★ Hochschule Harz  Rene Simon

★ PLCopen中国 译

摘要：本文追溯了可编程序控制器（Programmable Logic Controller， PLC）从最初以硬件为中心的设计，到软件驱动的实现方式，再到当今虚拟PLC（Virtual PLC，vPLC）的演进历程；分析了促成这一转变的关键技术进步，评估了vPLC技术的现状，并探讨了工业自动化领域持续存在的挑战—特别是与实时通信相关的难题。研究还重点介绍了正在涌现的新兴产品、试点部署项目以及影响vPLC未来发展的标准化倡议。

Abstract: This paper traces the evolution of programmable logic controllers (PLCs) from their originally hardware-centric designs, through software-driven implementations, to today's virtual PLCs (vPLCs). It examines the key technological advances that have enabled this transition, evaluates the current state of vPLC technology, and discusses the challenges that persist in industrial automation— particularly those related to real-time communication. The study also highlights emerging products, pilot deployment projects, and ongoing standardization initiatives that are shaping the future development of virtual PLCs.

1   PLC的发展历程

自20世纪60年代诞生以来，   PLC已从最初的继电器替代装置逐步发展为具备网络化、智能化特征的工业控制核心设备 [1]。根据IEC 61131-1（2003） [2]标准定义， PLC的核心功能是信号处理，具体表现为对机械设备及工业流程的控制与指令输出。  PLC系统通常需配套以下外围设备：传感器与执行机构的输入/输出模块（Inputs/Outputs， I/Os）、人机交互界面（Human-Machine Interface， HMI）、编程及调试工具（Programming and Debugging Tool， PADT）。其功能实现可基于三类平台：专用软硬件系统、具备工业特性的个人计算机，或通用计算设备。

1.1   硬PLC

硬PLC或者经典PLC（通常也被直接称为PLC）代表了可编程序控制器发展的基础阶段。这类PLC多为紧凑型或模块化设备，具有专用硬件架构及传感器/执行器接口（输入/输出模块）。其信号/数据处理的运行时环境（Runtime， RT）与硬件深度集成，内部通信系统通常采用专有协议。传统PLC须提供必要的实时性能，主要采用循环扫描工作模式，循环周期可达1毫秒。

通常PLC的PADT配有仿真器，这些仿真器无需I/O连接，可用于测试和演示目的，必要时还可与机器/流程的数字孪生连接。这些仿真器既无意图也无能力运行真实的物理系统。经典/硬PLC的系统架构如图1所示。

图1 经典/硬PLC的系统架构

1.2   支持远程I/O的PLC

PLC技术发展的下一阶段是远程I/O（Remote I/O， RIO）模块的研发。该技术通过将传感器/执行器接口分离， 实现了三大核心优势：满足流程工业对长距离信号传输的需求、提升制造业在有限空间内的多信号处理能力，以及显著降低系统资源消耗。

图2 PLC与远程I/O系统架构

该技术发展的关键前提是外部实时通信系统的实现，例如现场总线或工业以太网系统。这些通信系统必须实现标准化以支持多供应商设备。这也意味着相关供应商需要对整个系统共同承担责任，也需要额外提供设备间工程耦合的方式（例如通过设备描述文件等）。

在工业自动化系统中，除了通过远程I / O模 块（Remote I/O）连接的设备外，也存在直接连接的现场设备（即不经远程I/O装置的传感器或执行器）。这类设备通常被归类为分散式外围设备（Dezentrale Peripherie），直接与控制单元通信。类似的概念还包括RTU（远程终端单元）以及IEC 61850标准[3] ，该标准定义了电力自动化领域中的通信与互操作性框架。 PLC与远程I/O系统架构如图2所示。

1.3   软PLC

软PLC（Soft PLC）标志着可编程序控制器技术的又一重大演进。其核心特征在于将运行时环境（Runtime）与硬件解耦：从技术层面看，该运行时可在单一供应商的不同硬件产线上部署；从商业维度而言，更可实现多供应商之间的资源共享。软PLC的系统架构如图3所示。

图3 软PLC的系统架构

为实现跨平台运行的灵活性，软PLC系统需满足三大核心技术要求：

• 必须支持x86、ARM、PowerPC等多架构处理器平台；

• 需兼容从Linux、Windows到VxWorks、QNX乃至无操作系统的多样化运行环境；

• 要具备性能、功能、内存及接口等方面的弹性扩展能力。

软PLC通过可共享的PADT支持，实现在不同硬件上的运行。PADT可根据实际需求进行零修改、轻度适配或深度定制等不同级别的调整。值得强调的是，该技术的实现根基在于严格遵循IEC 61131-3[4] 国际标准所定义的通用编程语言规范。

远程I/O与软PLC技术自20世纪90年代起便呈并行发展态势。随着这两项技术的成熟，越来越多的自动化设备开始集成PLC功能模块，包括工业PC、操作面板、远程I/O模块、驱动/机器人/CNC控制器等各类工业控制设备。集成软PLC运行时的操作面板如图4所示。

