工業(yè)自動(dòng)化編程語(yǔ)言演變的方向

工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)所采用的編程語(yǔ)言不可能一成不變，總是環(huán)繞著服務(wù)對(duì)象的需求和應(yīng)用場(chǎng)景的變化在演進(jìn)。從上世紀(jì)的90年代至今，IEC61131-3作為PLC、DCS和軟PLC事實(shí)上的國(guó)際工控編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，已是不爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)；IEC61499作為IEC61131-3的重要補(bǔ)充，尤其是作為分布式控制系統(tǒng)的建模語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，正在緊鑼密鼓地進(jìn)入工控領(lǐng)域。不過(guò)面對(duì)智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迫切需求，以及IT/OT融合、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)方法的深入落地，采用什么編程語(yǔ)言這一話題的討論，近兩年來(lái)在海外尤其北美自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站和雜志中屢見(jiàn)不鮮。歸結(jié)起來(lái)核心的兩個(gè)問(wèn)題是：（1）IT領(lǐng)域的編程語(yǔ)言和OT領(lǐng)域的編程語(yǔ)言在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中如何體現(xiàn)融合；（2）IT領(lǐng)域的編程語(yǔ)言是否可能替代OT領(lǐng)域的編程語(yǔ)言。

問(wèn)題從何而來(lái)？

我們先看問(wèn)題是怎么提出的：（1）最近在美國(guó)的一次技術(shù)會(huì)議上，ISA下屬網(wǎng)站的資深編輯與ArlenNipper（CirrusLinkSolutions的首席技術(shù)官和MQTT的共同發(fā)明者）交談時(shí)，問(wèn)及自動(dòng)控制中編程語(yǔ)言的演變，請(qǐng)他對(duì)自動(dòng)化和控制工程師目前使用的編程語(yǔ)言進(jìn)行排序。他指出Python、Java和C系列語(yǔ)言（C、C++和C#）是前三名。但他又澄清說(shuō)，它們的流行并不以任何方式排斥其他編程語(yǔ)言。由于語(yǔ)法相似，Python和Java被認(rèn)為是C語(yǔ)言家族的一部分，?C語(yǔ)言家族還包括Julia、Perl和許多其他語(yǔ)言。（2）DarrellHalterman在去年6月的《InTech》雜志上發(fā)表了一篇題為《面向邊緣的未來(lái)控制編程》的文章，指出：盡管可編程自動(dòng)化控制器(PAC）的專(zhuān)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS存在一些限制，不過(guò)也開(kāi)始承擔(dān)了與邊緣相關(guān)的任務(wù)。在許多情況下，用戶(hù)有必要?jiǎng)?chuàng)建復(fù)雜的算法，諸如機(jī)器學(xué)習(xí)策略等，使用現(xiàn)代IT類(lèi)型的語(yǔ)言如C++和Python在PC機(jī)或工業(yè)PC機(jī)上運(yùn)行，與PAC一起工作。用戶(hù)應(yīng)該盡可能尋找包含開(kāi)放編程、軟件和通信標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品組合。對(duì)于邊緣控制器需要它們可以使用C/C++、Python和其他適用于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等應(yīng)用的現(xiàn)代語(yǔ)言。（3）在2022年10月美國(guó)《機(jī)器人和自動(dòng)化新聞》網(wǎng)站刊出一篇題為《最流行的自動(dòng)化編程語(yǔ)言》的文章。根據(jù)去年進(jìn)行的調(diào)查，Python是開(kāi)發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)最受歡迎的語(yǔ)言。它的主要優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)源和自由，其高可讀性使得它相對(duì)容易上手。作者強(qiáng)烈鼓勵(lì)任何新企業(yè)使用Python作為其主要編程語(yǔ)言。文章中還提到了JavaScript、Java和C#在自動(dòng)化和企業(yè)環(huán)境中也是很流行的編程語(yǔ)言。

