虚拟化可编程逻辑控制器

大多数工业自动化应用要求控制设备和相关输入输出(I/O)元素具有高可靠性和可用性。Modicon(现在的施耐德电气)于1968年推出了第一个离散可编程逻辑控制器(PLC)， Allen-Bradley于1971年创造了PLC这个术语。从那时起，plc被广泛采用，作为制造业生产线的控制手段。尽管它们通常使用一组PLC来精确地执行I/O控制，但每个PLC都需要通信端口和一个控制器单元，使其体积庞大且昂贵。一旦部署，更新程序的成本也很高。

基于商用现货(COTS)基础设施的虚拟化plc (vplc)可以取代大量单独的控制器“盒子”及其电子器件。这就是边缘计算，即信息技术(IT)云基础设施位于车间机器附近。这使得它能够满足极低延迟和短控制周期的严格要求。本文假设边缘计算基础设施位于工厂内部。这实现了范式转换，在边缘节点上互连大量vplc，以提高操作效率。尽管vplc只是偶尔被采用，但随着边缘计算的出现，这种架构可能会变得越来越重要。在数据中心中，在功能强大的服务器上虚拟化数据库和应用程序一直是最先进的技术。

虚拟化是一种将逻辑功能(软件)与物理设备分离，并在商用硬件上运行的能力。虚拟化降低了成本，增加了灵活性和可伸缩性，并提高了IT的可靠性和性能。在过去的十年中，我们已经看到许多供应商在虚拟化环境中支持他们的监控和数据采集(SCADA)和分布式控制系统(DCS)平台，这导致了操作技术(OT)环境中的虚拟化越来越多。

最近，我们看到许多DCS供应商在需要提高超出其当前控制器系列的性能并为战略客户降低控制器成本的情况下部署了虚拟控制器cpu。这些虚拟DCS控制器运行在商用IT硬件上，如Windows或Linux服务器。

集成的、基于边缘的架构

可以想象以下情况:从车间移走离散plc，其控制功能以vplc的形式托管在边缘数据中心，具有适当的计算能力和与自动化系统的网络连接。服务器已经可以同时处理数百个vplc，但具有虚拟化和网络和存储共享资源的标准IT服务器无法充分满足OT行业对可靠性和实时行为的要求。为此，需要能够运行实时工作负载的工业边缘服务器。只有I/O停留在机器、传感器、执行器和驱动器的本地。包括实时控制在内的工业工作负载的一些示例如图1 - 1所示。

与基于单个plc的去中心化架构相比，集成架构在没有功能变化的情况下显著降低了资本和运营支出，因为大量虚拟化plc可以托管在一台服务器上。

vplc和传统plc之间的明显区别可以在灵活性和可扩展性上看到。通过虚拟化控制功能并在边缘数据中心中运行，虚拟控制器之间的交互变得更加简单。虚拟控制器之间的通信可以通过单个服务器内的函数调用来实现，与传统的物理分离plc之间的通信相比，提高了可靠性和可扩展性。便于生产线的更新和重新设计。通过在数据中心运行虚拟控制功能，它就像生产线的“数字双胞胎”，有助于模拟和预测物理对口的行为。

从边缘数据中心的现场级访问数据的可能性意味着可以实时进行控制和数据分析，这对于自动化系统的诊断、维护、优化和智能反应的变化是非常理想的。大数据分析不是“在”运行，而是“平行于”同一边缘服务器上的控制。因此，现代人工智能和机器学习算法可以在这里应用，而不会干扰现有的控制过程。由于控制功能托管在相同的边缘基础设施上，从数据分析到控制的反馈循环也可以在这里实现，从而开辟了新的优化选项。

四个实现挑战和考虑因素

为什么这种架构(还)不流行?调查发现了四个理由:

1. 当前的架构经过了尝试和测试:成本优势，灵活性和优化是可取的，但收益是不值得的。“永远不要碰正在运行的系统”，除非在资本和运营支出方面有重大收益。
2. 服务级别协议和责任:工厂和工厂操作员从供应商或系统集成商那里购买了“封闭”解决方案。这通常有封闭的接口，所以机器不能适应不同的控制架构。如果机器没有按预期工作，供应商或系统集成商必须修复它。
3. 技术风险:集成服务器平台的可靠性和确定性不够可靠，不能将关键控制功能外包给它们。边缘数据中心控制器的响应时间也可能由于网络的原因而不可靠。
4. 组织的障碍:为了实现这种集成平台，控制专家需要新的技能。公司中能力的分布通常与集成的体系结构不兼容。

