摘要
本文聚焦于 IEC 61499 标准，深入剖析其技术内涵、价值效益、推广现状及施耐德公司与之的关联。IEC 61499 作为分布式工业过程测量与控制系统功能块的标准，为工业自动化带来全新架构理念，在推动系统分布式控制、提升灵活性和可重构性等方面极具潜力。文中通过全面梳理该标准的技术细节，分析其在企业应用中的效益，对比国内外推广情况，并阐述施耐德公司在 IEC 61499 应用推广中的角色，旨在为相关领域从业者提供对 IEC 61499 全面且深入的理解，助力把握该技术在工业自动化领域的发展脉络与趋势。
关键词
IEC 61499 标准；开放自动化；分布式控制；工业自动化
一、引言
在工业自动化快速发展的进程中，传统的集中式控制架构逐渐难以满足日益复杂和动态变化的工业应用需求。随着工厂规模扩大、工业物联网（IIoT）普及，诸如单点故障风险高、灵活性不足以及难以扩展等问题愈发凸显。在此背景下，IEC 61499 标准于 1999 年由 IEC 正式提出草案，为自动化系统架构设计带来全新理念。该标准致力于推动工业自动化从集中式控制向分布式控制转变，凭借基于功能块（Function Blocks）的分布式控制架构，显著增强系统可靠性、灵活性与扩展性，成为工业自动化领域备受瞩目的技术标准，吸引众多企业与研究机构关注与探索。
二、IEC 61499 标准解析
2.1 技术起源与发展历程
1990 年，IEC TC65（国际电工协会第 65 技术委员会）收到将分布式工业过程测量与控制系统中软件模块（即 “功能块”）部分内容标准化的建议，尤其针对使用 IEC 61158 现场总线标准的 IPMCS。由于功能块也是可编程控制器编程语言标准 IEC 61131 - 3 的基本组成部分，TC65 决定制定功能块通用模型，这便是 IEC 61499 标准的起源。历经多年研发，该标准陆续发布多个部分，尽管其中第 3 部分因技术过时于 2007 年被撤销，但目前其当前版本由第 1 部分体系结构、第 2 部分软件工具要求、第 4 部分一致性行规的规则组成，且作为系统级建模规范的第 5 部分也在筹备中 。
2.2 核心技术架构
2.2.1 功能块（Function Block）
功能块是 IEC 61499 软件封装和重用的基本单元，是由特定数据结构和相关操作构成的软件功能单元。按功能可分为基本功能块、复合功能块、服务接口功能块（通讯功能块和管理功能块）和适配器（插件和插座） 。
- 基本功能块：由事件输入和输出、数据输入和输出、执行控制表 ECC、算法和内部数据组成。执行控制表作为事件驱动的状态机，决定状态转换、输入事件与当前状态关系以及算法执行和新状态事件输出关系，算法则决定功能块功能特性。例如在智能压力传感器模拟输入 AI 功能块中，特定事件发生驱动算法执行，算法读取输入数据并结合内部数据产生新输出数据，最后输出事件 。其具有封装性，外部仅需了解其外部接口，算法、执行控制表和内部数据均不可见，这为功能块的使用提供了便利性与安全性。
- 复合功能块：功能由内部相互连接的功能块网络确定，这些功能块可以是基本功能块或其他复合功能块，可构建分层应用程序。与基本功能块不同，复合功能块除存储输入和输出事件及数据的变量外，无内部变量，其功能完全取决于组成功能块的行为及它们之间通过事件和数据的互联，同样是应用程序开发者的重要工具 。
- 服务接口功能块：由相应设备供应商提供，如控制器、现场总线、远程输入 / 输出模块、智能传感器等。其旨在隐藏系统具体实现细节，定义了系统向应用程序提供的服务概念，如读取传感器值、增加资源使用内存等服务。该功能块执行由输入事件启动，内部结构虽未像基本功能块那样明确界定，但编程实现可采用多个封装算法形式，在特定事件发生时调用相应算法 。
2.2.2 资源（Resource）
资源是设备中的功能单元，在设备内可独立对其执行创建、构造、参数化、启动、删除等操作，且不影响其他资源。资源接收来自过程和通讯接口的数据和事件，进行处理后返回给过程和通讯接口。它包含本地应用（或分布式应用的本地部分）、过程映射、通讯映射和调度函数 。
2.2.3 设备（Device）与系统（System）
设备包含单条或多条资源，设备间的互连形成分布式系统。在整个 IEC 61499 构建的系统中，功能块是基础单元，资源承载功能块，设备整合资源，最终多个设备协同构建起完整的分布式系统，各层级紧密协作，共同实现分布式工业过程测量与控制 。
2.3 技术特点
- 事件驱动执行：与传统 IEC 61131 的循环扫描执行不同，IEC 61499 中功能块执行由事件驱动，仅在有事件触发时算法才执行，提高了系统响应效率，尤其适用于对实时性要求高、需快速响应随机事件的工业场景 。
