工業4.0與智能制造浪潮對生產的柔性、敏捷性和經濟性提出了更高要求，傳統PLC因其架構封閉、軟硬件緊耦合的特性，在支持產線快速重構、實現彈性部署和全生命周期成本控制方面面臨嚴峻挑戰。虛擬PLC（vPLC）通過解耦控制軟件與專有硬件，展現出部署靈活、易于擴展和維護的顯著優勢，已成為工業控制領域的研究熱點，并加速向汽車制造、物流自動化、新能源等主流行業應用邁進。

隨著vPLC使用場景越來越多，有許多客戶與業內人士對vPLC的“實時性”提出了擔心或質疑——虛擬PLC是否可以滿足1ms及1ms以下的運動控制等高速硬實時需求？vPLC的實時性又到底如何呢？

本文將以實測數據為基礎，為大家揭曉vPLC的實時性能指標，同時也分享一些實時性優化與測試的相關知識。這里是以菲尼克斯電氣推出的vPLCnext為核心驗證對象，圍繞其實時性展開系統驗證，重點測試vPLCnext在宿主機層面、容器隔離層面的實時響應能力，同時結合EtherCAT總線與運動控制場景，驗證vPLCnext在500μs的高實時性需求場景下的適用性，為vPLC的工程化應用提供堅實的數據支撐與技術參考。

?軟硬件環境

本文只列出軟硬件的重要關鍵信息。

? CPU型號：Intel(R) N97 @ 2.00GHz

? 核心數量：4核

? 內存大小：8GB

? 宿主機操作系統：Intel ECI Linux-RT（由英特爾?工業邊緣控制技術提供支持）

?實時性優化策略

◎  宿主機的優化

宿主機采用了Intel ECI的實時內核6.6.23-rt28-intel-ese-standard-lts-rt，這是vPLCnext實時性的基礎底座，需完成以下優化配置：

▎關閉無關服務

停止圖形界面服務，避免GUI搶占CPU與內存資源；

禁用自動更新、日志收集等后臺服務。

▎禁用CPU節能模式

配置CPU為performance模式，避免動態調頻/休眠導致的調度延遲。

▎CPU核心隔離

通過內核參數isolcpus=1,3隔離core1和core3，避免其他進程/內核線程搶占這兩個核心；

配置rcu_nocbs=1,3，將RCU回調任務從隔離核心剝離，進一步降低調度干擾。

▎禁用超線程（若CPU支持）

在BIOS/內核參數中關閉超線程，避免物理核心被邏輯線程共享，導致實時任務調度延遲波動。

▎實時內核參數調優

配置內核調度器為PREEMPT_RT模式，確保高優先級實時任務可搶占低優先級非實時任務；

調整sysctl參數：取消實時任務運行時間限制，并降低看門狗干擾。

▎中斷親和性優化

將非關鍵硬件中斷（如網卡、存儲）綁定到非隔離核心（如core0/core2），避免隔離核心被中斷頻繁打斷；

僅保留與vPLCnext強相關的實時中斷（如EtherCAT總線中斷）在隔離核心上處理。

◎  vPLC容器的優化

基于宿主機優化的基礎，針對vPLCnext容器實施工業級專屬優化，從內核、資源、調度、網絡等維度確保實時性，主要做了以下優化配置：

▎CPU核心綁定

啟動容器時強制將vPLCnext容器綁定到已隔離的core1和core3，實現專核專用。

▎工業級任務調度

內部任務調度器將PLC實時任務優先級設置為最高，確保可搶占所有非實時任務。

▎網絡模式選擇

使macvlan直接綁定物理網卡，避免容器（Podman）網橋的NAT/數據包轉發開銷，從而降低網絡通信延遲。

▎Cgroup資源限制

配置memory.limit_in_bytes限制容器內存使用，防止內存泄漏引發OOM或交換分區（Swap）干擾。

▎I/O優先級配置

禁用容器內不必要的日志寫入，將關鍵日志重定向到宿主機高速存儲（如SSD）。

▎內存鎖定與預分配

vPLCnext啟動時將關鍵實時代碼、數據鎖定到物理內存，避免內存換頁導致的延遲；

預分配運動控制、總線通信所需的內存緩沖區，減少運行時動態內存分配的不確定性。

▎實時任務與管理任務分離

vPLCnext將實時控制任務（如PLC邏輯、運動控制）調度到專屬CPU核心執行，與非實時任務（如Web配置、日志上傳）隔離。

?宿主機的實時性

宿主機是vPLC運行的基礎載體，其實時性直接影響vPLC的整體響應性能，尤其是宿主機的CPU調度延遲、中斷響應延遲、內存訪問延遲，是制約vPLC實時性的關鍵因素。本章節通過rt-test工具對宿主機的實時性進行測試，重點驗證宿主機在不同負載場景下的延遲表現，明確宿主機對vPLC實時性的支撐能力。