必须为每个应用程序判断边缘控制虚拟化的优势。作为工业4.0战略的一部分，边缘计算基础设施对于对灵活的生产流程和反应性流程变化有很高要求的应用是值得的。

技术风险是具有挑战性的，但最近的发展表明已经有了可能:

必须为每个应用程序判断在工业边缘虚拟化控制的优势。在实时数据采集和边缘分析中，优势可以在更依赖于灵活的生产工艺和反应性工艺变化的应用程序中找到，这是工业4.0战略的一部分(批量大小为一个)。由于其灵活性，边缘计算基础设施值得应用于对自动化动态变化有很高要求的应用。技术风险相当具有挑战性，但最近的一些发展表明，这已经成为可能:

• 实时操作系统和虚拟机管理程序解决方案已经提供了保证可靠的资源分区机制，例如CPU内核和当前多核CPU的缓存，因此可以实现像“裸机”一样的实时性能，而不是虚拟化和相关的运行时波动。内核越多，可以同时独立运行的实时应用程序就越多。
• 硬件支持的本地以太网接口网络虚拟化使多个应用程序能够彼此独立地使用同一服务器上的网络资源，并且网络中所需的带宽是实时可用的。时间敏感网络(TSN)和确定性IP在网络中提供了一种机制，可以通过以太网独立地传输来自不同应用程序的实时数据，并且不受保证延迟的干扰。
• 对于各种现场总线协议，如Ethercat和Profinet，已经有了通过TSN定义“隧道”的规范。这使得现场级的I/O可以通过一个网络与边缘数据中心中的vplc通信，就像它们通过现场总线直接连接一样。
• 应用程序和管理的独立于制造商的接口是一种强烈的趋势。OPC基金会运动工作组目前的规范工作旨在确保基于OPC UA发布/订阅的控件和运动控制设备(驱动器，I/O)之间的独立于供应商的互操作性。类似的基于OPC UA和TSN的制造商独立互操作性标准已经被其他工业联盟和协会(例如Euromap和OPAF)采用。制造商独立的管理接口也可能发挥作用。

有了这些机制、技术和标准，集成和基于边缘的架构就可以实现，因为它已经在各种测试平台和演示中实现了。

在编程和运行时行为方面，控制模型没有任何变化:即使最终的控制应用程序是作为虚拟PLC实现的，并且仅通过现场总线接口与现场级通信，IEC 61131编程模型也可以不加修改地使用。与此同时，个别的开发已经旨在根据IEC/EN 61499对分布式控制的要求扩展集成架构。

组织方面的挑战不容忽视。用于托管控制的边缘平台的配置、调试和维护与PLC的编程和操作是不同的任务。因此，控制应用程序的生命周期仍然是这些应用程序的专家的领域，而IT部门负责安装和维护边缘服务器以及在其上运行的托管基础设施。根据自动化行业的要求，确保鲁棒性和确定性的基本接口必须包含在经过认证的边缘计算平台产品中，因为这种能力通常既不属于控制专家，也不属于IT部门。

但这并没有改变基本模型中的任何东西。图2 - 1显示了一个假设的自动化平台的潜在架构。

展望未来

集成的基于边缘的自动化控制体系结构并不是最先进的。目前的体系结构，其中大多数控制器在其应用中实现为硬件PLC，是很好的。然而，如果需要更大的灵活性，将边缘计算体系结构中的虚拟控件与边缘节点和边缘数据中心集成在一起的方法和技术可以带来巨大的好处。

完全的PLC虚拟化要成为现实还面临许多挑战。例如，plc的确定性本质与其他传统云服务(如办公应用程序)的不确定性、以性能为中心的本质之间存在根本区别。如果没有一个或多个供应商参与这一技术转变，完全的PLC虚拟化不太可能实现。创造这一现实的供应商将作为“OT的VMWare”拥有更大的市场影响力。

业务注意事项

虽然在工业控制中使用虚拟plc为集成最近开发的ICT技术的所有进步提供了机会，但制造业的采用率可以提高。我们建议在绿地部署时部署vplc。为了获得最大的效益，它们应该与生产线上的执行器和传感器集成，并使带vplc的控制器成为智能工厂支持子系统的一部分。

David Lou博士华为技术有限公司首席研究员;乌尔里希伯爵，华为技术有限公司高级工程师;Mitch Tseng博士本文最初发表于IIC JOI。的工业物联网联盟是CFE Media的内容合作伙伴。由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com。

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