（4）Python的領(lǐng)先地位在IEEESpectrum最近發(fā)布的第十屆年度頂級(jí)編程語(yǔ)言排名中進(jìn)一步得到印證。今年P(guān)ython不僅在其排名中保持第一，而且還擴(kuò)大了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。Python日益增長(zhǎng)的主導(dǎo)地位似乎主要是以犧牲更小、更專(zhuān)業(yè)的語(yǔ)言為代價(jià)的。它已經(jīng)成為一門(mén)萬(wàn)能的語(yǔ)言，甚至是某些領(lǐng)域（比如人工智能）中的語(yǔ)言大師，強(qiáng)大而廣泛的AI庫(kù)使它無(wú)處不在。

IEC61131-3/IEC61499處于何種境地？2019年P(guān)LCopen國(guó)際組織和美國(guó)網(wǎng)站聯(lián)合進(jìn)行了PLC用戶(hù)編程偏好的調(diào)查。總數(shù)為200個(gè)響應(yīng)者絕大部分來(lái)自北美和歐洲。調(diào)查的結(jié)果反映了PLC編程的趨勢(shì)，以及用戶(hù)對(duì)PLC編程軟件供應(yīng)商的一些想法和意見(jiàn)。用戶(hù)喜歡用哪些編程語(yǔ)言的調(diào)查結(jié)果是：用得最多的是結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言，其次是梯形圖，再次是功能塊圖，第四是順序功能圖，其它編程語(yǔ)言位居最后，在其它編程語(yǔ)言中用的最多的是C/C++語(yǔ)言。從用戶(hù)這些語(yǔ)言偏好可以得出以下結(jié)論：（1）各種編程語(yǔ)言運(yùn)用的差距并不大，沒(méi)有特別多的，即使居第一的結(jié)構(gòu)化文本也不過(guò)比居于第五的其它語(yǔ)言多的有限。（2）明顯可見(jiàn)，用戶(hù)對(duì)于面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言如結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言和C/C++語(yǔ)言更為青睞。這反映了在智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言更能滿(mǎn)足用戶(hù)編程的需求。（3）許多PLC的編程環(huán)境支持用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)功能塊。從2019年到2023年，在這不算太長(zhǎng)的四年中，自動(dòng)化和控制的編程語(yǔ)言卻有了明顯的變化，這反映出開(kāi)放的、可互操作的編程標(biāo)準(zhǔn)正在OT中興起，這些標(biāo)準(zhǔn)試圖取代與特定工業(yè)硬件綁定的專(zhuān)有編程語(yǔ)言。在網(wǎng)站中曾經(jīng)刊登過(guò)一篇文章《缺失的工業(yè)4.0/數(shù)字化鏈接——開(kāi)放編程標(biāo)準(zhǔn)一致性與認(rèn)證》中，作者BillLydon寫(xiě)道：“IEC61131-3的基本原理已被世界各地的自動(dòng)化供應(yīng)商廣泛采用。IEC61131-3由PLCopen組織支持，通過(guò)特殊興趣小組、標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證包括運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械安全、OPCUA、XML數(shù)據(jù)交換和可重用性。由于IEC61131可實(shí)現(xiàn)完整的任務(wù)結(jié)構(gòu)，事件驅(qū)動(dòng)和循環(huán)編程都可以完成?！蔽恼逻€指出，無(wú)論采用何種編程方法，“制造商和過(guò)程生產(chǎn)公司必須數(shù)字化，否則他們將與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手形成戰(zhàn)略差距，使他們陷于巨大的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)中?！睂?shí)現(xiàn)數(shù)字化首先需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的公益組織以開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的形式來(lái)利用工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的概念、技術(shù)和架構(gòu)，供應(yīng)商對(duì)開(kāi)放互操作編程標(biāo)準(zhǔn)的遵從和認(rèn)證將加速制造行業(yè)的數(shù)字化?？墒怯捎谌狈?duì)IEC61131-3這樣的工業(yè)自動(dòng)化編程標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)一致性認(rèn)證，從而導(dǎo)致工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)留下市場(chǎng)空白，“這塊空白很有可能會(huì)被外部搶占先機(jī)“。