Introduzzjoni
Il-kontroll industrijali huwa komponent ewlieni tal-produzzjoni industrijali. Kontrolluri Loġiċi Programmabbli (PLCs) iservu bħala apparat ewlieni fil-kontroll tal-awtomazzjoni industrijali, applikat b'mod wiesa 'f'diversi setturi tal-ekonomija nazzjonali inklużi l-industrija, it-trasport u s-servizzi muniċipali. Il-PLCs huma apparati ta 'kontroll industrijali żviluppati billi jintegraw il-mikroelettronika, it-teknoloġija tal-kompjuter, il-kontroll awtomatiku u t-teknoloġiji tal-komunikazzjoni f'kontrolluri sekwenzjali. L-iskop tagħhom huwa li jissostitwixxu r-rilejs, jeżegwixxu loġika, ħin, għadd, u funzjonijiet oħra ta 'kontroll sekwenzjali, u b'hekk jistabbilixxu sistemi ta' kontroll programmabbli flessibbli [1]. Softwer tradizzjonali ta 'kontroll industrijali PLC huwa akkoppjat sewwa mal-ħardwer, u prodotti barranin jiddominaw is-sehem tas-suq, li jippreżentaw kwistjonijiet bħal spejjeż għoljin u skalabbiltà insuffiċjenti.
1. Xejriet Evoluzzjonarji fis-Sistemi ta 'Kontroll Industrijali
Hekk kif ix-xjenza tal-kontroll tikkonverġi mad-dixxiplini tal-informatika, tal-informazzjoni u tal-komunikazzjoni, it-teorija tal-kontroll tevolvi minn kontroll ta' feedback klassiku u kontroll modern għal kontroll intelliġenti mmexxi minn data-. Is-sistemi ta' kontroll jimxu minn kontroll ta'-punt wieħed u kontroll f'netwerk għal kontroll imqassam fuq il-cloud-. Permezz tal-integrazzjoni innovattiva tat-Teknoloġija tal-Informazzjoni u l-Komunikazzjoni (ICT) mat-Teknoloġija Operattiva (OT), is-sistemi ta 'kontroll industrijali tradizzjonali qed jevolvu gradwalment f'sistemi ta' kontroll industrijali ġodda. Dawn is-sistemi l-ġodda għandhom interkonnettività, skalabbiltà, u teħid ta' deċiżjonijiet immexxi minn-data-, manifestati f'żewġ tendenzi ewlenin:
(1) Tranżizzjoni minn Arkitetturi ta' Kontroll Speċjalizzati Magħluqa u Iżolati għal Arkitetturi ta' Kontroll ta' Għan Ġenerali Miftuħa, Disakkoppjati-
Bil-ħolqien u l-avvanz ta' teknoloġiji bħall-5G u l-edge computing, l-arkitettura tradizzjonali ta' kontroll industrijali ta' ħames-saffi ISA-95 qed tiċċaqlaq lejn struttura ta' "tarf-tarf-sħab" bi tliet-saffi. Fost dawn, l-evoluzzjoni tas-saff ta 'kontroll PLC saret punt fokali madwar l-industrija. Teknoloġikament, il-kompiti ta' kontroll industrijali qed jemigraw minn apparati speċjalizzati inkorporati għal apparati għal skopijiet ġenerali-cloud-edge b'kapaċitajiet ta' pproċessar ta' data-ħin reali. Operazzjonalment, ħidmiet artab-ħin reali bħall-kontroll tal-loġika huma dejjem aktar ċentralizzati fit-tarf jew sħaba, filwaqt li ħidmiet iebsin-ħin reali bħall-kontroll tal-moviment jibqgħu esegwiti fuq apparati fuq il-post.
(2) Tranżizzjoni minn Ipproċessar ta' -Kompitu Uniku għal Kollaborazzjoni ta' -Kompitu Multidistribwit
PLCs tradizzjonali jimpjegaw ipproċessar sekwenzjali għall-kompiti. Madankollu, l-iskali ta 'kontroll li qed jespandu jżidu l-volum tal-kompitu u d-diversità, iwessgħu d-differenzi ta' prijorità bejn il-kompiti, u jżidu r-rekwiżiti ta 'kollaborazzjoni. Partikolarment bl-introduzzjoni ta' teknoloġiji ta' big data u intelliġenza artifiċjali, kollaborazzjoni effiċjenti bejn il-kompiti ta' kontroll tradizzjonali u l-kompiti tal-IT immexxija mid-data-jeħtieġ bidla minn proċessar ta'-nodu wieħed għal proċessar kollaborattiv b'ħafna-nodi f'sistemi ta' kontroll tradizzjonali.
