非开放、兼容性差的专有控制系统的局限性日益凸显
发表时间：2023-08-30 16:00:54
文章来源：炫佑科技
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非开放、兼容性差的专有控制系统的局限性日益凸显
作者 | 石林才
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长期以来，在工业自动化领域，出于可靠性、安全性和独特技术的考虑，工业自动化控制系统往往是相对封闭的专有系统。 这样的控制系统在过去几十年里极大地促进了工业生产。
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然而，随着技术的进步和全球市场竞争的加剧，生产的柔性、敏捷性和可维护性已成为工业企业关注的焦点。 尤其是随着物联网、大数据、人工智能、面向对象、面向服务架构等IT技术的不断发展，专有控制系统不开放、兼容性差的弊端逐渐凸显。融入OT技术，控制系统的开放性更为重要，“即插即用”的非专有开放自动化系统逐渐成为用户追求的目标。
人们越来越认识到专有自动化系统的局限性
无论是PLC还是DCS控制系统，目前大多都是各厂家拥有自己独特技术的系统。 从控制器硬件到编程软件，甚至I/O都“捆绑”在一起。 一旦用户选择了某个厂商的系统，可用的软硬件、架构和技术路线几乎就已经固定了。 这样的系统在可靠性和稳定性方面确实会具有优势，但其缺点和局限性也很明显。
随着设备老化和生产复杂性的增加，此类系统在维护和升级时将面临产品选择有限和成本高昂的问题。 如果要移植到其他PLC/DCS供应商的系统，无论是硬件还是软件都不能重复使用，必须重新编程配置，不仅技术上难以实现，而且需要很高的投资。
如果涉及多个不同控制系统的相互集成，则需要各种协议转换设备。 这不仅增加了企业的成本，也使得系统集成变得异常复杂。 中央控制程序也变得庞大而复杂，使得系统开发、维护和更新效率低下。
更重要的是，专有的工业自动化系统无法利用 IT 技术的进步。 专门为一个系统编写的自动化软件应用程序无法在另一系统上运行。 应用程序代码可移植性不足会阻碍软件创新并导致投资受损。 如果没有巨额投资，上游设计工具和下游运营工具就无法与自动化系统紧密集成，从而几乎不可能创建跨越整个流程或设备生命周期的数字主线。
这些专有系统的局限性*终将增加用户的总拥有成本，限制公司使用先进IT技术的能力，延迟公司工艺生产和工程开发的优化和升级，从而错失*佳商机。 从长远来看，这会限制企业快速前进和快速建立市场优势的能力。
“开放”一直是自动化追求的目标
事实上，专有自动化系统的局限性今天并没有出现。 PLC/DCS诞生后不久，制造商和用户就开始探索开放性。 早期的DCS系统使用专有网络进行通信。 系统完全关闭。 各个厂家的产品形成了自己的体系。 不同厂家的设备，无论是仪器还是I/O，都无法互连。 20世纪80年代中后期开始出现的现场总线技术，将封闭、专用的通信网络改变为开放、标准化的网络，可以连接不同制造商的自动化设备，并遵守相同的协议规范到控制系统。 但由于行业和地区发展等历史原因，在各厂家自身利益的驱动下，全球范围内逐渐形成了十余种通用工业现场总线。
进入21世纪，基于TCP/IP的以太网进入自动化领域，工业以太网在标准以太网协议上稍作修改，给自动化系统带来了更大的开放性。 在运动控制领域，实时工业以太网也开始出现。 这些工业以太网协议都是开放协议自动化软件开发，有些是免费的，有些是开源的，有些已经成为我国的国家标准。 工业以太网的应用使得更多的设备、更多的系统能够接入控制系统，使“一网到底”成为可能。 遗憾的是，与现场总线一样，工业以太网由于种种原因一直没有统一成协议标准。 各大厂商都以自己的方式运作，需要协议转换器来相互通信。
除了网络的开放之外，自动化控制系统的硬件和软件也一直在走向开放。 硬件方面，进入20世纪90年代，基于PC的控制技术开始兴起，工控机和嵌入式PC开始承担起工业控制器的角色，这使得工业计算机配备或Linux，甚至商用计算机或笔记本电脑，成为控制者。 硬件不依赖于硬件厂商，其操作系统和Linux也非常开放。 很多IT技术可以直接运用在这些“控制器”上，这给自动化控制系统带来了更大的开放性。
在软件方面，虽然各个厂家都有自己的编程软件或组态软件，但早在1993年，国际电工委员会就制定了标准IEC 61131-3，用于标准化PLC、DCS、IPC、CNC和SCADA编程系统，只要符合这个规范的编程软件，可以借助符合各种标准的语言框架来创建任何人都能理解的程序。 目前大多数厂家的控制器已经支持该标准，这也为PLC编程的开放性奠定了基础。
