鼎故革新，工业自动化开放之路在何方？

在大批量生产时代，老福特曾有句名言：“无论客户需要什么颜色，我都给他黑色。”

时过境迁，这种保证最低生产成本的做法早已过时，消费者开始在多元价值间取舍权衡，令企业决策者选择困难的，也不只是颜色，还有众多不同维度。

在消费者对个性化生产需要日益强烈的需求面前，企业需要更实时准确的安排生产与管理工厂，以提高生产效率，同时更高效地应对市场变化。

如何让工厂更智能化并释放全部潜能？两年前的工博会，施耐德电气将一条糖果生产线带到了现场，吸引了无数参展观众驻足体验，通过微信页面定制满足个性化需求的糖果包装、口味后，糖果生产线即可自动下单、生产、入库，生产过程数据全程追踪追溯。

2020年工博会，施耐德电气又将一座微缩型“饮料工厂”搬到了现场，只需要用手机扫码，体验者就能快速获得自己定制口味的饮料。“饮料工厂”可以实现灵活排产、订单管理、定制化生产、配方管理，让工厂的动态全方位可视化，大大提升了工厂的运营效率。

一个个生动有趣的案例告诉我们，构建智能工厂，必须打破技术壁垒，让各种复杂的工业自动化设备之间能够交互、兼容、协同，并快速建立高效的运营管理体系来满足定制化生产需求，同时还满足工艺控制的高精度要求。

智能制造时代生产模式变革

企业必须将过去那种以大批量生产、层层压货分销为主的生产制造模式，转变为以客户为中心、市场订单需求拉动为主的生产制造模式。

以某工程机械行业企业工厂为例，该工厂生产的产品主要分为履带式和车轮式机型，其中履带式生产机型有94种，包含20种液压挖掘机和74种推土机，车轮式生产机型有52种，企业必须要在有限的空间内满足所有定制化生产的需求。

如果采用传统生产方式，现场的管理难度可想而知。当产品换型生产时，生产车间的管理人员需要向制造执行系统MES发出启动指令，然后由MES向机器设备更新工艺流程数据，最后操作员在机器设备上做针对新产品的相应改动，更换流程复杂而低效，耗费巨大且不说，人为干预还容易出现错误。

如今，传统生产体系必须向未来智能工厂模式转变，具备互操作性、分散化、模块化、实时性、面向服务等方面特点，从而灵活适应外部市场的需求。

某工程机械行业企业工厂生产现场

智能制造转型核心就是要通过分布式智能来实现系统之间的自主交互、自主决策，从而避免人工干预。这也使得生产系统开始走向复杂化，以离散制造业为例，生产系统开始由不同的制造模块混搭在一起，除了有各类智能装备如加工中心、激光切割、焊接等，以及物流搬运设备如工业机器人，AGV，吊挂系统以外，还有智能检测设备如机器视觉检测系统等。

每个制造模块中都有各种不同类型的控制器，形成了一张庞大的异构智能分布式网络。

在这张网下，如何实现制造模块之间的互联互通成了迫在眉睫的问题。目前企业更多的是采用总线技术来实现自动化设备的互联，只解决基本的数据采集和协调问题。然而这并不能满足需求，在智能化的生产制造系统下，必须保障人、机和产品之间的无缝连接，使制造信息流、管理信息流及研发和客户信息流可以在控制系统中进行通讯和交换。

简而言之，信息传输要求必须从自动化控制任务延伸到管理系统，使生产在新的网络架构下充分利用信息的作用，提升其效率，响应更为灵活的生产需求，为定制化生产提供支撑。

智能制造革新之路，工业自动化何以走向“开放”？

因此，企业需要更加开放的互联能力，尤其是在工业自动化领域。可现实状况是大多数领先的自动化系统供应商各自为政，各类封闭的专有自动化平台对效率形成一定障碍，不利于多元化自动化系统集成，而且升级和维护成本高昂。工业领域也因一直缺乏适应性、模块化和互操作性而备受困扰，同时这些问题也阻碍了行业的创新。

