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使用虚拟PLC实现模块化控制
近 70 年来，可编程逻辑控制器（PLC）一直是几乎所有机器、设备和工厂自动化系统的核心。越来越多地PLC都是以模块化方式构建。与此同时，市场对数据处理及其通信的需求也在不断增长。在本次采访中，COPA-DATA产品管理总监Lukas Punzenberger解释了zenon Logic 是如何能够提供这类虚拟 PLC 的解决方案，以及使设备和其开发人员能够采用分布式过程控制技术的方法，还有为什么虚拟 PLC化是未来的趋势的问题。
数字化和模块化是实现自动化生产及其包装系统的重要成功因素之一。过去传统的集中式工业控制的系统结构早已让位于新型的分散式控制架构。当今的生产数据处理和通信已不再仅仅是在中央服务器的控制下进行了。承担这类任务的计算机会与特定的控制单元（例如图像处理），与日益自主运行的控制器子系统或机器模块，以及边缘计算设备，公司自有的数据中心或云上的外部服务 ，以及更高层级的过程控制系统共享任务。
这个去中心化的解决方案的多样性已令部分人士感觉到困惑，并由此引发出一系列的问题。为此我们专门采访了 COPA-DATA 的产品管理总监 Lukas Punzenberger 来回答用户所关心的这些问题。
有几家控制系统制造商最近有向市场推出了虚拟 PLC。你对这一趋势有何看法？
Lukas Punzenberger：首先虚拟 PLC 并不是一个新鲜事物。过去的几十年里，有许多供应商一直在提供这类基于软件的控制系统，通常这类系统能独立于硬件运行，所以也会被称为“软 PLC ”或基于软件的可编程逻辑控制器。其特点是 PLC 逻辑及其应用程序都仅基于软件，软 PLC 的解决方案几乎可以在任何硬件上运行。我们则称之为虚拟 PLC。
COPA-DATA 是否有虚拟 PLC 产品？
Lukas Punzenberger：事实上，20多年来，COPA-DATA一直以 zenon Logic 的名义向市场销售符合 IEC 61131-3 标准的软 PLC 解决方案，并视其为其产品组合的一部分。该解决方案一样独立于硬件，可用作虚拟 PLC。您可以在任何层级运行它的程序和功能。我们的主要关注点始终放在用户的灵活性上。因此，在选择最佳解决方案时对它没有任何限制。
zenon Logic 这个产品的虚拟化选项有多广泛？
Lukas Punzenberger：这主要取决于将其使用于何处更有意义，zenon Logic 可以直接运行在设备的PLC 或工业 PC 上，或是靠近设备的控制柜内的边缘设备上运行，也能在公司的内网服务器机房内运行，或是在公司的数据中心，甚至在云提供商的设施即服务（IaaS）构架上运行其解决方案。为了简化 PLC 的功能，无论何类运行平台上，我们都能提供了基于 Docker 容器的 zenon Logic。这使得这个软 PLC 可以方便地作为文件包传输和安装，从而确保对计算机所使用资源的分隔和管理。这种方式使得用虚拟的 zenon Logic 来合并 OT 和 IT领域 的可能性达到真正地无限。
zenon Logic与其他虚拟 PLC 有何不同？
Lukas Punzenberger：zenon Logic 是 zenon 端到端设备自动化软件平台的重要集成组件之一。它使得虚拟 PLC 也可以集成到更大的项目中，而无需额外的配置。
在端到端 zenon 项目应用中这类嵌入式 PLC 有什么好
的功能？
Lukas Punzenberger：zenon 软件平台的目的和功能是通过连接机器和设备来将其作为一个完整的系统进行监控、分析和控制，这样可以充分利用数字化和自动化的潜力。使用我们工业物联网服务的项目还可以涵盖远程机器和设备，包括楼宇管理系统或能源系统并能够与 IT 解决方案相连接。
除了行业和硬件独立性的特性外，zenon 的优势还包括打通企业各个层级的互作性。该软件平台与所有市售的工业控制器、现场总线和工业以太网无以及 OPC
UA兼容。此外，它还符合特定行业的标准，例如用于发电和配电的能源行业，或是用于生命科学和制药的企业 和部门。在这些特定行业的应用项目的配置中，zenon
Logic 如同是一种灵丹妙药，因为它可以在整个系统的任何位置实现 PLC 功能，而无需安装硬件或干涉现有的系统。
鉴于灵活的模块化机器和系统，传统的自动化金字塔不再有效
虚拟化的下一步是容器化。可以通过使用容器来充分发挥这项技术的潜力。
您能给我们提供一个应用案例吗？
Lukas Punzenberger：虽然zenon软件平台已经提供了众多的原生通讯接口，如其内置的 300 多种驱动程序适用于不同的设备和系统，大部分场合这可能很有用。在增加了虚拟 PLC 解决方案后，其作为与过程控制相关的组件，可用于寻址传感器、预处理传感器提供的数据，以及直接控制需要实时响应的执行系统。这样就可以完整的在更高层级的系统中进行工程设计。让程序与实际设备控制系统分开运行，因此不会对设备造成任何额外负载。
