虛擬 PLC 邁向?qū)嵱没浖x自動化的新米樂M6 M6米樂號角

　　虛擬 PLC 系統(tǒng)到底是什么樣？一直聽上去有些玄乎的想法，現(xiàn)在有了更加落地的行動。

　　今年德國漢諾威博覽會亞馬遜的 AWS 合作伙伴展區(qū)中，一個名為 Software Design Automation 的初創(chuàng)公司，展出了一個虛擬化 PLC 系統(tǒng)的解決方案。虛擬化 PLC 的系統(tǒng)不僅可以通過 CPU 的數(shù)字孿生，來取代傳統(tǒng) PLC 的硬件軟件強制捆綁，還有可在云端運行對 PLC 群完成部署和管理的軟件，以及管理 PLC 群運行的人機界面。

　　由于基于硬件的功能正在系統(tǒng)地被軟件所取代，軟件定義技術(shù)、軟件定義裝備的說法，在 IT 界很常見。但是這個概念，能否應(yīng)用到工業(yè)機械裝備的實時控制中呢? 盡管這個想法聽上去尚不切實際，但答案卻是肯定的。前提是，必須搭建合適的框架，進行編程、部署和監(jiān)視虛擬化自動化資產(chǎn)的性能。

　　設(shè)在慕尼黑以 SDA 命名的初創(chuàng)公司正在步 IT 領(lǐng)域的軟件定義技術(shù)的后塵，引領(lǐng) OT 領(lǐng)域開創(chuàng)一種軟件定義自動化（Software Defined Automation, SDA）的解決方案。它將傳統(tǒng)的 PLC 硬件虛擬化，并在此基礎(chǔ)上對其進行管理。如同管理軟件資產(chǎn)那樣。他們?yōu)樽詣踊こ處熼_發(fā)的 PLC 操作套件，通過控制器的數(shù)字孿生虛擬商用 PLC。例如，它可以與博世力士樂和美國麻省開發(fā)的低代碼供應(yīng)商 Tulip，形成緊密合作?；蛘呤?，它可以采用在 GitHub 托管的西門子或者倍福的開源 PLC，實現(xiàn)了工控即服務(wù) ICaaS（Industrial-Control-as-a-Service）。

　　這條通過虛擬化進而實現(xiàn)服務(wù)化的技術(shù)路徑，使工廠自動化從業(yè)者受益于獨立于硬件的遠(yuǎn)程連接，簡化的協(xié)同 PLC 工程，以及在標(biāo)準(zhǔn)的通用 IT 硬件（如服務(wù)器）上運行的具有實時確定性行為的虛擬 PLC。截至目前為止，按 SDA 公司給出的數(shù)據(jù)，這種虛擬實時控制器實現(xiàn)了確定性控制周期時間 10ms 的實際效果。這可能是當(dāng)下最接近實用的虛擬 PLC 商業(yè)化的解決方案。這種 vPLC 解決方案允許在虛擬邊緣服務(wù)器上執(zhí)行確定性實時控制，并結(jié)合云基的全面 vPLC 管理接口。

　　與云自動化工程解決方案一起，它使客戶能夠提高靈活性、生產(chǎn)力和安全性，同時獲得獨立于特定于供應(yīng)商的工業(yè)自動化硬件。SDA 的解決方案支持客戶從傳統(tǒng)的 PLC 遷移到完全虛擬化的 PLC 控制，這些控制運行在靠近車間的傳統(tǒng) IT 服務(wù)器上的 VMware Edge 邊緣計算棧上。自動化工程師可以通過云基的控制面板持續(xù)監(jiān)控 vPLC，就像使用傳統(tǒng) PLC 一樣。SDA 的云基應(yīng)用程序允許用戶從位于工廠的服務(wù)器調(diào)測、管理和監(jiān)視 vPLC 的實例。

　　SDA 工業(yè)控制即服務(wù)打破了控制技術(shù)堆棧中的專有豎井，并使實時控制層之上的微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)能夠通過 API 進行原生交互，就像任何其他現(xiàn)代企業(yè)信息系統(tǒng)一樣 —— 將工廠變成軟件系統(tǒng)。圍繞云基的現(xiàn)有 PLC 管理軟件（SDA TechOps），由 Git 賦予授權(quán)啟動的 PLC 代碼版本和協(xié)同軟件（SDA DevOps），以及在邊緣服務(wù)器上對 PLC 予以虛擬化的軟件 (SDA Virtual PLC) 共同來實施虛擬化的 PLC 系統(tǒng)。

