【儀表網 行業科普】自十多年前工業 4.0 問世以來，信息技術(IT)一直在影響著工業自動化系統。這一舉措讓那些厭惡風險的工業參與者認識到使用“IT 化”架構的價值和益處，例如，通過獲取原始過程數據實現持續優化。它還創建了一種數據驅動的未來愿景，即通過數字孿生對產品和生產過程進行建模和測試。
自動化架構的“IT 化”始于基于以太網的工業網絡，并催生了工業邊緣的創建，即工廠車間中傳統自動化與IT世界交匯的空間。隨著這一趨勢的持續發展，我們現在正見證實時控制從專用硬件向托管IT環境的遷移。
從數據中心開始
數據中心是虛擬化技術最早應用的領域之一。在虛擬化之前，數據中心由運行單一應用程序(數據庫、電子郵件、文件共享、客戶關系管理、企業資源規劃)的專用功能服務器組成。每臺服務器都必須單獨進行管理、配置和擴展，以滿足其應用程序或服務的最大需求。虛擬化極大地減少了所需的物理服務器數量，降低了能源消耗，并為信息技術(IT)運營提供了更好的可視性和可管理性。服務器虛擬化是邁向如今軟件定義數據中心和云計算基礎設施的第一步。
工業自動化技術似乎正沿著相似的道路前進。對于自動化解決方案而言，這種轉變意味著在運行于通用硬件和軟件平臺(工廠服務器)上的虛擬機中整合多個自動化功能，如可視化、生產管理或批次控制。雖然像傳感器、執行器和電機這樣的機電設備仍保留在機器上，但安裝在電氣控制柜中的可編程邏輯控制器(PLC)的傳統功能現在已經可以在容器中實現虛擬化，并部署在工廠服務器上，與其他軟件相鄰。對于機器操作員來說，自動化系統的日常功能應保持不變，但維護人員可能需要學習新技能來處理操作問題。
虛擬PLC將如何改變自動化？
虛擬PLC(vPLC)的出現引發了諸多思考。虛擬PLC能否直接替代傳統PLC？性能方面相比如何？哪些應用仍將是傳統PLC的領域？虛擬PLC創造了哪些新機遇？以下是虛擬PLC在工業應用中的一些潛在優勢和注意事項。
虛擬部署
與一些軟PLC不同的是，虛擬PLC可以像應用程序一樣購買和下載，然后在工業邊緣環境中安裝和集成，不用與工業 PC捆綁在一起。邊緣平臺通常支持來自不斷擴展的產品和解決方案生態系統(包括第三方)的應用程序和設備。例如，像西門子工業邊緣這樣的專用平臺，可以提供用于部署和監控自動化資產及服務性能的工具，這些工具使應用程序和設備能夠輕松地相互通信，同時占用空間較小。
面向終端用戶的部署
傳統PLC通常是手動部署的，且參數往往也是需要手動設置的，而虛擬PLC則像IT資產一樣通過“編排”進行部署 —— 即使用通用 IT 工具自動配置、供應和管理資產的過程。在掌握了一定的 IT 技能后，自動化工程師就可以在由軟件定義設備和物理設備混合配置的機器、生產線和整個工廠中部署和監控一整套控制器。如今，一個大型制造工廠可能包含成百上千個 PLC，因此通過對自動化資產進行集中管理來節省成本的潛力是巨大的。
面向機器制造商的部署
雖然大多數機器制造商更愿意交付配置和PLC程序完全相同的機器，但實際上，即使是標準機器也常常需要進行修改以滿足客戶的需求和要求。虛擬PLC為機器制造商提供了顯著優勢：傳統PLC硬件有不同的尺寸和容量規格，而虛擬PLC只有一種“型號”，可以根據每臺機器的需求隨時進行擴展或縮減。
降低資本成本
虛擬PLC在服務器上運行，如果在單個托管設備上安裝多個虛擬 PLC，用戶可以降低資本成本。那么，一臺服務器上可以安裝多少個虛擬 PLC，其限制又是什么呢？一般來說，每臺服務器安裝10到20個虛擬PLC的計算集群是可行的，但這取決于虛擬PLC的具體工作內容。具有確定性性能的硬運動控制是PLC的關鍵考驗。有的虛擬PLC可以像基于硬件的同類產品一樣執行標準運動控制任務，但對于高級運動控制(協調多個伺服軸)，技術專家建議使用傳統PLC和專用技術模塊更穩妥。
