虚拟化，云分析

工业虚拟化前往厂房

最终用户在其信息技术（IT）服务器室和台式机中对虚拟化感到舒适，现在可以使用工业可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动化控制器（PAC）来实现许多类似的优点。

由Vibhoosh Gupta. 2019年12月4日

礼貌：艾默生

商业上可用的技术在消费者和信息技术(IT)领域的应用速度几乎总是比工业上的同类技术快。例如，多年来，虚拟化技术在IT环境中已经很常见，尤其是在基于服务器的应用程序中。另一方面，工业自动化操作技术(OT)应用在采用虚拟化方面落后了好几年。

今天，虚拟化已经成为几乎所有OT产品、实践和应用程序的主流，尽管它仍然经常用于机房环境。现在OT系统服务器为可视化、历史记录、冗余和其他用途托管多个虚拟机(vm)是很常见的。

自动化工程师使用基于桌面的虚拟化来快速创建开发和测试系统的实例。虚拟化可以快速部署系统、优化资源使用和备份配置。

虚拟化的概念和优点通常与PC和服务器相关联，但它们可以在其他地方使用。最近，虚拟化能力已扩展到用于过程和机器自动化的更专业和强大的工业可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动化控制器（PACS）。

这为最终用户创建了更多的选项，例如支持在更接近数据源的地方进行分析。它还提供了其他好处，包括提高生产力、效率和安全性。

虚拟化概念

虚拟化的基本定义是提供在单个硬件平台上运行多个VM软件操作系统（OS）的能力，允许一台物理计算机更加多的虚拟计算机。每个VM必须独立运行。

图1：该图描绘了单个1型虚拟机管理程序如何在工业控制器上管理两个虚拟OSS，RTOS用于实时控制和用于边缘处理的客户操作系统。礼貌：艾默生

有两种类型的虚拟化，类型1和类型2，具体取决于管理程序所在的位置。管理程序是主机上运行的硬件，固件和软件的组合，并管理Guest虚拟机。

类型2可以称为“托管”的虚拟化用于桌面和服务器PC，其中管理程序在已在硬件上运行的传统主机OS之上运行。这将创建虚拟“沙盒”，其中多个OSS可以同时运行，但由于底层操作系统，它会增加延迟。

1型虚拟化，有时称为“本机”，使用直接在裸机硬件上运行的虚拟机管理程序，而无需底层操作系统。管理程序将硬件本身分区为每个操作系统。这导致非常低的延迟和抖动，这是实时确定性或时间敏感应用的理想选择。类型1提供比2类型更高的性能，因为它可以直接访问由于主机OS系统而导致的延迟的硬件。

直到最近，虚拟化在厂房层面并不实用或可能。现在，利用多个处理器核心和虚拟化的新类别PLC和PAC的开发提供了将相同的虚拟化概念扩展到工业控制器中，提供综合方法。

工业控制器和虚拟化

典型自动化应用中常见的一类工业控制器是PLC，它使用专用处理器和特定的实时操作系统(RTOS)来提供高速的确定性控制。虚拟化PLC功能的挑战是保持高速确定性。

今天，商业PC世界有硬件进步，如多核处理器和大型内存。通过使用多核技术和1型虚拟化，工业控制器平台现在可以在同一处理器上运行多个OSS，包括RTOS用于控制，这对于对确定性和速度没有影响（图1）。第二个Linux客户操作系统可用于其他边缘处理。随着可用核心的数量未来增加，即使可以部署更多OSS。

对于边缘位置的控制器，运行多个操作系统的可能性是一个巨大的转变(图2)。主要关注的是维护一个健壮的RTOS的控制功能，就像plc一样，这样自动化功能就不会受到损害。辅助操作系统作为实时操作系统的补充，提供额外的计算选项。两个操作系统必须是独立的，但要保持交互的能力。

图2:能够虚拟化的工业控制器，如艾默生的结果优化控制器(OOC)，包括多个处理核心、众多数字通信端口，以及支持控制RTOS和通用操作系统的并行操作的其他特性。礼貌：艾默生

运行两个OSs的概念在一个edge-located工业控制器可以进一步解释的“内部”和“外部”循环,这可能是用户熟悉的级联过程控制回路(图3)。在这种情况下,内部循环的RTOS VM控制,而外层循环是一个标准的操作系统虚拟机添加功能。例如，内环可以监控流程流输入，执行比例-积分-微分(PID)计算，并命令控制阀输出。外回路可以告知内环最优流量，但不影响内环运行。

解释内部和外环概念的另一种方法是与导航汽车有关的类比。内循环由驾驶员的直接注意将车辆驱动到目的地，而外循环可以是汽车的仪表板导航系统提供补充信息。

因此，即使外循环经历问题，内循环也必须始终携带操作，始终必须携带操作而不会失败。另一方面，外循环是有价值的，但不是必需的基本系统操作。以下部分进一步探讨了这一概念。

