軟件定義自動(dòng)化的時(shí)代已悄然到來。早在2023年德 國漢諾威SPS展上，西門子就展出了其首款虛擬PLC——S7- 1500V，并在博途V19中集成了這款虛擬PLC，可以說，這也 是行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要風(fēng)向標(biāo)。而實(shí)際上，這些年來，施耐 德電氣、ABB、羅克韋爾、倍福等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的知名廠 商也先后向市場推介了各自的虛擬PLC產(chǎn)品線。在去年9月， 菲尼克斯也加入到這一陣營中來，進(jìn)一步顯示出工控系統(tǒng)軟 硬解耦、脫實(shí)向虛的技術(shù)發(fā)展脈動(dòng)。

　　虛擬PLC的背后

　　虛擬PLC之所以能夠出現(xiàn)，其后的大背景是由于IT(信 息技術(shù))與和OT(運(yùn)營技術(shù))在工業(yè)領(lǐng)域的深度融合，遇到 了硬件控制器靈活性差、成本高昂、資源固定以及難以實(shí)現(xiàn) 大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等嚴(yán)重阻礙，迫使開發(fā)者另辟蹊徑，尋求從 傳統(tǒng)PLC軟硬件強(qiáng)制綁定中跳脫出來的思路，以軟硬解耦的 方式將控制功能完全虛擬化，使得其可以靈活地被部署在各種硬件平臺(tái)上，包括工業(yè)PC、邊緣設(shè)備和Linux服務(wù)器等， 這些為工業(yè)自動(dòng)化帶來了前所未有的靈活性和高效率。

　　與之前的軟PLC不同，軟PLC是把硬件PLC的功能集成到 一個(gè)軟件包上，安裝在普通的工控電腦上，形成高性能、 功能豐富的可編程自動(dòng)化控制器(PAC)，實(shí)現(xiàn)了PLC專有 功能、開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)之間的結(jié)合。而虛擬PLC能 夠大幅提升系統(tǒng)靈活性，結(jié)合面向?qū)ο髴?yīng)用建模技術(shù)、虛 擬化、容器化等軟件技術(shù)，此外5G+基于開放技術(shù)的虛擬化 PLC能將在端、邊、云相融合，實(shí)現(xiàn)真正的“以軟件為中心 的自動(dòng)化”。

　　虛擬PLC借助于高性能處理器的多核及軟件部署，可以 把Runtime運(yùn)行在多個(gè)核上，支持一機(jī)多控，能夠在很大程 度上提高OT的靈活性，讓工廠可以采用通用的IT設(shè)備進(jìn)入生 產(chǎn)線的控制環(huán)節(jié)，令低成本的硬件也有可能采用更先進(jìn)的自 動(dòng)化控制系統(tǒng);其次，制造業(yè)用戶可以不再被供應(yīng)商鎖定， 而是根據(jù)自己的實(shí)際需求來進(jìn)行硬件的選擇和更換;此外，用戶也可以通過工業(yè)邊緣系統(tǒng)訪問虛擬PLC，更加便捷地實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　以菲尼克斯電氣重磅推出的Virtual PLCnext Control虛 擬PLC解決方案為例，其系統(tǒng)架構(gòu)主要基于軟件容器化或虛 擬機(jī)化技術(shù)。在其Virtual PLCnext Control via Container容 器化方案中，通過容器化的部署方式，可以利用宿主機(jī)提供 的物理資源和內(nèi)核配置，將Virtual PLCnext Control以軟件 的形式在Linux操作系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)輕量級和快速啟動(dòng)， 容器共享宿主機(jī)的內(nèi)核，啟動(dòng)速度快，資源消耗少，且具 備部署靈活性、便于版本控制和回滾、環(huán)境一致性以及資 源利用率高等特點(diǎn)。另一方面，在菲尼克斯Virtual PLCnext Control via Hypervisor虛擬化方案中，通過虛擬機(jī)化的部署 方式，可利用宿主機(jī)提供的物理資源根據(jù)Hypervisor分配的 虛擬資源對不同的Virtual PLCnext Control設(shè)備進(jìn)行配置， 以系統(tǒng)的形式在Hypervisor上運(yùn)行，具有強(qiáng)大的隔離性、廣 泛的硬件支持、成熟的管理工具、靈活的網(wǎng)絡(luò)配置、操作系 統(tǒng)多樣性等應(yīng)用優(yōu)勢。

