何為開放系統？

我(wo)們首先來看(kan)看(kan)什(shen)么是開(kai)放性系統？目前還沒有(you)必(bi)要去(qu)給它一(yi)個(ge)確(que)切的(de)定義，筆(bi)者(zhe)認為一(yi)個(ge)徹底(di)的(de)開(kai)放性系統應(ying)該具有(you)下面幾個(ge)特征(zheng)：

不(bu)同廠商的(de)(de)軟(ruan)件(jian)，硬件(jian)都能(neng)夠方便(bian)的(de)(de)接入開放性(xing)(xing)系統.顯(xian)然，目前(qian)(qian)最(zui)好的(de)(de)開放性(xing)(xing)系統就是互(hu)聯(lian)網(wang)(wang)(wang)。幾(ji)乎(hu)快(kuai)實(shi)現萬物互(hu)聯(lian)的(de)(de)理想目標了。要知道，計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)(wang)(wang)絡(luo)并不(bu)是一開始就采用開發性(xing)(xing)協議(yi)的(de)(de)，以前(qian)(qian)各大公(gong)司的(de)(de)計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)(wang)(wang)絡(luo)都是個(ge)(ge)搞一套(tao)，比如IBM公(gong)司的(de)(de)SNA網(wang)(wang)(wang)絡(luo)，DEC公(gong)司的(de)(de)DECNET，都是當(dang)時(shi)十分流行的(de)(de)計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)(wang)(wang)絡(luo)產(chan)品。它(ta)們之(zhi)(zhi)間難以互(hu)聯(lian)互(hu)通。后來美國建設(she)DARPA網(wang)(wang)(wang)絡(luo)過程中，設(she)計(ji)了簡單的(de)(de)TCP/IP協議(yi)。逐步使計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)(wang)(wang)路成為互(hu)聯(lian)網(wang)(wang)(wang)現在這(zhe)個(ge)(ge)樣子。而ISO標準化委員(yuan)會著名(ming)的(de)(de)OSI七層(ceng)模型就稱之(zhi)(zhi)為“開放系統互(hu)聯(lian)參考模型”。

現代自(zi)動控制系(xi)(xi)統大多(duo)數(shu)是(shi)基于(yu)網絡(luo)實現的(de)(de)。在網絡(luo)中(zhong)接(jie)入(ru)了大量的(de)(de)傳感器，PLC，計(ji)算(suan)機，人機交互(hu)屏幕(mu)等設備(bei)和(he)軟件。一個開放自(zi)動化系(xi)(xi)統，首(shou)先要做(zuo)到不(bu)同廠商(shang)的(de)(de)設備(bei)能夠互(hu)聯互(hu)通。自(zi)動化領(ling)域已經開放了各(ge)種現場總(zong)線(xian)，比(bi)如大家耳熟能詳(xiang)的(de)(de)現場總(zong)線(xian)有(you)modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等等。目前，不(bu)同廠商(shang)的(de)(de)設備(bei)之(zhi)間(jian)互(hu)聯還(huan)比(bi)較(jiao)困難，有(you)時(shi)需要各(ge)種各(ge)樣奇(qi)奇(qi)怪(guai)(guai)怪(guai)(guai)的(de)(de)網關(guan)產品。

要(yao)實現設(she)(she)備(bei)真正(zheng)意義上(shang)的(de)互(hu)(hu)聯互(hu)(hu)通，僅(jin)僅(jin)依靠協議是不(bu)夠的(de)，還需要(yao)語(yu)(yu)義的(de)標準化。只有互(hu)(hu)相采(cai)用熟(shu)悉(xi)的(de)語(yu)(yu)義，溝通才(cai)能進(jin)行(xing)。語(yu)(yu)義標準化的(de)難度和工作量(liang)更大。在(zai)自動化工程的(de)具體實踐中，我們(men)經常會發(fa)現；世界(jie)上(shang)最長的(de)距離是兩個帶有Ethernet接口的(de)設(she)(she)備(bei)卻無法交(jiao)換數據。