這是否意味著以IT為中心的語(yǔ)言（如Python）就是來(lái)自工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的外部？在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的人們也擔(dān)心這些IT式的解決方案永遠(yuǎn)無(wú)法在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮提綱挈領(lǐng)的作用，因?yàn)樵谶@一重要關(guān)頭，需要的不僅僅是某種能夠表達(dá)人工智能和深度學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)明扼要的編程語(yǔ)言，而是一種沿襲工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域數(shù)十年積累的底層邏輯和行業(yè)共同遵循的規(guī)約習(xí)慣，并能夠進(jìn)行系統(tǒng)建模和按需自動(dòng)構(gòu)造應(yīng)用的編程語(yǔ)言體系。在這個(gè)意義上，IT和OT系統(tǒng)的融合意味著不再有所謂的派別。從梯形邏輯到Python，以及IEC61131-3以及IEC61499等其他版本的演變，只是說(shuō)明了行業(yè)的發(fā)展需求和發(fā)展方向。只有將面向PLC、DCS、SCADA的工控編程語(yǔ)言和基于PC的IT類(lèi)型語(yǔ)言相互補(bǔ)充和融合，才能夠共同促進(jìn)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)編程語(yǔ)言的要求上海交大的教授在介紹新一代工業(yè)開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)的定義時(shí)是這樣展開(kāi)的：系統(tǒng)由開(kāi)放的硬件、開(kāi)放的軟件和開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成。開(kāi)放的硬件就是可采用任意設(shè)備，并任意部署。我理解任意設(shè)備就是在軟件與硬件徹底解耦的前提下，任意滿(mǎn)足應(yīng)用要求、具備一定算力的硬件都在選用之列。開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的確定性通信，設(shè)備可靈活介入，可用零配置方式進(jìn)行異構(gòu)，確保最長(zhǎng)延遲滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。開(kāi)放的軟件就是要實(shí)現(xiàn)按需自動(dòng)構(gòu)建應(yīng)用的目標(biāo)，具體地說(shuō)就是面向工藝的設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成代碼，動(dòng)態(tài)應(yīng)用遷移升級(jí)等。這里只討論開(kāi)放的軟件及其可采用的編程語(yǔ)言的問(wèn)題。開(kāi)放的軟件是在能應(yīng)對(duì)工藝變化而自動(dòng)生成代碼的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件。其軟件形態(tài)表現(xiàn)為面向工藝變化進(jìn)行生成式構(gòu)造，這有別于基于已知工藝的動(dòng)態(tài)構(gòu)造。開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)在其軟件的設(shè)計(jì)階段從可復(fù)用的模塊庫(kù)中選用模塊或自行開(kāi)發(fā)可復(fù)用的模塊，將這些模塊連接成適用于一類(lèi)工藝的工藝包，設(shè)置模塊參數(shù)后進(jìn)行實(shí)例化。軟件自動(dòng)構(gòu)造的本質(zhì)是將模塊化代碼按照架構(gòu)組織成應(yīng)用邏輯來(lái)提升軟件的復(fù)用性。為此需要使用一種建模語(yǔ)言來(lái)描述IT與OT融合的工藝流程，按照目前可以使用且已經(jīng)成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，采用IEC61499是一種合適的選擇，堪當(dāng)按需自動(dòng)構(gòu)造應(yīng)用的重任。開(kāi)放自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件呈現(xiàn)出高度的模塊化，其中包括數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)界面、機(jī)器視覺(jué)以及生產(chǎn)調(diào)度管理等功能塊（見(jiàn)圖1），不同功能塊的代碼可以采用最適合的常用于OT領(lǐng)域和IT領(lǐng)域的任意編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)（見(jiàn)圖2）。IEC61499由于具有抽象化的功能塊設(shè)計(jì)、軟件硬件解耦的結(jié)構(gòu)、事件觸發(fā)的機(jī)制等特點(diǎn)，作為一種統(tǒng)管系統(tǒng)的建模語(yǔ)言足可以協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)功能的執(zhí)行。圖1

