零、前言

互聯(lián)網(wǎng)是一個頗具顛覆性和侵略性的思想和體系，從它的誕生之日起短短十多年時間，就跨界打擊多個行業(yè)并取得巨大成功。總結(jié)起來，互聯(lián)網(wǎng)的核心思想就是規(guī)模經(jīng)濟，以規(guī)模形成經(jīng)濟效應，即在初始階段，進行大規(guī)模的資本投資，提供滿足基本需求的產(chǎn)品，大規(guī)模的發(fā)展客戶，以求達到規(guī)模經(jīng)濟性。并在達到一定規(guī)模后就開始多元化批量復制這種規(guī)模經(jīng)濟，形成多元化的規(guī)模發(fā)展。因為互聯(lián)網(wǎng)每新增加一種產(chǎn)品的存儲、營銷等成本可以趨近于零，所以互聯(lián)網(wǎng)的這種特質(zhì)決定了其針對各個行業(yè)必然具有天然的侵略性和顛覆性。

在互聯(lián)網(wǎng)向工業(yè)控制系統(tǒng)領域逐漸***之后，誕生了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等市場營銷概念和體系。這些概念喧囂塵上，一時滿城風雨。喧囂之后可能歸于沉寂，然而來自互聯(lián)網(wǎng)的***已不可阻擋。

天下大勢，浩浩蕩蕩，順之者昌，逆之者亡。作為工業(yè)控制系統(tǒng)從業(yè)者，我們應該拋開市場營銷的概念迷霧，去追尋互聯(lián)網(wǎng)概念下工業(yè)控制系統(tǒng)的技術變革。在這樣的變革時代，工業(yè)4.0、智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等倡導的理念及其技術的實現(xiàn)將不得不在短時間內(nèi)重新配置，因此需要重新靈活配置工業(yè)控制系統(tǒng)的核心設備PLC。如何來靈活配置PLC成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)真正實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)的的背后支撐。因此本文從這樣的角度出發(fā)，描述了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的背后核心技術。

壹、工業(yè)控制系統(tǒng)的核心PLC

可編程邏輯控制器，英文稱Programmable Logic Controllers，簡稱PLC（本文在后續(xù)一律簡稱PLC）是帶有模塊化組件的小型工業(yè)計算機，旨在自動化定制控制過程。我理解的控制過程就是通過程序?qū)ξ锢碓O備進行控制的過程，而這個程序就是通過邏輯表達的形式實現(xiàn)的（梯形圖或其他PLC編程語言）。在PLC內(nèi)部，將真實物理設備通過一個符號或字符串進行邏輯表示，因此編寫的程序就是對這些邏輯進行編程和組合、循序控制的過程。這個控制過程是可編程的，可自定義的。因此稱之為可編程邏輯控制器（PLC）。

PLC一直在發(fā)展中，至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會（IEC）曾先后于1982年11月、1985年1月和1987年2月發(fā)布了PLC標準草案的第一，二，三稿。在第三稿中，對PLC作了如下定義：可編程邏輯控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程邏輯控制器（PLC）及其有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。

在工業(yè)控制系統(tǒng)領域內(nèi)，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的物理機器和生產(chǎn)線通常由硬件PLC控制，這也被認為是當前最優(yōu)化的解決方案并以此驅(qū)動工業(yè)自動化進程多年。為了更好地理解PLC的目的，讓我們看一下PLC的簡史。

工業(yè)自動化在PLC之前就已經(jīng)開始了。在20世紀早期到中期，工業(yè)自動化通常使用復雜的機電式繼電器電路來實現(xiàn)。機電繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），當輸入量（如電壓、電流、溫度等）達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導通或斷開的電器。但是，通過繼電器這種架構(gòu)制造簡單的自動化所需的繼電器、導線和空間的數(shù)量都存在很多問題。一個簡單的工廠控制過程的實現(xiàn)就需要成千上萬的繼電器！如果邏輯電路中有什么東西需要更改的話，那更是災難性的。