2.5G Cloud-Mogħdijiet ta' Żvilupp Tekniku PLC Ibbażat
Immexxi mill-avvanzi tal-ICT-partikolarment teknoloġiji tan-netwerk bħal 5G-5G cloud-PLCs ibbażati ħarġu bħala soluzzjoni ewlenija għal-limitazzjonijiet tradizzjonali tal-PLC. Ibbażat fuq il-post tal-iskjerament tal-kompiti tal-kontroll tal-PLC, il-PLCs attwali bbażati fuq il-cloud 5G isegwu tliet mogħdijiet ta 'żvilupp tekniku primarju:
(1) PLC ibbażat fuq -sħab ta' livell-field: Ħidmiet ta' kontroll huma skjerati fuq gateways industrijali, adattati għal xenarji ta' kontroll ta' veloċità medja-sa-għola- fil-livell tal-qasam. Jappoġġja ċikli ta 'kontroll industrijali ta' 1–5 ms u aktar, joffri affidabbiltà għolja, u għandu spejjeż ta 'skjerament baxxi.
(2) PLC ibbażat fuq il--sħab ta' livell-Xfer: Il-kompiti ta' kontroll huma skjerati fuq unitajiet tal-ipproċessar tal-medda bażi ta' ġewwa (BBU), funzjonijiet tal-pjan tal-utent (UPF), jew pjattaformi tal-kompjuters tat-tarf b'aċċess multi-(MEC). Adattat għal xenarji ta' kontroll ċentralizzat ta' livell ta' workshop jew ta' fabbrika-fabbriki b'veloċitajiet medji-sa-baxx, li jappoġġaw ċikli ta' kontroll industrijali ta' 20 ms u aktar bi spejjeż ta' skjerament baxxi.
(3) PLC ibbażat fuq -sħab ta' żona wiesgħa-: Il-kompiti ta' kontroll huma skjerati fuq servers tas-sħab ċentrali, adattati għal xenarji ta' kontroll kollaborattiv ta'-veloċità baxxa fil-livell tal-fabbrika. Imtejba b'fibra ottika u teknoloġiji deterministiċi tan-netwerking, il-latenza minn tarf-sa-tarf tista' titnaqqas għal 5 ms, iżda l-ispejjeż tal-iskjerament huma ogħla.
It-teknoloġija PLC attwali bbażata fuq il-cloud 5G-tiffaċċja sfidi li jinkludu arkitetturi inkonsistenti, nuqqas ta' appoġġ ta' kollaborazzjoni tat-tarf-tarf, u inkapaċità li jiġu orkestrati applikazzjonijiet PLC. B'mod partikolari, in-netwerks 5G li jservu l-kontroll industrijali jiltaqgħu ma 'dewmien, jitter, u kwistjonijiet ta' affidabbiltà. Biex tindirizza dawn, dan id-dokument jipproponi arkitettura teknika PLC virtwalizzata 5G. Permezz ta' kollaborazzjoni ta' "end-edge-cloud", jikseb tliet unifikazzjonijiet: ambjent runtime unifikat, skedar unifikat ta' skjerament, u portal unifikat ta' żvilupp u operazzjonijiet.
3. Arkitettura Teknika ta '5G Virtualized PLC
3.1 Karatteristiċi Tipiċi ta 'PLC Virtualized
It-teknoloġija tal-virtwalizzazzjoni hija teknika ta 'ġestjoni tar-riżorsi li toħloq saff ta' astrazzjoni fuq il-ħardwer tal-kompjuter bl-użu ta 'softwer. Dan jaqsam ir-riżorsi tal-ħardwer ta 'kompjuter wieħed f'magni virtwali multipli, u jtejjeb l-effiċjenza u s-sigurtà tal-użu tar-riżorsi. Addottata b'mod wiesa 'fil-cloud computing, it-teknoloġija tal-virtwalizzazzjoni tkompli tevolvi u timmatura, u tespandi l-applikazzjoni tagħha f'diversi oqsma u arkitetturi tal-ħardwer.
Virtualization PLC (vPLC) joħloq ambjent runtime virtwali, li jiddiżakkoppja l-kompiti ta 'kontroll PLC mill-ħardwer fiżiku. Dan jippermetti l-iskjerament ta 'kompiti PLC fuq diversi apparati ta' elementi tan-netwerk. vPLC juri tliet karatteristiċi ewlenin:
(1) Software PLC-Disakkoppjar tal-Ħardware:PLCs tradizzjonali jimpjegaw ħardwer inkorporat u sistemi operattivi-ħin reali b'akkoppjar strett ta' softwer-hardware. vPLC jintroduċi ambjent runtime PLC li jieħu ħsieb it-tagħbija, l-eżekuzzjoni u l-iskedar tal-kompiti, u b'hekk jiddiżakkoppja l-kompiti tal-PLC mis-sistema operattiva-ħin reali.
(2) Eżekuzzjoni PLC Virtwali:It-teknoloġija tal-virtwalizzazzjoni tippermetti l-iskjerament u t-tħaddim ta' sistemi operattivi eteroġenji fuq ħardwer għal skopijiet ġenerali-. L-ambjent tar-runtime PLC jimxi fuq sistema operattiva virtwali, li jiddiżakkoppja l-kompiti PLC mill-ħardwer sottostanti.