IEC61499堪當(dāng)自動(dòng)構(gòu)造應(yīng)用的重責(zé)圖2

在IEC61499統(tǒng)管下運(yùn)用OT/IT領(lǐng)域中最合適的編程語(yǔ)言編寫(xiě)功能塊還有一種可選的技術(shù)路線是運(yùn)用OPCUA和IEC61131-3實(shí)現(xiàn)一套分布式的編程體系。用OPCUA的伙伴配套信息模型來(lái)描述工藝對(duì)象構(gòu)造工藝模型，用IEC61131-3的4種編程語(yǔ)言和C/C++來(lái)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)工藝控制的應(yīng)用邏輯和設(shè)備間的通信。已經(jīng)獲得成功應(yīng)用的例子就是PackML，一種為包裝工藝而開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。它完全可以無(wú)障礙地推廣到以順序控制為基礎(chǔ)的各種機(jī)械加工工藝的控制系統(tǒng)中，也在一定程度上符合開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)放硬件、開(kāi)放軟件和開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)的要求。相對(duì)于IEC61499來(lái)說(shuō)，這條技術(shù)路線更符合工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)建立而且多年來(lái)行之有效的方法論。

關(guān)于工業(yè)邊緣計(jì)算的編程語(yǔ)言討論工業(yè)邊緣計(jì)算設(shè)備的終極功能是感知和控制物理過(guò)程，運(yùn)行本地程序，并與工業(yè)控制器、工廠運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)、企業(yè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和云應(yīng)用程序通信。其主要價(jià)值是就近在實(shí)際生產(chǎn)的地點(diǎn)捕獲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，執(zhí)行包括數(shù)據(jù)分析等在內(nèi)的應(yīng)用程序，以極低的延遲實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，和以低成本通信的方式傳遞大量制造基礎(chǔ)信息。顯然，這個(gè)角色在分布式制造架構(gòu)中起著IT/OT融合的作用。為此加強(qiáng)和推進(jìn)工業(yè)邊緣計(jì)算的設(shè)施和能力首先要從工業(yè)邊緣計(jì)算的編程語(yǔ)言來(lái)考慮?？偟膩?lái)講，其編程語(yǔ)言和工具需要：

（1）確定性控制引擎必須支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)和C語(yǔ)言，這是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。（2）編程語(yǔ)言和工具靈活多樣，可以根據(jù)要求不同而變化，也就是不恪守單一的編程語(yǔ)言，而采用多樣化的編程標(biāo)準(zhǔn)，以及用戶(hù)定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型。包括使用C/C++、Python和其他適用于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等應(yīng)用程序的現(xiàn)代語(yǔ)言編程。（3）同樣，功能塊也可以采用多樣化的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，并可由用戶(hù)定義。（4）能夠運(yùn)行開(kāi)源應(yīng)用程序，如圖形化編程工具Node-RED和數(shù)據(jù)可視化工具Grafana，以及商業(yè)和定制應(yīng)用程序。工業(yè)邊緣控制系統(tǒng)應(yīng)該支持面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議（如OPCUA），以實(shí)現(xiàn)在確定性控制程序和分析/決策應(yīng)用程序之間無(wú)縫傳輸數(shù)據(jù)；支持以O(shè)T為中心的通信協(xié)議，即IEC1158所規(guī)范的通信協(xié)議，諸如Modbus、Profibus和Profinet等；還需要支持以IT為中心的通信協(xié)議，如MQTT和HTTPS。此外，邊緣控制器的通用計(jì)算部分采用基于Linux操作系統(tǒng)，便于邊緣控制器可以運(yùn)行各種各樣的非實(shí)時(shí)計(jì)算和分析應(yīng)用程序，還可以獨(dú)立于確定性控制部分啟動(dòng)和升級(jí)。Linux是輕量級(jí)的高性能OS，與其它操作系統(tǒng)平臺(tái)相比需要更少的CPU和RAM的資源。用戶(hù)還可以利用預(yù)裝的工業(yè)邊緣平臺(tái)軟件加載數(shù)字化轉(zhuǎn)型項(xiàng)目所需的應(yīng)用?？傊?，具有這些特性的邊緣控制器是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)確定性控制的同時(shí)充分利用現(xiàn)在和未來(lái)邊緣計(jì)算發(fā)展成果的最佳選擇。圖3是艾默生邊緣控制器ControlLogic的軟件框圖。圖3