1968年，第一臺可編程邏輯控制器（PLC）問世，取代了工業(yè)生產(chǎn)中復雜的繼電器電路實現(xiàn)的工業(yè)自動化控制。最開始提出明確想法的是美國通用公司。在1968年的時候他們想要一臺可以取代繼電器控制的裝置。次年，美國數(shù)字設備公司為通用公司研制出了第一臺可編程控制器PDP-14，并且試用成功，這就是世界上第一臺PLC。到70年代后期，PLC開始進入快速發(fā)展階段，運行速度快速提升，小型化也有實質(zhì)性的進步。80年代初開始在西方國家廣泛應用，并快速成長，那段時間可謂是PLC的黃金時期。之后又發(fā)展了大型機和超小型機。到21世紀，PLC規(guī)模不斷擴大，I/O點數(shù)增加，多CPU并行工作，大容量存儲，高速掃描等，模塊化、標準化成為主流，成本大幅度縮減，應用更加廣泛。

PLC的設計可以讓熟悉繼電器邏輯和控制原理圖的控制工程師和技術人員能夠輕松編程。其中最初始的實現(xiàn)就是梯形圖邏輯，該邏輯被設計用來模擬控制電路原理圖。梯形圖看起來像是控制電路，其中電力從左到右通過閉合觸點來激勵繼電器線圈。如下圖1所示：

圖1--梯形圖邏輯示例

上圖的梯形圖看起來像簡單的控制電路原理圖，左側(cè)顯示開關、按鈕、傳感器等輸入源，右側(cè)顯示輸出源。通過這樣的梯形邏輯等直觀的界面編程來實現(xiàn)復雜的自動化過程，比使用之前的繼電器更加便捷高效，而且過渡到PLC的學習成本也降至最低。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產(chǎn)實踐。

而基于這樣的梯形圖邏輯進行編程，只需要根據(jù)現(xiàn)場工廠環(huán)境的的生產(chǎn)流程對照編程梯形圖邏輯即可，從而實現(xiàn)控制過程的可編程性。這個可編程邏輯控制器（PLC）雖然是可編程的，但是和現(xiàn)今熱炒的軟件定義還是有一些區(qū)別，主要在于可編程邏輯控制器（PLC）的可編程性具有一定的限制條件。即每臺可編程邏輯控制器（PLC）對其進行編程，都需要特定的編程軟件將程序?qū)崿F(xiàn)之后，通過和可編程邏輯控制器（PLC）通訊來實施最終的控制過程程序的上載。可編程邏輯控制器（PLC）介于傳統(tǒng)硬件設備和軟件定義之間，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面的可編程性，但是控制平面并沒有抽離出來實現(xiàn)統(tǒng)一集中控制。

PLC是為了應對機電繼電器復雜的機器控制而開發(fā)的。目的是開發(fā)更靈活的控制系統(tǒng)，減少機器停機時間，并用這種新設備執(zhí)行邏輯功能。從PLC開發(fā)出來到現(xiàn)在，確實也達到了最初設計和開發(fā)的目的。PLC已經(jīng)在工業(yè)自動化領域默默奉獻了有幾十年的歷史，即使在對安全至關重要的應用中，它們也已經(jīng)實現(xiàn)了對機器進行控制的可靠性。以至于幾乎所有的現(xiàn)代工業(yè)自動化的控制器都是由PLC實現(xiàn)，在工業(yè)環(huán)境下，PLC幾乎無所不能。

貳、工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢

第一次工業(yè)革命發(fā)生于18世紀到19世紀，通過創(chuàng)造新的制造工藝改進了生產(chǎn)流程從而促進了社會的進步。當時的制造業(yè)主要依賴于手工進行商品的生產(chǎn)，而誕生于英國的第一次工業(yè)革命改變了這種狀況，使得機器制造業(yè)能夠更好地利用水和蒸汽動力促進生產(chǎn)力提升。而這些改進的創(chuàng)新思想和體系在第二次、第三次工業(yè)革命中自然也起了很大的作用。正在進行的工業(yè)革命是第四次工業(yè)革命，也被稱為工業(yè)4.0（德國提出）或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（美國提出）。工業(yè)4.0的基本概念與其他工業(yè)革命相同：通過改進業(yè)務流程和制造工藝，減少生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)材料成本，減少制造缺陷產(chǎn)品的數(shù)量，并通過創(chuàng)造能夠代替人工作的機器來使工業(yè)制造更容易。

