工业互联网时代下，工业控制系统未来发展趋势如何？

这种PLC虚拟化架构的实现主要考虑的计算因素是，首先，由于采用了硬件辅助虚拟化等技术使得服务器近乎利用原始性能，低延迟I/O机制或适用于数字信号处理任务的ISA扩展的可用性的提高，现代x86或ARM处理器已经能够替代独立PLC应用中的微控制器。其次，诸如Jailhouse（西门子），Xtratum、PikeOS等实时静态分区管理程序的可用性支持为实时工作负载托管RTOS客户VM。即在计算方面，PLC虚拟化主要考虑实时性、安全性和性能要求。在针对PLC虚拟化上，其运行的实时静态分区管理程序，在考虑工业控制系统的这些特性上，其虚拟化管理程序设计需要同时考虑一下几种模式的混合：

1、完全虚拟化模式，其中操作系统完全未经修改在安全分区中运行。在此模式下，虚拟化管理程序确保其中运行的操作系统不会以任何方式损害或影响并行运行的其他操作系统，并且其上运行的操作系统不经任何修改即可运行在虚拟化管理程序上。但是，这是以牺牲轻微的性能损失为代价的。这种模式主要运行与实时性不强的工业应用或企业应用。

2、半虚拟化模式，为了保证实时代码或实时操作系统的硬实时性和稳定性，虚拟机管理程序还具有称为“特权模式或半虚拟化”的部署模式。在特权模式或半虚拟化模式下，操作系统保留完整的硬件访问权限并使用虚拟机管理程序提供的半虚拟化接口。这允许操作系统以原生速度运行，而不需要虚拟机管理程序添加任何延迟。

3、即在工业控制系统环境中，其设计的虚拟化管理程序必须是具有半虚拟化特征的虚拟化管理程序，所以在物联网或工业互联网时代，Xen具有的先天优势又开始远远领先与其他虚拟化管理程序。

在查看了目前国外厂家的工业控制系统虚拟化管理程序的设计后，其典型的情况大都是使用完全虚拟化模式和半虚拟化模式的混合，其中一些实例运行监控级功能，另一些实例运行硬实时控制功能。半虚拟化模式或特权模式不会引入任何延迟，因此使其适用于实时性应用程序。操作系统之间的通信通过虚拟网络或SDN网络、共享内存来实现。

而软件定义架构的PLC更强调的是一种体系，一种实现思想。即和软件定义网络、软件定义世界一样，PLC设备的智能化和标准化的体现就是典型的软件定义的PLC，包括PLC轻松连接至互联网；将APP和分析结果嵌入机器和云，实现智能化和自我意识；无需更换PLC硬件即可改变和升级PLC设备功能，为用户提供智能，实现持续改进；通过API和生态系统扩大工业互联网平台应用。

一个典型的实现架构是：首先具有一台工业机器，可以用来测试整个生产过程。这台机器可以看作是一套可以通过OT控制协议控制的输入和输出。这是理想的实时协议，因为它确保消息在一定的时间窗内到达。然后开发一个雾计算或边缘计算层，通过工业控制协议在运行时间内与机器进行通信。其运行时会将读取的数据从机器发送到虚拟PLC，然后将PLC的输出返回给机器。

国外根据这个技术框架测试的技术方案实现，该技术方案选择了将Raspberry Pi与UniPi扩展板结合模拟工业机器，UniPi扩展板为Raspberry Pi提供数字输入和继电器控制，使用CODESYS控制软件，这些输入和输出被映射到Modbus寄存器，并最终由上层通过工业控制协议Modbus来实现工业控制操作。然后在边缘层或雾计算层，使用OpenPLC充当逻辑控制器，OpenPLC是一个标准化的软件PLC，可以运行结构化文本（ST）程序。OpenPLC包含一个Web服务器，通过它可以将我们的PLC程序上传到PLC中运行。模拟工业机器与PLC之间的通信通过Modbus完成。最后是PLC需要实现与工业云连接，这一步通过Node-RED工具实现和OpenPLC的结合。Node-RED是一个基于流量的物联网工具。它可以连接不同的设备、API和其他服务。在边缘层或雾计算层中，通过Node-RED将PLC和OPC UA协议服务器连接起来实现通信，并在云端安装OPC UA客户端实现边缘层或雾计算层与云端的通讯工作。

边缘层或雾计算层使用Node-RED作为运行时，OpenPLC作为虚拟PLC。 Modbus消息可以使用外部包发送和接收。机器的输入通过Modbus节点读入并通过另一个Modbus节点发送给虚拟PLC。虚拟PLC处理这些数据并将结果写入其内部的Modbus寄存器。然后Node-RED对PLC的输出进行轮询，并将结果发送回机器。在OPC UA节点的帮助下，可以将数据发送到OPC UA服务器，或者可以在运行时间内托管自己的服务器。然后，IT系统或云端可以通过这个OPC UA协议以统一的方式查阅所有数据。

这只是一个基于框架实现的一个最简单的例子，也是最终实现比较理解的例子，PLC的虚拟化和软件定义后，针对下层IO解耦，将实现工业控制系统的最大灵活性和可扩展性，此外还有诸多好处。而在实现这个的图中，目前已有的工业云平台均以兼容传统PLC架构的模式在运行。举例来说，西门子公司的MindSphere工业云平台，该平台采用基于云的开放物联网架构，可以将传感器、控制器以及各种信息系统收集的工业现场设备数据，通过安全通道实时传输到云端，并在云端为企业提供大数据分析挖掘、工业 APP 开发以及智能应用增值等服务。

MindSphere 平台包括边缘连接层、开发运营层，应用服务层 三个层级。主要包括 MindConnect、MindClound、MindApps 三个核心要素，其中，MindConnect 负责将数据传输到云平台， MindClound 为用户提供数据分析，应用开发环境及应用开发工具，MindApps 为用户提供集成行业经验和数据分析结果的工业智能应用。

在MindConnect层中，目前主要兼容的还是去采集现场PLC或历史数据库的数据，直接连接到PLC或历史数据库上进行数据采集，或者通过数据采集网关进行数据采集，均以兼容传统架构的方式运行。

这种模式或技术解决方案我们可以称为工业互联网的第一阶段，要实现真正意义上工业互联网或工业4.0所构建的蓝图，仅仅将数据采集上来进行大数据分析、预测、优化等还不够，我们还需要设备本身拥有智能计算、智能处理的能力。而这些优化和计算的能力针对终端来说，可能智能设备本身的计算能力即可满足，但是在真正的工业生产过程中，最终的控制过程还需要PLC来进行控制，PLC的智能计算、智能处理必须具有软件定义的能力，只有通过软件定义的PLC，才能够通过上层的数据分析、预测和优化之后，根据应用功能优化和调整PLC控制程序，实现工业生产的效率提升，同时也避免了人员的繁琐调试等，提高运营成本。而现有的云平台还无法做到直达底层的优化×××定义，因此只有在打通关键核心控制设备PLC后，才能够打通工业互联网的第二阶段。

（编辑：温州站长网）

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