　　使用 SDA TechOps 的自動化工程師現(xiàn)在能夠管理諸如西門子、博世力士樂和倍福等供應(yīng)商的 PLC，就像云基的軟件系統(tǒng)那樣，已部署的代碼完全透明，代碼更改具有完全的可跟蹤性，并能夠在幾分鐘內(nèi)自動進行代碼刷新。SDA DevOps 為 PLC 引入了基于 Git 的版本控制，便于向現(xiàn)代開發(fā)人員的協(xié)同方式過渡。每個項目更新都被安全備份，對單個對象的更改都予以版本化，并通過一個簡單的 web 界面在結(jié)構(gòu)化文本語言和梯形圖語言的應(yīng)用程序中以明顯的加深方式加以顯示。以上這些措施有利于自動化工程團隊更高效地一起工作，加快開發(fā)速度，并將風(fēng)險被降到最低。一旦有新功能需要部署，按下一個按鈕之后，在幾分鐘內(nèi)便部署到整個 PLC 系統(tǒng)。

　　SDA 的虛擬 PLC 通過虛擬化將實時控制與專有硬件解耦。SDA 公司與著名的虛擬機軟件開發(fā)商 VMware 合作，在任何 x86 服務(wù)器上運行虛擬 PLC，確保每臺虛擬 PLC 可實現(xiàn) 10ms 的掃描周期時間。自動化工程師可連續(xù)地通過云基控制面板監(jiān)控 vPLC 的運行，就像傳統(tǒng) PLC 一樣。自動化工程師還能夠在幾分鐘內(nèi)調(diào)試投運新的 Codesys 控制器，并為每個虛擬控制器按月支付費用。

　　“這是行業(yè)的游戲規(guī)則的巨變”，SDA 公司的創(chuàng)始人 Josef Waltl 認(rèn)為，這樣的工作方式使自動化成為制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的起點。無論是推動自動化復(fù)雜性進一步發(fā)展的龐大工程師團隊，還是企業(yè)內(nèi)部的自動化專家，都可以遠(yuǎn)程管理所有的 PLC，再也不用像消防員那樣，成天去監(jiān)控 PLC。與博世力士樂和 Tulip 等設(shè)備供應(yīng)商緊密結(jié)合，作為領(lǐng)先的一線運營，為客戶帶來端到端解決方案。譬如任何來自 Tulip 的 Edge IO 都可以轉(zhuǎn)換為 PLC，只要通過簡單的 API 調(diào)用與實時控制器集成一線操作平臺，而無需增加硬件成本。

　　這一舉措，將使得工業(yè)自動化與 IT 軟件開發(fā)的其他行業(yè)處于同等水平。自動化的步伐，終于可以邁得更快一點了。

　　虛擬化有一個簡潔的定義：外特性和行為與特定硬件一致的軟件，其實就是將特定硬件進行虛擬化。在過去 60 年的 IT 發(fā)展中，沒有其他的進展比虛擬化提供了更多可量化的好處，例如降低成本，增加靈活性，展現(xiàn)更多的可伸縮性，提高可靠性，性能提升等。虛擬化在 IT 領(lǐng)域的影響是巨大的。

　　那么，為什么虛擬化趨勢沒有迅速延伸到 OT 領(lǐng)域呢? 事實上，OT 行業(yè)大約花了 10 年的時間來觀察虛擬化是否可用于工業(yè)自動化。人們逐漸發(fā)現(xiàn) OT 大環(huán)境下的虛擬化應(yīng)用，正在有越來越多的趨勢，而越來越多的供應(yīng)商完全支持在虛擬化環(huán)境中運行 SCADA 和 DCS 平臺。最近，人們還發(fā)現(xiàn)許多 DCS 供應(yīng)商在需要提高其現(xiàn)有系列控制器所能實現(xiàn)的性能，或需要為戰(zhàn)略客戶降低控制器成本的情況下，部署了虛擬控制器 CPU。這些虛擬 DCS 控制器運行在諸如 Windows 或 Linux 服務(wù)器的商用 IT 硬件上。通常，這些虛擬化 DCS 控制器產(chǎn)品不會出現(xiàn)在產(chǎn)品目錄中，甚至沒有款名或庫存編號。