工業(yè)4.0或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是正在進行的工業(yè)革命的術語。它最初是指制造業(yè)的數(shù)字化，但實際上也指醫(yī)療、物流、石油和天然氣等其他行業(yè)的數(shù)字化。也指我們經(jīng)常聽到的有關智能工廠，智能城市或智能設備的概念。工業(yè)4.0是關于物聯(lián)網(wǎng)（IoT），網(wǎng)絡物理系統(tǒng)（CPS），信息技術（IT）和操作技術（OT）的融合，其中，變革首先從信息技術領域引發(fā)，云計算，機器學習和大數(shù)據(jù)等IT技術引導現(xiàn)代信息企業(yè)采用新的業(yè)務模式，改進自身業(yè)務流程和運營效率，提升企業(yè)核心競爭力。而這些IT新技術的發(fā)展解決了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和傳統(tǒng)企業(yè)共同的一個訴求，即解決規(guī)模不斷擴張、業(yè)務快速變化的挑戰(zhàn)，同時還有效控制成本。在傳統(tǒng)企業(yè)中，其他類型的企業(yè)愿意通過在早期階段部署新技術來承擔風險，而工業(yè)企業(yè)可能會更謹慎。由于工業(yè)環(huán)境的特殊性，工業(yè)企業(yè)的這個訴求是否能夠借鑒互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的成功還是一個未知數(shù)。為了克服這個門檻，這個行業(yè)需要創(chuàng)新，因此類似工業(yè)4.0等概念和體系的興起，目的就是為了進行大量的研究、測試和實施這些技術變革引導到工業(yè)企業(yè)中。

關于實踐的最新進展情況，我們通過分析傳統(tǒng)的自動化金字塔模型來進行說明。傳統(tǒng)的自動化金字塔（圖2）代表了當今工業(yè)控制系統(tǒng)領域的一個典型模型。從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設備都處于現(xiàn)場級，用于控制這些現(xiàn)場級物理設備的數(shù)據(jù)和動作處于第二級，第二級通過使用PLC等物理硬件來控制現(xiàn)場級的物理硬件。第三個級別是一個數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控級別，允許用戶通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)視和控制他們的工業(yè)控制過程。SCADA是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的縮寫，典型的SCADA架構(gòu)包括傳統(tǒng)自動化金字塔的前三個級別。MES和ERP系統(tǒng)則在SCADA架構(gòu)之上。MES代表制造執(zhí)行系統(tǒng)，它是指實時監(jiān)控制造數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。MES系統(tǒng)可以跟蹤整個生產(chǎn)過程的貨物情況。企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)提供了自動化金字塔的最高級別。ERP系統(tǒng)管理核心業(yè)務流程的實時監(jiān)控，如生產(chǎn)或產(chǎn)品計劃，物料管理和財務情況等。

圖2--傳統(tǒng)的自動化金字塔

工業(yè)4.0和網(wǎng)絡物理系統(tǒng)到來后，傳統(tǒng)的基于該金字塔模型的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生變化。首先在最頂層的ERP和MES就逐漸實現(xiàn)互聯(lián)和融合，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上層聯(lián)動，并最終利用云計算、大數(shù)據(jù)乃至人工智能的數(shù)據(jù)存儲和運算的優(yōu)勢將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行深度挖掘和加工，并最終輸出優(yōu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于提高生產(chǎn)效率。而在下層的生產(chǎn)執(zhí)行層設備和系統(tǒng)，則也處于智能和重構(gòu)階段，比如最終生產(chǎn)數(shù)據(jù)的終端以及產(chǎn)生變化，包括人們身穿的跑鞋、智能工廠里面的智能生產(chǎn)線，這些從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設備已經(jīng)在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展并且已經(jīng)取得成績。因此可以發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)40時代，工業(yè)控制系統(tǒng)最終的體系變革是將傳統(tǒng)的金字塔模型從兩端進行變革。準確一點來說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重的是上層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的技術變革，即工業(yè)控制系統(tǒng)和云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等的融合，提倡將工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上載到工業(yè)云上，利用云進行數(shù)據(jù)挖掘和分析從而優(yōu)化生產(chǎn)的過程。所以在現(xiàn)在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)上，其體系架構(gòu)實現(xiàn)要么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺直接和PLC設備直接采集PLC上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，要么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺采集工業(yè)控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，要么就是開發(fā)出一個數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關，通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關將所有數(shù)據(jù)全部采集后，網(wǎng)關再將數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上來說就是一個將工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部匯聚到一個云計算平臺上。工業(yè)4.0則側(cè)重于實現(xiàn)底層從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設備的數(shù)字化和智能化，并且實現(xiàn)這些終端設備直接將該數(shù)據(jù)上傳。上傳的平臺可能是MES，歷史數(shù)據(jù)庫也可能是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。對大多數(shù)企業(yè)來說，工業(yè)4.0首先要實現(xiàn)的第一步就是通過MES系統(tǒng)對生產(chǎn)系統(tǒng)所有相關子系統(tǒng)進行垂直整合和數(shù)字化，以實現(xiàn)實時的工廠運營透明度。同時橫向整合還包括功能區(qū)的連接。在此MES起到了信息轉(zhuǎn)盤的核心元素功能，對大數(shù)據(jù)進行收集、分析、處理以及為支持其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

