【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】自十多年前工業(yè) 4.0 問世以來，信息技術(shù)(IT)一直在影響著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。這一舉措讓那些厭惡風(fēng)險(xiǎn)的工業(yè)參與者認(rèn)識(shí)到使用“IT 化”架構(gòu)的價(jià)值和益處，例如，通過獲取原始過程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化。它還創(chuàng)建了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的未來愿景，即通過數(shù)字孿生對(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程進(jìn)行建模和測試。

 

　　自動(dòng)化架構(gòu)的“IT 化”始于基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并催生了工業(yè)邊緣的創(chuàng)建，即工廠車間中傳統(tǒng)自動(dòng)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(shí)時(shí)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(shù)最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。在虛擬化之前，數(shù)據(jù)中心由運(yùn)行單一應(yīng)用程序(數(shù)據(jù)庫、電子郵件、文件共享、客戶關(guān)系管理、企業(yè)資源規(guī)劃)的專用功能服務(wù)器組成。每臺(tái)服務(wù)器都必須單獨(dú)進(jìn)行管理、配置和擴(kuò)展，以滿足其應(yīng)用程序或服務(wù)的最大需求。虛擬化極大地減少了所需的物理服務(wù)器數(shù)量，降低了能源消耗，并為信息技術(shù)(IT)運(yùn)營提供了更好的可視性和可管理性。服務(wù)器虛擬化是邁向如今軟件定義數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的第一步。
 

　　工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)似乎正沿著相似的道路前進(jìn)。對(duì)于自動(dòng)化解決方案而言，這種轉(zhuǎn)變意味著在運(yùn)行于通用硬件和軟件平臺(tái)(工廠服務(wù)器)上的虛擬機(jī)中整合多個(gè)自動(dòng)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(jī)這樣的機(jī)電設(shè)備仍保留在機(jī)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(shí)現(xiàn)虛擬化，并部署在工廠服務(wù)器上，與其他軟件相鄰。對(duì)于機(jī)器操作員來說，自動(dòng)化系統(tǒng)的日常功能應(yīng)保持不變，但維護(hù)人員可能需要學(xué)習(xí)新技能來處理操作問題。

 

　　虛擬PLC將如何改變自動(dòng)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(yīng)用仍將是傳統(tǒng)PLC的領(lǐng)域？虛擬PLC創(chuàng)造了哪些新機(jī)遇？以下是虛擬PLC在工業(yè)應(yīng)用中的一些潛在優(yōu)勢和注意事項(xiàng)。
 

　　虛擬部署
 

　　與一些軟PLC不同的是，虛擬PLC可以像應(yīng)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(tái)通常支持來自不斷擴(kuò)展的產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)(包括第三方)的應(yīng)用程序和設(shè)備。例如，像西門子工業(yè)邊緣這樣的專用平臺(tái)，可以提供用于部署和監(jiān)控自動(dòng)化資產(chǎn)及服務(wù)性能的工具，這些工具使應(yīng)用程序和設(shè)備能夠輕松地相互通信，同時(shí)占用空間較小。
 

　　面向終端用戶的部署
 

　　傳統(tǒng)PLC通常是手動(dòng)部署的，且參數(shù)往往也是需要手動(dòng)設(shè)置的，而虛擬PLC則像IT資產(chǎn)一樣通過“編排”進(jìn)行部署 —— 即使用通用 IT 工具自動(dòng)配置、供應(yīng)和管理資產(chǎn)的過程。在掌握了一定的 IT 技能后，自動(dòng)化工程師就可以在由軟件定義設(shè)備和物理設(shè)備混合配置的機(jī)器、生產(chǎn)線和整個(gè)工廠中部署和監(jiān)控一整套控制器。如今，一個(gè)大型制造工廠可能包含成百上千個(gè) PLC，因此通過對(duì)自動(dòng)化資產(chǎn)進(jìn)行集中管理來節(jié)省成本的潛力是巨大的。
 

　　面向機(jī)器制造商的部署
 

　　雖然大多數(shù)機(jī)器制造商更愿意交付配置和PLC程序完全相同的機(jī)器，但實(shí)際上，即使是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器也常常需要進(jìn)行修改以滿足客戶的需求和要求。虛擬PLC為機(jī)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(hào)”，可以根據(jù)每臺(tái)機(jī)器的需求隨時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展或縮減。
 

