即插即用的开放式自动化

自动化和控制正变得更加开放和互操作，并为控制系统架构制定了O-PAS标准，工业以太网的时间敏感网络(TSN)和IEC 61499编程。长期以来，在工业自动化领域，为了可靠性、安全性和技术独特性，控制系统往往是相对封闭的专有系统。在过去的几十年里，封闭式控制系统在促进工业生产方面发挥了巨大的作用。

然而，随着技术的进步和全球市场竞争的加剧，生产的灵活性、敏捷性和可维护性成为工业企业关注的焦点。

专有控制系统不开放、兼容性差的缺点逐渐凸显。特别是在物联网(IoT)、大数据(Big Data)、人工智能(AI)、面向对象和面向服务的体系结构应用于操作技术(OT)实现等信息技术(IT)不断集成的趋势下，控制系统的开放性显得更加重要。即插即用和非专有的开放式自动化系统逐渐成为用户的目标。

过程开放式自动化:DCS、现场总线、编程

事实上，专有自动化系统的局限性并不是最近才有的。早期的分布式控制系统(DCS)使用专用网络进行通信。系统是完全封闭的。各厂家的产品形成了各自的体系。来自不同制造商的设备，无论是仪器还是输入/输出(I/O)设备，都不能互连。现场总线技术兴起于20世纪80年代中后期，它将封闭的专用通信网络转变为开放的标准化网络，可以将不同厂家的自动化设备按照控制系统中使用的相同协议规范进行连接。然而，由于行业利益和区域发展的原因，世界上已经形成了10多种常见的工业现场总线。

21世纪，基于TCP/IP的以太网进入了自动化领域。对标准以太网协议稍加修改的工业以太网为自动化系统带来了更大的开放性。实时工业以太网开始在运动控制领域兴起。这些工业以太网协议都是开放协议，有的免费，有的开源，有的已经成为中国的国家标准。工业以太网的应用使更多的设备、更多的系统接入控制系统成为可能，实现“一网到底”。不幸的是，与现场总线一样，由于各种原因，工业以太网还没有统一成一个协议标准。主要制造商做他们自己的事情，需要协议转换器相互连接。

除了网络的开放外，自动化控制系统的硬件和软件也一直在向开放的方向发展。20世纪90年代，基于pc的控制技术开始兴起。工业pc (Industrial pc, ipc)和嵌入式pc开始承担工业控制器的角色，这使得安装微软Windows或Linux的工业计算机，甚至商用计算机或笔记本电脑都成为了不依赖硬件厂商的控制器硬件。许多IT技术可以应用于作为控制器的工业计算机上，这给自动控制系统带来了更大的开放性。

在软件方面，大多数厂商都有编程软件或组态软件。在20世纪90年代初，IEC 61131-3的形成是为了标准化自动化系统的编程:可编程逻辑控制器(PLC)、DCS、ipc、计算机数字控制器(CNC)以及监控和数据采集(SCADA)编程系统。[许多编程软件包使用该标准的部分或全部，但使用不同制造商的标准实现创建的代码不一定具有互操作性。]

一些制造商和组织正在推动控制系统架构的开放性。例如，2016年，埃克森美孚通过开放过程自动化论坛(OPAF)推出了“面向多个过程工业的开放、安全、基于标准、可互操作和适用的过程控制架构”开放过程自动化标准(O-PAS)，由开放组织组织．此外，德国过程工业用户组织(那慕尔)提出了开放式体系结构[与开放组织合作]，并计划在2021年至2022年期间按照IEC标准发布。

新时代工业控制系统开放水平更高

制造商和用户一直在各个层面上追求开放式自动化。然而，由于技术和障碍，自动化仍然不是很开放。工业通信标准种类繁多，与不同厂家的设备互联仍存在困难。虽然各种制造商开发的PLC支持IEC 61131-3，但硬件不能互换，软件通常不兼容，程序不能从一个制造商的PLC重用到另一个制造商。

是否有更高层次的开放性，使自动化设备可以像IT设备一样即插即用?好消息是，这种开放式自动化正在开始发生。

在相互联系方面，TSN已得到大多数制造商的支持．来自OPC基金会的OPC UA已成为语义互操作性的主要信息模型。基于ipc和实时操作系统的边缘控制器将成为主流趋势。更高级别的开放标准IEC 61499已经开始获得业界的支持，以帮助实现软件重用和硬件-软件解耦。

如IEC 61131-3，IEC 61499包含了基于函数块的图形编程方法．然而，不同之处在于IEC 61131-3是基于时间扫描的程序执行过程，而IEC 61499是事件驱动的功能块网络，更符合现代软件工程。功能块为逻辑代码提供统一的接口包，各功能块之间通过事件接口和数据接口连接。

函数块编程是IEC 61499的核心概念。其目的是利用面向对象的编程思想，将工业控制软件以功能块的形式打包成软件组件。功能块可以用IEC 61131-3编程语言编写，也可以用c++等高级语言编写，与硬件设备资源无关。

通过提出独立于底层系统设备的应用程序模型，IEC 61499标准实现了应用程序代码在更多供应商平台和工程设计工具之间的可移植性。通过对功能块的标准化打包，实现软件的可重用性，实现软硬件解耦。事件驱动特性适合于交互，因此可以将先进的IT技术集成到自动化系统中。IEC 61499的这些特点为建立即插即用、完全开放和互操作的自动化系统奠定了基础。

由于这些原因，OPAF和NAMUR将IEC 61499标准作为其开放体系结构的主要推荐标准之一。

使用IEC 61499重新开启开放自动化之旅

IEC 61499标准已发布15年，但其实际应用进展缓慢。一方面，标准的制定和实施之间必然存在开发周期的滞后，最重要的原因是技术限制，尤其是缺乏IEC 61499软件开发平台。更多的用户习惯于在仅支持IEC 61131-3的几个主要自动化制造商的软件平台上开发应用程序。

的IEC 61499的第一个工业实现是ISaGraf，但它没有实现所有的iec61499规范。后,Eclipse Foundation创建了4diac，是IEC 61499开源项目，并培养了一些开发应用程序。此外，在奥地利注册的nxtControl公司已经坚持了10多年，在IEC 61499应用开发平台和产业化方面进行了有效的工作。

自动化制造商对IEC 61499并没有表现出多大的热情。然而，随着2017年施耐德电气收购nxtControl，情况发生了变化。2020年10月，施耐德电气正式发布开放式自动化平台(ecostrucxure自动化专家)，以iec61499标准为基础。

采用IEC 61499标准，ecostrucxure开放式自动化平台可以使用以资产为中心的、可移植的、经过验证的软件组件来构建自动化应用程序无需依赖底层硬件基础设施。用户可以将应用程序分发到任何支持IEC 61499标准的系统硬件架构上，而无需进行额外的编程工作。对经过验证的软件最佳实践的支持简化了与其系统互操作的自动化应用程序的创建。

与传统的自动化系统相比，使用ecostrucxure开放式自动化平台可以将执行传统自动化任务所需的时间缩短2至7倍，将用户开发创新应用程序的速度提高3倍，并消除故障6倍，施耐德电气表示。

现在是在工业自动化领域采取大胆行动的时候了，施耐德电气呼吁工业用户、原始设备制造商(oem)、系统集成商以及工程、采购和施工(EPC)承包商拥抱开放式自动化。

自动化巨头是时候加入用户和其他人的新的开放自动化之旅，创建完全开放的即插即用自动化。

石史是《纽约时报》的执行总编辑控制工程中国．由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程,CFE媒体和技术,mhoske@cfemedia.com．

关键词:开放自动化，互操作性，IEC 61499

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