构建虚拟工控环境系列 - 西门子虚拟PLC

一、概述

跟随着工控安全一路走来，工控安全市场今年明显有相当大的改善，无论从政策还是客户需求，都在逐步扩大中。但是，搞工控安全研究的人员却寥寥无几。一方面工控安全是个跨学课的技术，需要了解多方面的知识，有比较高的技术上的门槛；另一方面，没有可以研究和学习的便利的环境。一般，搞这方面研究的公司或者个人，都会先购买一些硬件设备，搭建一个模拟环境，再做相应的安全研究，成本实在是太高。为了解决这个问题，我们做了一系列的相关的技术研究，通过构建一套虚拟的工业控制环境，从而降低了解和学习工控安全的门槛，推动相关人才的培养。

本篇主要介绍西门子虚拟PLC，使用的操作系统为Windows7 x86 Ultimate，虚拟化软件为 VMware Workstation 12 Pro，（SIEMENS）WinAC RTX 2010。

二、控制器虚拟化技术介绍

可编程控制器，即PLC。PLC的实现分为硬PLC和软PLC。所谓硬PLC从严格意义上来说是由硬件或者一块专用的ASIC芯片来实现PLC指令的执行．而软PLC是用一些通用的CPU或者MCU来实现PLC指令的解释或者编译持行。

软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一种基于基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开放式结构。所以，软件PLC 提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。

虚拟机技术是虚拟化技术的一种，所谓虚拟化技术就是将事物从一种形式转变成另一种形式，最常用的虚拟化技术有操作系统中内存的虚拟化，实际运行时用户需要的内存空间可能远远大于物理机器的内存大小，利用内存的虚拟化技术，用户可以将一部分硬盘虚拟化为内存，而这对用户是透明的。又如，可以利用虚拟专用网技术（VPN）在公共网络中虚拟化一条安全，稳定的“隧道”，用户感觉像是使用私有网络一样。

如果将软PLC安装在虚拟机下，在软PLC出现故障时，用备份的虚拟机代替当前的虚拟机，即可快速恢复系统运行；此外，开发人员不必在现场，即可开发调试项目，在调试完成后，将包含软PLC的虚拟机直接放在现场的工控计算机上就直接可以完全运行。但是软PLC目前只能在物理PC上安装运行，在虚拟机下可以安装，但不能运行，这是由于软PLC需要直接驱动硬件，而虚拟机中的硬件都是虚拟造成的。

三、西门子虚拟化WinAC产品分类

SIMATIC WinAC是西门子公司开发的基于PC控制的核心组件，它的出现扩展了SIMATIC S7的控制范围。WinAC是一个名副其实的控制中心，它将PLC控制、数据处理、通讯、可视化及工艺集成于一台PC机上。 SIMATIC WinAC产品包括软件型和插槽型两大类，包括如下5种产品：

1、WinAC Basis (WinAC 基本型) WinAC Basis 是低成本解决方案，用于对控制无精确时间要求，有大量、快速的数据处理与控制任务(控制任务指PLC的控制功能)相结合或其它PC任务的控制场合。
2、WinAC PN 第一个支持PROFInet通讯标准的SIMATIC CPU，性能与WinAC Basis相似。WinAC PN支持基于组件的自动化(CBA)和PROFInet通讯标准。基于组件的自动化和PROFInet提供了一个开放的标准，用于在复杂任务中机械和系统单元之间的数据交换。数据交换通过SIMATIC iMap工具来进行配置。WinAC PN适应于以下任务：整个复杂系统的机械和车间区域之间的协调和连接来自系统单元或机械可被集成到一个全范围的复杂系统控制WinAC Basis 4.1有一个选件WinAC PN，带有WinAC PN选件的WinAC Basis 4.1支持PROFInet和CBA。
3、WinAC RTX(WinAC 实时型) WinAC RTX 提供了Windows 2000/XP的实时子系统，具有“硬实时”和“抗死机”特性。适应于具有高速和精确时间要求的控制任务的场合，如运动控制、闭环控制等。
4、WinAC MP WinAC MP基于WinCE操作系统和SIMATIC MP370(一种多功能面板)硬件平台。MP370为无硬盘、无风扇设计，WinCE具有实时特性，可实现严格的确定性动作。WinAC MP用在恶劣工业环境和有大量数据要处理的场合。
5、WinAC Slot 412/416 以板卡的形式插入在PC中，在板卡上已经集成了用于控制任务的CPU、存储器等元件。它可独立于PC进行控制操作。板卡上集成一个MPI/DP接口和一个DP口。WinAC Slot适用于对安全性和稳定性要求较高的场合。WinAC Slot 412/416在性能上与S7-412/416相近。

四、虚拟控制器WinAC RTX搭建

1、打开虚拟机系统的安装目录，找到后缀名是“.vmx”的文件，然后用记事本打开。

2、添加虚拟网卡设备，添加如下配置。如果配置文件中已存在，则不添加“ethernet0.virtualDev = "e1000e"”，直接将等号后面的值改为"e1000e"。

ethernet0.virtualDev = "e1000e"

bios440.filename="FUJITSU211_314.ROM"

3、在西门子技术支持的官网（https://support.industry.siemens.com）下载文件“FUJITSU211_314.ROM”，并将在虚拟机安装目录下。此文件是将虚拟机硬件映像成FUJITSU PRIMERGR服务器。如下图所示。

4、打开运行虚拟机，配置当前主机的IP地址。

5、使用虚拟光驱安装WinAC RTX 2010。

6、安装完后启动station Configurator。

7、打开的窗口中添加WinLC RTX，添加通讯网卡“IE 通用”

8、此时会发现桌面上多出一个图标，此图标就是虚拟PLC的图标，双击打开即可。至此，就完成了在虚拟机中安装PLC。

五、虚拟控制器组态

1、打开step7软件，创建工程，并进行组态配置，配置方法如下图所示。

2、编写一个小的测试程序。

3、编译并下载组态程序。

4、监控运行，如果一切正常，即显示为“RUN”状态。

5、可以使用step7软件控制虚拟PLC的启停。

至此，就完成了虚拟PLC的搭建。