　　倍福也正通過其TwinCAT for Linux?拓寬應(yīng)用邊界，讓 TwinCAT應(yīng)用程序能夠以高效、虛擬化的方式靈活部署。 無論是TwinCAT PLC Runtime，還是以容器形式呈現(xiàn)的 TwinCAT功能塊，不僅能夠在控制器本地，還能在數(shù)據(jù)中心 中順暢運(yùn)行。TwinCAT for Linux? 可支持基于Linux? 操作系 統(tǒng)執(zhí)行TwinCAT自動(dòng)化軟件，還能夠以容器的形式部署和運(yùn) 行TwinCAT。TwinCAT與倍福硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的虛擬控制技 術(shù)具有以下優(yōu)勢：提高靈活性，虛擬控制系統(tǒng)具備出色的可 擴(kuò)展性，能夠輕松適應(yīng)各種需求的變化;降低成本，減少了 對現(xiàn)場物理硬件的依賴，大幅減少相關(guān)的成本支出;簡化維 護(hù)工作，由于不涉及到物理硬件，系統(tǒng)的維護(hù)和軟件升級工 作變得更加簡單、高效。

　　PLC未來的無限可能

　　在國內(nèi)，大部分PLC廠商都是基于CODESYS編程平臺(tái)來 進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，目前，獨(dú)立于硬件架構(gòu)的 CODESYS 虛擬控 制(CODESYS Virtual Control)技術(shù)解決方案也已推出。 CODESYS 虛擬控制解決方案集成了許多先進(jìn)的IT技術(shù)，例如 Containers容器化、Hypervisor虛擬化、Kubernetes(用 于管理云平臺(tái)中多個(gè)主機(jī)上的容器化開源應(yīng)用， 目標(biāo)是讓部 署容器化的應(yīng)用簡單并高效)、OPC UA開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)、Web協(xié)議等等，系統(tǒng)可根據(jù)客戶的確定性和實(shí)時(shí)性 需求，既可以在傳統(tǒng)控制器中部署運(yùn)行，也可以在邊緣服務(wù) 器、私有云或公有云服務(wù)器中部署運(yùn)行，實(shí)踐了“硬件平臺(tái) 提供資源，軟件系統(tǒng)定義功能”的理念。

　　從中可見， IT技術(shù)正在被深刻地引入工業(yè)自動(dòng)化應(yīng) 用中， 推動(dòng)這 一 專 業(yè)領(lǐng)域加速 邁向數(shù)智化 時(shí)代。容 器 (Container)技術(shù)就是其中一個(gè)典型例子，在IT界虛擬化 技術(shù)的開發(fā)過程中會(huì)出現(xiàn)開發(fā)人員和運(yùn)維人員的環(huán)境很難保 持一致，即使已經(jīng)運(yùn)行在虛擬機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用，也面臨不同環(huán) 境間遷移時(shí)依然耗費(fèi)時(shí)間長、效率低下等問題，為此，容器 這一輕量級的虛擬化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。容器技術(shù)借鑒了“集裝 箱”的概念，無論形狀各異的貨物，都可以裝入集裝箱，并 且集裝箱與集裝箱之間也不會(huì)互相影響，加上集裝箱的規(guī)格 都是標(biāo)準(zhǔn)化的，這樣就可以把它們整齊地?cái)[放起來，裝在同 一艘“大船”上運(yùn)走。容器技術(shù)為應(yīng)用軟件及其依賴組件提 供了一個(gè)資源獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，允許操作系統(tǒng)上的用戶空間 被分割成幾個(gè)獨(dú)立的單元在內(nèi)核中運(yùn)行，且彼此互不干擾—— 這正是目前工控行業(yè)封閉、各自為政的控制系統(tǒng)走向開放自 動(dòng)化所迫切需要的功能。

　　當(dāng)然，工控自動(dòng)化也有其特殊的應(yīng)用需求，在PLC環(huán) 節(jié)，時(shí)常要面對的是高節(jié)拍、高速度的控制要求，而且要能 夠在各種嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境中保持長期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行的能 力和易于調(diào)試維護(hù)等等。對于虛擬PLC的實(shí)際應(yīng)用來說，這 些都是要攻克的難題，其中也包括PLC的時(shí)間確定性和IT云 服務(wù)的不確定性等問題。

　　PLC未來會(huì)走向何方，主要由用戶需求的演變和橫向技 術(shù)的融合這兩個(gè)“抓手”來決定。在需求端，隨著當(dāng)前整體 生產(chǎn)制造集成度的提升，控制器的開放性成為了必然，助 推PLC融入到數(shù)字化系統(tǒng)中去。在橫向技術(shù)的融合方面，通 信技術(shù)能夠增強(qiáng)數(shù)字化融合能力、AI人工智能技術(shù)可以讓機(jī) 器更“聰明”、低代碼/生成式AI等編程語言的發(fā)展等等都為 PLC的未來賦予了無限的可能性。正如一位資深工控專業(yè)人 士所說的那樣，工控自動(dòng)化的價(jià)值并不在PLC本身，而是在 于加載在PLC上的工程集成能力、工藝Know-How封裝，以 及由此帶來的機(jī)器和產(chǎn)線的品質(zhì)、效率與快速交付能力，這 些也是包括虛擬PLC、云化PLC、AI PLC等在內(nèi)的各種新概念 PLC要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)。