图4 集成软PLC运行时的操作面板

1.4   虚拟PLC

PLC技术的下一个重大突破在于vPLC的发展。该架构实现了运行时环境的本地化分离，同时将物理输入/输出模块保留在工厂现场层。这一转型将分阶段推进：从现场服务器起步，逐步过渡到私有云服务器，最终延伸至公有云平台。

技术实现上可采用实时功能分层方案—将运动控制等关键硬实时功能保留在现场层，而软实时功能则可云化部署。此变革正催生“PLC即服务”（PLCaaS）与“控制即服务”（CaaS）等创新商业模式。基于服务器架构的虚拟PLC（vPLC）系统如图5所示。

图5 基于服务器架构的虚拟PLC（vPLC）系统

随着工业数字化转型的深入，vPLC技术正成为工业自动化领域的重要发展方向。作为硬PLC的虚拟化延伸，vPLC选用了当前相对成熟的虚拟化技术方案，既保证了工业控制系统的可靠性需求，又能充分利用现代计算架构的灵活性优势。vPLC的层级架构如图6所示。

图6 vPLC的层级架构

vPLC通过容器或虚拟机监控程序（Hypervisor）技术实现。容器提供了“一种利用虚拟化操作系统内核运行软件的隔离执行环境” [5]。而虚拟机监控程序则是“能够创建并运行一个或多个虚拟机的计算机软件”[5]。该技术分为两类：裸机型虚拟机监控程序直接运行在硬件上以获得更高效率；托管型则依托操作系统运行以降低硬件依赖性。这些技术方案均可达到实时性要求[6~8]。

vPLC的引入将带来多重优势，包括：

• 显著提升应用开发的灵活性；

• 通过减少硬件种类与数量降低成本；

• 降低维护、更新、安全及能耗支出；

• 增强机器/工厂全生命周期的可扩展性；

• 实现集中式且支持远程操作的数字化管理。

vPLC将推动工业自动化（基于云）的全面虚拟化趋势，其中也包括PADT的虚拟化。

对于所有类型的可编程序控制器（硬PLC、软PLC和vPLC）而言，循环周期时间是最关键的指标。该周期时间包括服务器运行时中的程序执行时间，以及通信网络中的双向延迟（和抖动）。由于vPLC通常跨越物理I/O、服务器甚至多个云环境，其通信系统必须满足更广泛的覆盖范围需求，能够在物理输入输出与服务器之间、单个或多个云服务器之间，以及不同（甚至公共）网络中高效运行，而无法依赖任何时间缓冲机制。与此同时，通信系统还需具备高服务质量（QoS），包括低延迟、低抖动、低丢包率和足够的数据吞吐量，以满足实时控制要求。工程层面上，网络设计、部署与维护必须符合现有工业通信系统的标准与规范，从而确保系统的确定性、可靠性与实时性，其中服务质量（QoS）， 尤其是可用性最为重要。表1概述了当前的技术发展水平。

表1 PLC 循环周期时间

2   虚拟PLC的产业应用

vPLC经过一系列技术迭代， 首批商用产品不仅已成功面世，更在小规模生产场景中实现了初步应用。 2019年， 大众汽车集团奥迪事业部率先启动了包含vPLC技术的云端生产系统建设项目[9]。该项目与西门子vPLC产品研发同步推进，旨在构建完整的云端生产体系（而不仅限于控制编程），所有组件与流程均通过实验室环境预先验证。最终，德国Neckarsulm工厂的某车桥装配线部署了两台SIMATIC S7-1500V，该系统自2024年1月起已投入实际生产运行。

与此同时，围绕vPLC的潜在应用场景也逐渐清晰。例如，在中型化工厂中，可采用模块化结构，各单元（如接收、预处理、核心反应、分离净化、物流与废物管理等）由集中部署在现场服务器机房的一台或多台 vPLC 进行控制；对于系列化设备制造商，如每年交付百台以上标准化设备的企业，所有控制器可在生产方自有云端运行，并在交付后实现远程维护，无需派遣人员前往客户现场；对于PLC服务提供商，则可通过vPLC 运营城市级基础设施，例如统一管理一座城镇的全部交通信号系统。

奥迪事业部当前还推进着另一重点项目[10]。该项目涵盖了可行性研究、初步实践演示、原型机制作，以及利用CODESYS Virtual Control SL的功能性和安全型控制器建立试生产单元。

表2 商用虚拟PLC产品及其厂商[1]

3   虚拟PLC的标准化进程

vPLC的广泛应用离不开两大关键要素： 一是适用通信协议的普及性与全球标准化程度， 二是QoS必须达到当前标准工业通信系统的同等水平。这种可靠的通信能力需要覆盖三大场景：远程I/O设备的数据交互（输入/输出）、云服务器内部通信以及跨云服务器通信—后者往往需要穿越不同的（公共）网络。目前相关的标准化工作正在推进中，其中IEC/IEEE 60802时间敏感网络（TSN）工业自动化规范[11] 已进入IEC委员会草案投票（IEC CDV）和IEEE标准协会投票（IEEE SA ballot）阶段。

