開放自動化成為未來自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，同時它也成為一個口號，頻繁出現(xiàn)在各大自動控制廠商的宣傳文案中。那么，開放自動化到底指的是什么？什么樣的系統(tǒng)才是一個理想的開放自動化系統(tǒng)？筆者談?wù)勛约旱目捶ā?/span>

何為開放系統(tǒng)？

我們首先來看看什么是開放性系統(tǒng)？目前還沒有必要去給它一個確切的定義，筆者認為一個徹底的開放性系統(tǒng)應(yīng)該具有下面幾個特征：

連接任何事物（Connect to anything）

不同廠商的軟件，硬件都能夠方便的接入開放性系統(tǒng).顯然，目前最好的開放性系統(tǒng)就是互聯(lián)網(wǎng)。幾乎快實現(xiàn)萬物互聯(lián)的理想目標了。要知道，計算機網(wǎng)絡(luò)并不是一開始就采用開發(fā)性協(xié)議的，以前各大公司的計算機網(wǎng)絡(luò)都是個搞一套，比如IBM 公司的SNA 網(wǎng)絡(luò)，DEC 公司的DECNET ，都是當時十分流行的計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。它們之間難以互聯(lián)互通。后來美國建設(shè)DARPA 網(wǎng)絡(luò)過程中，設(shè)計了簡單的TCP/IP 協(xié)議。逐步使計算機網(wǎng)路成為互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在這個樣子。而ISO 標準化委員會著名的OSI 七層模型就稱之為“開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型”。

現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)大多數(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。在網(wǎng)絡(luò)中接入了大量的傳感器，PLC，計算機，人機交互屏幕等設(shè)備和軟件。一個開放自動化系統(tǒng)，首先要做到不同廠商的設(shè)備能夠互聯(lián)互通。自動化領(lǐng)域已經(jīng)開放了各種現(xiàn)場總線，比如大家耳熟能詳?shù)?a href="http://www.surachana.com/p/bus/" target="_blank" title="現(xiàn)場總線" rel="nofollow">現(xiàn)場總線有modbus，fieldbus，CANOpen，EtherCAT等等。

目前，不同廠商的設(shè)備之間互聯(lián)還比較困難，有時需要各種各樣奇奇怪怪的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。

要實現(xiàn)設(shè)備真正意義上的互聯(lián)互通，僅僅依靠協(xié)議是不夠的，還需要語義的標準化。只有互相采用熟悉的語義，溝通才能進行。語義標準化的難度和工作量更大。在自動化工程的具體實踐中，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)；世界上最長的距離是兩個帶有Ethernet接口的設(shè)備卻無法交換數(shù)據(jù)。

設(shè)備無法互聯(lián)互通的另一個后果是協(xié)議和軟件系統(tǒng)成為了國際大廠市場的護城河。其它中小型企業(yè)的創(chuàng)新產(chǎn)品無法接入以國際大廠自動控制系統(tǒng)為主的自動化系統(tǒng)中。這也是我們自動化領(lǐng)域國產(chǎn)化產(chǎn)品水平不高的一個主要原因。

任何數(shù)據(jù)可以被訪問（access any data）

系統(tǒng)中的大多數(shù)數(shù)據(jù)可以通過標準化的協(xié)議和信息模型被外部系統(tǒng)訪問。標準化的協(xié)議和信息模型可能包括OPC UA ，MQTT等等。

AI和大數(shù)據(jù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用將會在未來越來越普及。目前大數(shù)據(jù)公司面臨的最大困惑是，工業(yè)大數(shù)據(jù)被傳統(tǒng)封閉的自動化系統(tǒng)困死在信息孤島中，業(yè)主不敢動，系統(tǒng)集成公司不愿意開放給第三方，大數(shù)據(jù)公司難以獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)面臨著沒有數(shù)據(jù)的尷尬局面。大多數(shù)工業(yè)云平臺還只是停留在PLC+網(wǎng)關(guān)的方式獲取數(shù)據(jù)，或者與控制系統(tǒng)建立并行的數(shù)據(jù)采集終端。

理想的開放自動化系統(tǒng)因該在保證系統(tǒng)安全的前提下，向第三方提供各種數(shù)據(jù)。是大數(shù)據(jù)分析，AI訓練，數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠獲取足夠的數(shù)據(jù)。