揀選（初級包裝）
高速拾放機器人可高效處理需要裝箱的產品。這些機器人可裝載吸塑包裝單元或其他包裝材料，管理枕式包裝機的進料飛行，并在出料輸送機上形成矩陣。通過使用與視覺系統集成的專有分揀軟件，這些機器人可以識別部件的位置方向和類型，并將任務分配給相應的機器人進行精確處理。
可擴展性和靈活性
虛擬PLC使自動化系統更具靈活性和可擴展性。系統規模可以簡單地通過更改正在使用的虛擬PLC實例數量來擴大或縮小，而無需安裝或移除硬件。用戶只需為當前使用的控制器付費——對于定期制造和運輸機器的機器制造商來說，這是一個很有吸引力的模式。由于其尺寸和可用空間，傳統的 PLC 對想要快速擴展的工廠提出了一些挑戰。虛擬化可以在物理 PLC上實施新的控制策略之前開發和測試這些策略，從而靈活擴展工廠的自動化產線。這大大降低了擴展過程中的成本和錯誤風險。
設備和應用程序管理
虛擬化系統是“編排”的，這意味著應用程序和設備可以通過自動任務快速部署，進行調配和配置。這樣，整個軟件定義的自動化系統、智能設備和應用程序就可以使用通用工具進行高效部署、監控和管理。
對遺留系統的支持
機器制造商在PLC代碼的開發上往往投入了大量資金，因此虛擬PLC通常支持遺留代碼和數據結構也就不足為奇了，這使用戶能夠利用他們現有的知識產權和熟悉的工程工具。例如，西門子推出的虛擬控制器Simatic S7-1500V，它的配置方式與其TIA博途軟件配置傳統PLC的方式相同，所以用戶可以繼續使用為多代西門子PLC開發的現有代碼。這也適用于反向操作：如果需要，用戶可以輕松切換回傳統PLC，以降低任何更改風險并支持逐步推進。
更高的效率
虛擬PLC部署在工業邊緣，也就是新舊自動化系統在IT環境中集成的領域。例如，Simatic S7-1500V 運行在西門子工業邊緣平臺上，在這個通用環境中可以集中監控應用程序和設備，該環境促進了開放性和數據共享，并帶來了一系列好處。用戶可以憑借數據驅動獲得的洞察來操作和維護制造設備，這有助于優化流程，甚至可以在意外停機和故障發生前進行預測。這些功能可以通過在同一邊緣平臺上運行的其他應用程序(如 Profinet 監控)得到進一步增強。
采購和生命周期成本
使用虛擬PLC的自動化系統在采購成本上是否比傳統自動化系統更低？與傳統PLC系統相比，其生命周期成本又如何呢？關于虛擬PLC與傳統PLC的成本比較尚無定論。雖然虛擬PLC仍然需要硬件來運行，但用戶可以在單個服務器上部署多個虛擬PLC，這減少了設備的總體數量并節省了控制柜空間。然而，虛擬PLC只是取代了自動化系統的中央處理器(CPU)。輸入輸出(IO)模塊、傳感器、執行器和操作面板仍然是必需的，而這些可能占控制系統總成本的很大一部分。
通過采用DevOps方法進行精益軟件開發來降低工程成本，在確保代碼質量和一致性的同時縮短開發時間，還可以實現額外的成本節約。
虛擬 PLC 的推出代表了工業自動化發展的關鍵時刻。通過將傳統 PLC 功能的穩健性與虛擬化技術的敏捷性相結合，虛擬PLC提供了前所未有的靈活性、可擴展性和集成功能。隨著各行各業繼續接受數字化轉型，采用虛擬PLC有望提高效率、降低成本，并為制造行業的創新帶來新的機會。
虛擬PLC的意義不在于取代傳統PLC，而是在于在以數據為中心的環境中部署和管理PLC功能，并充分利用現代 IT工具和發展所帶來的所有優勢。了解虛擬化的細微差別及其對自動化架構的影響將至關重要。擁抱這些進步不僅可以實現面向未來的工業運營，而且為更加互聯和智能的工業環境鋪平了道路。
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