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圖2--傳統的自動化金字塔工業4.0和網絡物理系統到來后，傳統的基于該金字塔模型的工業控制系統架構正在發生變化。首先在最頂層的ERP和MES就逐漸實現互聯和融合，實現了生產數據的上層聯動，并最終利用云計算、大數據乃至人工智能的數據存儲和運算的優勢將生產數據進行深度挖掘和加工，并最終輸出優化的生產數據用于提高生產效率。而在下層的生產執行層設備和系統，則也處于智能和重構階段，比如最終生產數據的終端以及產生變化，包括人們身穿的跑鞋、智能工廠里面的智能生產線，這些從傳感器到執行器的所有物理設備已經在向數字化、智能化方向發展并且已經取得成績。因此可以發現，在工業互聯網或工業40時代，工業控制系統最終的體系變革是將傳統的金字塔模型從兩端進行變革。準確一點來說，工業互聯網側重的是上層生產數據的技術變革，即工業控制系統和云計算、大數據、人工智能等的融合，提倡將工業控制系統的數據上載到工業云上，利用云進行數據挖掘和分析從而優化生產的過程。所以在現在的工業互聯網架構實現上，其體系架構實現要么是工業互聯網平臺直接和PLC設備直接采集PLC上的生產數據，要么是工業互聯網平臺采集工業控制系統的實時數據庫中的數據，要么就是開發出一個數據采集網關，通過數據采集網關將所有數據全部采集后，網關再將數據上傳至工業互聯網平臺。所以工業互聯網本質上來說就是一個將工業控制系統數據全部匯聚到一個云計算平臺上。工業4.0則側重于實現底層從傳感器到執行器的所有物理設備的數字化和智能化，并且實現這些終端設備直接將該數據上傳。上傳的平臺可能是MES，歷史數據庫也可能是工業互聯網平臺。對大多數企業來說，工業4.0首先要實現的第一步就是通過MES系統對生產系統所有相關子系統進行垂直整合和數字化，以實現實時的工廠運營透明度。同時橫向整合還包括功能區的連接。在此MES起到了信息轉盤的核心元素功能，對大數據進行收集、分析、處理以及為支持其他系統數據交換。在自動化控制誕生之前，系統和機器的生產必須依靠手工進行操作。而自動化所帶來的好處是，將那些需要重復操作的環節利用自動化控制實現，解放了人的雙手并實現了諸多優勢--從縮短上市時間到減少故障產品均能夠很好表現自動化控制的優點。盡管如此，隨著市場需求的不斷增長，人們還是嫌棄現有的自動化控制無法滿足生產效率的需求，而實質也是這樣。人們需要更多的靈活性來保障快速的產品生產上市銷售，靈活性是現在工業自動化的關鍵和重點。這些靈活性表現在：越來越多的工廠數據應該是可復用的，邏輯代碼應該是易于移動和可重用的，系統應該是模塊化和可擴展的，生產企業應該根據自己的需求選擇他們的優選供應商而不是現在的綁定銷售等等。工業互聯網和工業4.0的這些實現支持了未來工業控制系統靈活性和可擴展性的需求。工業互聯網使得我們的生產數據可以進行規模化集中存儲，實現以前不可能實現的大數據，并利用云計算平臺前所未有的計算能力對這些大數據進行分析，挖掘和優化生產效率。工業4.0使得現場設備、機器和工廠已經變得更智能，所以我們可以談論智能設備、智能機器和智能工廠。但是，我們會發現，無論是工業互聯網還是工業4.0，均未對工業控制系統的的大腦PLC做出任何更進一步的技術變革。這種兩頭重中間輕的現象，就好比是高速路上的收費站，光高速路擴寬遠遠不能夠實現更大的汽車吞吐，矗立與高速路上的各個收費站才是這條路上的瓶頸點。因此現在針對收費站都需要設置更多收費窗口、實現電子收費等等舉措改革而適應高速快速增長的車流。適用于工業控制系統領域也是一樣，控制的核心PLC設備不能夠靈活擴展，無疑這一限制將會大大減弱工業控制系統靈活性和可擴展性。因此目前業界針對工業互聯網、工業4.0等的技術體系探索，重點將圍繞PLC展開。具體來說實現PLC靈活性和可擴展性的方案主要有以下兩種：1、實現PLC虛擬化。利用PLC虛擬化是虛擬PLC（vPLC）取代傳統硬件PLC；2、PLC硬件重構，實現下一代新型和智能的PLC設備，取代傳統硬件PLC。這兩種技術是目前工業向互聯網轉化的技術熱點和研究方向，至少從理論實現的角度上來說，實現PLC虛擬化將最大程度的保障現有的大部分廠家及其用戶的現有利益，并且基于信息系統的成功案例，使得大家對其實現信心滿滿。另外的PLC硬件重構，主要以軟件定義思想為核心，將PLC硬件的邏輯運算平面和邏輯控制平面進行分離，PLC硬件將實現通用的邏輯運算，統一由控制器進行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。