从西门子首个虚拟PLC聊起：自动化体系结构的下一步

西门子自动化集成软件TIA Portal V19新版本中，加入了SIMATIC S7-1500V虚拟PLC，这是西门子的首款虚拟PLC。

S7-1500V是一个完全虚拟的PLC，它与硬件完全无关，可以安装在大多数工业级服务器或 PC 上，且集成在TIA Portal和 Industrial Edge 软件平台中。用户可以通过软件模拟实现PLC的功能，无需依赖特定的硬件设备

与传统 PLC 相比，S7-1500V 具有诸多无可比拟的优势。首先，它可以大大降低系统成本。其次，S7-1500V具有更高的灵活性和可扩展性，用户可以根据实际需求轻松进行配置和升级，比如能够方便地增加或减少输入输出点数，以适应不同规模的项目需求。此外，S7-1500V 还支持云计算和物联网等新兴技术，能够实现远程监控和管理，实时掌握系统运行状态，提高了系统的智能化水平。虚拟PLC让OT与IT之间的桥梁更为清晰和贯通。IT工程师可以在自己熟悉的环境中完成PLC的操作，打通OT与IT之间的隔阂，让两者的融合真正发生。

自 2024 年 1 月以来，两台虚拟 PLC 已成功部署在位于内卡苏姆的奥迪 Böllinger Höfe 工厂的奥迪 e-tron GT 车轴装配线上。部署虚拟 PLC 后，工业控制器硬件位于统一的机房运行，升级和维护更加便利，成本也更加可控。

各个自动化大厂都在做相关布局虚拟PLC。西门子的虚拟PLC做为西门子工业边缘的重要一环，共同构成了西门子面向未来的工业物联的布局，这一布局方向和国内企业倒是形成了巨大的不同。

关于如何看待西门子的虚拟PLC，这里引用一篇ARC advisory的文章，供大家参考。文章作者DAVID HUMPHREY，以下内容是文章的全文翻译。

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自十多年前工业4.0问世以来，IT技术一直在影响工业自动化系统，也一直在向厌恶风险的自动化从业者展示使用“类IT”架构的价值和好处，比如利用原始流程数据进行持续优化，也创建了一个数据驱动的未来愿景，即使用数字双胞胎对产品和生产流程进行建模和测试。自动化架构的“IT化”始于工业以太网，并催生了工业边缘，即经典的自动化与IT世界在工厂车间相遇。随着这一趋势的持续，我们现在见证了实时控制从专用硬件向托管IT环境的迁移。

作为市场领导者的一大步，西门子推出了其首款虚拟可编程逻辑控制器（vPLC）Simatic S7-1500V。本ARC研究着眼于控制器级别的软件定义自动化的出现及其对未来自动化系统的设计、部署和管理方式的影响

关键要点

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  vPLC不会完全取代传统PLC的专用硬件。相反，当用户决定将每个解决方案部署到最适合的位置时，两者将无限期共存。
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  在容器化软件环境中，vPLC在易于部署、可管理性、可扩展性和灵活性等方面比传统PLC具有许多优势。然而，只有当用户迁移到真正类似IT的体系结构并培训员工设计和操作这些体系结构时，才能实现好处。
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  vPLC只是自动化体系结构端到端解决方案的一部分，该体系结构还包括基础设施、机器应用程序和第三方组件。
  

软件定义自动化对于西门子并不是新鲜事。多年来，该公司一直在销售与工业PC捆绑的软PLC，现在提供西门子工业边缘，这是一个集成IT和OT的平台。新Simatic S7-1500V虚拟PLC的不同之处在于部署。vPLC像应用程序一样购买和下载，然后安装并集成在边缘环境中。西门子将主机硬件的选择权留给用户（但提供参考硬件列表）。除此之外，新的vPLC在功能上与经典的西门子PLC没有什么不同



虚拟化始于数据中心
数据中心是虚拟化的先驱。在虚拟化之前，数据中心由运行单个应用程序（数据库、电子邮件、文件共享、CRM、ERP）的专用功能服务器组成。每个服务器都必须单独管理、配置和扩展，以支持对其应用程序或服务的最大需求。虚拟化大大减少了所需的物理服务器数量，降低了能耗，并提供了更好的IT操作可见性和可管理性。服务器虚拟化是迈向当今软件定义的数据中心和云计算基础设施的第一步。

工业自动化技术也在走类似的道路。对于自动化解决方案，这种转变意味着在通用硬件和软件平台（工厂服务器）上运行的虚拟机中整合多种自动化功能，如可视化、生产管理或批量控制。虽然传感器、执行器和电机等机电设备仍保留在机器上，但安装在电气柜中的PLC的传统功能现在在容器中虚拟化，并部署在工厂服务器上，接近其他软件。对于机器操作员来说，自动化系统的日常功能应该保持不变，但维护人员可能必须学习新技能来处理操作问题