以PLC/DCS最初应用为锚点，自1970年DCS和PLC相继进入自动化领域之后，处于ISA95模型L1和L2层的自动化硬件和软件结构一直没有变动，二者一直牢牢地绑定在一起。

迄今为止，自动化市场也一直围绕着“硬件+软件”的捆绑模式在演进，中毒太深。使得用户始终无法真正深入软件环境来打破壁垒，只能通过供应商提供的组态工具与控制器进行有限的交互，以至于每一步改变都如同千金重担在身，异常乏力。

相比离散制造业的智能制造转型需求，在流程工业则面临更为复杂的现实问题，企业需要面对各个不同时代遗留下来的新老控制系统，以及成百上千的异构控制设备。

如果采用传统的集中控制方法，不同协议需要各种的协议转换设备，在系统集成过程中，软件“硬化”现象严重。另外，对于那些老旧设备，许多在役的控制系统其构成的硬件和软件由于专用、封闭，维护和升级的成本昂贵，一旦涉及到相互集成，则必然耗资不菲。

这不但增加了企业成本，还使系统集成变得异常复杂，中心控制程序也因此变得庞大冗杂，使系统研发，维护和更新效率低下，流程工业企业要想开发一个稳定运行的系统难于上青天。先进的IT技术应用面临“针插不入,水泼不进”的尴尬局面。

PLC open中国组织名誉主席、中国智能制造综合标准化工作组专家彭瑜就直言，现今流程工业自动化控制系统DCS最大的问题在于其封闭和专用的特性。在IT技术飞跃发展的今天，这种封闭性和专用性，极大地阻碍了DCS的升级迁移，以及OT与IT深入高效的融合。

随着设备的老旧以及生产复杂性的提升，IT技术的飞跃发展，打破软件跟硬件的捆绑，使企业能够灵活构架和升级自动化系统，正是离散与流程型工业企业双方最终用户都迫切需要解决的难题。

尤其在目前IT技术快速深入地渗透和融合到企业运营管理方方面面的形势下，不禁让人们开始思考，如何免于过去自动化厂家大家构筑的非常坚实的护城河，通过一些硬件或者自己定义的一些所谓的各种通讯协议，使自身面临很多在不同的产品，不同的机器设备，不同的工艺段之间形成更好的统一？

怎样才能将迅猛发展的人工智能，移动互联网，云计算，大数据技术真正地融合到OT领域从而使得控制系统数字化、网络化和智能化成为可能？

可以肯定的是，要想真正做到IT与OT融合，首要目标就是填平这道护城河，彻底自我革新，融入到一个开放的自动化生态环境中。彭瑜教授指出，建立全开放、互操作的自动化系统才是工业自动化的出路。

不难看出，进入智能制造时代，作为制造业的灵魂，工业自动化必然会发生跨越性变化，这个行业需要逐步开始从封闭走向开放，而导致这一趋势的根本原因正是来自于市场的需求。

解药？可执行系统级开放建模语言IEC61499

开放自动化的内涵就是自动化行业的标准化与开放式的资源分享，通过各项标准的制定来为工业自动化提供商创造良好的兼容性与合作，同时也为制造企业带来更多灵活性与成本优势。遵循通用型、开放式标准对于确保多厂商互操作性以及在从制造、生产到最终客户的整个供应链中实现无缝衔接至关重要。

以解决PLC系统的兼容性问题为例，国际电工委员会IEC早在1993年即发布了IEC 61131-3标准，致力于PLC标准化工作。

尽管从发布至今历经十多年的努力，61131-3标准一直在不断的得到论证和规范，也获得了全世界工业界的广泛认可和接受，但在智能制造时代，面对制造企业所搭建的庞大的异构分布式智能制造网络和分散的数字控制系统时，只是针对单个设备程序的IEC 61131-3标准显然已经开始有些力不从心。