在任何地方運行（Running on anywhere）

軟件在自動控制系統(tǒng)中的作用越來越大，開發(fā)自動控制系統(tǒng)的軟件的效率至關(guān)重要。不過到目前為止，自動控制領(lǐng)域基本上和早期的計算機行業(yè)類似，軟件嚴重地依賴所運行的設(shè)備。不同廠商的PLC 采樣不同的編程工具軟件，開發(fā)的程序基本上無法在其它PLC 廠商的產(chǎn)品上運行。軟件的重用性極低，更換廠商的學習曲線陡峭。

一個開放自動化系統(tǒng)，應(yīng)該實現(xiàn)“一次編程，任何地方運行” 的理想。IEC61131-3 /IEC61499 標準都在努力地實現(xiàn)PLC 編程語言的標準化，加上Soft PC 技術(shù)，部分實現(xiàn)軟件的可移植性，可重用性的目標。

任何東西都可以被替換（Anything can be replaced）

一個大型的工業(yè)自動化系統(tǒng)往往要運行十幾年，甚至幾十年。對于一個封閉式系統(tǒng)而言，設(shè)備的維修，升級和替換就是一個很大的問題，比如在太陽能行業(yè)，硅片切割設(shè)備上千萬元一臺，設(shè)備早過了保修期，甚至當年開發(fā)這個設(shè)備的工程師都已經(jīng)退休了。內(nèi)部控制器還是Intel 的386 CPU，國內(nèi)維修人員也難以找到配件，目前只能拆東墻補西墻。

如果是一個開放自動化系統(tǒng)，我們完全可以使用現(xiàn)在的控制平臺替代老舊的控制器，延長設(shè)備的使用壽命。

一個理想的開放自動化系統(tǒng)，應(yīng)該能夠?qū)⑴f設(shè)備上的應(yīng)用程序移植到新的設(shè)備上，軟件資產(chǎn)的生命周期和硬件控制器的生命周期分離。既可以獨立地更新軟件，也可以獨立地更新硬件。

共同參與開發(fā)（Development By everyone）

一個開放的系統(tǒng)其實是一個生態(tài)系統(tǒng)，能夠由許多人參與其中，他們可能是重要的自動化廠商，也可以是系統(tǒng)集成商，用戶和第三方增值開發(fā)商。眾人添柴火焰高，社會化開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)才富有活力。

在傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)中所有的PLC 功能塊庫，SCADA 組件幾乎都是由公司自己開發(fā)的。第三方難以涉足其中，而用戶幾乎只有組態(tài)的權(quán)利。

而在一個理想的開發(fā)自動化生態(tài)中，開發(fā)工具，運行時等技術(shù)也許是核心廠商開發(fā)的。但是其它的開發(fā)廠商能夠參與開發(fā)功能塊庫，應(yīng)用程序。他們可以采樣類似手機App 市場那樣推廣，并獲得應(yīng)有的商業(yè)利益。富有創(chuàng)新的技術(shù)能夠迅速地導入。

如何構(gòu)建開放自動化系統(tǒng)？

如何構(gòu)建開放自動化的生態(tài)系統(tǒng)？筆者認為至少要在下面幾個方面做出努力。

開放通信協(xié)議和信息模型

基礎(chǔ)物理通信技術(shù)：以太網(wǎng)，TSN 以太網(wǎng)，CAN，5G 等技術(shù)將成為開放自動化的主流通信方式。其上的通信協(xié)議包括TCP/IP，HTTP，modbusTCP，websocket ，MQTT 等等。

信息模型主要解決語義的問題。為了使系統(tǒng)中的個部分能夠充分地互聯(lián)，實現(xiàn)所謂的“插入即生產(chǎn)” 等工業(yè)數(shù)字化目標，各種資產(chǎn)的數(shù)字化信息模型的標準化和工業(yè)界達成廣泛共識就非常重要。目前OPC UA 主要的一種信息模型。

采用統(tǒng)一的信息模型姑且重要，而為自動控制領(lǐng)域的各種資產(chǎn)建立數(shù)字化信息模型更為重要。要對成千上萬的傳感器，設(shè)備建模。這是一個巨量的工程，而且需要業(yè)界達成共識。

作為一個開放自動化系統(tǒng)，需要能夠為建立信息模型提供有效工具。

標準化的設(shè)計語言及其運行環(huán)境

開放自動化系統(tǒng)普遍采用標準化的編程語言，比如目前流行的IEC61131-3 PLC 語言和未來的IEC61499 功能塊。然而，僅僅采納了標準化語言還是不夠的。我們知道，無論是IEC61131-3的梯形圖，ST和功能塊，還是IEC61499 的功能塊應(yīng)用。它們都還只是“高級語言”，最終需要轉(zhuǎn)變成為“機器代碼”或者“中間代碼”， 最終下載到PLC 中的運行，它們或者是特殊CPU 的機器代碼，或者是廠商自定義的中間代碼。這些技術(shù)都是嚴重依賴廠商的。而標準沒有對“機器代碼”或者“中間代碼”，的格式提出格式規(guī)范。這導致了PLC 程序無法直接在不同廠商硬件上運行。開放自動化系統(tǒng)將公開目標代碼的格式，并且采樣類似XML 這樣的語言來描述。

