工业互联网时代下，工业控制系统未来发展趋势如何？

这两种技术是目前工业向互联网转化的技术热点和研究方向，至少从理论实现的角度上来说，实现PLC虚拟化将最大程度的保障现有的大部分厂家及其用户的现有利益，并且基于信息系统的成功案例，使得大家对其实现信心满满。另外的PLC硬件重构，主要以软件定义思想为核心，将PLC硬件的逻辑运算平面和逻辑控制平面进行分离，PLC硬件将实现通用的逻辑运算，统一由控制器进行控制平面的逻辑控制和逻辑管理。

 PLC的虚拟化和软件定义

虚拟化和云计算在ICT领域取得巨大成功，其创新程度甚至颠覆了整个ICT旧有的架构体系，从里到外全部翻了一遍。其效果也是相当显著，至少将现在的ICT环境的运营成本利用虚拟化和云计算技术已经显著降低，至于降低多少，降低到什么程度，我相信这是一个众口难调的数字。但是至少使用虚拟化和云计算的企业，已经享受了其带来的好处，并且当前虚拟化和云计算技术已经成为办公室和企业界最先进的解决方案。但是在工业应用中部署这些技术和解决方案并不容易，因为在工业环境中，要求通常很高，系统故障、实时性等对工业生产和应用来说是至关重要的。而工业互联网和工业4.0旧是着手于解决虚拟化和云计算等先进IT创新技术运用于工业领域并提高工业生产效率的变革和技术实现。在工业互联网和工业4.0的实践当中，工业互联网和工业4.0技术在当前来说，是否已经如此发达和可靠，以至于它们可以在需要满足稳定性和实时计算等较高要求的工业控制环境中使用，这是值得怀疑的。但是从一些公开发表的案例和统计数据来看，制造商已经开始从工业互联网和工业4.0技术中受益，这些受益的部分主要是利用工业互联网或工业4.0技术，他们可以使用实时生产数据来帮助更有效地规划生产过程，从而提高生产效率和降低运营成本。这些案例的成功使得人们在备受鼓舞的同时，积极投入成本研发下一步的技术解决方案和完善当前技术实现。在当前，类似西门子等工控设备厂商和从事IT领域的虚拟化云计算厂商均将目光投入到尝试虚拟化控制平面上面，使用软件而不是物理硬件来降低运营成本，并拥有更加灵活的控制环境。PLC虚拟化或软件定义的PLC，换句话说，使用虚拟PLC（vPLC）或软件定义的PLC是他们下一步研究和实现的目标。至少从目前的技术实现和研究方向上以及IT的成功经验上看，大势是如此的。

PLC虚拟化或软件定义的PLC，其技术思想都是将传统专用的硬件功能解耦。因为在工业互联网或工业4.0时代，工厂车间中具有更高级别应用程序的机器的数据集成主要是使用传统协议完成的，而传统协议缺乏对新设备灵活集成的支持。两者之间总是存在着矛盾，如何解决这种矛盾？只能在这两者之间引入一个中间层，通过虚拟化PLC控制器或软件定义PLC将控制逻辑与机器分离，可以获得更灵活的重新配置。

PLC虚拟化或软件定义PLC通过允许用户更换或添加组件而不影响系统的其他部分，实现轻松的可扩展性和系统模块化。PLC虚拟化或软件定义PLC设计为开放平台，允许用户选择首选组件和解决方案，这意味着用户可以灵活地选择不同的供应商（无供应商锁定）。在工业3.0系统中，在同一个体系结构中使用多个供应商的组件并不那么容易，或者根本不可能。PLC虚拟化或软件定义PLC中通常没有硬件依赖性，所以很容易迁移和重用软件。PLC虚拟化或软件定义PLC使用虚拟化或软件定义技术，使用更多的软件而不是硬件，因为所需的硬件数量较少，所以降低了成本，缩小了占用空间。目标是提供现成的和可供销售的COTS（COTS =商业现成的）软件/硬件产品以实现整体解决方案的灵活选择和可扩展性。虚拟化技术和软件定义的体系结构是以软件为中心的模式，在系统集中管理、网络处理和安全性方面具有优势。远程监控降低了运营成本，而维护工程师或操作员并不总是需要现场检查机器的状态。集中管理简化了远程监控，因为只需访问一个软件平台即可管理您的资产。通过云计算和使用智能传感器（包括通信能力和板载诊断的传感器），机器数据被推送到云端，数据可以通过用户界面（HMI）访问。机器数据可以用于预测性维护，这意味着机器数据可以用来预估机器即将发生故障的时间。

PLC虚拟化在这里并非是指软件PLC（SoftPLC）或安装虚拟机里面的软件PLC，而是指将PLC执行环境与I/O模块解耦，并将PLC执行环境标准化、模块化、虚拟化的实现。而软件定义则是将PLC的逻辑抽象出来，利用软件定义网络的实现思路，通过一个应用程序商店的方式实现针对PLC执行动作的程序开发和管理，让应用程序定义硬件PLC的功能。也就是将PLC的逻辑控制、程序存储和IO模块分离，利用应用程序实现逻辑控制部分。

工业互联网或工业4.0在实现PLC虚拟化或软件定义的PLC时，均使用到了以下技术：

l 基于管理程序或容器的虚拟化

l 软件定义网络（SDN）

l 网络功能虚拟化（NFV）等

PLC虚拟化典型的架构实现在学术界和工业界比较典型的架构和描述是：

在PLC虚拟化中，PLC I/O总线被高速网络功能所取代，SDN允许在I/O结构上创建灵活的虚拟通道，以适应vPLC实例和I/O模块之间的连接流，例如传感器接口或运行控制器，并且基于SDN的控制可以提供灵活的业务隔离。此外，由于近年来在现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC）技术方面的进展，这种I/O模块可以使用FPGA或ASIC模块以更低的复杂度来构建。在这种架构中，SDN重新配置是通过SDN控制器经由与其北向接×××互的高可用性（HA）服务器（图中未示出）来管理的。HA服务器连续监视SDN交换机统计信息和路径可达性，在性能下降或故障的情况下触发重新配置过程。

这种PLC虚拟化架构的实现主要考虑的网络因素是，这种分散式模型与远程或分布式I/O PLC拓扑具有相似之处，其中网络I/O模块充当PLC机架的扩展。在直通交换中的进步以及远程直接存储器访问技术（RDMA）中，特别是在融合以太网情形中，已经允许在10G以太网交换结构中端口到端口的延迟缩小到百分之几纳秒以及应用延迟缩小到微秒级。此外，诸如英特尔的数据平面开发工具包（DPDK）、思科的VPP等资源允许实现绕过内核的低延迟、高吞吐量数据包处理机制，将网络堆栈带入用户空间，并使适配器能够执行直接内存访问操作到应用程序内存。这使得满足在以数微秒的单位时间内，传输的抖动和闪断的要求成为可能，从而允许在商用服务器硬件上实现裸机性能。

（编辑：温州站长网）

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