于是作为IEC61131-3的补充和扩展，IEC于2005年又首先发布了面向分布式控制系统的标准IEC61499，但是由于当时的技术条件所限，这项标准并没有获得工业界的广泛接受，即使是在学术界做了大量的研究和开发，发表了数量不菲的论文和专著，情况也没有大的改观，壁垒依旧没有被打破。

IEC 61499标准为工业运营提供敏捷性与韧性

自2016年以来，工业界对于全开放控制系统的呼吁和诉求就开始日益强烈。IT界已经从开放式操作平台中获得了诸多益处，现在工业界也终于开始意识到了开放的重要性。

虽然传统工业自动化架构促使工业界发展到了当今的水平，但是它们无法提供对当代工业运营而言至关重要的敏捷性和韧性。为了助力制造业充分实现工业4.0的愿景，工业自动化提供商需要重新设想技术模型，将平台开放，将软件与硬件解耦，并从根本上提高系统的敏捷性和可扩展性。

如今，随着技术的进步，走过15年风雨历程的IEC 61499标准借助智能制造、工业互联网这股热潮逐渐登上了热搜，重新焕发了朝气。它不仅很好的解决了不同厂商设备间的可移植性、可配置性和互操作性问题，同时还解决了软件和硬件独立性的问题。

制造业革新之路，解决自动化开放性问题，IEC61499标准无疑是一个好的选择。

上海交大戴文斌老师指出，现有的IEC61131-3以单个设备为顶层软件模型，自动化软件移植到分布式边缘计算下需要大量的手动修改。而IEC 61499标准是一种基于事件触发功能块的可执行系统级建模语言，提供了逻辑代码标准化封装方法。

IEC 61499定义了一种特定领域的建模语言，用于开发分布式工业控制解决方案，通过调整和结合基于扫描和基于事件的机制，这项标准可以使自动化系统轻松应用IT领域的最新技术实践，实现“软件驱动自动化”，与企业相关业务运营系统进行交互，为企业推进智能制造转型提供了必需的基础结构支撑。

IEC 61499功能块复用性特性（来源：上海交大戴文斌老师演讲）

彭瑜教授也肯定了IEC 61499标准对于工业自动化走向开放的重要性。他指出，过去的IEC61131-3是基于时间扫描的过程，而现代的软件工程需要的是以事件驱动的过程，IEC61499非常重要的一点是完全可以将时间扫描机制和事件驱动机制完全调配结合起来，使先进的IT技术与工业控制的技术可以相互结合。

彭瑜教授还强调，现在IEC61499正进入一个关键的发展时期，可以为智能制造工程提供足够的灵活性和敏捷性。

IEC 61499标准改变了多年来控制硬件与软件一直紧紧捆绑在一起的状态。过去当软件升级时，相应的部分或者全部硬件也不得不更换，而运用IEC 61499的机理后，系统的所有功能（包括控制、信息处理、通信和过程接口）现在都有可能不再依赖于特定的硬件和操作系统，从而使软件与硬件解耦。当控制系统需要升级的时候，软件和硬件的成本很低，而效率却很高。

同时，通过适当地调配和组合基于时间扫描的机制和基于事件的机制，可以方便地使自动化系统采用来自IT领域的最佳实践，易于与企业的管理系统接口。现在，为了让传统的PLC和DCS系统继续在开放自动化系统中发挥作用，很多企业还在开发与IEC61499兼容的包装软件（wrapper）。

在此背景下，复杂的流程行业如何借助这股东风来打造开放的自动化系统？2016年在美国，常年遭此困扰的埃克森美孚开始倡导面向流程工业控制技术的标准化活动，即开放流程自动化论坛（OPAF），由最终用户倡议并积极组织开展针对流程工业的下一代开放自动化系统OPA的标准化活动。其中开放流程自动化OPA有四个关键概念：互操作性、互换性、组态的移植性、应用程序的移植性。