除了网络、硬件和软件的开放性之外，一些厂商和用户也在不断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）发起，定义“一个开放、安全、基于标准、可互操作且适用的多过程工业过程控制架构”，即组织的O-PAS标准由开放集团。 此外，德国流程工业用户组织（NAMUR）也提出了自己的开放架构NOA，并计划在2021-2022年将其作为IEC标准发布。
IEC 61499 - 完全开放自动化的曙光
制造商和用户都一直在追求各个层面的开放自动化。 但由于技术和利益原因，目前自动化的开放程度并不高。 现场总线、工业以太网等工业通信标准种类仍然较多，不同厂家的设备互联仍然存在困难。 尽管各厂家开发的PLC都支持IEC 61131-3，但它们的硬件不能互相替换，软件不能互相兼容，程序不能重用和移植。
是否有更高层次的开放性，让自动化设备能够像IT设备一样“即插即用”，软件可以复用，硬件可以通用，网络可以连接一切？ 好消息是，这种开放式自动化已经即将出现。
在互联互通方面，TSN已经得到了大多数厂商的支持。 在语义互操作性方面，OPC UA已成为主要的信息模型。 硬件方面，基于IPC和实时操作系统的边缘控制器可能成为主流趋势。 更重要的是，在软件复用和软硬件解耦方面，更高层次的开放标准已经开始获得业界的支持。
IEC 61131-3虽然标准化了PLC编程语言，但它只是针对单个设备上的程序的标准，以单个设备作为顶层软件模型，没有系统的概念，所以当现代控制系统走向分散式时数字控制系统，IEC 61131-3已经不能满足复杂工业系统的要求。 因此，IEC于2000年开始制定分布式控制系统标准IEC 61499，并于2005年全面发布。
与-3一样，也采用基于功能块的图形化编程方法。 但不同的是-3是基于时间扫描的程序执行过程，而是事件驱动的功能块网络，这更符合现代软件工程。 功能块为逻辑代码提供统一的接口封装，功能块之间通过事件和数据的接口相互连接。
▎每个机电组件都有对应的控制微服务
功能块编程是公司的核心理念。 其目的是采用面向对象的编程思想，将工业控制软件以功能块的形式封装成软件组件。 设备资源无关。
▎IEC 61499的功能块编程
IEC 61499 标准通过提出独立于底层系统设备的应用程序模型，实现了应用程序代码在多供应商平台和工程设计工具之间的可移植性。 软件的可重用性是通过功能块的标准化封装来实现的，从而实现软件与硬件的解耦。 其事件驱动的特性非常适合与IT系统进行交互，从而可以很好地将先进的IT技术引入到自动化系统中。 IEC 61499的这些特性为建立“即插即用”、完全开放、可互操作的自动化系统奠定了基础。
正因为如此，OPAF 和 NAMUR 都将 IEC 61499 标准作为其开放架构的主要推荐标准之一。
开放自动化开启新征程
IEC 61499标准发布至今已有15年，但其实际应用进展却相对缓慢。 究其原因，一方面是标准的制定到实施之间必然存在滞后的开发周期，更重要的原因是技术限制，尤其是缺乏IEC 61499的软件开发平台。更多的用户习惯在几大自动化厂商成熟的软件平台上开发应用程序，仅支持-3。
IEC 61499的**个工业实现是，但并没有实现IEC 61499的所有规范。后来创建了IEC 61499的开源项目4 diac，并培育了一些开发应用。 此外非开放、兼容性差的专有控制系统的局限性日益凸显，注册于奥地利的公司坚持了十几年，为IEC 61499的应用开发平台和产业化做了大量卓有成效的工作。
可见自动化厂商对于IEC 61499并没有表现出太大的热情。
但这一切正在改变。
2017年，施耐德电气收购了这家IEC 61499全球领先企业。2020年10月，施耐德电气正式发布了基于IEC 61499标准的开放式自动化平台（）。
▎施耐德电气开放自动化平台
得益于 IEC 61499 标准，开放自动化平台支持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，而无需依赖底层硬件基础设施。 用户可以将应用程序分发到他们选择的任何支持 IEC 61499 标准的系统硬件架构，而无需额外的编程工作。 支持经过验证的软件*佳实践，以简化与 IT 系统互操作的自动化应用程序的创建。
与传统自动化系统相比，开放自动化平台可以将执行传统自动化任务所需的时间缩短2-7倍，将用户开发应用创新程序的速度提高3倍，将故障排除的速度提高6倍。
施耐德电气认为，现在是在工业自动化领域大胆行动的时候了，并呼吁全行业的工业用户、制造商、原始设备制造商、系统集成商和总承包商（EPC）拥抱开放自动化。
可以预见，开放自动化将在施耐德电气等自动化巨头的推动下开启新的征程，即“即插即用”的全开放自动化，这也是工业自动化迈向未来的星辰大海。
在本文的写作过程中，我得到了彭宇、姚远、魏毅等专家的指导。 作者在此表示特别的感谢！