艾默生邊緣控制器ControlLogic的軟件框圖

進(jìn)一步探討OT/IT的編程及其關(guān)系面向OT的編程是面向業(yè)務(wù)的編程，需要深入、系統(tǒng)地理解業(yè)務(wù)及其需求、特征、要求和約束。工業(yè)自動(dòng)化編程的核心和立足點(diǎn)是工業(yè)自動(dòng)化，其編程語(yǔ)言需要符合工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的理解和習(xí)慣。IT編程語(yǔ)言發(fā)展很快，語(yǔ)言繁多，且各有特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。由于工業(yè)自動(dòng)化仍然需在計(jì)算機(jī)底層硬件上運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)控制與目標(biāo)，所以除了需要首先考慮工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)及具體場(chǎng)景的要求與特點(diǎn)而外，仍然需要面向計(jì)算機(jī)及IT的編程語(yǔ)言為工業(yè)自動(dòng)化的業(yè)務(wù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支撐與發(fā)展。OT/工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)、領(lǐng)域及場(chǎng)景，有自動(dòng)化人的一整套的行業(yè)體系、架構(gòu)、要求（比如確定性、對(duì)延時(shí)的要求與約束等等都是由業(yè)務(wù)的性能所決定）、習(xí)慣以及行業(yè)語(yǔ)言，構(gòu)成了一種體系化的行業(yè)生態(tài)與配套工具及其實(shí)現(xiàn)機(jī)制，在這里IT中的編程語(yǔ)言、實(shí)現(xiàn)機(jī)制、協(xié)議等用來(lái)支撐對(duì)OT/工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)/領(lǐng)域的目標(biāo)與要求，方便其開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)。對(duì)OT/工業(yè)自動(dòng)控制這樣的行業(yè)、領(lǐng)域，由其自身的行業(yè)語(yǔ)言、習(xí)慣，需有行業(yè)自身的語(yǔ)義、信息模型，這樣的語(yǔ)義模型及語(yǔ)義定義、數(shù)據(jù)字典、狀態(tài)機(jī)、信息模型結(jié)構(gòu)及其含義，是以O(shè)T/工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)視角下的抽象、設(shè)計(jì)并定義的，它不同于IT視角下的情況。雖然OT/工業(yè)自動(dòng)化視角下的這些語(yǔ)義、信息模型，最終的實(shí)現(xiàn)仍然需要借助IT的編程語(yǔ)言與機(jī)制、工具來(lái)作為基礎(chǔ)支撐與實(shí)現(xiàn)，但它的主要特點(diǎn)和屬性歸屬于OT/工業(yè)自動(dòng)化的行業(yè)范疇，基于但又區(qū)別于IT行業(yè)的情況。OT/工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)/領(lǐng)域有自身的特定標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)及配套工具，都是圍繞OT/工業(yè)自動(dòng)化的行業(yè)要求來(lái)展開(kāi)，這一整套的OT/工業(yè)自動(dòng)化的林林總總，同樣需要一個(gè)“工業(yè)自動(dòng)化操作系統(tǒng)OS”，這個(gè)OS不同于IT視角下的面向計(jì)算機(jī)底層硬件資源管理與調(diào)度的OS，而是針對(duì)并滿(mǎn)足服務(wù)于OT/工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的行業(yè)操作系統(tǒng)，它以滿(mǎn)足OT/工業(yè)自動(dòng)化自身的行業(yè)要求和服務(wù)為著眼點(diǎn)和立足點(diǎn)，也是成體系化的。IT視角下的面向計(jì)算機(jī)硬件資源管理與調(diào)度控制的OS，是為OT/工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)行業(yè)OS提供管理與調(diào)度計(jì)算機(jī)硬件資源的底層運(yùn)行環(huán)境。工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展歷程告訴我們，IT領(lǐng)域的編程語(yǔ)言難以全面替代OT領(lǐng)域的編程語(yǔ)言。IT/OT融合的趨勢(shì)應(yīng)該表現(xiàn)為由OT領(lǐng)域中的一種建模語(yǔ)言來(lái)構(gòu)筑框架，以便于主持其它編程語(yǔ)言在最合適的場(chǎng)合發(fā)揮其所長(zhǎng)，而不是用某一種編程語(yǔ)言來(lái)排斥其它的編程語(yǔ)言。具體地說(shuō)，在編程語(yǔ)言這一基礎(chǔ)領(lǐng)域，要體現(xiàn)IT/OT融合的