漫谈工业软件（2）-IEC61499标准

IEC 61499是用于分布式工业过程测量与控制系统(IPMCSs)功能块的标准。该标准的名称表明了两个重要的概念

-分布式工业过程测量与控制系统

(IPMCSs)表明该标准针对的是工业分布式系统-由多台设备通过网络构成的系统。相比之下，IEC61131 PLC 标准针对的是单台设备的编程。也许有人会产生一些疑惑，PLC 不是也可以通过网络构成分布式控制系统么？这两个标准有什么区别呢？其中主要的差别就在与IEC61499 标准将分布式系统当作一个整体来考虑。在IEC61499 的概念之下，整体地定义系统，设备和资源。设计一个完整的基于功能块网络的应用程序，然后将这个网络分解成为若干段，映射到相应的设备上去。通俗地讲，基于IEC61131 标准的分布式系统要为每一个设备编写不同的程序，以及设备之间的通信协议。而基于IEC61499 标准的分布式系统只编写一个大的控制程序，然后分段映射到各个设备上运行。而且系统的调试，部署和监控都有以一个整体来加以考虑的。第一次接触IEC61499 标准是我就吃惊地感受到它的制定者真是一个大胆的想法。这将大大地简化了分布式系统的编程，部署和运维。在后来的具体实验中，也的确感受到了这一点。编写一个多台设备构成的一个跑马灯控制系统，半个小时就搞定的了，而且应用程序修改起来十分的方便。

在上图中示意了由多个个设备构成的分布式系统（图中只画出了两个设备）。设计者编写了一个由FB1 到FB5 构成的功能块网络，实现的他希望在这个系统上实现的控制程序。在IEC61499 的开发工具（通常我们称之为IEC6499 开发环境IDE）中，借助于图形编辑工具输入这个功能块网络。然后通过映射将功能块FB1映射到设备1，将FB2 映射到设备2.。等等。由于FB1 和FB2 分布部署在两个设备上，功能块之间的连线表示的数据传输要通过网路来实现。因此，开发工具在映射是会自动地插入通信服务功能块SUB和PUB。在IEC61499 中功能块通信是通过这种订阅（SUB）/发布（PUB）机制来实现的。

完成映射之后，开发环境会将系统部署到各个设备上。所谓部署，就是通过网络将功能块网络段下载到设备中。每个设备中都已经预先运行了一个IEC61499 运行时（runtime）。它负责执行下载的功能块网络段。并且通过过程接口（process interface）与设备的硬件接口打交道。

-功能块（Function block）

功能块是一个软件的功能单元。它采用图形化表示。通过功能块图形之间的连线，实现一个功能块网络形式的应用程序。下面就是一个LED 闪烁程序的功能块网络。

这张图看上去和硬件设计的原理图十分相似，E_CYCLE 相当于一个时钟发生器，它产生一个周期为一秒钟的信号。E_SWITCH 是一个2选1 电路，E_SR 类似于数字电路的RS 触发器。它和E_SWITCH构成了一个除 2 电路。在Q端将产生一个周期为2 秒的方波脉冲信号。QX 是一个硬件接口功能块。将脉冲信号在第4个GPIO 上，控制LED 闪烁。将该功能块映射到一个设备上。一旦部署成功，LED 就会不停地闪烁。

相信具有数字电路基础的读者都能够看懂上面的“原理图”，虽然我是一个软件工程师，但是也十分喜欢这样硬件的（hardware-like）功能表达方式。编写程序就像搭试电路那样具有成就感和真实感。

IEC61499 标准中，定义了少量的基本功能块。IEC61499 的开发环境会提供更多的功能块库。专业的IEC61499 软件

因此，一个完整的IEC61499 软件系统包括了开发环境，运行时程序和功能块库组成。下面是一个著名的IEC61499 开源项目4DIAC 的系统组成。

在我们的研究项目中。我们在Windows /ubuntu 上运行4DIAC的开发环境X86 PC的Ubuntu OS ，全志Arm的H6 ，瑞芯微的RK3399 已经树莓PI3 上面运行4DIAC 的forte 运行时。

IEC61499 参考模型

在第一篇中，我们已经提及了工业软件中模型的重要性，下面我们就来详细地了解IEC61499 是如何通过模型来定义它的各种模型的。

在IEC61499 标准中，定义了如下几种模型

系统模型(system model)

设备模型(device model)

资源模型(resource model )

应用模型（Application model）

功能块模型（function block model）

分布式模型（distribution model）

管理模型（management model）

操作状态模型（operational state models）

我们先了解前四种模型，后面再详细地研究其它的模型。

系统模型

为了IEC61499 的目的，一个工业过程测量和控制系统的模型是一组相互连接的设备构成，相互之间通过网络通信。通信网络由网段和链接构成。设备通过链接接入网段。

IPMCS 完成的功能在模型中称为应用（Application），它可以驻留在一个设备中，例如应用C 。或者能分布在几个设备中。比如应用A和应用B。比如，一个应用可以由一个或者多个控制环路构成，在这些环中，一个设备采集输入数据，另外一个设备完成过程控制，而输出转换在第三个设备中完成。

可以看出，在IEC61499 中，应用（Application）就是基于功能块网络的应用程序。在中文翻译时，直接使用“应用”表示应用程序，有时会引起语义的混淆。所以在我的文章中，有时会使用“应用程序”来表示“应用”一词。

在前面已经提到过，设备可以是X86 PC，也可以是各种基于Arm 的小型计算机，比如树莓PI。

设备模型

从图2 可以看出，一台设备至少有一个接口（interface），亦即过程接口或者通信接口；也包含零个或者多个资源

“过程接口”提供了物理过程（模拟测量和离散IO 等）和资源之间的映射，与物理过程交换的信息以数据或者事件的形式呈现给资源。

通信接口提供了资源之间通过通信网络交换信息的映射。由通信接口提供的服务包括：

通信的信息表达成数据或者事件给资源

附加服务包括支持程序设计，配置和诊断。

资源模型

IEC61499 标准中资源的概念是比较难以理解的，因为它不像设备，网络那么直观。在标准中，定义为资源由功能单元（functional unit）构成，而在holobloc 网站的文档中，资源称之为提供在分布式系统中运行应用程序所需要服务的“工作马力（workhorses ）”。在4DIAC 项目中，当添加一个设备时，自动在该设备下面产生了一个资源，除了修改一个名称之外，没有更多的编辑。资源可以理解为是设备中支撑应用程序的软件单元(supporting software uint）模型。也可以将资源理解为应用的运行环境的模型。资源模型对设备的硬件和网络接口进行了抽象。它们主要包括

过程映射

完成应用与过程接口数据和事件的映射。映射由专门为此目的的服务接口功能块建模。

通信映射

完成应用与通信接口之间的数据和事件映射。映射由专门为此目的的服务接口功能块。建模。

调度

执行应用中功能块之间的数据传输，遵循下列时间和顺序的需要

产生事件

功能块的相互连接

调度信息，例如周期和优先级。