軟件定義自動化的時代已悄然到來。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)展的一個重要風(fēng)向標。而實際上，這些年來，施耐 德電氣、ABB、羅克韋爾、倍福等工業(yè)自動化領(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，進一步顯示出工控系統(tǒng)軟 硬解耦、脫實向虛的技術(shù)發(fā)展脈動。

　　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現(xiàn) 大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等嚴重阻礙，迫使開發(fā)者另辟蹊徑，尋求從 傳統(tǒng)PLC軟硬件強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化控制器(PAC)，實現(xiàn)了PLC專有 功能、開放式架構(gòu)設(shè)計與計算機之間的結(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，實現(xiàn)真正的“以軟件為中心 的自動化”。

　　虛擬PLC借助于高性能處理器的多核及軟件部署，可以 把Runtime運行在多個核上，支持一機多控，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的自 動化控制系統(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)自己的實際需求來進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 現(xiàn)遠程控制。

　　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)上運行，實現(xiàn)輕量級和快速啟動， 容器共享宿主機的內(nèi)核，啟動速度快，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。另一方面，在菲尼克斯Virtual PLCnext Control via Hypervisor虛擬化方案中，通過虛擬機化的部署 方式，可利用宿主機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)備進行配置， 以系統(tǒng)的形式在Hypervisor上運行，具有強大的隔離性、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 中順暢運行。TwinCAT for Linux? 可支持基于Linux? 操作系 統(tǒng)執(zhí)行TwinCAT自動化軟件，還能夠以容器的形式部署和運 行TwinCAT。TwinCAT與倍福硬件相結(jié)合實現(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 護工作，由于不涉及到物理硬件，系統(tǒng)的維護和軟件升級工 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編程平臺來 進行產(chǎn)品開發(fā)，目前，獨立于硬件架構(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的IT技術(shù)，例如 Containers容器化、Hypervisor虛擬化、Kubernetes(用 于管理云平臺中多個主機上的容器化開源應(yīng)用， 目標是讓部 署容器化的應(yīng)用簡單并高效)、OPC UA開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)、Web協(xié)議等等，系統(tǒng)可根據(jù)客戶的確定性和實時性 需求，既可以在傳統(tǒng)控制器中部署運行，也可以在邊緣服務(wù) 器、私有云或公有云服務(wù)器中部署運行，實踐了“硬件平臺 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)自動化應(yīng) 用中， 推動這 一 專 業(yè)領(lǐng)域加速 邁向數(shù)智化 時代。容 器 (Container)技術(shù)就是其中一個典型例子，在IT界虛擬化 技術(shù)的開發(fā)過程中會出現(xiàn)開發(fā)人員和運維人員的環(huán)境很難保 持一致，即使已經(jīng)運行在虛擬機當(dāng)中的應(yīng)用，也面臨不同環(huán) 境間遷移時依然耗費時間長、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互相影響，加上集裝箱的規(guī)格 都是標準化的，這樣就可以把它們整齊地擺放起來，裝在同 一艘“大船”上運走。容器技術(shù)為應(yīng)用軟件及其依賴組件提 供了一個資源獨立的運行環(huán)境，允許操作系統(tǒng)上的用戶空間 被分割成幾個獨立的單元在內(nèi)核中運行，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 動化所迫切需要的功能。

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

　　PLC未來會走向何方，主要由用戶需求的演變和橫向技 術(shù)的融合這兩個“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)能夠增強數(shù)字化融合能力、AI人工智能技術(shù)可以讓機 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，工控自動化的價值并不在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要實現(xiàn)的重要目標。