软件定义PLC如何改变工业互联网系统架构

随着云计算，机器学习和大数据等IT技术和工业控制领域OT技术的不断融合，工业互联网和智能制造已经成为未来工业生产的大势所趋。工业互联网和智能制造赋予了未来制造更大的灵活性，小批量、多品种和可定制这些生产方式也逐渐成为了可能，这也要求现代生产制造的核心技术——工业自动化控制系统更加灵活有扩展性。

为此，一种基于软件定义的PLC控制系统开始受到业界的关注和重视，甚至被誉为“工业互联网时代的新一代控制系统”。那么，这是什么样的一种控制系统呢？为何更加适合工业互联网的要求呢？目前的最新进展是什么呢？

近日，CONTROLENGINEERINGChina采访了国内软件定义控制领导厂商东土科技的常务副总经理刘生富先生，就软件定义的PLC控制系统做了一个深入的了解。

工业互联网亟需更加灵活的控制系统

市场竞争的加剧和技术的进步使得现在产品更新换代频繁，产品的生命周期越来越短。制造业的生产模式随之发生巨大变化，工业互联网和智能制造成为解决从大规模“刚性制造”转向小批量“柔性制造”的必然选择。

工业互联网使得生产数据可以进行规模化集中存储，实现以前不可能实现的大数据，并利用云平台前所未有的计算能力对大数据进行分析，挖掘和优化生产效率。智能制造使得现场设备、机器和工厂变得“更智能”，能够通过工业网络采集到各类现场数据。但是在刘生富看来，现在无论是工业互联网还是智能制造，均未对工业控制系统的“大脑”PLC/DCS做出任何更进一步的技术变革，控制的核心PLC不能够灵活扩展，无疑将大大减弱工业控制系统灵活性和可扩展性，从而不能满足工业互联网条件下需要短时间内重新配置生产资源的需求。

同时，随着智能化需求的日益增长，以传统PLC/DCS为代表的第三代控制系统已经不能满足工业智能化的需求。一方面，现在的控制系统不仅要处理传统的温度、压力、流量和液位等四大传感信号，而且还要能够处理视觉、语音等以前没有的信号，要支持5G等无线通信，这些对于传统的PLC是无法做到的。另一方面，传统的PLC厂家各自都有自己的通信协议，不开放、不可扩展、不可兼容，这对于未来按需生产的智能制造是不相适应的。

而基于软件定义的PLC具有与生俱来的灵活性，能够利用虚拟化技术通过软件设置即可实现控制能力的扩展，这正是未来制造最需要的控制系统。

软件定义PLC改变工业互联网系统架构

传统的工业控制系统通常被称为五层金字塔模型，从现场传感层到PLC/DCS控制层，再到上面的数据采集和监控SCADA层，生产执行MES层和企业管理ERP层。随着工业互联网的应用，MES和ERP开始互联融合和云化。

目前的工业互联网平台以兼容传统架构的方式运行，通过实时或者历史数据库或者专门的数据采集网关进行现场数据的采集，然后上传到平台上进行数据处理、展示，以及利用工业App做数据应用，进行预测和优化生产过程。但要实现真正意义上工业互联网所构建的蓝图，这样的架构并不能满足要求。在工业生产过程中，最终的控制过程还需要PLC来进行控制，MES、ERP或者工业APP不仅需要从PLC直接采集数据，而且还需要PLC能够直接执行来自MES、ERP或者工业APP的指令，根据指令优化和调整PLC控制程序，实现工业生产的效率提升，同时也避免繁琐的人工调试过程。

而现有的工业互联网平台还无法做到直达PLC的互操作，因此只有采用软件定义的PLC才能够与工业互联网平台直接相通，比如实现PLC轻松连接至互联网，将APP和分析结果嵌入机器和云，实现智能化和自我感知，无需更换PLC硬件即可改变和升级PLC，通过API和生态系统扩大工业互联网平台应用。

“软件定义PLC更强调的是一种体系，一种实现思想。”刘生富补充说道，“工业互联网的新一代控制系统的最终目的，就是实现ERP、MES、工业APP直接驱动控制系统来实现大数据驱动的精确控制。”

软件定义PLC的优势前所未有

软件定义其实并不是一个新词，从早先的“软件定义网络”，到后来的“软件定义一切”，其实软件定义已经走过了概念论证阶段，在IT领域已经一个成熟的技术。当然在工业领域，由于可靠性和实时性要求都很高，所以软件定义并没有得到很多应用。

“东土倡导的软件定义PLC，是基于虚拟化技术，将传统专用的PLC功能解耦，利用软件定义网络的实现思路，通过应用程序来实现PLC逻辑控制的功能。”刘生富解释道，“软件定义PLC的核心是硬件资源虚拟化和管理功能可编程。”

由于软件定义PLC实现了硬件和软件的分离，可以通过软件来配置硬件资源，所以有着传统PLC所不具备的优势。

首先，软件定义PLC通常没有硬件依赖性，很容易迁移和重用软件，用户可以灵活地选择不同的供应商，也允许用户更换或添加组件而不影响系统的其他部分，轻松实现可扩展性和系统模块化。这在传统PLC控制中并不那么容易，或者根本不可能实现。