設(she)備無法互聯互通(tong)的(de)另一(yi)個后果是(shi)協議和軟件系(xi)(xi)(xi)統成為了國際(ji)大(da)廠(chang)市(shi)場的(de)護城河。其(qi)它中小型企業的(de)創新(xin)產品無法接入(ru)以國際(ji)大(da)廠(chang)自動控制系(xi)(xi)(xi)統為主的(de)自動化(hua)系(xi)(xi)(xi)統中。這也(ye)是(shi)我(wo)們自動化(hua)領域國產化(hua)產品水(shui)平不(bu)高(gao)的(de)一(yi)個主要原因。

系(xi)統(tong)中的大多數(shu)(shu)數(shu)(shu)據可(ke)以通過標準(zhun)化的協議和(he)(he)信息模(mo)型被外部系(xi)統(tong)訪問。標準(zhun)化的協議和(he)(he)信息模(mo)型可(ke)能(neng)包括OPC UA ，MQTT等等。

AI和大數(shu)據(ju)(ju)在工(gong)業(ye)自動化(hua)(hua)領域的(de)應用將會在未來越來越普及。目前大數(shu)據(ju)(ju)公(gong)司面臨的(de)最(zui)大困(kun)惑是(shi)，工(gong)業(ye)大數(shu)據(ju)(ju)被傳(chuan)統(tong)封閉的(de)自動化(hua)(hua)系(xi)(xi)統(tong)困(kun)死在信息孤島中，業(ye)主不敢動，系(xi)(xi)統(tong)集成公(gong)司不愿意開放給第(di)三方，大數(shu)據(ju)(ju)公(gong)司難(nan)以獲(huo)取現場數(shu)據(ju)(ju)，大數(shu)據(ju)(ju)面臨著沒有數(shu)據(ju)(ju)的(de)尷(gan)尬(ga)局面。大多數(shu)工(gong)業(ye)云平臺還只是(shi)停留在PLC+網關的(de)方式獲(huo)取數(shu)據(ju)(ju)，或者與控制(zhi)系(xi)(xi)統(tong)建(jian)立并(bing)行的(de)數(shu)據(ju)(ju)采集終(zhong)端。

理想的開放自動化系(xi)統(tong)應該在保證系(xi)統(tong)安全的前提下，向第三方提供各種(zhong)數據(ju)。是(shi)大(da)數據(ju)分析，AI訓練，數字孿生系(xi)統(tong)能夠(gou)獲取足夠(gou)的數據(ju)。

軟件(jian)(jian)在自動控(kong)制系統中的(de)(de)(de)(de)作用(yong)越(yue)來越(yue)大，開(kai)發自動控(kong)制系統的(de)(de)(de)(de)軟件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)效率至關重要(yao)。不過到(dao)目前為(wei)止，自動控(kong)制領(ling)域基本(ben)上和早期的(de)(de)(de)(de)計算機行(xing)業類(lei)似，軟件(jian)(jian)嚴重地依賴所運行(xing)的(de)(de)(de)(de)設(she)備。不同(tong)廠商的(de)(de)(de)(de)PLC采(cai)樣(yang)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)編(bian)程工具軟件(jian)(jian)，開(kai)發的(de)(de)(de)(de)程序基本(ben)上無法在其它(ta)PLC廠商的(de)(de)(de)(de)產品上運行(xing)。軟件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)重用(yong)性極低(di)，更換廠商的(de)(de)(de)(de)學(xue)習(xi)曲線陡(dou)峭。

一個開放自動化系統，應該(gai)實(shi)(shi)現(xian)“一次編(bian)程，任何(he)地方運(yun)行”的(de)(de)理(li)想(xiang)。IEC61131-3 /IEC61499標準都在努力地實(shi)(shi)現(xian)PLC編(bian)程語(yu)言的(de)(de)標準化，加上(shang)Soft PC技術(shu)，部(bu)分實(shi)(shi)現(xian)軟件的(de)(de)可(ke)移植性(xing)，可(ke)重用性(xing)的(de)(de)目(mu)標。