(3) Orkestrazzjoni u Skedar tal-PLC:Fil-qalba tiegħu, vPLC jiffunzjona bħala servizz tas-softwer PLC. Jista' jiġi orkestrat u skjerat f'sistemi ta' "edge-cloud" u skedat b'mod dinamiku matul ir-runtime, li joffri flessibilità u skalabbiltà distinti b'mod notevoli minn PLCs tradizzjonali.
Meta mqabbel ma 'PLCs tradizzjonali, vPLC itejjeb il-flessibbiltà u l-iskalabbiltà tas-sistema, inaqqas l-ispejjeż tat-tagħmir u operattivi, u jiffaċilita ħafna l-aġġornamenti u d-disinni mill-ġdid tal-linja ta' produzzjoni.
3.2 PLC virtwalizzat Jipprovdi Fondazzjoni Teknika Unifikata għal Sistemi ta 'Kontroll Industrijali 5G
Iċċentrata fuq vPLC, is-sistema ta' kontroll industrijali 5G għandha l-għan li tagħti arkitettura ta' Kontroll-as-a-Servizz (CaaS) miftuħa. Il-funzjonijiet tal-kontroll tal-PLC jistgħu jiġu skjerati b'mod kullimkien u jerġgħu jintużaw b'mod flessibbli, li jippermettu l-kontroll tal-apparat ta' plug-u-play fuq netwerks eteroġenji. L-arkitettura tas-sistema hija ddisinjata madwar il-kunċett ta' kollaborazzjoni "end-tarf-sħaba", li jinkludi saffi operattivi, ta' servizz u ta' żvilupp.
(1) Saff ta' runtime: Ibbażat fuq teknoloġija tal-virtwalizzazzjoni ta'-ħin reali, jipprovdi ambjent ta' runtime ta'-ħin reali unifikat għal vPLC fuq ħardwer għal skopijiet ġenerali-. Il-virtwalizzazzjoni tappoġġja skjerament imħallat ta' sistemi operattivi f'{-ħin reali u mhux-reali-, li jippermetti skalar dinamiku ta' vPLC.
(2) Saff tas-Servizz: Responsabbli għall-iskjerament ta 'vPLC f'nodi fiżiċi differenti filwaqt li jimmaniġġjaw iċ-ċiklu tal-ħajja tagħhom, jiksbu skjerament unifikat u skedar ta' servizzi ta 'kontroll industrijali PLC.
(3) Saff ta 'żvilupp: Jipprovdi ambjenti ta' żvilupp ta 'applikazzjonijiet PLC, kumpilazzjoni, u għodod ta' debugging, li joffru portal unifikat ta 'żvilupp u operazzjonijiet għal sistemi ta' kontroll industrijali 5G.
Is-sistema ta 'kontroll industrijali 5G tiftaħar vantaġġi tekniċi multipli. L-ewwel, jipprovdi arkitettura unifikata għal tliet teknoloġiji PLC distinti bbażati fuq il-cloud-. Minn naħa waħda, tappoġġja ċentri ta 'kontroll tal-migrazzjoni mill-qasam għat-tarf jew sħaba ċentrali, li teħles il-kontroll PLC minn restrizzjonijiet imposti minn ambjenti tal-qasam u tippermetti skjerament ċentralizzat. Min-naħa l-oħra, edge-side vPLC jiżgura kontroll ta' latenza-baxxa ta' apparati fuq il-post, li jappoġġja diversi applikazzjonijiet ta' ħin-reali-inkluż il-kontroll tal-moviment. It-tieni, l-iskjerament ta 'vPLC f'diversi elementi tan-netwerk 5G jagħti kapaċitajiet integrati ta' "konnettività + qawwa tal-kompjuter + funzjonalità PLC" għall-kontroll industrijali. Dan joħloq sistema ta 'kontroll industrijali ġdida, iċċattjata, li tkisser il-monopolju tal-ekosistemi ta' kontroll industrijali tradizzjonali. It-tielet, l-ingranaġġ ta' arkitettura ta' softwer/ħardwer universali tnaqqas l-ispejjeż tal-kontroll industrijali, u taċċellera l-maturazzjoni ta' "industrija definita ta' softwer-."