叁、PLC的虛擬化和軟件定義虛擬化和云計算在ICT領域取得巨大成功，其創新程度甚至顛覆了整個ICT舊有的架構體系，從里到外全部翻了一遍。其效果也是相當顯著，至少將現在的ICT環境的運營成本利用虛擬化和云計算技術已經顯著降低，至于降低多少，降低到什麼程度，我相信這是一個眾口難調的數字。但是至少使用虛擬化和云計算的企業，已經享受了其帶來的好處，并且當前虛擬化和云計算技術已經成為辦公室和企業界最先進的解決方案。但是在工業應用中部署這些技術和解決方案并不容易，因為在工業環境中，要求通常很高，系統故障、實時性等對工業生產和應用來說是至關重要的。而工業互聯網和工業4.0舊是著手于解決虛擬化和云計算等先進IT創新技術運用于工業領域并提高工業生產效率的變革和技術實現。在工業互聯網和工業4.0的實踐當中，工業互聯網和工業4.0技術在當前來說，是否已經如此發達和可靠，以至于它們可以在需要滿足穩定性和實時計算等較高要求的工業控制環境中使用，這是值得懷疑的。但是從一些公開發表的案例和統計數據來看，制造商已經開始從工業互聯網和工業4.0技術中受益，這些受益的部分主要是利用工業互聯網或工業4.0技術，他們可以使用實時生產數據來幫助更有效地規劃生產過程，從而提高生產效率和降低運營成本。這些案例的成功使得人們在備受鼓舞的同時，積極投入成本研發下一步的技術解決方案和完善當前技術實現。在當前，類似西門子等工控設備廠商和從事IT領域的虛擬化云計算廠商均將目光投入到嘗試虛擬化控制平面上面，使用軟件而不是物理硬件來降低運營成本，并擁有更加靈活的控制環境。PLC虛擬化或軟件定義的PLC，換句話說，使用虛擬PLC（vPLC）或軟件定義的PLC是他們下一步研究和實現的目標。至少從目前的技術實現和研究方向上以及IT的成功經驗上看，大勢是如此的。PLC虛擬化或軟件定義的PLC，其技術思想都是將傳統專用的硬件功能解耦。因為在工業互聯網或工業4.0時代，工廠車間中具有更高級別應用程序的機器的數據集成主要是使用傳統協議完成的，而傳統協議缺乏對新設備靈活集成的支持。兩者之間總是存在著矛盾，如何解決這種矛盾？只能在這兩者之間引入一個中間層，通過虛擬化PLC控制器或軟件定義PLC將控制邏輯與機器分離，可以獲得更靈活的重新配置。PLC虛擬化或軟件定義PLC通過允許用戶更換或添加組件而不影響系統的其他部分，實現輕松的可擴展性和系統模塊化。PLC虛擬化或軟件定義PLC設計為開放平臺，允許用戶選擇首選組件和解決方案，這意味著用戶可以靈活地選擇不同的供應商（無供應商鎖定）。在工業3.0系統中，在同一個體系結構中使用多個供應商的組件并不那么容易，或者根本不可能。PLC虛擬化或軟件定義PLC中通常沒有硬件依賴性，所以很容易遷移和重用軟件。PLC虛擬化或軟件定義PLC使用虛擬化或軟件定義技術，使用更多的軟件而不是硬件，因為所需的硬件數量較少，所以降低了成本，縮小了占用空間。目標是提供現成的和可供銷售的COTS（COTS=商業現成的）軟件硬件產品以實現整體解決方案的靈活選擇和可擴展性。虛擬化技術和軟件定義的體系結構是以軟件為中心的模式，在系統集中管理、網絡處理和安全性方面具有優勢。遠程監控降低了運營成本，而維護工程師或操作員并不總是需要現場檢查機器的狀態。集中管理簡化了遠程監控，因為只需訪問一個軟件平臺即可管理您的資產。通過云計算和使用智能傳感器（包括通信能力和板載診斷的傳感器），機器數據被推送到云端，數據可以通過用戶界面（HMI）訪問。機器數據可以用于預測性維護，這意味著機器數據可以用來預估機器即將發生故障的時間。PLC虛擬化在這里并非是指軟件PLC（SoftPLC）或安裝虛擬機里面的軟件PLC，而是指將PLC執行環境與IO模塊解耦，并將PLC執行環境標準化、模塊化、虛擬化的實現。而軟件定義則是將PLC的邏輯抽象出來，利用軟件定義網絡的實現思路，通過一個應用程序商店的方式實現針對PLC執行動作的程序開發和管理，讓應用程序定義硬件PLC的功能。也就是將PLC的邏輯控制、程序存儲和IO模塊分離，利用應用程序實現邏輯控制部分。工業互聯網或工業4.0在實現PLC虛擬化或軟件定義的PLC時，均使用到了以下技術：l基于管理程序或容器的虛擬化l軟件定義網絡（SDN）l網絡功能虛擬化（NFV）等PLC虛擬化典型的架構實現在學術界和工業界比較典型的架構和描述是：

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