再依賴于任意特定的硬件和拓?fù)淞恕７螴EC 61499的解決方案將軟件與硬件解耦，彼此獨(dú)立。當(dāng)控制系統(tǒng)需要升級(jí)的時(shí)候，軟件和硬件的成本很低www.cechina.cn，而效率卻很高。這種高級(jí)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(gè)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(gè)軟件工具可以解決所有的控制任務(wù)。通信的路徑是自動(dòng)生成的，面向?qū)ο蟮墓こ淘O(shè)計(jì)可以通過預(yù)先做好的軟件對(duì)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(jí)建模語言，這主要是因?yàn)榉显摌?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。
顯然，從現(xiàn)在起到未來的5至10年間，工業(yè)自動(dòng)化格局一定會(huì)發(fā)生大的變化。其中IEC 61499的潛在巨大影響我們絕不能低估?？紤]到相當(dāng)大部分國外的公司還處在觀望或剛起步的階段，這對(duì)于國產(chǎn)自動(dòng)化工程軟件應(yīng)該是一個(gè)難得的機(jī)遇。因?yàn)檫\(yùn)用IEC 61499開發(fā)控制工程的軟件平臺(tái)的技術(shù)我國還是處在前沿。上海交大自動(dòng)化系戴文斌團(tuán)隊(duì)長期耕耘于這一方向，取得了很好的開發(fā)科研成果，而上海樂異自動(dòng)化科技有限公司已經(jīng)能夠提供基于IEC 61131-3+IEC 61499+HMI的運(yùn)行時(shí)（runtime）環(huán)境。當(dāng)前起點(diǎn)不錯(cuò)，依托工業(yè)自動(dòng)化的OT標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用先進(jìn)的IT軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化軟件的時(shí)代跨越，是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。只要在產(chǎn)業(yè)化的方向上進(jìn)一步努力和積累，一個(gè)具有發(fā)展前途又有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化工程軟件平臺(tái)，一定會(huì)出現(xiàn)在我國工業(yè)自動(dòng)化軟件的舞臺(tái)上。同時(shí)，我們呼吁有更多的公司抓住機(jī)會(huì)積極參與，形成一支活躍在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用和開發(fā)的新軍力量。
重慶分公司
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