隨著工業(yè)4.0和智能制造的興起，IT（信息技術）與OT（操作運營技術）的深度融合已成為制造業(yè)轉型的關鍵推動力。在這一變革中，OT不斷吸納IT領域的創(chuàng)新技術，如工業(yè)以太網的普及和工業(yè)邊緣計算的崛起，這些趨勢正逐步消融傳統(tǒng)自動化與IT的隔閡，引領制造業(yè)向智能化、高效化邁進。

軟件定義工廠：制造業(yè)的新篇章

奧迪公司引領制造業(yè)從硬件轉向云端操控，推動制造業(yè)底層架構的革命性變革，選擇位于德國內卡蘇姆的博林格霍夫汽車工廠作為試點。該廠使用全新的基于軟件的基礎設施Edge Cloud 4 Production（生產邊緣云，EC4P）顯著提升生產效率，引入西門子的虛擬可編程邏輯控制器S7-1500V（虛擬PLC）支持數據驅動的生產模式，在全網絡連接的工廠自動化方面樹立了新的標準。

奧迪內卡蘇姆基地目前是歐洲最復雜的造車基地之一，也是大眾汽車集團旗下產品型號最豐富的生產基地之一，而博林格霍夫汽車工廠則以內卡蘇姆基地的“科技實驗室”著稱。為了投產第一款在德國制造的奧迪純電動車型e-tron GT，奧迪對這家工廠進行了升級和擴建，生產車間在電氣化、自動化和數字化領域以及生產能力等方面進行全方位擴展。

奧迪博林格霍夫汽車工廠成為首座“軟件定義工廠”

奧迪致力于將其現(xiàn)有工廠轉型為“360工廠”，注重成本效益、可持續(xù)性和吸引力的均衡發(fā)展，通過簡化建造流程和電氣化設施獲得更高的靈活性。得益于這種生產模式，博林格霍夫汽車工廠能夠在一條生產線上同時制造出全電動E-Tron GT和內燃機驅動的S8等不同車型，更好地適應未來消費者對電池驅動汽車的需求增長。電動車與燃油車共線生產的操作，在大眾汽車集團中是獨一無二的。

在這家汽車工廠，不同的連接工藝（如電阻點焊接、螺栓、鉚釘和粘合等）都得以應用，而其中的核心部分應用了二次框架的夾緊固定裝置。工廠由10個機器人使用32種工具，將大型組件連接到車身，從而實現(xiàn)車身的連接和接合工序。此外，每輛白車身都由機器人控制的兩個測頭對超過400個測量點進行逐點檢查，以保障車身尺寸精準。室內攝像頭記錄測頭的準確位置，并持續(xù)對數據進行比較，所生成的大量高精度數據將被用于對最細微的偏差作出快速響應。

博林格霍夫汽車工廠使用無人駕駛運輸系統(tǒng)（DTS）自動運輸零部件與車輛，旨在打造全自動化的供應鏈，在每一個操作節(jié)點的工人會根據各個車輛的具體配置來操作運輸機器人去匹配相對應的配件，并進行組裝。20輛無人駕駛運輸車每天要來回行駛總共超過23公里的路程，不僅能將車身送至裝配線，還作為運輸工具貫穿整個生產周期提供從頭到尾的支持。

對奧迪來說，這家汽車工廠的試點項目關乎未來，為奧迪及其母公司大眾，乃至整個汽車行業(yè)展示了一條新的前進道路。這一創(chuàng)新舉措不僅代表了控制器技術向云端的轉型，更意味著整個制造業(yè)底層邏輯的深刻轉變。它預示著工業(yè)4.0時代“軟件定義工廠”新階段的到來，開啟了制造業(yè)嶄新的歷史篇章。

據了解，該工廠現(xiàn)已成為大眾汽車集團首個在整個生產過程中，使用射頻識別（RFID）技術識別車輛的工廠，為全面互聯(lián)的數字化生產奠定了關鍵基石，增強射頻識別數據介質的“金屬標簽”也首次用于奧迪e-tron GT的生產。

EC4P平臺：自動化的關鍵

奧迪汽車公司的目標是建立穩(wěn)定且持續(xù)可用的生產設施，以生產盡可能多的汽車，面臨的主要挑戰(zhàn)是使用許多不同的設備。為了使生產適應不斷增長的需求，必須購買更多的硬件設備，然而交貨期變得越來越長。在許多情況下，更新只能手動安裝，維護成本極高，但這兩者都是保證網絡安全所必需的。隨著使用的硬件設備數量越多，所需的電力就越多，導致工廠的能源效率降低。

