一、 概述
跟隨着工控安全一路走來，工控安全市場今年明顯有相當大的改善，無論從政策還是客戶需求，都在逐步擴大中。但是，搞工控安全研究的人員卻寥寥無幾。一方面工控安全是個跨學課的技術，需要了解多方面的知識，有比較高的技術上的門檻；另一方面，沒有可以研究和學習的便利的環境。一般，搞這方面研究的公司或者個人，都會先購買一些硬件設備，搭建一個模擬環境，再做相應的安全研究，成本實在是太高。為了解決這個問題，我們做了一系列的相關的技術研究，通過構建一套虛擬的工業控制環境，從而降低了解和學習工控安全的門檻，推動相關人才的培養。
本篇主要介紹西門子虛擬PLC，使用的操作系統為Windows7 x86 Ultimate，虛擬化軟件為 VMware Workstation 12 Pro，（SIEMENS）WinAC RTX 2010。
二、 控制器虛擬化技術介紹
可編程控制器，即PLC。PLC的實現分為硬PLC和軟PLC。 所謂硬PLC從嚴格意義上來說是由硬件或者一塊專用的ASIC芯片來實現PLC指令的執行．而軟PLC是用一些通用的CPU或者MCU來實現PLC指令的解釋或者編譯持行。
軟件PLC（SoftPLC，也稱為軟邏輯SoftLogic）是一種基於基於PC機開發結構的控制系統，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術可以將標准的工業PC轉換成全功能的PLC過程控制器。軟件PLC綜合了計算機和PLC的開關量控制、模擬量控制、數學運算、數值處理、網絡通信、PID調節等功能，通過一個多任務控制內核，提供強大的指令集、快速而准確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統的及網絡的開放式結構。所以，軟件PLC 提供了與硬PLC同樣的功能，同時又提供了PC環境的各種優點。
虛擬機技術是虛擬化技術的一種，所謂虛擬化技術就是將事物從一種形式轉變成另一種形式，最常用的虛擬化技術有操作系統中內存的虛擬化，實際運行時用戶需要的內存空間可能遠遠大於物理機器的內存大小，利用內存的虛擬化技術，用戶可以將一部分硬盤虛擬化為內存，而這對用戶是透明的。又如，可以利用虛擬專用網技術（VPN）在公共網絡中虛擬化一條安全，穩定的“隧道”，用戶感覺像是使用私有網絡一樣。
如果將軟PLC安裝在虛擬機下，在軟PLC出現故障時，用備份的虛擬機代替當前的虛擬機，即可快速恢復系統運行；此外，開發人員不必在現場，即可開發調試項目，在調試完成后，將包含軟PLC的虛擬機直接放在現場的工控計算機上就直接可以完全運行。但是軟PLC目前只能在物理PC上安裝運行，在虛擬機下可以安裝，但不能運行，這是由於軟PLC需要直接驅動硬件，而虛擬機中的硬件都是虛擬造成的。
三、西門子虛擬化WinAC產品分類
SIMATIC WinAC是西門子公司開發的基於PC控制的核心組件，它的出現擴展了SIMATIC S7的控制范圍。WinAC是一個名副其實的控制中心，它將PLC控制、數據處理、通訊、可視化及工藝集成於一台PC機上。 SIMATIC WinAC產品包括軟件型和插槽型兩大類，包括如下5種產品：
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1、WinAC Basis (WinAC 基本型) WinAC Basis 是低成本解決方案，用於對控制無精確時間要求，有大量、快速的數據處理與控制任務(控制任務指PLC的控制功能)相結合或其它PC任務的控制場合。
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2、WinAC PN 第一個支持PROFInet通訊標准的SIMATIC CPU，性能與WinAC Basis相似。WinAC PN支持基於組件的自動化(CBA)和PROFInet通訊標准。基於組件的自動化和PROFInet提供了一個開放的標准，用於在復雜任務中機械和系統單元之間的數據交換。數據交換通過SIMATIC iMap工具來進行配置。WinAC PN適應於以下任務： 整個復雜系統的機械和車間區域之間的協調和連接 來自系統單元或機械可被集成到一個全范圍的復雜系統控制WinAC Basis 4.1有一個選件WinAC PN，帶有WinAC PN選件的WinAC Basis 4.1支持PROFInet和CBA。
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3、WinAC RTX(WinAC 實時型) WinAC RTX 提供了Windows 2000/XP的實時子系統，具有“硬實時”和“抗死機”特性。適應於具有高速和精確時間要求的控制任務的場合，如運動控制、閉環控制等。
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4、WinAC MP WinAC MP基於WinCE操作系統和SIMATIC MP370(一種多功能面板)硬件平台。MP370為無硬盤、無風扇設計，WinCE具有實時特性，可實現嚴格的確定性動作。WinAC MP用在惡劣工業環境和有大量數據要處理的場合。
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5、WinAC Slot 412/416 以板卡的形式插入在PC中，在板卡上已經集成了用於控制任務的CPU、存儲器等元件。它可獨立於PC進行控制操作。板卡上集成一個MPI/DP接口和一個DP口。WinAC Slot適用於對安全性和穩定性要求較高的場合。WinAC Slot 412/416在性能上與S7-412/416相近。
四、虛擬控制器WinAC RTX搭建
1、打開虛擬機系統的安裝目錄，找到后綴名是“.vmx”的文件，然后用記事本打開。
2、添加虛擬網卡設備，添加如下配置。如果配置文件中已存在，則不添加“ethernet0.virtualDev = "e1000e"”，直接將等號后面的值改為"e1000e"。
ethernet0.virtualDev = "e1000e"
bios440.filename="FUJITSU211_314.ROM"
3、在西門子技術支持的官網（https://support.industry.siemens.com）下載文件“FUJITSU211_314.ROM”，並將在虛擬機安裝目錄下。此文件是將虛擬機硬件映像成FUJITSU PRIMERGR服務器。如下圖所示。
4、打開運行虛擬機，配置當前主機的IP地址。
5、使用虛擬光驅安裝WinAC RTX 2010。
6、安裝完后啟動station Configurator。
7、打開的窗口中添加WinLC RTX，添加通訊網卡“IE 通用”
8、此時會發現桌面上多出一個圖標，此圖標就是虛擬PLC的圖標，雙擊打開即可。至此，就完成了在虛擬機中安裝PLC。
五、虛擬控制器組態
1、打開step7軟件，創建工程，並進行組態配置，配置方法如下圖所示。
2、編寫一個小的測試程序。
3、編譯並下載組態程序。
4、監控運行，如果一切正常，即顯示為“RUN”狀態。
5、可以使用step7軟件控制虛擬PLC的啟停。
至此，就完成了虛擬PLC的搭建。