在自動化控制誕生之前，系統(tǒng)和機器的生產(chǎn)必須依靠手工進行操作。而自動化所帶來的好處是，將那些需要重復操作的環(huán)節(jié)利用自動化控制實現(xiàn)，解放了人的雙手并實現(xiàn)了諸多優(yōu)勢--從縮短上市時間到減少故障產(chǎn)品均能夠很好表現(xiàn)自動化控制的優(yōu)點。盡管如此，隨著市場需求的不斷增長，人們還是嫌棄現(xiàn)有的自動化控制無法滿足生產(chǎn)效率的需求，而實質(zhì)也是這樣。人們需要更多的靈活性來保障快速的產(chǎn)品生產(chǎn)上市銷售，靈活性是現(xiàn)在工業(yè)自動化的關鍵和重點。這些靈活性表現(xiàn)在：越來越多的工廠數(shù)據(jù)應該是可復用的，邏輯代碼應該是易于移動和可重用的，系統(tǒng)應該是模塊化和可擴展的，生產(chǎn)企業(yè)應該根據(jù)自己的需求選擇他們的優(yōu)選供應商而不是現(xiàn)在的綁定銷售等等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的這些實現(xiàn)支持了未來工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴展性的需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使得我們的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以進行規(guī)模化集中存儲，實現(xiàn)以前不可能實現(xiàn)的大數(shù)據(jù)，并利用云計算平臺前所未有的計算能力對這些大數(shù)據(jù)進行分析，挖掘和優(yōu)化生產(chǎn)效率。工業(yè)4.0使得現(xiàn)場設備、機器和工廠已經(jīng)變得“更智能”，所以我們可以談論智能設備、智能機器和智能工廠。但是，我們會發(fā)現(xiàn)，無論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0，均未對工業(yè)控制系統(tǒng)的的“大腦”PLC做出任何更進一步的技術變革。這種兩頭重中間輕的現(xiàn)象，就好比是高速路上的收費站，光高速路擴寬遠遠不能夠?qū)崿F(xiàn)更大的汽車吞吐，矗立與高速路上的各個收費站才是這條路上的瓶頸點。因此現(xiàn)在針對收費站都需要設置更多收費窗口、實現(xiàn)電子收費等等舉措改革而適應高速快速增長的車流。適用于工業(yè)控制系統(tǒng)領域也是一樣，控制的核心PLC設備不能夠靈活擴展，無疑這一限制將會大大減弱工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴展性。

因此目前業(yè)界針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術體系探索，重點將圍繞PLC展開。

具體來說實現(xiàn)PLC靈活性和可擴展性的方案主要有以下兩種：

1、實現(xiàn)PLC虛擬化。利用PLC虛擬化是虛擬PLC（vPLC）取代傳統(tǒng)硬件PLC；

2、PLC硬件重構(gòu)，實現(xiàn)下一代新型和智能的PLC設備，取代傳統(tǒng)硬件PLC。

這兩種技術是目前工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化的技術熱點和研究方向，至少從理論實現(xiàn)的角度上來說，實現(xiàn)PLC虛擬化將最大程度的保障現(xiàn)有的大部分廠家及其用戶的現(xiàn)有利益，并且基于信息系統(tǒng)的成功案例，使得大家對其實現(xiàn)信心滿滿。另外的PLC硬件重構(gòu)，主要以軟件定義思想為核心，將PLC硬件的邏輯運算平面和邏輯控制平面進行分離，PLC硬件將實現(xiàn)通用的邏輯運算，統(tǒng)一由控制器進行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。

