实时虚拟机管理器技术会成就未来的工业控制器吗?

2015年初，SIEMENS ET200SP Open Controller上市公开销售，这是第一款采用实时虚拟机管理器技术的工业控制器。



2016年7月，OMRON发布搭载了实时虚拟机管理器技术的NY系列IPC。





2018年4月，Mitsubishi Electric三菱发布搭载了实时虚拟机管理器技术的MI5000工控机用于边缘计算。



2018年9月B&R贝加莱发布了B&R Hypervisor 实时虚拟机管理器技术。



2018年11月，Lenze伦茨在SPS/IPC/DRIVE展会上发布搭载了实时虚拟机管理器技术的c750控制器。



2019年2月，Rockwell自动化正式发布搭载了实时虚拟机管理器技术的 CompactLogix 5480 控制器。



从2015年至今的4年内已经有6家工业控制器主流厂商发布了基于实时虚拟机管理器技术的控制器，这表明在IT行业发展多年的虚拟机管理器技术已经足够成熟到可以应用于工业控制器领域，可能是未来工业控制器的发展方向之一。由于工控市场是稳字当先，对于对新技术的接受需要时间，所以多个工业控制器厂商只是发布了先锋产品来试探市场反应。

各家厂商在宣传的时候都会提到一个共同点：一套硬件上运行两个操作系统，一个是RTOS（运行PLC、运动控制等实时功能）、另一个是Windows或者Linux（运行HMI/SCADA或者数据库等非实时应用），两个系统并行运行互不干扰，即使Windows或者Linux重新启动也不会影响实时系统的正常运行。这是由于在两个操作系统和硬件之间有一个实时虚拟机管理器来将硬件资源完全虚拟化成两套硬件，每套硬件上运行不同的操作系统，不同的操作系统上运行适合的不同应用。由于不同的操作系统有各自独立支配的硬件资源，不同操作系统可以并行独立运行，互不干扰。

下面是西门子SIEMENS ET200SP Open Controller的架构：



我们可以看到SIEMENS Hypervisor这个实时虚拟机管理器对PC的硬件资源进行了完全虚拟化，把蓝色部分的资源（1个CPU核、720MB的内存、400MB的硬盘空间以及PROFIENT/PROFIBUS网卡）分配给了SIEMENS RTOS（与S7-1500硬PLC运行的RTOS一致），PLC Runtime运行在此RTOS上，实现与S7-1500硬PLC一样的功能，而且与S7-1500硬PLC的程序是100%兼容的。剩下的灰色部分的资源留给Windows系统，Windows系统中可以运行 WinCC Runtime Advanced 实现精致屏的功能，也可以运行用户自己编写的HMI/SCADA应用或者数据库、机器视觉等应用。在软PLC运行时Windows可以随时重启而不影响PLC程序的正常运行，而且两个操作系统间的应用还可以通过内部的通信通道快速交换数据。

这种架构可以充分利用多核的x86架构CPU的计算能力，将PLC、HMI、运动控制、机器视觉、数据库、边缘计算等功能运行在一套PC硬件上，各应用间还可以进行快速通信。特别适合做为机械设备的控制器或者联接OT和IT的网关或者边缘控制器。

各家产品的架构虽然一样，但具体实现又有区别：

·       SIEMENS的实时虚拟机管理器和RTOS都是SIEMENS自己开发的私有产品。

·       OMRON的NY系列IPC使用的RTOS是VxWorks，实时虚拟机管理器厂家未知。

·       三菱的MI500使用了Wind River公司的实时虚拟机管理器和VxWorks实时操作系统。

·       B&R贝加莱使用了德国Real-Time Systems公司的实时虚拟机管理器和Wind River公司的VxWorks实时操作系统。

·       Lenze伦茨c750控制器使用的RTOS是RT-Linux，实时虚拟机管理器厂家未知。

·       Rockwell CompactLogix 5480 控制器使用了Wind River公司的实时虚拟机管理器和VxWorks实时操作系统。