軟硬件解耦勢頭強勁，開放自動化成為新共識，PLC正沿著虛擬化之路”狂飆”
http://www.199rrr.com 2023-07-17 15:28 來源：物聯網智庫
話說西門子、艾默生、施耐德等老牌工業自動化企業，擁抱起最新技術趨勢來，那可比初創企業還生猛。
在文章《麥肯錫最新報告解讀工業自動化:未來屬于老牌企業西門子/ABB,還是互聯網巨頭亞馬遜/微軟?》中，我曾經提到如果虛擬PLC、工業人工智能、工業無線等技術取得突破性增長，那么工業自動化可能會快速跨越臨界點，從過去那個緩慢演進的賽道，邁入即將快速發展的康莊大道。
現在臨界點的信號越來越強烈，自從今年4月份在德國舉辦的漢諾威工博會以來，市場方向正在快速變化，軟硬件解耦形成共識，發展勢頭強勁。
大量的知名企業，包括西門子、施耐德電氣、博世力士樂、倍福等公司，都認為軟硬件解耦是大勢所趨，推出了與硬件完全解耦的虛擬PLC產品。
尤其是西門子在漢諾威上正式展示的首款虛擬工業控制器Simatic S7-1500V，可以認為是行業風向標。
而且這種變化不僅發生在離散制造領域，艾默生身先士卒，在流程工業也掀起了一股解耦浪潮。
多家老牌工控企業帶頭，用行動說明：踐行“開放自動化”，大家是認真噠~~
可想而知，如果西門子們的控制軟件可以在任何第三方標準硬件上運行，那么企業的競爭優勢將會發生快速變遷。這將造成工業自動化發展范式的劇烈變化。
因此今天這篇文章，我們來一起探討這一波愈演愈烈的工業自動化軟硬件解耦浪潮。
開放自動化成為新共識
西門子最新發布的這款虛擬PLC：Simatic S7-1500V，在國內目前鮮有報道。
這款PLC雖然沿用了Simatic S7-1500這個產品編號，但它是與硬件解耦的，也就是說，它不需要在特定的硬件中運行。
虛擬PLC超脫于傳統PLC的軟硬件強制綁定，實現了PLC的數字孿生。解耦之后，虛擬PLC可以通過云端完成部署和管理，遠程控制更加簡便。虛擬PLC更容易擴展，開放的數據接口意味著它可以輕松被集成到其它IT系統之中。
這樣做的好處很多：
首先，虛擬PLC能夠在很大程度上提高OT的靈活性。它讓工廠可以采用通用的IT設備進入生產線的控制環節，讓低成本的硬件也有可能采用更先進的自動化控制系統；
其次，最終用戶不用再被供應商鎖定，可以根據需求進行硬件的選擇和更換；
第三，由此用戶也就擺脫了授權經銷商的束縛，不必在經過指定渠道購買硬件，減少了設備采購的中間環節；
第四，用戶可以通過工業邊緣系統訪問虛擬PLC，更加便捷的實現遠程控制。
虛擬PLC讓OT與IT之間的橋梁更為清晰和貫通。IT工程師可以在自己熟悉的環境中完成PLC的操作，打通OT與IT之間的隔閡，讓兩者的融合真正發生。
雖然這款虛擬PLC是西門子的首款，但是西門子并不是第一個擁抱開放自動化的企業。施耐德電氣、博世力士樂、倍福等公司，都認為軟硬件解耦是大勢所趨，推出了與硬件完全解耦的虛擬PLC產品。
在推出虛擬PLC的同時，已經有客戶積極嘗試并為其買單。比如奧迪，正在工廠中使用虛擬PLC實現更加靈活的工業控制。
奧迪工廠中有數百個PLC，由大量工程師來對它們進行管理。而部署了虛擬PLC之后，工業控制器硬件位于統一的機房運行，升級和維護更加便利，成本也更加可控。以前PLC如果出現問題或者需要安裝更新，工程師往往到現場才能解決，現在奧迪的工程師們“躺平”在家就能應對多種PLC疑難雜癥。
從傳統PLC切換到虛擬PLC的過程也并不復雜，如果是之前使用過全集成自動化博途（TIA Portal）的用戶，按照奧迪和西門子的說法，只需要點擊10次（據稱工程師們掰著手指數過）就能實現切換，業務不會中斷。
未來工廠的終極目標是實現機器設備的自主生產，虛擬PLC讓我們朝向這一愿景又更近一步。
虛擬化的潘多拉之盒一旦開啟，更多可能就會發生，看到了這一趨勢，流程工業的企業也在蠢蠢欲動。
比如艾默生就公布了“無界自動化”的架構愿景。艾默生的軟件定義自動化架構，建立在Plantweb數字生態系統的基礎上。
艾默生對行業的判斷與西門子、麥肯錫、施耐德等極為一致，他們認為目前工業正處于一個關鍵的臨界點邊緣，一個遵循“老辦法”還是勇敢擁抱“技術驅動未來”的十字路口。在這個關鍵期，OT與IT應該更加緊密的結合，艾默生打破了過去的自動化分層，允許用戶可以跨層訪問數據，并由此提出軟件定義自動化的新架構，跨越云端、邊緣和現場，消除功能孤島，形成“無界自動化”平臺。