叁、PLC的虛擬化和軟件定義

虛擬化和云計算在ICT領域取得巨大成功，其創(chuàng)新程度甚至顛覆了整個ICT舊有的架構(gòu)體系，從里到外全部翻了一遍。其效果也是相當顯著，至少將現(xiàn)在的ICT環(huán)境的運營成本利用虛擬化和云計算技術已經(jīng)顯著降低，至于降低多少，降低到什么程度，我相信這是一個眾口難調(diào)的數(shù)字。但是至少使用虛擬化和云計算的企業(yè)，已經(jīng)享受了其帶來的好處，并且當前虛擬化和云計算技術已經(jīng)成為辦公室和企業(yè)界最先進的解決方案。但是在工業(yè)應用中部署這些技術和解決方案并不容易，因為在工業(yè)環(huán)境中，要求通常很高，系統(tǒng)故障、實時性等對工業(yè)生產(chǎn)和應用來說是至關重要的。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0舊是著手于解決虛擬化和云計算等先進IT創(chuàng)新技術運用于工業(yè)領域并提高工業(yè)生產(chǎn)效率的變革和技術實現(xiàn)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的實踐當中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術在當前來說，是否已經(jīng)如此發(fā)達和可靠，以至于它們可以在需要滿足穩(wěn)定性和實時計算等較高要求的工業(yè)控制環(huán)境中使用，這是值得懷疑的。但是從一些公開發(fā)表的案例和統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，制造商已經(jīng)開始從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術中受益，這些受益的部分主要是利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0技術，他們可以使用實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)來幫助更有效地規(guī)劃生產(chǎn)過程，從而提高生產(chǎn)效率和降低運營成本。這些案例的成功使得人們在備受鼓舞的同時，積極投入成本研發(fā)下一步的技術解決方案和完善當前技術實現(xiàn)。在當前，類似西門子等工控設備廠商和從事IT領域的虛擬化云計算廠商均將目光投入到嘗試虛擬化控制平面上面，使用軟件而不是物理硬件來降低運營成本，并擁有更加靈活的控制環(huán)境。PLC虛擬化或軟件定義的PLC，換句話說，使用虛擬PLC（vPLC）或軟件定義的PLC是他們下一步研究和實現(xiàn)的目標。至少從目前的技術實現(xiàn)和研究方向上以及IT的成功經(jīng)驗上看，大勢是如此的。

PLC虛擬化或軟件定義的PLC，其技術思想都是將傳統(tǒng)專用的硬件功能解耦。因為在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0時代，工廠車間中具有更高級別應用程序的機器的數(shù)據(jù)集成主要是使用傳統(tǒng)協(xié)議完成的，而傳統(tǒng)協(xié)議缺乏對新設備靈活集成的支持。兩者之間總是存在著矛盾，如何解決這種矛盾？只能在這兩者之間引入一個中間層，通過虛擬化PLC控制器或軟件定義PLC將控制邏輯與機器分離，可以獲得更靈活的重新配置。

PLC虛擬化或軟件定義PLC通過允許用戶更換或添加組件而不影響系統(tǒng)的其他部分，實現(xiàn)輕松的可擴展性和系統(tǒng)模塊化。PLC虛擬化或軟件定義PLC設計為開放平臺，允許用戶選擇首選組件和解決方案，這意味著用戶可以靈活地選擇不同的供應商（無供應商鎖定）。在工業(yè)3.0系統(tǒng)中，在同一個體系結(jié)構(gòu)中使用多個供應商的組件并不那么容易，或者根本不可能。PLC虛擬化或軟件定義PLC中通常沒有硬件依賴性，所以很容易遷移和重用軟件。PLC虛擬化或軟件定義PLC使用虛擬化或軟件定義技術，使用更多的軟件而不是硬件，因為所需的硬件數(shù)量較少，所以降低了成本，縮小了占用空間。目標是提供現(xiàn)成的和可供銷售的COTS（COTS =商業(yè)現(xiàn)成的）軟件/硬件產(chǎn)品以實現(xiàn)整體解決方案的靈活選擇和可擴展性。虛擬化技術和軟件定義的體系結(jié)構(gòu)是以軟件為中心的模式，在系統(tǒng)集中管理、網(wǎng)絡處理和安全性方面具有優(yōu)勢。遠程監(jiān)控降低了運營成本，而維護工程師或操作員并不總是需要現(xiàn)場檢查機器的狀態(tài)。集中管理簡化了遠程監(jiān)控，因為只需訪問一個軟件平臺即可管理您的資產(chǎn)。通過云計算和使用智能傳感器（包括通信能力和板載診斷的傳感器），機器數(shù)據(jù)被推送到云端，數(shù)據(jù)可以通過用戶界面（HMI）訪問。機器數(shù)據(jù)可以用于預測性維護，這意味著機器數(shù)據(jù)可以用來預估機器即將發(fā)生故障的時間。