- 硬件抽象：功能块对其所在物理平台（资源）进行抽象，开发者在规范功能块时无需了解未来执行的特定硬件，增强了软件的可移植性，便于在不同硬件设备上部署应用，降低系统开发对特定硬件的依赖 。
- 支持分布式系统实时通信：标准直接支持分布式系统的实时通信，使分布在不同设备上的功能块能高效、及时地进行数据和事件交互，保障分布式系统协同工作的顺畅性，适应工业自动化中复杂的分布式控制需求 。
- 可互操作性：不同供应商的设备基于该标准可实现互操作，打破了传统工业自动化中不同厂商设备不兼容的壁垒，用户可根据需求自由选择不同厂商设备构建系统，促进工业自动化市场的竞争与创新 。
- 支持重新组态：系统能够自动管理资源之间低层级可变化绑定，方便在生产过程中根据需求变化对系统进行重新组态，如调整生产线布局、增减设备等，提升系统的灵活性与可重构性，降低企业因生产调整带来的系统改造成本 。
三、IEC 61499 的技术价值
3.1 提升系统灵活性与可重构性
在制造业中，为应对日益国际化的全球市场，生产系统需具备更高灵活性与可重构性。传统 IEC 61131 系统难以满足制造订单频繁变更导致的制造系统改变需求。而 IEC 61499 标准下，控制工程师可通过 “即插即用” 集成和重配置方式，根据生产需求灵活调整系统。例如当生产系统由自动单元构建时，工程师能方便地重用这些单元的软件组件，通过改变功能块互连方式，快速实现制造系统的调整，以适应物料流子系统互连变化或部分机械设备改变，显著降低系统调整成本 。
3.2 增强系统可靠性
基于功能块的分布式控制架构，使系统中各功能块独立运行、决策并协作。相比传统集中式控制架构，单点故障风险大幅降低。即使某一功能块或设备出现故障，其他部分仍能正常工作，保障生产线持续运行，减少因故障导致的生产停滞时间，提高企业生产效率与经济效益 。
3.3 促进软件复用与协同开发
功能块作为可移植软件组件，定义后可存储在功能块类型库中多次实例化。在大型工业自动化项目中，不同团队可分别开发不同功能块，然后集成到系统中，实现软件复用与协同开发。这不仅提高开发效率，减少重复开发工作量，还便于对不同功能块进行单独测试与维护，提升整个系统的稳定性与可维护性 。
四、企业采用 IEC 61499 的效益分析
4.1 降低开发与维护成本
企业采用 IEC 61499 标准，应用程序独立于硬件，开发过程中无需针对特定硬件进行定制开发，减少硬件选型与更换带来的开发成本。同时，在系统维护阶段，当硬件设备出现故障或需要升级时，由于软件与硬件解耦，只需更换或升级相应硬件，无需对软件进行大规模修改，降低维护成本。例如在一个包含多个设备的工业自动化生产线中，若采用 IEC 61499 标准，当某一传感器设备升级时，仅需对该设备对应的功能块进行简单配置调整，而无需重新开发整个控制系统软件 。
4.2 提高生产效率
通过 “即插即生产” 特性，企业在新设备接入或系统重新配置时，借助统一运行时，可大幅缩短工程调试时间。例如在生产线增加新的加工单元时，基于 IEC 61499 标准，新单元的功能块能快速与现有系统功能块连接并调试，迅速投入生产，减少设备停机时间，提升生产效率。此外，系统的高可靠性减少了因故障导致的生产中断，进一步保障生产连续性，提高整体生产效率 。
4.3 加速创新与产品迭代
在开放生态环境下，企业、集成商、用户和学术机构可共同参与技术开发与标准制定。企业能够获取更多创新思路与技术资源，加速自身产品创新与迭代。例如企业可基于 IEC 61499 标准，快速开发新型自动化产品或对现有产品进行升级，满足市场不断变化的需求，提升企业市场竞争力 。
五、IEC 61499 推广现状
5.1 国外推广情况
5.1.1 学术研究与开源社区推动
在学术界和开源社区，IEC 61499 得到积极探索与应用。如奥地利约翰内斯・开普勒大学研究团队发起的 4diac 开源项目，为 IEC 61499 提供全面支持，从最初的学术探索平台发展为在能源管理和智能制造领域备受关注的项目，吸引全球开发者参与，为该标准应用提供重要实验平台 。美国的 Holobloc 由 Dr. James Christensen 领导，开发的 Function Block Development Kit（FBDK）是 IEC 61499 的参考实现之一，虽未商业化，但为分布式控制技术早期发展奠定基础 。这些项目表明学术界和开源社区在推动 IEC 61499 发展中发挥着重要作用，不断探索其技术潜力与应用边界 。
5.1.2 企业应用案例