埃克森美孚在洛马的配合下通过一个奇特的组合建立了一个系统集成实验室，共有10家公司，包括ABB，ANSYS，AspenTech，Inductive Automation，Intel，nxtControl（施耐德电气并购），R Stahl，RTI，Schneider Electric和WindRiver等提供了供集成的软件、硬件等部件。

目标就是探索关键技术的可行性。利用现有的标准（OPC UA、DDS、IEC 61499等），实验室采用树莓派的部件，然后集成各公司提供的工业用部件，而各种功能则分布在不同的部件中。

OPA验证关键概念的实验结果（来源：彭瑜教授演讲）

这个实验也从某种程度上呼应了开放流程自动化系统OPA的四个关键概念，最终用户可以自由选择一家公司的产品并通过较低的成本，高效地匹配到系统中去，从而实现自身需要的功能，而这一切都得益于基于IEC 61499的软件工具已臻于成熟。

工业领域的研究机构ARC Advisory Group对OPA的前景也持有相当乐观的态度。ARC分析师认为，开放是一个必然趋势，OPA整合了工业控制领域的各种开放力量，这种整合代表了新技术从独立摸索走向商业化融合落地阶段的转变。

除了复杂的流程工业在不断探索之外，如何利用开放的自动化支撑离散制造业迫切需要的智能制造转型也是一大热门研究领域。2016年意大利米兰，在欧洲地平线2020计划支持下，发起了面向中小型制造业Daedalus项目，积极开拓和尝试将分布式智能控制系统用于离散制造业。

正如Daedalus所寓意的是希腊神话著名的工匠和建造大师，善于使用各种工艺技巧，无所不能的创造一样。其目的也是通过基于IEC 61499标准达到工业4.0要求的生产系统中各种管控环节实现纵向集成、横向集成和端对端的集成，这正是企业实现智能制造工程所迫切需要的。

这两个项目可以说在未来开放自动化的方向上形成了互补的局面，虽各有侧重和所长，但都重视基于IEC61499标准，为流程与离散制造工业企业探明了未来方向。

对于开放的工业自动化未来，彭瑜教授也给出了信心十足的判断：“从现在起到未来的5至10年间工业自动化格局一定会发生大的变化，其中绝不能低估IEC61499的潜在巨大影响。“同时他还对IEC61499在国内快速普及拓展商业化应用给予厚望，他指出：”考虑到相当大部分国外的公司还处在观望或刚起步的阶段，这对于国产自动化工程软件应该是一个难得的机遇，期待国内公司抓住机遇，用IEC 61499的标准为指导，用先进的IT软件技术来实现自动化软件的时代跨越。

施耐德电气推出EcoStruxure开放自动化平台，开启“软件驱动自动化”时代

值得注意的是，施耐德电气于近期正式推出了全球领先的以软件为中心的EcoStruxure开放自动化平台（EcoStruxure™ Automation Expert），这是创新的一款基于IEC61499标准的开放自动化产品。同时也在不断呼吁整个行业的工业用户、厂商、原始设备制造商、系统集成商和总包商（EPC）来拥抱开放自动化。

EcoStruxture开放自动化平台，以软件为中心的全新自动化系统

如今，工业自动化领域应该举行业之力充分采用在代码和功能块上具有可移植性的开放式实现技术，从而形成更紧密的联系。相信未来会有更多针对开放自动化的行业深化应用案例呈现在我们眼前。 

后记

革新之路千万条，革新之路惟艰辛，如何才能拨开迷雾找到那座通达彼岸的桥？可以预见的是，制造业中普遍存在的异构难题终将会被解决，工业自动化走向开放是无法阻挡的必然趋势。只有这样才能真正实现IT与OT的深度融合，工业4.0、智能制造、工业互联网等概念才不会成为纸上谈兵，梦想成真的一刻终将会来临。