PLC虛擬化在這里并非是指軟件PLC（SoftPLC）或安裝虛擬機里面的軟件PLC，而是指將PLC執(zhí)行環(huán)境與I/O模塊解耦，并將PLC執(zhí)行環(huán)境標準化、模塊化、虛擬化的實現(xiàn)。而軟件定義則是將PLC的邏輯抽象出來，利用軟件定義網(wǎng)絡的實現(xiàn)思路，通過一個應用程序商店的方式實現(xiàn)針對PLC執(zhí)行動作的程序開發(fā)和管理，讓應用程序定義硬件PLC的功能。也就是將PLC的邏輯控制、程序存儲和IO模塊分離，利用應用程序?qū)崿F(xiàn)邏輯控制部分。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0在實現(xiàn)PLC虛擬化或軟件定義的PLC時，均使用到了以下技術：

l 基于管理程序或容器的虛擬化

l 軟件定義網(wǎng)絡（SDN）

l 網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）等

PLC虛擬化典型的架構(gòu)實現(xiàn)在學術界和工業(yè)界比較典型的架構(gòu)和描述是：

圖3 PLC虛擬化架構(gòu)

在PLC虛擬化中，PLC I/O總線被高速網(wǎng)絡功能所取代，SDN允許在I/O結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建靈活的虛擬通道，以適應vPLC實例和I/O模塊之間的連接流，例如傳感器接口或運行控制器，并且基于SDN的控制可以提供靈活的業(yè)務隔離。此外，由于近年來在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和專用集成電路（ASIC）技術方面的進展，這種I/O模塊可以使用FPGA或ASIC模塊以更低的復雜度來構(gòu)建。在這種架構(gòu)中，SDN重新配置是通過SDN控制器經(jīng)由與其北向接×××互的高可用性（HA）服務器（圖中未示出）來管理的。HA服務器連續(xù)監(jiān)視SDN交換機統(tǒng)計信息和路徑可達性，在性能下降或故障的情況下觸發(fā)重新配置過程。

這種PLC虛擬化架構(gòu)的實現(xiàn)主要考慮的網(wǎng)絡因素是，這種分散式模型與遠程或分布式I/O PLC拓撲具有相似之處，其中網(wǎng)絡I/O模塊充當PLC機架的擴展。在直通交換中的進步以及遠程直接存儲器訪問技術（RDMA）中，特別是在融合以太網(wǎng)情形中，已經(jīng)允許在10G以太網(wǎng)交換結(jié)構(gòu)中端口到端口的延遲縮小到百分之幾納秒以及應用延遲縮小到微秒級。此外，諸如英特爾的數(shù)據(jù)平面開發(fā)工具包（DPDK）、思科的VPP等資源允許實現(xiàn)繞過內(nèi)核的低延遲、高吞吐量數(shù)據(jù)包處理機制，將網(wǎng)絡堆棧帶入用戶空間，并使適配器能夠執(zhí)行直接內(nèi)存訪問操作到應用程序內(nèi)存。這使得滿足在以數(shù)微秒的單位時間內(nèi)，傳輸?shù)亩秳雍烷W斷的要求成為可能，從而允許在商用服務器硬件上實現(xiàn)裸機性能。

這種PLC虛擬化架構(gòu)的實現(xiàn)主要考慮的計算因素是，首先，由于采用了硬件輔助虛擬化等技術使得服務器近乎利用原始性能，低延遲I/O機制或適用于數(shù)字信號處理任務的ISA擴展的可用性的提高，現(xiàn)代x86或ARM處理器已經(jīng)能夠替代獨立PLC應用中的微控制器。其次，諸如Jailhouse（西門子），Xtratum、PikeOS等實時靜態(tài)分區(qū)管理程序的可用性支持為實時工作負載托管RTOS客戶VM。即在計算方面，PLC虛擬化主要考慮實時性、安全性和性能要求。在針對PLC虛擬化上，其運行的實時靜態(tài)分區(qū)管理程序，在考慮工業(yè)控制系統(tǒng)的這些特性上，其虛擬化管理程序設計需要同時考慮一下幾種模式的混合：

