Java 与 GraalVM Native Image：提升制造应用数据库连接性

当今制造业应用格局呈刚性层级：顶层管理用 ERP、规划用 MES、监控用 SCADA、底层控制用 PLC 和现场系统。

管理、规划、监控层多用高级面向对象语言实现，而控制系统完全用低级语言实现，C 语言主导。

从高级到低级层级的突变造成多问题：需完全不同工具和生态系统；实现需完全不同思维方式的开发者；两世界间需定义接口。仅因无法在控制层继续使用监控层熟知的高级语言。现已改变。利用 PLC 等控制层容器技术，我们能在此层级使用 Java 等语言打破刚性层级。

Java 是广泛使用的高级面向对象语言，拥有活跃社区和库框架生态，提供额外功能，利用现有工具解决方案更快高效构建应用。

我们将展示 Java 在 Phoenix Contact PLCnext 上的可用性，简化运行在 PLCnext 上直接与数据库通信检索存储应用相关信息并呈现于 Web 界面的应用开发。最流行 Java 框架之一是 Hibernate。它简化 Java 对象到关系数据库表映射，减少数据库操作样板代码。Hibernate 提供高级抽象，让开发者用对象而非直接写 SQL。可加快开发周期减少工作量。Hibernate 屏蔽不同数据库厂商差异，无需大量代码更改即可切换数据库。本文描述 Hibernate 集成以连接运行在 PLC 上的软件到数据库。

PLCnext 上的现代 Java 应用

为开始实现现代 Java 应用，推荐使用 Quarkus 或 Spring Boot 等应用框架。这些框架简化项目配置、依赖管理。

本例用 Quarkus 的"使用 Hibernate ORM 和 Jakarta Persistence 指南"启动应用。源码示例见 GitHub 项目 hibernate-orm-quickstart。

开始修改应用源码。可将 Java 类 Fruit.java 改为 Event.java 并添加 date 字段。

Event.java 代码示例：

... @Entity @Table(name = "Events") public class Event { @Id @GeneratedValue private Long id; private String title; @Column(name = "eventDate") private LocalDateTime date; ... 

可修改 application.properties 配置数据库 URL 和凭据

src/main/resources/application.properties 示例

quarkus.datasource.db-kind=postgresql quarkus.datasource.username=myusername quarkus.datasource.password=mypassword quarkus.datasource.jdbc.url=jdbc:postgresql://myremotehost/mydatabase quarkus.datasource.jdbc.max-size=8 quarkus.datasource.jdbc.min-size=2 quarkus.hibernate-orm.database.generation=create ... 

应用启动时数据库将按需创建初始化表。启动后可通过 PLCnext 上 8080 端口运行的 Web 界面与数据库交互：

请记住，这都发生在层级的控制层，中间无任何额外系统。

GraalVM Native Image

许多开发者仍信 Java 需 Java 运行时环境执行字节码且性能不足。这对嵌入式应用不再成立。本例用 GraalVM Native Image 技术将 Java 代码编译为原生应用。GraalVM 提前编译为原生可执行文件，显著减少启动时间和内存开销，相比传统即时 (JIT) 编译，为资源受限嵌入式系统提供引人注目的解决方案。

MicroDoc 的 GraalVM 独特生成嵌入式设备二进制能力。撰写时 GraalVM 支持 32 位和 64 位 ARM 及 x86 处理器。

为针对 PLC AXC F 1152 提前编译 Java 应用，可用 MicroDoc GraalVM 在 application.properties 配置编译器选项。

... quarkus.native.additional-build-args=--target=linux-arm,-H:CompilerBackend=llvm,-H:+PreserveFramePointer,-Dllvm.bin.dir=/llvm/bin,--native-compiler-path=/arm-none-linux-gnueabihf-g++,-H:CAPCacheDir=/cap-cache/armv7a-linux-gnueabihf 

交叉编译和调试过程详见：Building and debugging Java native images of MicroDoc GraalVM Embedded

构建应用只需命令：

$ mvn -Pnative package 

接着启动 PLCnext 模拟器。模拟器作为 qemu 镜像提供。模拟器问候：

PLCnext Linux 2023.0 sim-axcf1152 ttyAMA0 sim-axcf1152 login: 

生成的二进制用 scp 复制到 PLC，打开安全 shell 传输二进制到目标系统。用以下命令启动应用：

$ ./application 

用 PLCnext cockpit 客户端查看当前内存和存储使用：

我们也关注单应用启动和内存消耗与 Java 运行时环境如 OpenJDK 对比。测量两值如下表：

启动时间（越小越好），内存使用（越小越好）

GraalVM Native Image: 0.413 s, 87 MB

OpenJDK: 13 s, 128 MB

GraalVM Native Image 在启动时间和内存使用上显著优于 OpenJDK，证明其优化资源消耗实现高效应用部署的有效性。

总结

在控制层如 PLC 使用 Java 多重益处。首先，监控层和控制层无技术断层。同一团队可实现应用并受益 Java 生态和工具。其次，GraalVM 能在嵌入式设备如 32/64 位 ARM 和 x86 处理器上将 Java 代码编译为原生应用。开发者无需关心底层架构可用高级面向对象语言实现应用。第三，得益于 Phoenix Contact PLCnext 容器支持，我们在同一硬件组件直接访问 PLC 接口，打破制造业应用刚性层级。

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