不僅工業自動化領域的企業看到了虛擬PLC的價值，IT公司也在積極響應。
英特爾正與VMware合作，優化工廠底層的基礎設施，讓虛擬PLC能夠處理確定性控制周期時間<1ms的場景，使得虛擬PLC能夠更加貼近工廠實踐。
PLC即服務，一個新階段的開啟
硬件的標準化、軟件的通用化…很多在IT領域看似輕而易舉的事情，放到OT就變成難于上青天。這與行業本身對技術、對結果以及行業全局的嚴苛屬性高度相關。
好在，這種局面正在快速改觀。
開放自動化，意味著過去各大廠商引以為傲的各種絕技，需要重塑。
過去，在大型工業控制系統中，往往存在數百甚至上千個異構的硬件模塊單元，他們分別來自不同自動化廠商。
西門子、施耐德、三菱、歐姆龍…他們使用的操作系統五花八門，比如各種經過裁剪的實時操作系統，VxWorks、Lynx、QNX、RT-Linux…還有Windows Embedded。
各家的編程軟件也不相同，比如西門子用TIA Portal、施耐德用Unity、TwidoSuite、羅克韋爾用Studio 5000、三菱用GX Developer、歐姆龍用Sysmac Studio。
這些控制器擔任著工廠生產線上“大腦”的重任，可以說是自動化的穩定性之基礎和智能化之核心。
就像過去我們將Microsoft Office、金山文檔等辦公軟件逐一安裝在PC上的情況一樣，更甚的是，不同工業軟件對于其被安裝的硬件更加挑剔，符合“脾氣”才能運行。
而且現在，Office等辦公軟件是訂閱服務，不用在PC上安裝任何程序，就可以隨心所欲的調用Office、Google Doc、WPS、飛書…軟件和硬件完全解耦，進入“X即服務”的階段。
這種趨勢終將覆蓋到工業自動化領域，只是時間問題。“PLC即服務”正在發生，可能將會成為主流。
工業控制器可以稱作是工業領域的“PC”，雖然沒有鼠標、鍵盤和屏幕，但它屬于廣義計算機的范疇。工程師們每天用它控制電梯、交通信號燈、工廠生產線…
虛擬PLC基于通用硬件完成各種功能，對于OT工程師們來說，他們可以繼續沿用自己習慣的環境和架構，同時享受IT系統的優勢；對于IT工程師們來說，他們也并不再對OT的系統感到陌生，OT與IT的融合自然而然的發生。
因此，推進虛擬PLC并不是企業們一時興起，而是長期趨勢：
首先，控制器最大限度的采用通用化的硬件，盡可能解除了傳統專用設備的綁定和局限。
其次，工程不再需要依賴任何特定的硬件和拓撲，實現硬件與軟件解耦，兩者相互獨立。
工程師只使用一種工具就能配置所有的控制應用、HMI/SCADA系統和I/O連接，為工業互聯網IIoT應用程序提供所需的基礎架構。控制器相關的軟件和程序可以實現規模化管理，尤其在迭代或升級過程中，降低成本和提高效率。
最后，通訊走向標準化。
通過南向接口，化解來自不同供應商組件之間的互操作性難題；通過北向接口，開發豐富的應用和服務，創造將云原生、DevOps等IT技術融入OT的可能性，享受由工藝技術更新和工業互聯網帶來的各種創新。
解耦，催生工業互聯網生態的全新運作方式
從誕生至今，PLC出色的完成了銜接設備層與信息層的任務，承擔了上傳下達的職責，并收獲了易用、可靠的美名。我們將工業領域的架構，分為現場層、控制層、信息層等多個層級“金字塔”的做法，也伴隨PLC一起深入人心。
但是在最近幾年，工業領域發生了很大的變化，工廠需要更扁平的架構、更簡單的流程和更智能的分析。這時如果依然沿用過去的分層架構思路，有些不合時宜。
跳出“金字塔”的架構，過去的一些基本假設需要被重置：
- 數據不必被分層，不同層級之間的數據可以相對自由的流動
- 數據的來源方和使用方，都更加豐富多樣
- 每個節點具備一定的智能，就近可以對數據進行初步分析和處理
在文章《工業互聯網時代，PLC或許該改個名字了…》中，我曾經預判過PLC的發展趨勢，眼見著預判逐步進入現實，憧憬的心情可想而知。
過去，工業企業大多“住在”一個由不同供應商使用特定軟硬件創造，需要耗費額外的資源和財力管理各種不同設備的異構環境中。