1、完全虛擬化模式，其中操作系統(tǒng)完全未經(jīng)修改在安全分區(qū)中運行。在此模式下，虛擬化管理程序確保其中運行的操作系統(tǒng)不會以任何方式損害或影響并行運行的其他操作系統(tǒng)，并且其上運行的操作系統(tǒng)不經(jīng)任何修改即可運行在虛擬化管理程序上。但是，這是以犧牲輕微的性能損失為代價的。這種模式主要運行與實時性不強的工業(yè)應用或企業(yè)應用。

2、半虛擬化模式，為了保證實時代碼或?qū)崟r操作系統(tǒng)的硬實時性和穩(wěn)定性，虛擬機管理程序還具有稱為“特權(quán)模式或半虛擬化”的部署模式。在特權(quán)模式或半虛擬化模式下，操作系統(tǒng)保留完整的硬件訪問權(quán)限并使用虛擬機管理程序提供的半虛擬化接口。這允許操作系統(tǒng)以原生速度運行，而不需要虛擬機管理程序添加任何延遲。

3、即在工業(yè)控制系統(tǒng)環(huán)境中，其設計的虛擬化管理程序必須是具有半虛擬化特征的虛擬化管理程序，所以在物聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，Xen具有的先天優(yōu)勢又開始遠遠領先與其他虛擬化管理程序。

在查看了目前國外廠家的工業(yè)控制系統(tǒng)虛擬化管理程序的設計后，其典型的情況大都是使用完全虛擬化模式和半虛擬化模式的混合，其中一些實例運行監(jiān)控級功能，另一些實例運行硬實時控制功能。半虛擬化模式或特權(quán)模式不會引入任何延遲，因此使其適用于實時性應用程序。操作系統(tǒng)之間的通信通過虛擬網(wǎng)絡或SDN網(wǎng)絡、共享內(nèi)存來實現(xiàn)。

而軟件定義架構(gòu)的PLC更強調(diào)的是一種體系，一種實現(xiàn)思想。即和軟件定義網(wǎng)絡、軟件定義世界一樣，PLC設備的智能化和標準化的體現(xiàn)就是典型的軟件定義的PLC，包括PLC輕松連接至互聯(lián)網(wǎng)；將APP和分析結(jié)果嵌入機器和云，實現(xiàn)智能化和自我意識；無需更換PLC硬件即可改變和升級PLC設備功能，為用戶提供智能，實現(xiàn)持續(xù)改進；通過API和生態(tài)系統(tǒng)擴大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應用。

一個典型的實現(xiàn)架構(gòu)是：首先具有一臺工業(yè)機器，可以用來測試整個生產(chǎn)過程。這臺機器可以看作是一套可以通過OT控制協(xié)議控制的輸入和輸出。這是理想的實時協(xié)議，因為它確保消息在一定的時間窗內(nèi)到達。然后開發(fā)一個霧計算或邊緣計算層，通過工業(yè)控制協(xié)議在運行時間內(nèi)與機器進行通信。其運行時會將讀取的數(shù)據(jù)從機器發(fā)送到虛擬PLC，然后將PLC的輸出返回給機器。如下圖4所示：

圖4 軟件定義架構(gòu)下的PLC實現(xiàn)

國外根據(jù)這個技術框架測試的技術方案實現(xiàn)，

圖5 技術方案

該技術方案選擇了將Raspberry Pi與UniPi擴展板結(jié)合模擬工業(yè)機器，UniPi擴展板為Raspberry Pi提供數(shù)字輸入和繼電器控制，使用CODESYS控制軟件，這些輸入和輸出被映射到Modbus寄存器，并最終由上層通過工業(yè)控制協(xié)議Modbus來實現(xiàn)工業(yè)控制操作。然后在邊緣層或霧計算層，使用OpenPLC充當邏輯控制器，OpenPLC是一個標準化的軟件PLC，可以運行結(jié)構(gòu)化文本（ST）程序。OpenPLC包含一個Web服務器，通過它可以將我們的PLC程序上傳到PLC中運行。模擬工業(yè)機器與PLC之間的通信通過Modbus完成。最后是PLC需要實現(xiàn)與工業(yè)云連接，這一步通過Node-RED工具實現(xiàn)和OpenPLC的結(jié)合。Node-RED是一個基于流量的物聯(lián)網(wǎng)工具。它可以連接不同的設備、API和其他服務。在邊緣層或霧計算層中，通過Node-RED將PLC和OPC UA協(xié)議服務器連接起來實現(xiàn)通信，并在云端安裝OPC UA客戶端實現(xiàn)邊緣層或霧計算層與云端的通訊工作。