虚拟PLC将如何改变自动化？

虚拟PLC给大家带来无数的问题。vPLC是传统PLC的替代品吗？性能如何比较？哪些应用程序仍将是经典PLC的领域？vPLC创造了哪些新机会？以下是vPLC的潜在好处和注意事项的描述。

虚拟部署

vPLC在应用商店中购买、下载，然后部署在工业边缘的容器中。边缘平台通常支持来自不断增长的产品和解决方案生态系统的应用程序和设备，包括来自第三方的应用程序。西门子工业边缘等专用平台提供了部署和监控自动化资产和服务性能的工具，使应用程序和设备能够轻松地相互通信，同时保持较小的空间占用。

为最终用户部署

虽然传统的PLC是手动部署的，通常带有手动设置的参数，但vPLC就像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、配置和管理资产的过程。在学习了某些IT技能后，自动化工程师可以在软件定义和物理设备的混合配置中，跨机器、生产线和整个工厂部署和监控整个控制器组。如今，一个大型制造厂可能包括数百个PLC，因此自动化资产的集中管理可能带来巨大的潜在成本节约。

机器制造商的部署

虽然大多数机器制造商更喜欢提供具有相同配置和PLC程序的机器，但事实上，即使是标准机器也经常经过修改以满足客户的愿望和要求。vPLC为机器制造商提供了几个优势：虽然经典的PLC硬件有不同的尺寸和容量，但vPLC只有一个“型号”，可以放大或缩小以满足每台机器的要求。

降低资本成本

vPLC在服务器上运行，如果在单个主机设备上安装多个vPLC，用户可以降低资本成本。有趣的是，西门子并没有将S7-1500V与工业PC捆绑在一起。相反，主机硬件的选择权留给了用户，这让用户有责任确保满足应用要求。然而，西门子工业边缘提供了对此的支持，帮助用户了解和管理PC资源。

那么，一台服务器上可以安装多少个vPLC，限制是什么？有消息称，每个服务器有10到20个vPLC的计算集群是现实的，但这取决于vPLC在做什么。具有确定性性能的硬运动控制是PLC的成败测试。西门子表示，S7-1500V与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（多个伺服轴的协调），该公司建议使用经典的PLC和专用技术模块（T-CPU）。

可扩展性和灵活性

vPLC使自动化系统更加灵活和可扩展。可以简单地通过更改正在使用的vPLC实例的数量而不是通过安装或删除硬件来放大或缩小系统大小。用户只为目前使用的控制器付费，这对于定期建造和运输机械的机器制造商来说是一种很有吸引力的模式。

设备和应用程序管理

虚拟化系统是“精心安排的”，这意味着应用程序和设备可以通过用于资源调配和配置的自动化任务快速部署。这允许使用通用工具高效地部署、监控和管理整个软件定义的自动化系统、智能设备和支持应用程序。



旧版支持

机器制造商在PLC代码的开发上投入了巨额资金，因此vPLC通常支持遗留代码和数据结构，允许用户利用现有的IP和熟悉的工程工具，这绝非巧合。例如，Simatic S7-1500V的配置与西门子TIA Portal的传统PLC一样，因此用户可以继续使用为几代西门子PLC开发的现有代码。这也在另一个方向上起作用：如果需要，用户可以轻松切换回经典的PLC，以降低更改的风险并支持逐步推出。

更高的效率

虚拟PLC部署在工业边缘，即新的和传统的自动化系统集成在IT环境中的空间。例如，Simatic S7-1500V在西门子工业边缘运行，在通用环境中可以集中监控应用程序和设备，促进开放性和数据共享，并带来一长串相关好处。例如，用户可以使用数据驱动的见解来操作和维护制造设备，这些见解可以帮助优化流程，甚至在意外停工和故障发生之前预测它们。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）进一步增强。

采购和生命周期成本

使用vPLC的自动化系统的购买成本是否比传统自动化系统低？与传统PLC系统相比，生命周期成本如何？虚拟PLC与经典PLC的成本比较仍悬而未决。虽然vPLC仍然需要硬件来运行，但用户可以在一台服务器上部署多个vPLC实例，这减少了设备总数并节省了机柜空间。然而，vPLC只是取代了自动化系统的CPU。IO模块、传感器、执行器和操作面板仍然是必要的，这些可以构成系统总成本的大部分。

通过使用DevOps方法来实现精益软件开发，从而在确保代码质量和一致性的同时缩短开发时间，从而降低工程成本，从而实现额外的成本节约。

结论

虽然虚拟PLC是在其他成熟的离散控制市场上的一个新发展，但虚拟部署控制器的出现是处于数字化转型中的行业大局的一部分。随着用例的出现，在IT环境中部署自动化系统的业务案例将变得更加引人注目。

vPLC遵循长期以来的IT趋势，即“尽可能在软件中实现”，但将这一趋势应用于关键实时控制。vPLC的目的不是取代传统的PLC，而是在以数据为中心的环境中部署和管理PLC功能，并利用现代IT工具和开发的所有优势。