4 Teknoloġiji Ewlenin ta '5G Virtualized PLC
4.1 Virtualization -Ħin Real
Il-kompiti tal-PLC jimxu bħala proċessi tas-sistema operattiva f'ċikli skont ċikli ta 'kontroll industrijali. Kull ċiklu għandu jiżgura li l-proċess PLC jirċievi inputs esterni u jikseb ħin tal-ipproċessar tas-CPU. Il-kapaċità tal--ħin reali tas-sistema operattiva hija kritika għat-twassil ta' servizzi ta' kontroll PLC affidabbli. It-teknoloġija tal-virtwalizzazzjoni ta'-ħin reali tippermetti l-ko-skjerament ta' ħidmiet ta' komputazzjoni ta'{-ħin reali u mhux-reali-fuq ħardwer għal skopijiet ġenerali-permezz ta' virtualizzazzjoni ta' softwer/ħardwer. Jappoġġa l-konsolidazzjoni ta' kompiti ta' komputazzjoni minn apparati inkorporati multipli fuq apparat wieħed ta' skop ġenerali-. Filwaqt li tiżgura prestazzjoni fil--ħin reali, din it-teknoloġija tisfrutta l-adattabilità qawwija tal-ħardwer tas-sistema operattiva universali u l-kapaċitajiet ta' applikazzjoni rikka. Joffri vantaġġi bħal tnaqqis fl-ispiża tal-apparat, id-daqs u l-konsum tal-enerġija, filwaqt li jikseb kompatibilità fl-ekosistemi eteroġenji tal-apparat.
Bħalissa, l-industrija timpjega diversi tekniki ta 'virtwalizzazzjoni, primarjament kategorizzati bħala qsim tal-ħardwer, virtwalizzazzjoni sħiħa, paravirtwalizzazzjoni, u virtwalizzazzjoni tas-sistema operattiva. Fost dawn, it-tliet approċċi li ġejjin huma l-aktar adattati għall-adattament tal-virtwalizzazzjoni fil--ħin reali:
(1) Tqassim tal-ħardwer:Taqsam ir-riżorsi tal-ħardwer sottostanti f'diviżorji indipendenti, kull wieħed iħaddem is-sistema operattiva tiegħu stess. Il-qsim tal-ħardwer joffri prestazzjoni eċċellenti fil--ħin reali, li toqrob-livelli tal-metall vojt, iżda m'għandhiex kapaċitajiet ta' qsim tar-riżorsi, ibati minn skalabbiltà limitata, u turi użu baxx tar-riżorsi. Notevolment, l-I/O periferali jeħtieġ pre-diviżorji u ma jistgħux jerġgħu jintużaw, u b'hekk tiżdied il-kumplessità teknika.
(2) Kontenituri Linux-ħin reali:Immodifika Linux minn sistema ta' time-sharing għal sistema ta'-ħin reali billi tuża metodi bħal Preemption Patch jew Xenomai. Imbagħad, uża l-virtwalizzazzjoni tal-kontejners ħfief għall-iżolament tar-riżorsi, u toħloq ambjent ta' runtime virtualizzat-ħin reali għall-PLCs. Dan l-approċċ jutilizza bis-sħiħ is-softwer maturi u l-ekosistema tal-ħardwer tal-Linux, u jnaqqas l-ispejjeż tal-porting tas-softwer PLC. Għalkemm il-kontejners għandhom overhead operazzjonali baxx, il-prestazzjoni f'ħin reali tal-qalba tal-Linux modifikat tibqa' inferjuri għal sistemi operattivi ddedikati-ħin reali (RTOS), li jwassal għal jitter u glitches f'xenarji bħall-kontroll tal-moviment servo.
(3) Virtualization Microkernel:Tiskjera RTOS u sistemi operattivi għal skopijiet ġenerali-(GPOS) f'konfigurazzjoni ibrida bl-użu ta' mikrokernel bħala hypervisor tat-Tip-1. Microkernels joffru funzjonalità simplifikata, overhead aktar baxx, u sigurtà mtejba meta mqabbla mal-kernels monolitiċi, li jippermettu kemm virtwalizzazzjoni tal-ħardwer kif ukoll prestazzjoni għolja f'ħin reali. Din it-teknoloġija qed tiżviluppa b'mod attiv fis-setturi industrijali, tal-infotainment tal-karozzi u tar-robotika, għalkemm l-isfidi jinkludu ekosistema teknika immatura u adattament kumpless tal-ħardwer.
Is-sistemi ta' kontroll industrijali 5G jistgħu jagħżlu approċċi differenti ta' virtwalizzazzjoni fil--ħin reali bbażati fuq elementi tan-netwerk u xenarji ta' applikazzjoni. Għal vPLCs edge u sħab-bbażati fuq is-sħab, it-teknoloġija tal-kontejners Linux fil--ħin reali hija l-għażla preferuta. Min-naħa waħda, il-modifika ta' Linux-ħin reali ġġarrab spejjeż ġenerali baxxi u tiffaċilita l-iskjerament faċli. Min-naħa l-oħra, l-iskedar tal-orkestrazzjoni tal-kontejners u t-teknoloġiji tal-backup ta’ redundancy huma maturi, u joħolqu riskji baxxi. Meta wieħed iqis ir-rekwiżiti għolja ta'-ħin reali ta' edge-side vPLC u l-ħtieġa għal edge-kollaborazzjoni tal-ġenb, edge-side vPLC għandu jipprijoritizza kontenituri-ħin reali Linux jew soluzzjonijiet ta' virtwalizzazzjoni tal-mikrokernel.