◎  空載的實時性測試

采用cyclictest實時測試工具，設置以下參數：

? 測試間隔：1000μs

? 測試時長：24h

? 優先級：99

? 調度策略：fifo（先進先出）

命令如下：

taskset -c 1 cyclictest --mlockall --quiet --priority=99 --policy=fifo --interval=1000 --histogram=400 --secaligned=50 --duration=24h

taskset -c 3 cyclictest --mlockall --quiet --priority=99 --policy=fifo --interval=1000 --histogram=400 --secaligned=50 --duration=24h

其中taskset -c 1和taskset -c 3表示指向被隔離的core1和core3，測試這2個隔離核心的實時性數據。

按照以上參數設置，執行以下截圖中的腳本，測試完成后結果會寫入到core1_0.txt和core3_0.txt中。

測試結果通過可視化工具生成如下的統計圖：

◎  60%CPU負載下的實時性測試

使用stress-ng工具對系統的CPU負載加壓到60%，按照以上相同配置執行腳本。

測試結果通過可視化工具生成如下的統計圖：

?vPLC容器內的實時性

菲尼克斯電氣vPLCnext的容器化部署采用Podman容器，容器內部建立了PLCnext運行環境，搭載菲尼克斯電氣的PLCnext Runtime運行時，容器使用宿主機的實時內核，相關運行時的進程調度進行了深度優化，從容器調度、系統底層兩個維度破解虛擬化環境下的實時性瓶頸，為vPLCnext容器內的實時性提供了雙重保障。本章節重點測試vPLCnext容器內的實時性能，驗證容器與自研系統對實時性的提升效果，明確vPLCnext容器內實時性的核心保障機制。

采用與宿主機實時性相同的測試方法，分別測試空載和60%CPU負載下的實時性能。

◎  空載的實時性測試

按照以上宿主機空載的測試方法，在vPLCnext容器內執行測試腳本。

測試結果通過可視化工具生成如下的統計圖：

◎  60%CPU負載下的實時性測試

使用stress-ng工具對系統的CPU負載加壓到60%，按照以上宿主機60%CPU負載下的測試方法，在vPLCnext容器內執行測試腳本。

測試結果通過可視化工具生成如下的統計圖：

?實時性測試結論

◎  測試數據記錄

通過在宿主機和容器內的實時性能驗證，數據對比如下圖：

◎  核心結論

本次測試圍繞菲尼克斯電氣vPLCnext的實時性展開系統驗證，分別對宿主機、vPLCnext容器內的實時性能進行對比，得出以下結論：

▎宿主機實時性表現

經過實時內核優化的工業級宿主機操作系統，在空載及60%CPU負載場景下，均能保持穩定的實時性能：

最大時延 ≤ 18μs

最小時延 = 2μs

平均時延 = 4μs

可為vPLCnext提供可靠的運行基礎，不會成為vPLCnext實時性的主要瓶頸。

▎容器內實時性表現

通過合理配置容器資源（綁定CPU核心、限制資源使用率），vPLCnext容器內的實時性能在不同負載場景下均接近宿主機水平：

最大時延 ≤ 27μs

最小時延 = 2μs

平均時延 = 4–5μs

完全滿足工業控制場景對實時性的核心要求，為vPLCnext的工程化應用提供了有力的數據支撐與技術參考，助力工業控制系統向虛擬化、柔性化、智能化轉型。

?vPLCnext高實時性應用開發

基于本次驗證所證實的菲尼克斯電氣vPLCnext在宿主機與容器內的優異實時性能，均能滿足工業高實時控制需求，菲尼克斯電氣正依托該高實時性基礎，全力推進相關應用落地。目前，已經有客戶將500μs循環周期下的vPLCnext+EtherCAT+運動控制方案在實際設備測試驗證，后續相關技術細節、動態及應用案例，將通過官方推文持續更新，敬請行業同仁與廣大客戶期待。