一個大(da)(da)型的(de)工(gong)業(ye)自動化系(xi)統(tong)往(wang)往(wang)要運行十(shi)幾(ji)年，甚至幾(ji)十(shi)年。對于一個封閉(bi)式系(xi)統(tong)而言，設(she)(she)備(bei)的(de)維修(xiu)，升(sheng)級和替(ti)換(huan)就(jiu)是一個很大(da)(da)的(de)問題，比如在太(tai)陽能行業(ye)，硅片切割設(she)(she)備(bei)上千(qian)萬元一臺(tai)，設(she)(she)備(bei)早過(guo)了保(bao)修(xiu)期，甚至當(dang)年開(kai)發(fa)這個設(she)(she)備(bei)的(de)工(gong)程師都已經(jing)退休了。內部控制器還是Intel的(de)386CPU，國內維修(xiu)人員也(ye)難以(yi)找到配(pei)件，目前只能拆(chai)東墻補西墻。

如果是一個開放自動化(hua)系統，我們完全可以使(shi)用現在的(de)控制(zhi)平(ping)臺(tai)替(ti)代老舊的(de)控制(zhi)器(qi)，延長設備(bei)的(de)使(shi)用壽命。

一個理(li)想(xiang)的開放自動化(hua)系統，應(ying)該能(neng)夠將舊設(she)備上(shang)的應(ying)用程序移植到新(xin)的設(she)備上(shang)，軟件(jian)(jian)資產(chan)的生(sheng)命(ming)周期和(he)硬(ying)件(jian)(jian)控制(zhi)器的生(sheng)命(ming)周期分離。既(ji)可以獨(du)立地更(geng)新(xin)軟件(jian)(jian)，也可以獨(du)立地更(geng)新(xin)硬(ying)件(jian)(jian)。

一個開放的系(xi)統(tong)其(qi)實是一個生(sheng)態(tai)系(xi)統(tong)，能(neng)夠由許多人參與其(qi)中(zhong)，他(ta)們可能(neng)是重要的自動化廠商，也(ye)可以是系(xi)統(tong)集成(cheng)商，用戶和第三方增值開發商。眾(zhong)人添柴火焰高，社會化開發的生(sheng)態(tai)系(xi)統(tong)才富有活力(li)。

在(zai)傳統的自動(dong)化系統中(zhong)所有的PLC功能塊庫，SCADA組件幾乎(hu)都是由(you)公司(si)自己開發的。第三方難(nan)以涉足(zu)其中(zhong)，而用戶幾乎(hu)只有組態的權利。

而在一個理想的(de)開發自(zi)動化生態中，開發工具，運行時等(deng)技(ji)術也許是核心廠商(shang)開發的(de)。但(dan)是其它的(de)開發廠商(shang)能夠(gou)參(can)與開發功能塊(kuai)庫，應用程序(xu)。他們可以(yi)采樣類似手機App市場那樣推廣(guang)，并獲得應有(you)的(de)商(shang)業利益。富有(you)創新的(de)技(ji)術能夠(gou)迅(xun)速地導入。

基礎(chu)物理通信(xin)(xin)技(ji)術：以太網，TSN以太網，CAN，5G等技(ji)術將成為開(kai)放自動(dong)化的主流通信(xin)(xin)方(fang)式。其(qi)上的通信(xin)(xin)協議(yi)包(bao)括TCP/IP，HTTP，modbusTCP，websocket，MQTT等等。

信息模型主(zhu)要解決語義的(de)問題。為了使系統中的(de)各(ge)部分(fen)能(neng)夠(gou)充分(fen)地互聯，實現(xian)所謂(wei)的(de)“插入(ru)即生產”等工(gong)業數字(zi)化目標(biao)，各(ge)種資產的(de)數字(zi)化信息模型的(de)標(biao)準化和工(gong)業界達成(cheng)廣泛共識就非常重要。目前OPC UA主(zhu)要的(de)一種信息模型。

采用統一(yi)的(de)信(xin)息模(mo)型姑且重要(yao)，而為自動(dong)控制領域的(de)各種資(zi)產建立(li)數字化(hua)信(xin)息模(mo)型更為重要(yao)。要(yao)對成千上萬的(de)傳感器，設備建模(mo)。這是一(yi)個巨量的(de)工程，而且需要(yao)業(ye)界達成共識。