其次，软件定义PLC由于采用最新的处理器，CPU的性能要比PLC要强很多，同时一个CPU可以虚拟出多个PLC，同时控制更多的设备。而且软件定义PLC可以处理语音、视觉及未来5G等新的数据，甚至在PLC上直接运行各类行业算法、工业APP，这样在很多场合可省去工控机、服务器，这些在传统PLC上是很难实现的。

最后，刘生富强调，软件定义PLC++还有一个有点是可以用高级语言编程。传统PLC通常用梯形图、结构化文本等编程，需要专业的自动化工程师去做，而且用这些语言去编写现在的很多算法十分费劲，而用C或者C++这些高级语言就能十分容易。

软件定义PLC的实现

——NEWPRE工业服务器

尽管软件定义控制的技术已经成熟，目前国内外也有不少厂商和机构几年前也开始了研究，但是东土科技已经在2019年4月德国汉诺威展上率先发布软件定义控制的工业服务器NEWPRE。

汉诺威展DEMO：利用软件定义将Inteli7处理器的4个物理核虚拟出20个实时核，同时集成自动化控制、运动控制、机器视觉等功能。

“这款NEWPRE工业服务器就是一款软件定义PLC的代表作，它基于开放的x86虚拟化架构，在Intel最新的i7处理器上通过高实时虚拟化技术，可以虚拟出最多20个软件定义的实时系统以替代PLC控制器。”刘生富用一套在汉诺威展出的实景DEMO解释道，用NEWPRE不但可以做逻辑控制，而且可以轻松集成各种工业APP，例如可视化、协同制造、机器视觉和工业大数据分析引擎等行业应用软件，真正实现OT和IT技术的融合，满足工业互联网和智能制造的需求。

刘生富表示，虽然这样的系统看上去和PC-BASE类似，但其实也有着本质不同。首先PC-BASE不会采用虚拟化技术，处理器的每个物理核对应一个PLC应用，而NEWPRE可以虚拟出更多的虚拟核来做PLC控制。更为重要的是，PC-BASE通常都是基于Windows或者Linux桌面操作和操作系统，桌面系统和操作系统为同一系统，而NEWPRE不仅安装运行了东土自主开发的实时操作系统Intewell，同时也可以运行Windows或者Linux系统，两个系统同时隔离运行，在桌面系统发生宕机时并不会影响实时系统的正常运行。

目前，在实时性方面，NEWPRE支持最小50us的循环时间。在编程方面，集成了东土自己的工业控制编程平台MaVIEW，可以用拖拽式图形化编程，也可以支持IEC61131-3，用C++、MatLab/Simulink等编程。同时，内置多种协议的协议转换，支持MQTT或OPC-UA到云的连接。

“NEWPRE可以说是集边缘计算、过程控制、运动控制和机器视觉于一身，是工业互联网时代新一代控制系统，因此也获得了2019年首届工业互联网大赛一等奖。”刘生富总结道。

应用众多软件定义PLC威力初显

自从NEWPRE在去年4月发布以来，目前已经在众多领域得到应用，显示出了软件定义PLC的初步威力。

据刘生富介绍，在虚拟多核带来的优势方面，一个典型的应用是，在一条电子芯片生产上，一台NEWPRE虚拟出了13个PLC完成13个工位的自动控制，至今已经运行近一年，没有出现任何问题。另一个比较典型的应用是，东土帮助Fanuc公司改进了机器人教学系统。在使用NEWPRE之前，一台机器人通常要给三个学生使用，得给每个学生配一个工控机来运行学生的仿真模型，还需要一个PLC接受工控机下发的指令来控制机器人，相当于一台机器人得配三套系统。而现在只要一个NEWPRE，就安装了三套桌面系统和一套实时系统，桌面系统支持模拟仿真，实时系统控制机器人的运动，这样就省去了系统的复杂性和成本。

在集成机器视觉优势方面，NEWPRE也已经得到应用。目前东土和合作伙伴正在连发开发新的无人行车控制系统。以前无人行车通常采用摄像机采集信息给工控机进行路径规划算法计算，然后通过PLC和变频器控制行车的走向。现在用NEWPRE之后，可以省去工控机和PLC，不但节省了硬件成本，而且还大大简化了控制系统的架构。

“近一年来，我们NEWPRE还在燃气站站控、油库储油罐液位控制和工程车无人驾驶控制等方面都已经得到应用，可以说软件定义PLC的一些优势在实际应用中都超出了我们的预计。”当然，在刘生富看来，这些应用只是初露锋芒，“目前，我们也在和东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室合作，开发更多的行业算法库来促进软件定义PLC的应用，也希望有更多的行业有合作伙伴加入，一起开发行业应用。”

正如工业互联网还在早期发展阶段一样，软件定义PLC目前显然也还处在逐渐成熟阶段。尽管目前传统PLC还属于绝对的主导地位，而且也在朝着更多适应工业互联网需求的方向在发展，但无疑软件定义PLC开创了传统PLC不一样的通向未来之路，也许在工业互联网时代真正到来那一天，也正是软件定义PLC大放异彩的那一天。