工业自动化发展的关键时刻：虚拟PLC将如何改变自动化？

作者 | David Humphrey

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从数据中心开始

数据中心是虚拟化技术最早应用的领域之一。在虚拟化之前，数据中心由运行单一应用程序（数据库、电子邮件、文件共享、客户关系管理、企业资源规划）的专用功能服务器组成。每台服务器都必须单独进行管理、配置和扩展，以满足其应用程序或服务的最大需求。虚拟化极大地减少了所需的物理服务器数量，降低了能源消耗，并为信息技术（IT）运营提供了更好的可视性和可管理性。服务器虚拟化是迈向如今软件定义数据中心和云计算基础设施的第一步。

工业自动化技术似乎正沿着相似的道路前进。对于自动化解决方案而言，这种转变意味着在运行于通用硬件和软件平台（工厂服务器）上的虚拟机中整合多个自动化功能，如可视化、生产管理或批次控制。虽然像传感器、执行器和电机这样的机电设备仍保留在机器上，但安装在电气控制柜中的可编程逻辑控制器（PLC）的传统功能现在已经可以在容器中实现虚拟化，并部署在工厂服务器上，与其他软件相邻。对于机器操作员来说，自动化系统的日常功能应保持不变，但维护人员可能需要学习新技能来处理操作问题。

▲图1：虚拟PLC是未来软件定义自动化架构的重要实现。图片来源：ARC

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虚拟PLC将如何改变自动化？

虚拟PLC（vPLC）的出现引发了诸多思考。虚拟PLC能否直接替代传统PLC？性能方面相比如何？哪些应用仍将是传统PLC的领域？虚拟PLC创造了哪些新机遇？以下是虚拟PLC在工业应用中的一些潜在优势和注意事项。

与一些软PLC不同的是，虚拟PLC可以像应用程序一样购买和下载，然后在工业边缘环境中安装和集成，不用与工业 PC捆绑在一起。边缘平台通常支持来自不断扩展的产品和解决方案生态系统（包括第三方）的应用程序和设备。例如，像西门子工业边缘这样的专用平台，可以提供用于部署和监控自动化资产及服务性能的工具，这些工具使应用程序和设备能够轻松地相互通信，同时占用空间较小。

传统PLC通常是手动部署的，且参数往往也是需要手动设置的，而虚拟PLC则像IT资产一样通过“编排”进行部署 —— 即使用通用 IT 工具自动配置、供应和管理资产的过程。在掌握了一定的 IT 技能后，自动化工程师就可以在由软件定义设备和物理设备混合配置的机器、生产线和整个工厂中部署和监控一整套控制器。如今，一个大型制造工厂可能包含成百上千个 PLC，因此通过对自动化资产进行集中管理来节省成本的潜力是巨大的。

虽然大多数机器制造商更愿意交付配置和PLC程序完全相同的机器，但实际上，即使是标准机器也常常需要进行修改以满足客户的需求和要求。虚拟PLC为机器制造商提供了显著优势：传统PLC硬件有不同的尺寸和容量规格，而虚拟PLC只有一种“型号”，可以根据每台机器的需求随时进行扩展或缩减。

虚拟PLC在服务器上运行，如果在单个托管设备上安装多个虚拟 PLC，用户可以降低资本成本。那么，一台服务器上可以安装多少个虚拟 PLC，其限制又是什么呢？一般来说，每台服务器安装10到20个虚拟PLC的计算集群是可行的，但这取决于虚拟PLC的具体工作内容。具有确定性性能的硬运动控制是PLC的关键考验。有的虚拟PLC可以像基于硬件的同类产品一样执行标准运动控制任务，但对于高级运动控制（协调多个伺服轴），技术专家建议使用传统PLC和专用技术模块更稳妥。

高速拾放机器人可高效处理需要装箱的产品。这些机器人可装载吸塑包装单元或其他包装材料，管理枕式包装机的进料飞行，并在出料输送机上形成矩阵。通过使用与视觉系统集成的专有分拣软件，这些机器人可以识别部件的位置方向和类型，并将任务分配给相应的机器人进行精确处理。

虚拟PLC使自动化系统更具灵活性和可扩展性。系统规模可以简单地通过更改正在使用的虚拟PLC实例数量来扩大或缩小，而无需安装或移除硬件。用户只需为当前使用的控制器付费——对于定期制造和运输机器的机器制造商来说，这是一个很有吸引力的模式。由于其尺寸和可用空间，传统的 PLC 对想要快速扩展的工厂提出了一些挑战。虚拟化可以在物理 PLC上实施新的控制策略之前开发和测试这些策略，从而灵活扩展工厂的自动化产线。这大大降低了扩展过程中的成本和错误风险。

虚拟化系统是“编排”的，这意味着应用程序和设备可以通过自动任务快速部署，进行调配和配置。这样，整个软件定义的自动化系统、智能设备和应用程序就可以使用通用工具进行高效部署、监控和管理。

机器制造商在PLC代码的开发上往往投入了大量资金，因此虚拟PLC通常支持遗留代码和数据结构也就不足为奇了，这使用户能够利用他们现有的知识产权和熟悉的工程工具。例如，西门子推出的虚拟控制器Simatic S7-1500V，它的配置方式与其TIA博途软件配置传统PLC的方式相同，所以用户可以继续使用为多代西门子PLC开发的现有代码。这也适用于反向操作：如果需要，用户可以轻松切换回传统PLC，以降低任何更改风险并支持逐步推进。

虚拟PLC部署在工业边缘，也就是新旧自动化系统在IT环境中集成的领域。例如，Simatic S7-1500V 运行在西门子工业边缘平台上，在这个通用环境中可以集中监控应用程序和设备，该环境促进了开放性和数据共享，并带来了一系列好处。用户可以凭借数据驱动获得的洞察来操作和维护制造设备，这有助于优化流程，甚至可以在意外停机和故障发生前进行预测。这些功能可以通过在同一边缘平台上运行的其他应用程序（如 Profinet 监控）得到进一步增强。

使用虚拟PLC的自动化系统在采购成本上是否比传统自动化系统更低？与传统PLC系统相比，其生命周期成本又如何呢？关于虚拟PLC与传统PLC的成本比较尚无定论。虽然虚拟PLC仍然需要硬件来运行，但用户可以在单个服务器上部署多个虚拟PLC，这减少了设备的总体数量并节省了控制柜空间。然而，虚拟PLC只是取代了自动化系统的中央处理器（CPU）。输入输出（IO）模块、传感器、执行器和操作面板仍然是必需的，而这些可能占控制系统总成本的很大一部分。

通过采用DevOps方法进行精益软件开发来降低工程成本，在确保代码质量和一致性的同时缩短开发时间，还可以实现额外的成本节约。

虚拟 PLC 的推出代表了工业自动化发展的关键时刻。通过将传统 PLC 功能的稳健性与虚拟化技术的敏捷性相结合，虚拟PLC提供了前所未有的灵活性、可扩展性和集成功能。随着各行各业继续接受数字化转型，采用虚拟PLC有望提高效率、降低成本，并为制造行业的创新带来新的机会。

虚拟PLC的意义不在于取代传统PLC，而是在于在以数据为中心的环境中部署和管理PLC功能，并充分利用现代 IT工具和发展所带来的所有优势。了解虚拟化的细微差别及其对自动化架构的影响将至关重要。拥抱这些进步不仅可以实现面向未来的工业运营，而且为更加互联和智能的工业环境铺平了道路。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年04月刊《封面故事》栏目：虚拟PLC：自动化架构数字化转型的下一步