為了應對這些挑戰(zhàn)，需要將生產中的IT和OT合并，通過車間虛擬化來實現(xiàn)。奧迪專家團隊創(chuàng)建的基于軟件的EC4P在博林格霍夫汽車工廠的成功應用，代表了工業(yè)自動化的重大變革。EC4P的主要功能和角色體現(xiàn)在用中央化服務器取代分散硬件，3個本地服務器替代了數百臺工業(yè)PC，實現(xiàn)集中控制生產流程。

自從啟用了EC4P后，工廠的硬件節(jié)點減少80%以上，所有的應用程序都作為軟件在云中運行，實現(xiàn)了自動化，徹底改變了工廠的現(xiàn)狀。數據表明，由于直接降低設備故障排查頻次與物理維護工作量，工廠的綜合維護成本下降30%以上，同時設備生命周期延長20%。

通過取消傳統(tǒng)的PLC機柜，博林格霍夫汽車工廠成功地簡化了產線的硬件配置。消除傳統(tǒng)PLC機柜減少布線3.2公里，節(jié)省硬件投資高達60%，降低設備維護成本。

基于威睿的（VMware）邊緣計算堆棧（Edge Compute Stack，簡稱ECS），EC4P構建了私有云基礎設施，實現(xiàn)資源動態(tài)分配，消除傳統(tǒng)工控機因配置差異導致的兼容性問題，運維響應速度提升40%。私有云是一種云計算模型，它允許用戶在專用的硬件和軟件環(huán)境中部署和管理資源。

ECS是計算機虛擬化軟件研發(fā)與銷售企業(yè)威睿針對邊緣場景推出的集成式軟件平臺，旨在為資源受限的工業(yè)環(huán)境提供安全、可擴展的虛擬化與容器化能力。它基于vSphere虛擬化技術實現(xiàn)工業(yè)設備控制系統(tǒng)的虛擬化，支持傳統(tǒng)物理PLC控制器遷移至邊緣服務器運行，形成軟件定義的生產環(huán)境。

博林格霍夫汽車工廠通過ECS整合了2000多臺工業(yè)設備，將PLC控制器虛擬化后運行在邊緣服務器，實現(xiàn)5-10微秒級實時響應，運維成本降低30%。根據物聯(lián)網傳感器采集設備運行參數（如溫度、振動），結合云端數據分析模型，提前7-30天預警潛在故障。依據設備實際損耗數據調整保養(yǎng)計劃，避免過度維護（如非必要部件更換），維護成本降低18%~25%。

依靠優(yōu)化分布式工作負載的部署和管理，ECS邊緣計算解決方案支持實時應用和OT工作負載（如機器人、計算機視覺、人工智能等）。它采用容器化（如Docker）和輕量級虛擬機（如KVM）雙軌架構，容器鏡像體積控制在50MB以內，啟動時間小于1秒（傳統(tǒng)虛擬機需數分鐘）。通過動態(tài)內存氣球技術和硬件輔助虛擬化（如Intel VT-x、AMD-V），將CPU開銷從15% 降至3%，支持在2-8GB內存的邊緣設備上運行。支持x86、ARM、GPU等多平臺，例如在ARM網關部署Firecracker微虛擬機，在NVIDIA GPU上實現(xiàn)算力切分。

EC4P通過算法自動控制電機轉速、啟停時序，例如變頻技術使高負荷設備能耗降低12%~20%。它分析云端匯聚的全廠數據流，識別設備空轉、待機等低效場景，使設備利用率提升至90%以上。因為歷史故障處理方案、零部件更換記錄形成結構化數據庫，所以維修人員平均排障時間縮短35%。依靠遠程專家支持系統(tǒng)，通過AR工具實現(xiàn)故障現(xiàn)場與云端技術專家的實時交互，使得復雜問題解決效率提升50%。