　　降低資本成本
 

　　虛擬PLC在服務(wù)器上運(yùn)行，如果在單個(gè)托管設(shè)備上安裝多個(gè)虛擬 PLC，用戶可以降低資本成本。那么，一臺(tái)服務(wù)器上可以安裝多少個(gè)虛擬 PLC，其限制又是什么呢？一般來說，每臺(tái)服務(wù)器安裝10到20個(gè)虛擬PLC的計(jì)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(yùn)動(dòng)控制是PLC的關(guān)鍵考驗(yàn)。有的虛擬PLC可以像基于硬件的同類產(chǎn)品一樣執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，但對(duì)于高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制(協(xié)調(diào)多個(gè)伺服軸)，技術(shù)專家建議使用傳統(tǒng)PLC和專用技術(shù)模塊更穩(wěn)妥。
 

　　揀選（初級(jí)包裝）
 

　　高速拾放機(jī)器人可高效處理需要裝箱的產(chǎn)品。這些機(jī)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(jī)的進(jìn)料飛行，并在出料輸送機(jī)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(jī)器人可以識(shí)別部件的位置方向和類型，并將任務(wù)分配給相應(yīng)的機(jī)器人進(jìn)行精確處理。
 

　　可擴(kuò)展性和靈活性
 

　　虛擬PLC使自動(dòng)化系統(tǒng)更具靈活性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)規(guī)模可以簡單地通過更改正在使用的虛擬PLC實(shí)例數(shù)量來擴(kuò)大或縮小，而無需安裝或移除硬件。用戶只需為當(dāng)前使用的控制器付費(fèi)——對(duì)于定期制造和運(yùn)輸機(jī)器的機(jī)器制造商來說，這是一個(gè)很有吸引力的模式。由于其尺寸和可用空間，傳統(tǒng)的 PLC 對(duì)想要快速擴(kuò)展的工廠提出了一些挑戰(zhàn)。虛擬化可以在物理 PLC上實(shí)施新的控制策略之前開發(fā)和測試這些策略，從而靈活擴(kuò)展工廠的自動(dòng)化產(chǎn)線。這大大降低了擴(kuò)展過程中的成本和錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　設(shè)備和應(yīng)用程序管理
 

　　虛擬化系統(tǒng)是“編排”的，這意味著應(yīng)用程序和設(shè)備可以通過自動(dòng)任務(wù)快速部署，進(jìn)行調(diào)配和配置。這樣，整個(gè)軟件定義的自動(dòng)化系統(tǒng)、智能設(shè)備和應(yīng)用程序就可以使用通用工具進(jìn)行高效部署、監(jiān)控和管理。
 

　　對(duì)遺留系統(tǒng)的支持
 

　　機(jī)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(jié)構(gòu)也就不足為奇了，這使用戶能夠利用他們現(xiàn)有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(fēng)險(xiǎn)并支持逐步推進(jìn)。
 

　　更高的效率
 

　　虛擬PLC部署在工業(yè)邊緣，也就是新舊自動(dòng)化系統(tǒng)在IT環(huán)境中集成的領(lǐng)域。例如，Simatic S7-1500V 運(yùn)行在西門子工業(yè)邊緣平臺(tái)上，在這個(gè)通用環(huán)境中可以集中監(jiān)控應(yīng)用程序和設(shè)備，該環(huán)境促進(jìn)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(dòng)獲得的洞察來操作和維護(hù)制造設(shè)備，這有助于優(yōu)化流程，甚至可以在意外停機(jī)和故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測。這些功能可以通過在同一邊緣平臺(tái)上運(yùn)行的其他應(yīng)用程序(如 Profinet 監(jiān)控)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。
 

　　采購和生命周期成本
 

　　使用虛擬PLC的自動(dòng)化系統(tǒng)在采購成本上是否比傳統(tǒng)自動(dòng)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(guān)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(yùn)行，但用戶可以在單個(gè)服務(wù)器上部署多個(gè)虛擬PLC，這減少了設(shè)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(dòng)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(jìn)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(shí)縮短開發(fā)時(shí)間，還可以實(shí)現(xiàn)額外的成本節(jié)約。
 

　　虛擬 PLC 的推出代表了工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻。通過將傳統(tǒng) PLC 功能的穩(wěn)健性與虛擬化技術(shù)的敏捷性相結(jié)合，虛擬PLC提供了前所未有的靈活性、可擴(kuò)展性和集成功能。隨著各行各業(yè)繼續(xù)接受數(shù)字化轉(zhuǎn)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(jī)會(huì)。
 

　　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(xì)微差別及其對(duì)自動(dòng)化架構(gòu)的影響將至關(guān)重要。擁抱這些進(jìn)步不僅可以實(shí)現(xiàn)面向未來的工業(yè)運(yùn)營，而且為更加互聯(lián)和智能的工業(yè)環(huán)境鋪平了道路。