4.2 5G Netwerks Deterministiċi
5G industrial control systems impose two primary requirements on network connectivity. First is ultra-low latency air interface capability. In scenarios like industrial motion control, inter-controller communication, and high-speed logic control, short control cycles (1–5 ms) and stringent reliability requirements (>99.9999%) jitolbu prestazzjoni għolja tal-interface tal-arja mingħajr fili għat-trażmissjoni tad-dejta bejn is-saffi vertikalment u sistemi orizzontalment. It-tieni, trażmissjoni deterministika tad-dejta f'ambjenti ta 'netwerk eteroġeni. L-inċertezza fin-netwerk-latenza indotta hija fattur kritiku li jaffettwa l-istabbiltà tas-sistema ta' kontroll. L-immudellar ta' sistema ta' qabża lineari-in-netwerk eżistenti jista' jikkumpensa għal dewmien każwali instabbli iżda xorta jitħabat biex jissodisfa t-talbiet tal-prestazzjoni tal-kontroll tal--ħin reali.
Netwerk deterministiku jipprovdi lill-utenti kwalità ta' servizz garantita (QoS), li fiha bidla flessibbli bejn servizzi deterministiċi u mhux{0}}deterministiċi u kontroll awtonomu fuq il-livelli tal-QoS. Teknoloġiji tipiċi tan-netwerks deterministiċi huma murija fit-Tabella 1. B'mod ġenerali, in-netwerking deterministiku jirrappreżenta t-triq primarja għar-realizzazzjoni ta' sistemi ta' kontroll industrijali 5G. 5G Deterministic Networking (5GDN) juża sinkronizzazzjoni ta' arloġġi ta'-preċiżjoni għolja, iffurmar tat-traffiku, u tekniki ta' riżervazzjoni ta' riżorsi minbarra t-tqattigħ tal-bandwidth tan-netwerk 5G, biex iwassal il-bandwidth deterministiku u deterministiku 99.9999% affidabbiltà tal-konnessjoni. Dan joħloq netwerk bla fili prevedibbli, pjanat u verifikabbli b'kapaċitajiet deterministiċi, li joffri esperjenza ta' servizz "differenzjat + deterministiku" [5]. Meta integrat ma' netwerks fuq il-post u teknoloġiji edge computing, in-Netwerking Deterministiku 5G jippermetti kontroll deterministiku minn tarf-sa-.
4.3 Orkestrazzjoni Kollaborattiva "Tmiem-Xfer-Cloud"
Permezz tal-virtwalizzazzjoni ta'-ħin reali, l-apparati tradizzjonali tal-ħardwer tal-PLC jiġu trasformati f'servizzi ta' softwer tal-PLC diżakkoppjati tal-ħardwer-. Fi ħdan l-arkitettura tal-aħħar-tarf-sħab tal-5G, hija meħtieġa skjerament flessibbli tas-servizzi tas-softwer PLC, li teħtieġ pjattaforma unifikata ta' orkestrazzjoni u skedar ta' vPLC.
L-orkestrazzjoni u l-iskedar ta 'vPLC jappoġġjaw l-iskjerament ta' vPLC bħala kontenituri jew magni virtwali fuq elementi tan-netwerk bħal gateways industrijali 5G, stazzjonijiet bażi industrijali 5G, UPFs industrijali 5G, u MEC. Metodi ta 'orkestrazzjoni jinkludu żewġ tipi: interkonnessjoni bejn ċipep tal-kompjuters u ċipep I/O (Kontrollur għal IO, C2IO) u interkonnessjoni bejn ċipep tal-kompjuter (Kontrollur għal Kontrollur, C2C). C2IO tirreferi għal komunikazzjoni PLC-ma-IO, li tinkludi kemm xenarji master PLC-għa-IO kif ukoll PLC slave{-għa-IO. C2C tindika komunikazzjoni PLC-ma-PLC, primarjament li tinvolvi kontroll PLC prinċipali fuq PLCs slave. F'xenarji tipiċi, il-cloud jospita sistemi ta 'kontroll tal-produzzjoni, softwer industrijali, u sistemi ta' ġestjoni tal-informazzjoni tal-intrapriża. It-tarf primarjament juża PLCs prinċipali responsabbli għall-interfacing mas-sistemi tas-sħab. Dawn il-PLCs kaptan jiġġeneraw kmandi tal-kontroll C2C u jqassmuhom lil PLCs slave skjerati fit-tarf. PLCs slave tal-ġenb tat-tarf-primarjament jimmaniġġjaw il-komunikazzjoni C2IO, u jirċievu kmandi ta' kontroll mill-PLC kaptan tat-tarf biex jimmaniġġjaw l-apparati tal-I/O tal-ġenb-field.