PLCopen中国在深圳组织了一次研讨会，启动了一项新的标准化工作。会上，有关专家讨论了中国国家标准草案《可编程序控制器 虚拟化参考架构》和《可编程序控制器 可信计算技术要求》。这项标准化工作预计将为下一版IEC 61131-3标准的制定做出贡献。

4   虚拟PLC未来面临的挑战

当前vPLC技术的发展仍面临多重挑战，这些挑战存在于技术、管理和产业融合等多个维度：

首先，责任认定机制缺失构成最紧迫的挑战。核心问题在于责任体系的高度分散化—网络设备供应商、通信服务商、容器/虚拟化平台开发商、云服务提供商等多方主体权责划分不清。当vPLC出现功能失效时，由谁承担停产责任？由谁补偿经济损失？这些问题亟待解决。

其次，产业适配性引发深层忧虑。工业自动化以外的企业能否满足该细分市场的严苛要求？这些企业普遍具有更快的技术迭代节奏、更灵活的产品开发周期以及差异化的组织架构。尽管这不是新问题，但仍是关键制约因素。

第三，通信标准体系面临转型升级压力。工业通信系统正面临新要求：无论是PRO FINET、 EtherCAT、Modbus TCP等传统协议，还是WiTSnet等新兴技术， 都必须实现更远距离覆盖； 而VxLan、 MQTT等非工业技术则需达到与当前工业自动化解决方案同等级的QoS标准。

最后，人才与安全构成基础性挑战。理想的OT/IT融合要求工厂基层提升IT知识水平，与此同时，网络安全挑战预计将呈指数级增长。

5   结语

展望未来，vPLC必将深度融合先进通信、精准运动控制、功能安全、系统冗余与多维可视化能力，推动自动化系统的进一步发展。工业通信系统将以持续演进而非重新开发为方向，引入虚拟化的物理层与传输层，但工程方式（如设备描述、通信配置与过程建模）不会发生根本性变化。对于已经在控制器中以代理或功能块形式实现虚拟化的功能，无需再作为独立设备重复虚拟化；反之，若要对设备进行集中式虚拟化，则应将整个应用程序一并整合其中，以保持系统的一致性与完整性。与此同时，容器与虚拟机监控器（Hypervisor）仍需统一化标准，控制功能将逐步实现集中化，并通过PLCopen库支持运动控制、安全与过程控制等模块化应用。硬件PLC、软件PLC与vPLC的发展既存在递进关系，又在技术体系上并行演进，三者将长期共存并通过IEC 61131-3 / PLCopen标准实现兼容编程与统一的工业通信系统。未来具体的PLC类型选择将取决于行业特性、应用场景、终端用户需求、项目技术规范及资源条件等多重因素，从而形成灵活协同、标准统一、架构开放的工业控制生态。

作者简介：

Rene Simon （1966-），男，德国马格德堡人，教授， 博士，现任PLCopen主席， 就职于Hochschule Harz，研究方向为可编程序控制器。

参考文献：

[1] SIMON R. Virtuelle Steuerungen: Evolution und Stand der Technik[J]. atp magazin, 2026, 68 (6/7) : 46 - 51.

[2] IEC 61131-1:2003 Programmable controllers — Part 1: General information[S]. 2003.

[3] IEC 61850:2021 Communication networks and systems for power utility automation[S]. 2021.

[4] IEC 61131-3:2025 Programmable controllers — Part 3: Programming languages[S]. 2025.

[5] ISO. ISO Online Browsing Platform (OBP)[EB/OL]. https://www.iso.org/obp/ui.

[6]  GIVEHCHI O, IMTIAZ J, TRSEK H, et al. Control-as-a-service from the cloud: a case study for using virtualized PLCs[EB/OL]. https://publicarest.fraunhofer.de/server/api/core/bitstreams/0db95abd-b90a-4a11-87fc-449d592e7d36/content.

[7]  LANGMANN R, STILLER M. The PLC as a smart service in Industry 4.0 production systems[J]. Applied Sciences, 2019, 9(18): 3815. DOI:10.3390/app9183815.

[8]  PEREZ D J, WALTL J, PRENZEL L, et al. How real (time) are virtual PLCs?[EB/OL]. (2022) . https://tum-esi.github.io/publications- list/PDF/2022-ETFA-How_Real_Time_Are_Virtual_PLCs.pdf.

[9] SIEMENS AG. Audi is virtualizing the shop floor with the virtual PLC from Siemens[EB/OL]. https://www.siemens.com/global/en/ company/stories/industry/factory-automation/virtual-plcaudi.html.

[10] CODESYS Group. Audi uses virtual CODESYS[EB/OL]. https://www.codesys.com/newsevents/news/article/audi-uses-virtual- codesys-control-1.html.

[11] IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation[EB/OL]. https://1.ieee802.org/tsn/iec-ieee-60802/.

摘自《自动化博览》2026年7月刊