作為(wei)一(yi)個開放自動化系(xi)統，需要能夠(gou)為(wei)建立信息模型提供有效工具。

開放自(zi)動化(hua)系統(tong)普遍采(cai)用標(biao)(biao)準化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)編(bian)程語言，比如目前(qian)流行的(de)(de)(de)(de)(de)IEC61131-3 PLC語言和未來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)IEC61499功(gong)能(neng)塊(kuai)(kuai)。然而，僅(jin)僅(jin)采(cai)納了標(biao)(biao)準化(hua)語言還是(shi)(shi)不(bu)夠的(de)(de)(de)(de)(de)。我們(men)知道，無論是(shi)(shi)IEC61131-3的(de)(de)(de)(de)(de)梯形圖(tu)，ST和功(gong)能(neng)塊(kuai)(kuai)，還是(shi)(shi)IEC61499的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)能(neng)塊(kuai)(kuai)應(ying)用。它(ta)(ta)們(men)都還只是(shi)(shi)“高級語言”，最(zui)終(zhong)需(xu)要轉變成為“機(ji)器(qi)代碼(ma)”或(huo)(huo)者“中(zhong)間(jian)代碼(ma)”，最(zui)終(zhong)下(xia)載到PLC中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)行，它(ta)(ta)們(men)或(huo)(huo)者是(shi)(shi)特殊(shu)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器(qi)代碼(ma)，或(huo)(huo)者是(shi)(shi)廠商自(zi)定(ding)義的(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)間(jian)代碼(ma)。這些技術(shu)都是(shi)(shi)嚴重依(yi)賴廠商的(de)(de)(de)(de)(de)。而標(biao)(biao)準沒(mei)有對“機(ji)器(qi)代碼(ma)”或(huo)(huo)者“中(zhong)間(jian)代碼(ma)”，的(de)(de)(de)(de)(de)格式(shi)提出格式(shi)規范。這導致了PLC程序無法直接在不(bu)同廠商硬(ying)件上(shang)運(yun)行。開放自(zi)動化(hua)系統(tong)將公開目標(biao)(biao)代碼(ma)的(de)(de)(de)(de)(de)格式(shi)，并且采(cai)樣類似XML這樣的(de)(de)(de)(de)(de)語言來(lai)描述(shu)。

PLC的(de)程序下載，更新，運行監控稱為管理協議，它們(men)同樣需(xu)要(yao)標(biao)準化和開放(fang)協議。這樣才(cai)可能實現“一次編程，到處運行“的(de)夢想。

另一個十(shi)分重要(yao)的(de)方(fang)面，就(jiu)是要(yao)規范和開(kai)(kai)放(fang)功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)庫(ku)(ku)(ku)的(de)開(kai)(kai)發(fa)(fa)技術。對于(yu)(yu)IEC61499而言，用戶可以使用ST語言，來構建基本(ben)功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)和復(fu)合(he)功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)。有些開(kai)(kai)發(fa)(fa)工具可以使用Lua，java來編寫功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)庫(ku)(ku)(ku)。如(ru)果要(yao)開(kai)(kai)發(fa)(fa)涉及通信，硬件的(de)服務功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)，使用C++更加合(he)適。開(kai)(kai)發(fa)(fa)環境(jing)如(ru)何向用戶開(kai)(kai)放(fang)運行時的(de)功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)接口，使用戶，第三方(fang)開(kai)(kai)發(fa)(fa)者開(kai)(kai)放(fang)功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)庫(ku)(ku)(ku)對于(yu)(yu)構建開(kai)(kai)放(fang)自動化生態同樣十(shi)分重要(yao)。只(zhi)有豐富的(de)功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)庫(ku)(ku)(ku)出(chu)現，才會帶(dai)來開(kai)(kai)發(fa)(fa)自動化的(de)繁榮。功(gong)(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)(kuai)庫(ku)(ku)(ku)對于(yu)(yu)開(kai)(kai)放(fang)自動化而言，就(jiu)相(xiang)當(dang)于(yu)(yu)App和智能(neng)(neng)手機的(de)關系。