这在什么场合会有用？
Lukas Punzenberger：这使得管理额外的传感器和执行器成为可能，尤其是在现有系统改造期间。为了升级工业 4.0 的现有系统，通常需要在设备的内部以及设备之间安装额外的传感器。使用现有的控制器来整合这些通常不切实际。此外，在许多情况下，如果不再次通过认证程序来这样做几乎是不可能的。 但若是传感器直接由 zenon Logic 连接到 zenon，则现有 CPU 及其上运行的程序通常根本不需要修改重新认证。
是否有必须设置一个复杂的 zenon 项目来从虚拟 PLC 的优势中受益？
Lukas Punzenberger：绝不是。在使用 zenon Logic 后，用户首先可以从小处着手。例如，他们可通过一些额外的传感器和执行器提高他们的系统效率或可持续性，或来实现 OT/IT 融合。例如，您还可以用总线耦合器替换设备或模块中的现有 PLC，并将中央 CPU 安装在虚拟机上。这将会带来一些成本节约。此外，通过移除特定的控制硬件并消除相关的维护工作能在减少维护活动方面带来好处。
这对模块化机器和设备的设计意味着什么？
Lukas Punzenberger：与传统 PLC 技术相比，最大的变化之一是能够以高度精细的方式分配任务。由于不再需要任何硬件，您可以拥有多个zenon Logic 实例，而不是一个承担许多任务的 PLC，在极端情况下，每个实例只需执行一项任务。这使得整个活动可划分可管理。它使用户能够模块化控制生产活动。
这不仅支持机器和设备的模块化，而且支持它们在运行过程中的动态配置，从而适应不断变化的需求。只有这样，才能实现基于工业 4.0 原则的柔性化生产设施的实际目标。
彼得·肯普特纳 （Peter Kemptner）主持对 Lukas Punzenberger 的采访。
这是否也支持机器和设备的可扩展性？
Lukas Punzenberger：当然。这个产品的一个优点是不需要提前知道以后需要什么硬件。此外，虚拟PLC 的各个实例可以根据要求移植到不同的硬件，例如，用于实时数据传输。为了进一步简化用户的这一过程，我们使用现有的 IT 技术（基于云和数据中心标准）并将逻辑块打包到 Docker 容器中。只要硬件支持这种方法，它就是最简单的方法，并且它使得系统的扩展变得更加容易，例如，当子进程需要更多的计算能力的时候。
有了这个产品后，机器或设备制造商难道不再需要昂贵的、受欢迎的 IT 专家吗？
Lukas Punzenberger：现在，熟悉传统 PLC 技术的人比熟悉工业自动化之外常见技术的软件开发人员要难得多。出于这个原因，我们扩展了对虚拟 PLC 解决方案的高级语言支持。除了可以根据 IEC 61131-3 进行项目编程的选项外，还将 Python 集成基中。一般来说，“配置而不是编程”的原则适用于zenon，但这不能完全适用于 PLC 功能。
对你来说，虚拟 PLC主要好处是什么？
Lukas Punzenberger：除了消除对专用控制硬件的需求所节省的成本外，这主要意味着在设计机器或装备时有更大的自由度。您可以专注于将系统边界放置于用户根本利益所在的位置。开发活动可以变得更容易分配给你的同事以得到最大限度的支持和帮助。此外，产品开发人员可以更轻松地使用现有的先进方法，例如使用数字孪生模拟和测试虚拟环境下的方案调试。这有助于缩短实施时间并避免错误和返工。
此外，通常虚拟化和容器化会使得通过现有的 IT 资源来运营和维护工业控制和自动化技术核心部分成为可能。让虚拟 PLC 解决方案的不同实例可以分布式安装在不同地理位置的现有系统边界中运行和协作，无论其安装方式是在生产现场、边缘设备还是在云中。没有其他系统能像 zenon 那样，让客户如此轻松地实施开放式软件定义的分布式控制系统（Open DCS）的目标。
有效的标准将加速向模块化的转变
截至今天，工业过程的模块化设备设计不仅在学术界进行讨论，而且还在工业应用中进行了测试。这些创新的智能制造工厂旨在提供必要的灵活性，使生产商能够合规地快速响应不断变化的市场条件。
MTP 已被证明是可以支持模块化制造概念的标准。现在需要将这一概念转化为整个行业的最佳实践。我们还需要考虑智能制造集成以及资格预审和预验证请求，作为购买自动化设备时要求的组成部分。
在这一领域，ISPE Pharma 4.0 的 MTP4 ISPE 工作组通过其目前正在开发的文件，旨在为工程师在 URS 的起草阶段提供支持。同样，GAMP 在制药 SIG 中的 MTP 通过“ISPE GAMP 指南模块化工厂验证和鉴定”文件旨在支持从事设备鉴定和计算系统验证活动的工程师。这些努力将是迈向基于模块化和可协作的制造工厂和平台的智能制造的关键一步。
“这在很大程度上要归功于虚拟 PLC zenon Logic，没有其他系统能够让客户如此轻松地通过实施开放式软件来定义分布式控制系统（Open DCS）的目标，zenon 就是这样做的。”
Lukas Punzenberger，
产品管理总监
COPA-DATA