邊緣層或霧計算層使用Node-RED作為運行時，OpenPLC作為虛擬PLC。 Modbus消息可以使用外部包發(fā)送和接收。機器的輸入通過Modbus節(jié)點讀入并通過另一個Modbus節(jié)點發(fā)送給虛擬PLC。虛擬PLC處理這些數(shù)據(jù)并將結(jié)果寫入其內(nèi)部的Modbus寄存器。然后Node-RED對PLC的輸出進行輪詢，并將結(jié)果發(fā)送回機器。在OPC UA節(jié)點的幫助下，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到OPC UA服務器，或者可以在運行時間內(nèi)托管自己的服務器。然后，IT系統(tǒng)或云端可以通過這個OPC UA協(xié)議以統(tǒng)一的方式查閱所有數(shù)據(jù)。

這只是一個基于框架實現(xiàn)的一個最簡單的例子，也是最終實現(xiàn)比較理解的例子，PLC的虛擬化和軟件定義后，針對下層IO解耦，將實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的最大靈活性和可擴展性，此外還有諸多好處。而在實現(xiàn)這個的圖中，目前已有的工業(yè)云平臺均以兼容傳統(tǒng)PLC架構(gòu)的模式在運行。舉例來說，西門子公司的MindSphere工業(yè)云平臺，該平臺采用基于云的開放物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，可以將傳感器、控制器以及各種信息系統(tǒng)收集的工業(yè)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)，通過安全通道實時傳輸?shù)皆贫耍�并在云端為企業(yè)提供大數(shù)據(jù)分析挖掘、工業(yè) APP 開發(fā)以及智能應用增值等服務。其架構(gòu)如下圖所示：

圖6 MindSphere工業(yè)云平臺架構(gòu)

MindSphere 平臺包括邊緣連接層、開發(fā)運營層，應用服務層 三個層級。主要包括 MindConnect、MindClound、MindApps 三個核心要素，其中，MindConnect 負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_， MindClound 為用戶提供數(shù)據(jù)分析，應用開發(fā)環(huán)境及應用開發(fā)工具，MindApps 為用戶提供集成行業(yè)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的工業(yè)智能應用。

在MindConnect層中，目前主要兼容的還是去采集現(xiàn)場PLC或歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，直接連接到PLC或歷史數(shù)據(jù)庫上進行數(shù)據(jù)采集，或者通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)采集，均以兼容傳統(tǒng)架構(gòu)的方式運行。

這種模式或技術解決方案我們可以稱為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第一階段，要實現(xiàn)真正意義上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0所構(gòu)建的藍圖，僅僅將數(shù)據(jù)采集上來進行大數(shù)據(jù)分析、預測、優(yōu)化等還不夠，我們還需要設備本身擁有智能計算、智能處理的能力。而這些優(yōu)化和計算的能力針對終端來說，可能智能設備本身的計算能力即可滿足，但是在真正的工業(yè)生產(chǎn)過程中，最終的控制過程還需要PLC來進行控制，PLC的智能計算、智能處理必須具有軟件定義的能力，只有通過軟件定義的PLC，才能夠通過上層的數(shù)據(jù)分析、預測和優(yōu)化之后，根據(jù)應用功能優(yōu)化和調(diào)整PLC控制程序，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的效率提升，同時也避免了人員的繁瑣調(diào)試等，提高運營成本。而現(xiàn)有的云平臺還無法做到直達底層的優(yōu)化×××定義，因此只有在打通關鍵核心控制設備PLC后，才能夠打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第二階段。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、中國制造2025本質(zhì)都是互聯(lián)網(wǎng)深度參與到工業(yè)生產(chǎn)中，從而將生產(chǎn)力提升到一個全新的高度。過去10年是消費者互聯(lián)網(wǎng)的10 年。上一波互聯(lián)網(wǎng)浪潮中，互聯(lián)網(wǎng)在全球連接起數(shù)十億人，同時也造就了Google、亞馬遜這樣的互聯(lián)網(wǎng)巨頭。互聯(lián)網(wǎng)在流通、消費、零售、溝通行業(yè)的高潮已經(jīng)有目共睹，互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)的領域的浪潮。據(jù)通訊巨頭思科公司估計，到2020年，互聯(lián)網(wǎng)會造就150億至500億的連接設備，同時還包括人與物、物與物的連接，是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)時代的連接人數(shù)的幾倍甚至更多。

未來已來，愿日生不殆。