B'differenza minn sistemi ta' orkestrazzjoni bħal Kubernetes jew Kubevirt, il-vPLC jitlob prestazzjoni u affidabilità għolja fil-ħin reali-. Kontenitur standard jew orkestrazzjoni tal-magni virtwali tissielet biex tissodisfa r-rekwiżiti stretti taċ-ċiklu tal-kontroll industrijali. L-orkestrazzjoni u l-iskedar tal-vPLC teħtieġ li tiġi sagrifikata xi skalabbiltà biex tinkiseb prestazzjoni u affidabbiltà superjuri fil--ħin reali. Fost dawn, vPLC redundant hot standby jikkostitwixxi komponent ewlieni tal-qafas tal-orkestrazzjoni u l-iskedar. 5G vPLC Orkestrazzjoni u l-Mudell tal-Iskedar
5. 5G Implimentazzjoni PLC Virtwali
5.1 Xenarju tat-Test u Soluzzjoni
Biex tavvanza l-integrazzjoni profonda tal-5G u l-applikazzjonijiet industrijali, China Mobile ikkollaborat mal-imsieħba tal-industrija biex twettaq provi tekniċi tal-5G vPLC. Din it-teknoloġija ġiet ivvalidata u skjerata f'aktar minn għaxar intrapriżi industrijali. Meta tieħu klijent tipiku bħala eżempju, China Mobile użat netwerk 5G fi ħdan il-workshop tal-produzzjoni tal-klijent biex jipprovdi servizzi ta 'netwerk għall-immaniġġjar tal-materjal tal-Vetturi Gwidati Awtomatizzati (AGV). Ibbażat fuq it-tip ta 'materjal, il-pjattaforma tan-negozju tippjana mogħdijiet distinti ta' moviment AGV, li tiggwida vetturi bejn sistemi ta 'ħażna awtomatizzati u segmenti ta' produzzjoni differenti.
Biex tindirizza dawn ir-rekwiżiti, is-sistema ta 'kontroll industrijali 5G timpjega arkitettura kooperattiva "Master vPLC-Slave vPLC" edge- (ara Figura 4). Fit-tarf, il-vPLC prinċipali huwa skjerat fuq l-UPF biex jiċċentralizza l-iskjerament tal-PLC. Jirċievi istruzzjonijiet tal-kompiti mis-Sistema ta 'Eżekuzzjoni tal-Manifattura (MES), jinkapsulahom fi kmandi ta' kontroll, u jibgħathom lill-vPLCs slave li jinġarru mill-AGVs. Fl-istess ħin, jirċievi feedback mill-vPLCs slave waqt l-eżekuzzjoni. Fil-livell tal-qasam, il-vPLC slave jiġi skjerat fuq gateway ta' kontroll industrijali 5G, u jikseb sostituzzjoni "tnejn-f'{-wieħed" kemm għall-PLC kif ukoll għall-Unità Terminali tad-Dejta (DTU) 5G. Min-naħa waħda, il-vPLC slave jirċievi kmandi ta 'kontroll mill-vPLC kaptan u juża sensuri biex jikkontrolla s-sistema ta' sewqan tal-AGV, li jippermetti moviment u pożizzjonament preċiż. Min-naħa l-oħra, meta l-AGV jilħaq id-destinazzjoni tiegħu, il-vPLC slave jagħti lura r-riżultati tal-eżekuzzjoni tal-kompitu lill-vPLC kaptan, u jirrapporta l-istatus tat-tlestija tal-kompitu.
5.2 Żvilupp tas-Sistema
It-teknoloġija tal--kontejners f'ħin reali hija użata biex tiskjera vPLC kemm fuq il-5G UPF kif ukoll fuq il-gateways industrijali, u tbiddelhom f'UPF Industrijali 5G u Gateway ta' Kontroll Industrijali 5G. Il-konfigurazzjonijiet ewlenin huma dettaljati fit-Tabella 2.
L-arkitettura tas-sistema murija fil-Figura 5 tinkludi UPF industrijali 5G, gateway ta 'kontroll industrijali 5G, u pjattaforma ta' orkestrazzjoni. L-isforzi primarji ta' R&D huma kif ġej.
(1) Linux Kernel Modifika
L-ewwel, l-UPF oriġinali u l-kernels tal-gateway ġew modifikati f'kernels ta'-ħin reali bl-integrazzjoni tal-garża Preempt-RT. Il-verżjonijiet tal-kernel modifikati huma Linux 4.18.16-rt u Linux 4.4.167-rt. Taħt kundizzjonijiet ta 'tagħbija għolja, il-latency massimu tal-immaniġġjar tal-proċess tnaqqset minn 8 ms għal 500 μs. It-tieni, l-iżolament tar-riżorsi tas-CPU ġie kkonfigurat biex jassenja kompiti ta'-ħin reali għal cores CPU dedikati, tnaqqas l-overhead tal-bdil tal-kompitu u tkompli tnaqqas il-jitter massimu ta' latenza tal-ipproċessar tal-proċess taħt it-300 μs. It-tielet, mekkaniżmu ta 'rotta ta' interruzzjoni kien iddisinjat biex jidderieġi mill-ġdid ir-risponsi ta 'interruzzjoni periferali għal qlub ta' CPU oħra għall-ipproċessar, u jimminimizza l-interferenza mal-eżekuzzjoni tal-kompitu f'ħin reali. Permezz ta 'dawn il-modifiki tal-qalba tal-Linux, jitter massimu ta' latenza tal-ipproċessar tal-proċess tnaqqas għal taħt il-100 μs.