人們會問，為什么許多公司都聲稱采用IEC61131-3標準(zhun)，但(dan)是它們的(de)軟件為什么仍然(ran)沒有辦法相互兼容呢？這(zhe)主(zhu)要(yao)由于像PLC這(zhe)樣(yang)的(de)控(kong)制(zhi)設備的(de)程(cheng)(cheng)序是嚴重依賴硬件的(de)。盡管控(kong)制(zhi)語言和信息模型標準(zhun)化了。但(dan)是大(da)量與硬件有關(guan)的(de)程(cheng)(cheng)序庫，功能塊是廠商(shang)依賴型的(de)。

理(li)想的開放(fang)自動化系(xi)統，應該允(yun)許開放(fang)第三方硬件以及相(xiang)關的功能塊庫。

TCP/UDP，MQTT，HTTPS，Web API等IT領域(yu)的(de)(de)(de)通信協議成(cheng)為開放自動化系統的(de)(de)(de)接口(kou)。這些都是IT領域(yu)常用的(de)(de)(de)通信協議。

IT領域和自(zi)動控(kong)制(zhi)OT技(ji)(ji)術(shu)的(de)界線越(yue)來越(yue)模(mo)糊，自(zi)動化(hua)會不斷地(di)導入IT領域的(de)新技(ji)(ji)術(shu)，比如AI，大數據，時間(jian)序列數據庫，云平臺(tai)，容器技(ji)(ji)術(shu)等(deng)等(deng)。一個好的(de)開放自(zi)動化(hua)系統將(jiang)促進IT和OT技(ji)(ji)術(shu)的(de)相互融合。

長期(qi)以來(lai)，自動(dong)控制領域的人(ren)機交(jiao)互接(jie)口設(she)(she)備大多(duo)數(shu)是基(ji)于Windows OS 實現(xian)。而且HMI的接(jie)口協議(yi)和信息模型各不(bu)相(xiang)同。許多(duo)HMI使用(yong)C#或者C++ 實現(xian)。近年(nian)來(lai)也有基(ji)于Linux/ QT，android或者 NodeJS。UI設(she)(she)計采樣(yang)HTML5/CSS/JavaScript 這樣(yang)的跨平臺，開(kai)放性技術。

理想的(de)開放自動化(hua)的(de)HMI應該是(shi)跨平臺(tai)的(de)，HMI可(ke)以允許運行在(zai)基于windows，Linux，android工(gong)業屏上(shang)，也(ye)能(neng)夠運行在(zai)Web，手機和平板電腦(nao)上(shang)。實(shi)現(xian)多屏融(rong)合(he)。要實(shi)現(xian)這一點，使(shi)用HTML5/CSS/JavaScript可(ke)能(neng)更(geng)加合(he)適(shi)。

也有(you)人擔心，開(kai)放(fang)自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)時(shi)代是否真的(de)(de)(de)會(hui)到來，畢竟它動(dong)(dong)了某些大佬們的(de)(de)(de)“奶(nai)酪“，原(yuan)來自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)領域的(de)(de)(de)大公司可能會(hui)失去一部分原(yuan)有(you)的(de)(de)(de)優勢。對于(yu)這一點，我還(huan)是比較樂觀的(de)(de)(de)。開(kai)放(fang)自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)會(hui)被一批富有(you)情懷和(he)創(chuang)新(xin)精神的(de)(de)(de)企業和(he)個體不斷地推(tui)動(dong)(dong)，為自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)帶來繁(fan)榮和(he)創(chuang)新(xin)。大公司也會(hui)積極參(can)與(yu)開(kai)放(fang)自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)的(de)(de)(de)潮流中來，開(kai)放(fang)使自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)市場的(de)(de)(de)蛋(dan)糕更大了。也會(hui)為它們帶來新(xin)的(de)(de)(de)發展(zhan)機(ji)會(hui)。例如施(shi)耐德公司最近就發布了基于(yu)IEC61499的(de)(de)(de)EcoStruxure™ Automation Expert （EAE），融入了他們早先收購的(de)(de)(de)nxtControl公司的(de)(de)(de)技術。

推動開放自動化(hua)發展的另一個重要力量(liang)將是開源(yuan)項目，它們會(hui)起(qi)到鯰魚效應。給這(zhe)整個市場帶來活力。要不然，開放自動化(hua)會(hui)被人玩壞來了。人們的擔心并不是空穴來風(feng)。歷史上(shang)有過這(zhe)樣的事情發生。