然而，軟件正在“吞噬”世界的腳步從未停止，開放自動化是一個必然趨勢，這個趨勢逐步匯聚了一股力量：整合工業控制領域各種促進開放的力量，這種整合代表了新技術從獨立摸索走向商業化融合落地階段的轉變。
支撐開放的強大思維模式是解耦。解耦，也就是讓軟硬件之間、各個模塊之間彼此拆解和分離，做到資源和協作的最大化分離。
解耦，并不是軟件、硬件誰強誰弱，也不是OT與IT誰重要誰不重要的問題，而是大家通過實踐形成了共同遵守的共識。
解耦，意味著團結各種力量，共同將市場蛋糕做大。
通過解耦獲得市場突破的實例有很多，比如眾所周知的以安卓為代表的操作系統。安卓通過虛擬抽象層實現了硬件和軟件的分離和解耦，即所有的軟件和應用開發者只需根據操作系統提供的編程接口，開發出的應用軟件就可以運行在所有基于該操作系統的設備上，而無需考慮設備中各類硬件配置。基于安卓系統，迎來了智能手機市場的爆發。
這里所說的“解耦”，其實是在硬件抽象基礎上的標準化，不是軟件與硬件工程師之間不溝通、不交流了，而是因為他們彼此已經溝通充分，定義好了彼此之間的溝通邊界和交互平面，形成共識。而這種共識已經固化成為標準和習慣，所以不需要再重復溝通。
虛擬PLC可以讓IT與OT更好的形成合力，共同推進市場的發展。
“解耦”思維體現在工業自動化領域催生了虛擬PLC，體現在工業互聯網領域便是各種平臺，因為工業互聯網的操作系統就是平臺。
未來將有數萬億的聯網設備，網絡經濟規律將發揮重要作用，盡最大努力獲取更多的聯網設備支持是操作系統或者工業互聯網平臺推廣的關鍵，各類組件、模塊、應用的耦合度越低，其可復制性就越高。
通俗地講， 解耦工業互聯就是將整個工業互聯網體系化整為零，拆分后的各個組件各自發展，需要的時候像搭積木一樣再把它們在新的工業互聯網耦合框架里整合起來，實現各類模塊功能的高度內聚但互不影響。
解耦后的工業互聯網具有微型、開放、通用、獨立等特點，有助于促進各類解決方案服務商在專業領域深耕，從而充分發揮各方核心優勢，進而通過互補合作降低跨行業推廣難度。
根據《解耦工業互聯，賦能轉型升級—工業互聯網人工智能應用白皮書》的分析，從解決方案供給的角度，“松耦合”應用模式可充分賦能解決方案服務商，促進各類服務商在領域垂直深耕，通過互補式合作充分發揮專業優勢，從而推動項目快速落地見效，加速解決方案的復制推廣。
從工業企業應用的角度，解耦有助于工業企業快速找準數字化轉型切入點，分階段按需部署工業互聯網應用，并在新耦合框架下加速解決方案創新。
從生態構建的角度，解耦工業互聯正在推動形成“去中心化”的開放創新價值生態。
隨著工業微服務和行業知識的持續積累，廣大制造企業、初創企業、開發者不僅能獲得眾多低門檻、易操作、低成本的技術支持和應用服務，還能在充分消化吸收原有經驗的基礎上實現進一步提升和創新，推動整個工業知識體系的傳遞延續和工業互聯網應用的迭代更新，打造應用創新生態。
寫在最后
PLC虛擬化要成為現實還面臨著一些挑戰，其中最關鍵的是如何解決PLC的時間確定性和IT云服務的不確定性的問題。因為PLC常常要面對的是高節拍、高速度的控制要求。傳統PLC的一系列突出優勢，諸如能在嚴酷工業環境下長期可靠運行、易于維護等，如何延續和發揚，也是工程師們正在攻克的問題。
凡是有意義的事都有挑戰，凡有挑戰的事都要經過長長的不確定性方能層層剝開。
PLC作為工廠中控制能力的源泉，位于工業互聯網的核心位置，它的前世今生值得更多關注。
無論未來如何發展，PLC“可編程邏輯控制器”這個名稱似乎難以概括它的概念和定位，也許即將被賦予新的命名。
參考資料：
First virtual Simatic controller enables more flexible software based automation，來源：西門子官網
工業互聯網時代，PLC或許該改個名字了【物女心經】，作者：彭昭，來源：物聯網智庫
國內首次解讀，IIoT背后潛伏的游戲規則顛覆者【物女心經】，作者：彭昭，來源：物聯網智庫
解耦工業互聯，賦能轉型升級—工業互聯網人工智能應用白皮書，來源：兩化融合服務聯盟、微軟
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