　　作為工業(yè)自動化的另一重要支柱的 PLC 行業(yè)，將如何應(yīng)對虛擬化的進程呢？實際上，如果 PLC 要進行完整的虛擬化，那就必須對特定供應(yīng)商的 CPU、背板、機架、IO 模塊和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)統(tǒng)都要進行虛擬化。它需要在通用工業(yè) PC 上，虛擬化運行 PLC CPU 的功能，或者在通用 IT 服務(wù)器硬件上集中運行的 PLC 控制器集群。而采用光纖背板，則可對確定性現(xiàn)場總線和 / 或?qū)崟r以太網(wǎng)系統(tǒng)進行切換；同樣，虛擬化 IO 模塊可考慮采用基于 ARM 的獨立 I / O 端子排。還要支持商品化的冗余 I / O 模塊 / 控制器等這些加在一起，形成一種虛擬 PLC 的軟件容器。

　　PLC 是一類非常成熟的工業(yè)控制器，1969 年推出的 Modicon PLC 從一開始幾乎奠定了它的結(jié)構(gòu)和外形，而現(xiàn)代的 PLC 在這些方面沒有多少變化.這一原創(chuàng)設(shè)計，經(jīng)受了時間的考驗。至于它的功能和屬性，即使 1968 年通用汽車 GM 提出的招標(biāo)文件，至今仍不過時。它的功能要求仍然是現(xiàn)代 PLC 的重要組成部分。

　　如果我們試圖通過虛擬化 PLC 來提高 PLC 的性能，彌補其某些方面的不足，首當(dāng)其沖的是考慮瞄準(zhǔn)合理的應(yīng)用場景。大量使用小型 PLC 的 OEM 機械就沒有必要對其 PLC 虛擬化，這樣做的結(jié)果顯然得不償失，除非當(dāng)這些機械裝備集中在一個車間，已經(jīng)形成一個 PLC 集群。一臺 PLC 的可靠性足夠高，抗干擾能力足夠強，在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下可以正常地運行十幾年，而且維修量極小。如果虛擬化的 PLC 在功能上可以取代，但不能達(dá)到其可靠性、電磁兼容性和環(huán)境適應(yīng)性，那就意義不大。特別是用于若干生產(chǎn)高產(chǎn)量、高價值的產(chǎn)品的場合（如卷煙機械、高速灌裝機械），一旦停機帶來很大的損失，PLC 的虛擬化就得不償失了。同樣，生產(chǎn)節(jié)拍很高的場合和高速運動控制的場合，虛擬化的 PLC 也沒有用武之地，這是因為從 2012 年開始到現(xiàn)在十多年了，所有探索虛擬 PLC 的實驗和軟件產(chǎn)品，其確定性的實時控制周期從沒有越過 10ms 這道坎。

　　是不是這是虛擬 PLC 難以逾越的鴻溝？這是不是正是虛擬 PLC 運行的本質(zhì)，還尚待求證。

　　將 PLC 虛擬化的價值又如何體現(xiàn)呢？在工業(yè)環(huán)境中，PLC 已經(jīng)贏得了經(jīng)濟、可靠、健壯、模塊化和容易支持等美譽。那么，虛擬化能幫助 PLC 變得更快、更便宜、更健壯嗎? 如果企業(yè)分別統(tǒng)計他們公司的 OT 資產(chǎn)和 IT 資產(chǎn)時，常常會發(fā)現(xiàn) OT 設(shè)備資產(chǎn)不但在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 IT 資產(chǎn)，而且在價值上也超過 IT 資產(chǎn)。譬如位居全球前三大能源公司之一的統(tǒng)計，這家有超過 5 萬名的員工的跨國公司，他們的 OT 設(shè)備資產(chǎn)數(shù)量超過了他們的全球 IT 資產(chǎn)的兩倍。

　　原因不點自明，OT 資產(chǎn)的品種繁多，標(biāo)準(zhǔn)化通用化的程度差，而 IT 資產(chǎn)設(shè)備早已高度標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。從這個意義上講，一旦 PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬化，人們能夠在在同一的 PLC 硬件上對 Siemens、Schneider 和 Rockwell 等不同品牌的 PLC 系統(tǒng)進行操作。這樣，一個 PLC 集群能夠以軟件的形式運行在一臺通用的 IT 服務(wù)器上，或是運行在工業(yè) PC 中上，就像在 VMWare 或 VirtualBox 中運行多個不同的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)環(huán)境那樣。完全的 PLC 虛擬化將允許運行施耐德電氣的 Unity XL 編程環(huán)境，然后遷移到羅克韋爾自動化 Studio 5000 環(huán)境，或西門子的 STEP 7 的環(huán)境，而無需更改現(xiàn)場的任何硬件資產(chǎn)。這一前景一定足夠吸引更多的企業(yè)管理者，關(guān)鍵是必須足夠的實用、可靠。