利用多層級數據驅動技術，EC4P預測性維護功能大大增強。例如軸承振動峰值監(jiān)測精度達±0.05g，溫度采樣頻率達100Hz。在電機、閥門等關鍵設備安裝振動、溫度、壓力傳感器，實時采集運行狀態(tài)數據。通過威睿邊緣云架構集成PLC控制信號、SCADA系統(tǒng)工藝參數及設備歷史維護記錄，能夠構建多源數據池。通過小波變換提取振動信號的高頻能量特征（如>8kHz頻段能量變化率），可以識別早期磨損，融合溫度斜率、電流諧波畸變率等32維參數，經PCA降維生成6個關鍵健康指標。

EC4P采用隨機森林算法建立故障預測模型，輸入設備歷史故障數據訓練，實現(xiàn)故障提前72小時預警?；贚STM神經網絡預測剩余使用壽命（RUL），誤差率<8%。依據設備實時損耗狀態(tài)動態(tài)調整預警閾值，如振動峭度系數從基線2.8升至5.6時觸發(fā)報警。系統(tǒng)識別潛在故障后，自動關聯(lián)備件在庫存信息生成優(yōu)先級工單，推送至維修人員移動終端，避免誤報或漏報。通過EC4P進行管理還可以提供更多的網絡安全性，因為許多攻擊媒介已從生產中刪除。

虛擬PLC：虛擬化車間的核心

奧迪的目標是虛擬化車間自動化，這不僅需要基于IT的新基礎設施，還需要虛擬PLC。西門子通過虛擬可編程邏輯控制器S7-1500V（虛擬PLC）提供了成功的關鍵。

奧迪將博林格霍夫汽車工廠轉換為EC4P的基地，2023年云終于上線，此后開始實施虛擬PLC的準備工作。這需要奧迪與西門子、博通和思科等技術合作伙伴之間極其密切的合作。自 2024年以來，兩臺虛擬PLC已成功部署在博林格霍夫汽車工廠的奧迪e-tron GT車軸裝配線上。

奧迪博林格霍夫汽車工廠使用全新的基于軟件的基礎設施EC4P

博通為服務器提供了虛擬化軟件，并開發(fā)了一種新的、具備實時能力的“工業(yè)虛擬交換機”。這是一個軟件組件，能夠在平臺和系統(tǒng)之間通過工業(yè)協(xié)議進行實時通信。思科提供的網絡基礎設施“Software-Defined Access”，將單個PLC、HMI、IPC和其他離散硬件資源遷移到中央超融合環(huán)境，這是奧迪虛擬化生產平臺邊緣云的關鍵組成部分。

西門子S7-1500V是一款基于西門子S7-1500開發(fā)的虛擬PLC，通過軟件模擬實現(xiàn)PLC功能，無需依賴特定硬件，可直接運行在工業(yè)級服務器或PC上，并集成在TIA Portal和Industrial Edge軟件平臺中。它繼承了S7-1500的硬件架構和通信接口，支持PROFINET、PROFIBUS等多種工業(yè)協(xié)議，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數據交換。

S7-1500V成功獲得德國TÜV安全認證，西門子成為全球首家為虛擬PLC提供安全認證的供應商。認證涵蓋了數據加密、冗余容錯以及實時響應（延遲低于5毫秒）等多個關鍵環(huán)節(jié)，從而證明其防護能力和實時響應性能滿足高精度制造要求，不僅具備遠程控制系統(tǒng)的可靠性，更確保了其具備出色的抗干擾能力，滿足了汽車制造行業(yè)對高精度的嚴格要求。

S7-1500V是Industrial Operations X產品組合的一部分，不僅繼承了S7-1500系列的強大功能與操作邏輯，更以邊緣計算應用程序的新形態(tài)出現(xiàn)，可輕松下載并融入現(xiàn)有IT架構。這一特性顯著降低了運維復雜度，提升運營效率，尤其適用于擁有多臺PLC的大型工廠。這一創(chuàng)新設計為數字化轉型帶來了新機遇，同時也極大地提升了工業(yè)自動化的靈活性與可擴展性。

虛擬PLC利用西門子工業(yè)基礎模型（IFM）與微軟Azure平臺的強大功能，使得系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對多維工業(yè)數據，如3D模型和傳感器信號的語義理解與實時決策。這一創(chuàng)新設計，支持通過單一集中式界面進行管理，簡化了軟件更新等任務，并實現(xiàn)對所有PLC數據的集中訪問，不僅極大地提升了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，更為制造業(yè)的數字化轉型開辟了新的道路。