控制仍然是内循环

PLC提供自动化设备和流程所需的专用功能，强大的包装和输入/输出（I / O）连接。这些设备已获得处理电源和网络功能，以便使用更高级别的系统更好地交互，具有更高级的版本通常称为PAC。但是，PLC和PACS仍然非常致力于其角色。

PLC和PACS使用许多类型的编程语言;梯形逻辑是最受欢迎的。PLC性能的基本测量是控制器可以通过梯形逻辑扫描的速度快，通常以毫秒为单位测量。必须处理所有其他开销任务，以便保留确定性扫描时间。PC中的操作系统不是毫秒控制的好候选者，因为它必须处理许多乘坐特色，例如图形和用户界面。

在维护等效功能的同时使用基于控制器的VM取代PLC或PAC需要使用RTOS。该RTOS提供内部环路PLC功能所需的功能，而无需任何性能粘合功能。

扩展功能位于外环

由于控制功能仍然是相同的，因此控制器虚拟化的真实优点是添加以协作方式仔细集成的外环Linux VM。此VM可以做任何专用PC，但以较低的成本为单位，并以更紧凑的形状因子打包，无需将PC集成到控制器上。

工业用户没有必要马上利用额外的操作系统，因为他们可以使用一个虚拟控制器来实现基本的PLC功能。然而，许多用户发现一个通用的Linux操作系统可以通过以下方式增强他们的应用程序:

运行机器学习元素
执行分析
与云沟通
使用Messaging排队遥测传输（MQTT）或其他发布订阅模型以交换信息
执行优化计算以通知控制器VM
驾驶本地显示器
网页服务。

这些功能有需要上游计算资源。用户可以从优势所在的OS中实现这些功能的效率，因为它们正在利用本地可用的处理能力并尽可能靠近源代理数据。这消除了计算和简化网络使用的层。驱动本地显示器或直接提供控制器的网页的能力是其示例。

图3：使用虚拟化，艾默生的OOC使用实时“内部”循环进行直接控制，这可以通过通用“外部”环路建议，其中可以执行高级优化。礼貌：艾默生

这些功能中的一些在标准PLC中可以在今天的标准PLC中，但必须仔细执行将这些功能添加到传统的PLC中以防止重载。此外，当传统PLC中添加高级功能时，它意味着用户必须在主动控制环境中工作以进行更改，这会增加自动化中断的风险。

当正确实现时，外环VM允许用户安全地在更靠近数据源的边缘执行处理，该数据卸载上游网络和处理要求。

其他控制器虚拟化考虑因素

为了性能和安全原因，强调了在虚拟化的工业控制器中维持RTOS和通用操作系统之间的分离，但VMS仍然必须有一种用于互相互动和外界的手段。两项策略使这成为可能。

首先是使用单独的以太网端口设计控制器，每个控制器专用于特定的VM OS并通过其他VM OS隔离，从而通过消除除了它相关的VM以外的端口的可能性来提供安全性。通常，RTOS端口将用于I / O通信，而OS端口将用于与外部世界的连接。孤立以太网端口确保从外部世界的OS网络上的网络攻击无法影响RTOS网络。相同的概念扩展到其他硬件接口，如USB端口。类型1虚拟化虚拟机管理程序可以以这种方式划分VM之间的硬件。

其次，虚拟化PLC和PACS应被配置为允许VM仅通过标准预定义接口进行交互，例如在两个VM之间运行安全协议的虚拟网络接口卡。在工业环境中，OPC UA正在成为安全协议的首选平台。

使用此方法，RTOS VM可以向OS VM提供现场信息，OS VM可以通知RTOS VM。这是一个用户定义的数据交换，用户仅在两种VM之间暴露基本数据并执行确保鲁棒RTOS操作所需的任何验证。

通过控制器虚拟化未来校样

虚拟化的plc和pac在边缘提供了设备整合，这反过来提供了性能提高和成本节约。在边缘进行配置的优化可以在简化架构的同时实现更智能、更高效的机器。用户可以创建在边缘执行的影响分析，并在不影响实际控制过程的情况下更新或升级这些和其他应用程序。这是一种比修改操作plc的“始终打开”代码更安全的方法。

最终用户通常更喜欢控制器虚拟化方法，因为它给出了它们所需的控制类型功能，同时添加可选的计算层。未来的未来证明他们的设计是因为它们可以根据需要而没有昂贵的硬件更换。

一些用户认为控制器虚拟化类似于他们的智能手机，智能手机首先是一部手机，但也提供了许多其他有用的功能，作为额外的应用程序。这种面向未来的技术确保了当前的投资将得到保护，而无需预测未来OT和IT发展的确切路径。

Vibhoosh古普塔是一个投资组合领导者艾默生的机器自动化解决方案业务部门。Chris Vavra编辑，助理编辑器，控制工程，CFE媒体，cvavra@cfemedia.com。