PLC 的程序下載，更新，運行監(jiān)控稱為管理協(xié)議，它們同樣需要標準化和開放協(xié)議。這樣才可能實現(xiàn)“一次編程，到處運行“的夢想。

另一個十分重要的方面，就是要規(guī)范和開放功能塊庫的開發(fā)技術(shù)。 對于IEC61499 而言，用戶可以使用ST語言，來構(gòu)建基本功能塊和復合功能塊。有些開發(fā)工具可以使用Lua，java 來編寫功能塊庫。如果要開發(fā)涉及通信，硬件的服務(wù)功能塊，使用C++更加合適。開發(fā)環(huán)境如何向用戶開放運行時的功能塊接口，使用戶，第三方開發(fā)者開放功能塊庫對于構(gòu)建開放自動化生態(tài)同樣十分重要。只有豐富的功能塊庫出現(xiàn)，才會帶來開發(fā)自動化的繁榮。功能塊庫對于開放自動化而言，就相當于App 和智能手機的關(guān)系。

軟硬件解耦

人們會問，為什么許多公司都聲稱采用IEC61131-3 標準，但是它們的軟件為什么仍然沒有辦法相互兼容呢？這主要由于像PLC 這樣的控制設(shè)備的程序是嚴重依賴硬件的。盡管控制語言和信息模型標準化了。但是大量與硬件有關(guān)的程序庫，功能塊是廠商依賴型的。

理想的開放自動化系統(tǒng)，應(yīng)該允許開放第三方硬件以及相關(guān)的功能塊庫。

與IT技術(shù)充分融合

TCP/UDP，MQTT，HTTPS，Web API等IT 領(lǐng)域的通信協(xié)議成為開放自動化系統(tǒng)的接口。  這些都是IT領(lǐng)域常用的通信協(xié)議

IT領(lǐng)域和自動控制OT技術(shù)的界線越來越模糊，自動化會不斷地導入IT 領(lǐng)域的新技術(shù)，比如AI，大數(shù)據(jù)，時間序列數(shù)據(jù)庫，云平臺，容器技術(shù)等等。一個好的開放自動化系統(tǒng)將促進IT和OT 技術(shù)的相互融合。

跨平臺HMI

長期以來，自動控制領(lǐng)域的人機交互接口設(shè)備大多數(shù)是基于Windows OS 實現(xiàn)。而且HMI 的接口協(xié)議和信息模型各不相同。許多HMI 使用C# 或者C++ 實現(xiàn)。近年來也有基于Linux/ QT ，android 或者 NodeJS 。UI設(shè)計采樣HTML5/CSS/JavaScript 這樣的跨平臺，開放性技術(shù)。

理想的開放自動化的HMI 應(yīng)該是跨平臺的，HMI可以允許運行在基于windows，Linux，android 工業(yè)屏上，也能夠運行在Web ，手機和平板電腦上。實現(xiàn)多屏融合。要實現(xiàn)這一點，使用HTML5/CSS/JavaScript 可能更加合適。

開放自動化系統(tǒng)會成功么？

也有人擔心，開放自動化時代是否真的會到來，畢竟它動了某些大佬們的“奶酪“，原來自動化領(lǐng)域的大公司可能會失去一部分原有的優(yōu)勢。對于這一點，我還是比較樂觀的。開放自動化會被一批富有情懷和創(chuàng)新精神的企業(yè)和個體不斷地推動，為自動化帶來繁榮和創(chuàng)新。大公司也會積極參與開放自動化的潮流中來，開放使自動化市場的蛋糕更大了。也會為它們帶來新的發(fā)展機會。 例如施耐德公司最近就發(fā)布了基于IEC61499 的 EcoStruxure? Automation Expert （EAE），融入了他們早先收購的nxtControl 公司的技術(shù)。

推動開放自動化發(fā)展的另一個重要力量將是開源項目，它們會起到鯰魚效應(yīng)。給這整個市場帶來活力。要不然，開放自動化會被人玩壞來了。人們的擔心并不是空穴來風。歷史上有過這樣的事情發(fā)生。