這款虛擬PLC無需購買專用硬件，降低開發(fā)成本并縮短開發(fā)周期；能靈活擴展，支持快速配置和調整系統(tǒng)功能，適應不同應用場景；獨立于操作系統(tǒng)運行，在硬件故障時仍能保持控制邏輯連續(xù)性；集成遠程監(jiān)控功能，便于實時診斷和故障處理；支持運動控制、過程控制等復雜功能模塊，優(yōu)化生產流程。

傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)高度依賴于物理硬件，而虛擬PLC則打破了這一局限，其控制邏輯可以在云端或邊緣數據中心進行運行。在博林格霍夫汽車工廠，控制器的響應速度得到了顯著提升，增幅高達30%。此外，通過引入AI算法對生產流程進行精細化優(yōu)化，例如優(yōu)化焊接路徑規(guī)劃，使得單臺機器人的能耗降低了18%。虛擬化技術和AI算法優(yōu)化了控制器響應速度和能耗，提升了系統(tǒng)效能。

虛擬PLC應用潛力巨大

虛擬PLC支持通過單一集中式界面進行管理，簡化了軟件更新等任務，并實現(xiàn)對所有PLC數據的集中訪問。這一特性顯著降低了運維復雜度，提升運營效率，尤其適用于擁有多臺PLC 的大型工廠。虛擬PLC展現(xiàn)出在特定場景的應用潛力，汽車行業(yè)已成為積極的使用者，2023 年數據顯示占據了新興虛擬PLC 市場近四分之一份額。

根據知名物聯(lián)網產業(yè)研究機構IoT Analytics最新研究，虛擬PLC目前整體技術成熟度較低，尚未滿足傳統(tǒng)硬件PLC的全部技術要求。當前市場上的虛擬PLC 產品普遍存在以下技術局限：

• 尚無虛擬PLC 能夠處理執(zhí)行時間低于1毫秒的高速控制任務，而硬件PLC在這一領域已實現(xiàn)微秒級響應；
• 缺乏符合IEC 61508標準的功能安全認證，該標準是電氣、電子及可編程電子系統(tǒng)功能安全的全球基準，在安全關鍵型應用中不可或缺；
• 多數虛擬PLC無法在不同廠商的運行環(huán)境（如A廠商與B廠商的運行時系統(tǒng)）之間無縫遷移，仍需修改代碼，難以實現(xiàn)真正的硬件無關性；
• 大多數虛擬PLC缺乏冗余設計，若承載多個虛擬PLC的中央服務器發(fā)生故障，所有控制邏輯將同步失效，嚴重影響系統(tǒng)可靠性。

為應對硬件PLC的局限性，不少廠商采取了漸進式技術演進策略，推動虛擬PLC向硬件PLC 的“一對一替代”目標邁進。有的推出了軟PLC作為過渡方案，這類產品雖與特定硬件耦合，但已部分突破傳統(tǒng)PLC的限制。例如，德國倍福的TwinCAT XAR運行于其嵌入式PC系列，奧地利B&R的Automation Runtime則適配自家X20控制器。而CODESYS的Runtime通過工具包可適配多種平臺，展現(xiàn)了更高的硬件兼容性。

IoT Analytics預測，盡管虛擬市場目前僅占整體PLC市場的個位數百分比，但隨著技術進步，SIL3安全認證、低速運動控制支持及冗余能力的實現(xiàn)將提升其吸引力。到2030年，虛擬PLC 可能占據新增PLC市場的四分之一份額。然而，部分制造商仍因虛擬PLC的成熟度不足而選擇硬件PLC，且硬件PLC的可靠性和初始成本優(yōu)勢也將持續(xù)存在。

虛擬PLC的發(fā)展標志著工業(yè)自動化從硬件主導轉向軟件定義的重要變革，盡管它的技術成熟度、市場接受度和生態(tài)構建仍面臨挑戰(zhàn)，但其在靈活性、成本效益和集中管理方面的優(yōu)勢已吸引眾多廠商和用戶的關注。隨著技術的持續(xù)進步和行業(yè)需求的演變，虛擬PLC有望在未來10年逐步滲透市場，成為工業(yè)自動化領域的重要組成部分。然而，要成為行業(yè)標準，仍需解決技術瓶頸、完善生態(tài)體系，并克服用戶慣性，這將是一個漸進且充滿挑戰(zhàn)的過程。
（本文編譯自Audi奧迪官網，www.audi.co.za）

編譯：李忠東

來源：榮格-《智能制造縱橫》

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