工業(yè)自動化發(fā)展的關鍵時刻：虛擬PLC將如何改變自動化？
發(fā)布時間：2025-08-15 作者：David Humphrey
本文探討了控制器層面軟件定義自動化和虛擬PLC的優(yōu)勢，以及它對未來自動化系統(tǒng)的設計、部署和管理等所方面產(chǎn)生的影響。
自十多年前工業(yè) 4.0 問世以來，信息技術（IT）一直在影響著工業(yè)自動化系統(tǒng)。這一舉措讓那些厭惡風險的工業(yè)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(shù)據(jù)實現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化。它還創(chuàng)建了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的未來愿景，即通過數(shù)字孿生對產(chǎn)品和生產(chǎn)過程進行建模和測試。
自動化架構的“IT 化”始于基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡，并催生了工業(yè)邊緣的創(chuàng)建，即工廠車間中傳統(tǒng)自動化與IT世界交匯的空間。隨著這一趨勢的持續(xù)發(fā)展，我們現(xiàn)在正見證實時控制從專用硬件向托管IT環(huán)境的遷移。
從數(shù)據(jù)中心開始
數(shù)據(jù)中心是虛擬化技術最早應用的領域之一。在虛擬化之前，數(shù)據(jù)中心由運行單一應用程序（數(shù)據(jù)庫、電子郵件、文件共享、客戶關系管理、企業(yè)資源規(guī)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(shù)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(shù)據(jù)中心和云計算基礎設施的第一步。
工業(yè)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(chǎn)管理或批次控制。雖然像傳感器、執(zhí)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(tǒng)功能現(xiàn)在已經(jīng)可以在容器中實現(xiàn)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(tǒng)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。
▲圖1：虛擬PLC是未來軟件定義自動化架構的重要實現(xiàn)。圖片來源：ARC
虛擬PLC將如何改變自動化？
虛擬PLC（vPLC）的出現(xiàn)引發(fā)了諸多思考。虛擬PLC能否直接替代傳統(tǒng)PLC？性能方面相比如何？哪些應用仍將是傳統(tǒng)PLC的領域？虛擬PLC創(chuàng)造了哪些新機遇？以下是虛擬PLC在工業(yè)應用中的一些潛在優(yōu)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(yè)邊緣環(huán)境中安裝和集成，不用與工業(yè) PC捆綁在一起。邊緣平臺通常支持來自不斷擴展的產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)（包括第三方）的應用程序和設備。例如，像西門子工業(yè)邊緣這樣的專用平臺，可以提供用于部署和監(jiān)控自動化資產(chǎn)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(tǒng)PLC通常是手動部署的，且參數(shù)往往也是需要手動設置的，而虛擬PLC則像IT資產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)線和整個工廠中部署和監(jiān)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(chǎn)進行集中管理來節(jié)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(shù)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(yōu)勢：傳統(tǒng)PLC硬件有不同的尺寸和容量規(guī)格，而虛擬PLC只有一種“型號”，可以根據(jù)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(nèi)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(chǎn)品一樣執(zhí)行標準運動控制任務，但對于高級運動控制（協(xié)調(diào)多個伺服軸），技術專家建議使用傳統(tǒng)PLC和專用技術模塊更穩(wěn)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)更具靈活性和可擴展性。系統(tǒng)規(guī)?？梢院唵蔚赝ㄟ^更改正在使用的虛擬PLC實例數(shù)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(tǒng)的 PLC 對想要快速擴展的工廠提出了一些挑戰(zhàn)。虛擬化可以在物理 PLC上實施新的控制策略之前開發(fā)和測試這些策略，從而靈活擴展工廠的自動化產(chǎn)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(tǒng)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(diào)配和配置。這樣，整個軟件定義的自動化系統(tǒng)、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(jiān)控和管理。
對遺留系統(tǒng)的支持
機器制造商在PLC代碼的開發(fā)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(shù)據(jù)結構也就不足為奇了，這使用戶能夠利用他們現(xiàn)有的知識產(chǎn)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(tǒng)PLC的方式相同，所以用戶可以繼續(xù)使用為多代西門子PLC開發(fā)的現(xiàn)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(tǒng)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(yè)邊緣，也就是新舊自動化系統(tǒng)在IT環(huán)境中集成的領域。例如，Simatic S7-1500V 運行在西門子工業(yè)邊緣平臺上，在這個通用環(huán)境中可以集中監(jiān)控應用程序和設備，該環(huán)境促進了開放性和數(shù)據(jù)共享，并帶來了一系列好處。用戶可以憑借數(shù)據(jù)驅(qū)動獲得的洞察來操作和維護制造設備，這有助于優(yōu)化流程，甚至可以在意外停機和故障發(fā)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(jiān)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(tǒng)在采購成本上是否比傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)更低？與傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)相比，其生命周期成本又如何呢？關于虛擬PLC與傳統(tǒng)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(shù)量并節(jié)省了控制柜空間。然而，虛擬PLC只是取代了自動化系統(tǒng)的中央處理器（CPU）。輸入輸出（IO）模塊、傳感器、執(zhí)行器和操作面板仍然是必需的，而這些可能占控制系統(tǒng)總成本的很大一部分。
通過采用DevOps方法進行精益軟件開發(fā)來降低工程成本，在確保代碼質(zhì)量和一致性的同時縮短開發(fā)時間，還可以實現(xiàn)額外的成本節(jié)約。
虛擬 PLC 的推出代表了工業(yè)自動化發(fā)展的關鍵時刻。通過將傳統(tǒng) PLC 功能的穩(wěn)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(yè)繼續(xù)接受數(shù)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(yè)的創(chuàng)新帶來新的機會。
虛擬PLC的意義不在于取代傳統(tǒng)PLC，而是在于在以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境中部署和管理PLC功能，并充分利用現(xiàn)代 IT工具和發(fā)展所帶來的所有優(yōu)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(xiàn)面向未來的工業(yè)運營，而且為更加互聯(lián)和智能的工業(yè)環(huán)境鋪平了道路。
關鍵概念：
■ 虛擬PLC的重點不是取代傳統(tǒng)的 PLC，而是在以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境中部署和管理 PLC 功能。
■ 在容器化軟件環(huán)境中，vPLC 在易于部署、可管理性、可擴展性和靈活性等方面比傳統(tǒng) PLC 具有許多優(yōu)勢。
思考一下：
您是否考慮在工廠中部署虛擬PLC？