在商业领域，部分企业积极采用 IEC 61499 标准。德国的 Nxtcontrol 专注于智能制造解决方案，其核心产品基于 IEC 61499 开发，在智能工厂和模块化生产线领域取得众多成功案例，展示了该标准在柔性制造中的强大潜力，并于 2017 年被施耐德电气收购 。施耐德电气基于 Nxtcontrol 平台推出下一代控制平台 ——EAE（后升级为 EcoStruxure Automation Expert），该平台在多个行业应用中展现价值。例如在施耐德电气上海智慧物流中心，部署 EcoStruxure 开放自动化平台后，借助软件与硬件解耦优势，可根据流量需求变化轻松修改输送线路，故障识别和排除速度提升至原来四倍，错误率减少 45%，物流中心吞吐量提高 5.3% 。此外，在国外一些能源行业和航空工业中，也试点采用 IEC 61499 分布式控制架构，满足高可靠性和动态响应需求 。
5.2 国内推广情况
在国内，随着对工业自动化开放性和灵活性需求的提升，IEC 61499 标准逐渐受到关注。一些企业开始参与相关技术研发与应用探索。例如，国内工业自动化领导者汇川技术加入 Universal Automation Organization（UAO），UAO 以推广基于 IEC 61499 国际标准的开放自动化技术为核心目标 。联诚科技集团股份有限公司也成为 UAO 开放自动化组织成员，并在 2024 年工博会上展示了首款完成 IEC 61499 标准 Runtime 适配的 LicOS MC611 PAC 产品 。此外，国内一些研究机构也在开展关于 IEC 61499 标准的研究，探索其在国内工业自动化领域的应用模式与推广路径，但整体而言，目前国内企业对 IEC 61499 的应用普及程度相对国外仍有一定差距，尚处于发展初期阶段，需要进一步加大推广力度与技术研发投入 。
六、施耐德公司与 IEC 61499 的关系
6.1 技术引入与整合
2017 年，施耐德电气收购专注于智能制造解决方案且核心产品基于 IEC 61499 开发的德国 Nxtcontrol 公司，通过此次收购，施耐德电气获取了分布式控制领域关键技术 。随后，施耐德电气基于 Nxtcontrol 平台推出下一代控制平台 ——EcoStruxure 开放自动化平台（EcoStruxure Automation Expert），该平台融合了施耐德电气在 IEC 61499 及自动化技术方面的多年积累与创新成果，成为当前较为成熟的开放自动化商业化整体解决方案 。
6.2 产品应用与推广
EcoStruxure 开放自动化平台基于 IEC 61499 标准，在多个行业进行推广应用。如前文所述，在上海智慧物流中心的应用中取得显著成效，充分展示了 IEC 61499 标准在实际项目中的优势 。此外，施耐德电气积极参与行业活动，通过举办研讨会、技术展示等方式，向市场推广基于 IEC 61499 标准的开放自动化理念与产品，提升该标准在行业内的认知度与影响力 。
6.3 生态建设与合作
为促进基于 IEC 61499 标准的开放自动化技术发展，施耐德电气致力于构建开放生态。一方面，联合英特尔承办边缘控制大赛，吸引高校、科研机构、企事业单位、初创团队和个人开发者基于 EcoStruxure 开放自动化平台 + 英特尔算力进行作品开发，推动技术创新 。另一方面，与机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（仪综所）签订合作框架协议，共同建立开放自动化联合研发实验室，围绕 IEC 61499 标准应用、技术培训、测试验证、行业推广及生态构建等方面开展工作 。通过这些生态建设与合作举措，施耐德电气在 IEC 61499 标准推广与应用中发挥着引领者与推动者的重要角色，带动产业链上下游企业共同参与，促进该技术在工业自动化领域的广泛应用与发展 。
七、结论
IEC 61499 标准作为工业自动化领域的重要创新，为分布式工业过程测量与控制系统带来先进架构与技术理念。其在提升系统灵活性、可靠性，促进软件复用与协同开发等方面展现出巨大技术价值，为企业带来降低成本、提高生产效率、加速创新等显著效益 。尽管在推广过程中面临开发者学习曲线高、生态系统初期匮乏等挑战，但在国外学术界、开源社区及企业的共同推动下，已取得一定应用成果，国内也逐渐重视并开始探索应用 。施耐德公司通过技术引入、产品应用推广及生态建设合作等一系列举措，在 IEC 61499 标准的发展与应用中占据重要地位，成为该标准商业化推广的重要力量 。未来，随着技术不断成熟、生态系统逐步完善以及更多企业的参与，IEC 61499 有望在工业自动化领域得到更广泛应用，推动工业自动化向更高水平的开放、灵活、智能方向发展，为全球工业转型升级注入新动力 。