Latenza tal-Immaniġġjar tal-Proċess Qabel il-Modifikazzjoni tal-kernel tal-Linux
Ipproċessar Latency Wara Linux Kernel Modifika(2) PLC-runtime Containerization
Biex tappoġġja l-espansjoni dinamika tal-PLC, għandu jiġi stabbilit ambjent ta' runtime virtwali fil-kontejners għal PLC-runtime. L-ewwel, ibni l-immaġni tal-kontenitur tal-PLC ibbażata fuq Alpine Linux, primarjament tintegra PLC-runtime b'libreriji ta' link dinamiċi 32/64-bit. Bħalissa, is-sistema tappoġġja żewġ varjanti domestiċi-runtime PLC. Sussegwentement, oħloq volumi ta 'kontenitur li jikkorrispondu għal istanzi vPLC biex tippersisti data ġġenerata waqt it-tħaddim tal-kontenitur PLC. It-tielet, il-kontenituri PLC jeħtieġu aċċess biex jospitaw riżorsi periferali waqt it-tħaddim. Għal interfaces bħal RS232/485 u CAN, l-aċċess jinkiseb permezz tal-immappjar tal-fajl tal-apparat. Għall-interfaces tan-netwerk IP, l-aċċess huwa ppermettiet permezz tal-mapping tal-port, primarjament tal-mapping tal-portijiet bħall-interface tat-tniżżil tal-programm PLC u portijiet esterni tas-servizz tal-karozzi tal-linja (eż., portijiet tas-servizz slave Modbus TCP).
(3) Orkestrazzjoni vPLC
Biex tappoġġja l-orkestrazzjoni unifikata madwar l-UPF u l-gateways filwaqt li tnaqqas l-overhead tar-riżorsi tal-gateway, ġiet żviluppata sistema ta 'orkestrazzjoni ħafifa bl-użu ta' arkitettura B/S. L-utenti jwettqu operazzjonijiet ta 'frontend permezz tal-browsers, filwaqt li l-backend jinkludi moduli ta' ġestjoni u orkestrazzjoni għall-orkestrazzjoni u l-iskjerament tal-kontenituri PLC. Il-modulu ta 'ġestjoni, skjerat fuq servers, primarjament jipprovdi aċċess għall-web, downloads tal-immaġni tal-kontejners, u konfigurazzjoni/monitoraġġ tal-kontenitur PLC. Il-modulu tal-orkestrazzjoni huwa skjerat kemm fuq l-UPF kif ukoll fuq il-gateways, primarjament joffri ġibda tal-immaġni tal-kontejners, konfigurazzjoni tal-ambjent tal-kontejners, u ġestjoni tar-runtime. Il-moduli ta 'ġestjoni u orkestrazzjoni jikkomunikaw permezz ta' HTTP. Meta tieħu l-monitoraġġ tal-ħin tal-kontejner bħala eżempju, il-modulu tal-orkestrazzjoni jikkomunika perjodikament mas-servizz Docker lokali permezz tal-Klijent Docker biex jirkupra l-informazzjoni dwar l-istatus tal-kontenitur, li mbagħad tiġi rrappurtata lill-modulu tal-ġestjoni. Meta l-modulu ta 'ġestjoni jiskopri status anormali, jibda l-immaniġġjar tal-eċċezzjoni.