　　虛擬化何以降低 OT 成本？首先，它將創(chuàng)建一個“PC 兼容”的 PLC 版本，并為更多的供應(yīng)商打開大門。后來的商用設(shè)備，依然能夠可以運行在原來由 PLC 主要供應(yīng)商提供的工程工具。其次，客戶將不再被鎖定在單一供應(yīng)商的所有硬件。多年來，現(xiàn)場總線和其他開放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在一定程度上幫助解決了供應(yīng)商鎖定的問題。然而，在最初部署之后的幾十年里，許多客戶的大部分硬件和軟件仍然受 PLC / DCS 供應(yīng)商的支配。綁定的痕跡，非常明顯。最后，它也將顛覆電氣分銷商模式。中間商的地位，變得岌岌可危，不必再經(jīng)過授權(quán)經(jīng)銷商購買 PLC / DCS 軟件和設(shè)備。因為更通用的、商品化的硬件，消除了對這些中間商的需求，中間商為這些產(chǎn)品服務(wù)所取得的利潤也自然一筆抹掉。

　　虛擬化顯然以靈活性、適應(yīng)性見長。完全虛擬化的 PLC 能在很大程度上提高 OT 靈活性，特別是在市場越來越多傾向于小批量多品種的形勢下。而生產(chǎn)線配置的快速性和靈活性是智能制造一種關(guān)鍵特性，虛擬化 PLC 完全可以滿足這一關(guān)鍵點。它采用通用的 IT 設(shè)備進入生產(chǎn)線的控制環(huán)節(jié)，無疑是讓低成本的硬件裝備更先進的自動化系統(tǒng)，促進 OT 環(huán)境中的創(chuàng)新，加速更換品種時所需要的對 PLC 集群的協(xié)同和調(diào)試時間。

　　與此同時，創(chuàng)建正在運行的流程的虛擬版本，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)對更新的流程進行測試，以查看更改對系統(tǒng)的影響，也是生產(chǎn)切換時所迫切需要的功能。PLC 虛擬化甚至能夠在自動化硬件產(chǎn)品供應(yīng)商之間無縫切換。例如，某個制造商采用羅克韋爾的一個產(chǎn)品運行，在他們決定改變生產(chǎn)方向后，可能轉(zhuǎn)移到施耐德電氣的系統(tǒng)為下一個產(chǎn)品運行作準(zhǔn)備。這時虛擬化 PLC 可能不必或極少更改硬件，只需進行應(yīng)用軟件的更改和部署。在 OT 環(huán)境中 L2 以上的各層級的虛擬化，已經(jīng)使得部署補丁、創(chuàng)建備份和支持端點保護等任務(wù)變得更加容易，那么這樣的行動，現(xiàn)在已經(jīng)瞄準(zhǔn)了 L2 的層級，也就是即控制層的設(shè)施虛擬化。

　　如今，大多數(shù) PLC CPU 的處理能力遠(yuǎn)不及商品 IT 的 CPU。即使退一步采用工業(yè) PC 作為 PLC 的 CPU，那也可以獲得可觀的成本節(jié)省。當(dāng)然，工業(yè) PC 并沒有像 PLC CPU 的情況一樣設(shè)計成具有 10 到 15 年的壽命，但這種風(fēng)險可以通過集群和額外的冗余級別來抵消。從信息安全的角度看，虛擬化的 PLC 所能獲得的技術(shù)支持遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的 PLC。譬如虛擬容器也可以允許軟件防火墻來控制出入 PLC 的流量；虛擬容器環(huán)境將運行在 Linux 或 Windows 環(huán)境上，這比傳統(tǒng)部署在 PLC 上的實時操作系統(tǒng)（RTOS）在網(wǎng)絡(luò)安全方面更為健壯。