Interface tas-Sistema ta 'Orkestrazzjoni PLC Virtwali
5.3 Riżultati tat-Test
Wara l-iskjerament fuq il-post tal-UPF Industrijali 5G u l-Gateway tal-Kontroll Industrijali 5G, il-komunikazzjoni Modbus TCP ġiet ikkonfigurata bejn il-vPLC master u l-vPLC slave, kif ukoll bejn il-vPLC slave u I/O. Iċ-ċiklu tal-kontroll industrijali tal-vPLC slave kien issettjat għal 5 ms, filwaqt li ċ-ċiklu tal-vPLC kaptan kien ikkonfigurat f'20 ms. Kull ċiklu ta 'kontroll vPLC prinċipali kien jinkludi istanza waħda ta' komunikazzjoni mal-vPLC slave. Wara ttestjar operattiv estiż (14-il jum), l-iskedar tal-AGV ħadmet b'mod affidabbli mingħajr għeluq jew fallimenti tad-devjazzjoni tar-rotta. Il-vPLC kaptan wera ħin ta 'eżekuzzjoni medju ta' 457 μs, ħin massimu ta 'eżekuzzjoni ta' 599 μs, u jitter massimu ta '532 μs (ara Figura 9). Il-kontroll industrijali tipikament jeħtieġ li jitter tal-latency jibqa' fi ħdan 10%-15% taċ-ċiklu tal-kontroll. Abbażi ta' dan il-kejl, l-arkitettura master-slave vPLC edge-koperattiva fis-sistemi ta' kontroll industrijali 5G tista' tappoġġja ċikli ta' kontroll ta' 5 ms jew itwal, li jissodisfaw ir-rekwiżiti ta' prestazzjoni għal kontroll industrijali ta' veloċità medja-sa-għola-. Minħabba li l-latenza ta' l-arja ta' l-interface 5G attwali tibqa' 'l fuq minn 5 ms, is-soluzzjoni koperattiva edge-tgħaqqad il-vantaġġi ta' skjerament ċentralizzat ma' appoġġ għall-kontroll ta' veloċità--medja-għola, meta mqabbla ma' skemi ta' deployment edge-single vPLC.
L-ispiża ta 'soluzzjonijiet PLC tradizzjonali tinkludi spejjeż ta' tagħmir bħal PLCs master, PLCs slave, u DTUs 5G. Is-soluzzjoni tas-sistema ta 'kontroll industrijali 5G tinkludi spejjeż għal-liċenzjar tas-softwer UPF industrijali 5G u gateways ta' kontroll industrijali 5G. Meta mqabbla ma 'soluzzjonijiet PLC tradizzjonali, is-soluzzjoni tas-sistema ta' kontroll industrijali 5G tikseb tnaqqis sinifikanti ta 'aktar minn 50% fl-ispejjeż tal-akkwist tat-tagħmir. Barra minn hekk, is-sistema ta 'kontroll industrijali 5G tappoġġja orkestrazzjoni unifikata. L-iskjerament, l-aġġornamenti u l-operazzjonijiet/il-manutenzjoni tal-applikazzjoni PLC jistgħu jiġu ċentralizzati u mwettqa mill-bogħod, li joffru skalabbiltà flessibbli u jnaqqas il-ħin O&M b'aktar minn 80%.
Fil-qosor, is-sistema ta 'kontroll industrijali 5G tagħti servizzi ta' kontroll industrijali PLC permezz ta 'titjib tas-softwer fuq elementi tan-netwerk 5G mingħajr ma teħtieġ modifiki tal-hardware jew tfixkel l-operazzjonijiet eżistenti tal-UPF/gateway. Jappoġġa kontroll industrijali ta' veloċità medja-{-għola-u joffri vantaġġi inklużi xenarji ta' applikazzjoni differenti, tnaqqis fl-ispejjeż, manutenzjoni faċli, u skalabbiltà.
6 Konklużjoni
Bil-miġja tar-Raba' Rivoluzzjoni Industrijali, il-PLCs-il-qalba tal-kontroll industrijali-iġġieldu biex jissodisfaw it-talbiet li qed jevolvu tal-konnettività industrijali. L-integrazzjoni tal-ICT u l-OT, li taċċellera l-konverġenza tat-teknoloġija b'diversi fatturi ta' produzzjoni, għandha wegħda immensa għall-bini ta' sistemi ta' kontroll industrijali 5G tal-ġenerazzjoni li jmiss-. Minn naħa waħda, 5G vPLC jipprovdi arkitettura teknika unifikata u pjan direzzjonali għal PLCs ibbażati fuq il-cloud-. Min-naħa l-oħra, il-bini tal-ekosistema tat-teknoloġija 5G vPLC se jinċentiva lill-manifatturi tal-PLC biex jagħmlu tranżizzjoni minn prodotti ta 'hardware għal servizzi ta' softwer, jiftħu opportunitajiet ġodda ta 'żvilupp għat-teknoloġija PLC domestika u potenzjalment ifixklu l-pajsaġġ attwali tas-suq iddominat minn atturi barranin bi standards frammentati. Bħalissa, is-sistemi ta 'kontroll industrijali 5G għadhom fil-bidu tal-iżvilupp tagħhom. Sforzi kollaborattivi madwar l-industrija huma meħtieġa biex jiġu indirizzati sfidi tekniċi ewlenin f'oqsma bħall-virtwalizzazzjoni tal-mikrokernel, netwerking deterministiku, u standby sħun żejda, li jtejbu u jirfinaw kontinwament dawn is-sistemi. Fl-istess ħin, it-tisħiħ tal-kooperazzjoni mal-universitajiet biex jiġi kkultivat it-talent interdixxiplinarju fl-awtomazzjoni industrijali u l-informatizzazzjoni huwa essenzjali biex jixpruna żvilupp ta'-kwalità għolja fil-kontroll industrijali.