　　當(dāng)然，PLC 虛擬化要成為現(xiàn)實還面臨著一些挑戰(zhàn)。其中最關(guān)鍵的是如何解決 PLC 的確定性和 IT 云服務(wù)的不確定性；將 PLC 這類特定軟硬件捆綁的產(chǎn)品通過虛擬化形成的外特性和行為一致的軟件，如何解決 OT 行業(yè)中的功能安全的問題；以及 IT 虛擬化以性能為中心的本質(zhì)所帶來的一些基本的挑戰(zhàn)。此外，PLC 的虛擬化還期待著包括 PLC 傳統(tǒng)廠商在內(nèi)的多個供應(yīng)商參與到這一技術(shù)變革中，將這一潛在優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實的供應(yīng)商有可能成為“OT 中的 VMWare”，將具有更大的市場影響力。

　　OT 領(lǐng)域中 DCS、SCADA 和 PLC 這三大最常用的基本系統(tǒng)，已經(jīng)先后呈現(xiàn)出虛擬化的趨勢，也引起了國內(nèi)一些對技術(shù)敏感性較強的企業(yè)的關(guān)注。例如，華為的紫金實驗室與寶信、上海交大的合作，嘗試在確定性 IP 通信的支持下，開展的虛擬 PLC 系統(tǒng)的試驗；中廣核與上海交大、華為合作，針對核電站常規(guī)島的虛擬化 DCS，采用虛擬化控制器的多個熱備份，來替代一對一的硬件備份。參考國際和國內(nèi)在 OT 領(lǐng)域虛擬化的探索，筆者有如下基本判斷：

　　虛擬化在 OT 領(lǐng)域的發(fā)展大有可為，潛力很大，特別是實現(xiàn)低成本的軟件熱冗余，以及實現(xiàn) PLC 集群對生產(chǎn)工藝變化的靈活性和適應(yīng)性，都具有相當(dāng)巨大的吸引力。就單個 PLC 系統(tǒng)或 DCS 系統(tǒng)而言，這還不足以引起管理層的關(guān)注。但對于一個龐大的企業(yè)，虛擬化 PLC / DCS 的變革所帶來的成本優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，業(yè)已獲得了一些高瞻遠(yuǎn)矚的高層管理者的興趣和支持。這正是虛擬化在 OT 領(lǐng)域發(fā)展的廣闊天地和潛在力量。

　　PLC 虛擬化要成為現(xiàn)實還面臨著一些挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的是如何解決 PLC 的時間確定性和 IT 云服務(wù)的不確定性的問題。因為 PLC 常常要面對的是高節(jié)拍、高速度的控制要求，不得不處理掃描時間在 1ms 數(shù)量級的應(yīng)用程序。而相對來說，DCS 和 SCADA 的虛擬化在這方面的要求就沒有那么高。在目前的技術(shù)的支撐下，虛擬化的 PLC 尚只能實現(xiàn)數(shù)量級約為 10ms 的應(yīng)用程序，那么虛擬化 PLC 的應(yīng)用場景就應(yīng)該有所局限。例如創(chuàng)建適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運用邊緣服務(wù)器和邊緣 I / O 的虛擬化解決方案，就可以規(guī)避虛擬化 PLC 帶來的時間確定性不足的問題。同時也沒有必要去嘗試采用虛擬化 PLC，去解決運動控制的問題。

　　目前較為合適的解決方案，看起來是在云服務(wù)器上實施虛擬化 PLC 的部署和監(jiān)控，在邊緣服務(wù)器上實施虛擬化 PLC 的運行控制。這一解決方案適合規(guī)模較大的 PLC 集群系統(tǒng)。

　　整體而言，傳統(tǒng) PLC 的一系列突出優(yōu)勢，諸如能在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下長期可靠運行，易用性好，模塊化程度高，易于維護等。如何在新的情況下能夠得到繼承和發(fā)揚，是需要經(jīng)歷磨練和積累經(jīng)驗的，這都有賴于依靠在 OT 領(lǐng)域內(nèi)富有實際經(jīng)驗，又能解決實際問題的工程技術(shù)人員。就這個意義上講，虛擬化 PLC 要在工業(yè)控制中站穩(wěn)腳跟，發(fā)揚光大，必須重視現(xiàn)有的傳統(tǒng) PLC 從業(yè)人員的作用。虛擬化 PLC 的技術(shù)改革，絕不是僅僅依靠純粹軟件開發(fā)人員所能勝任和推進的。米樂M6 M6米樂米樂M6 M6米樂米樂M6 M6米樂