Sissejuhatus
Tööstuslik kontroll on tööstusliku tootmise põhikomponent. Programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC) on tööstusautomaatika juhtimise võtmeseadmed, mida kasutatakse laialdaselt erinevates rahvamajanduse sektorites, sealhulgas tööstuses, transpordis ja kommunaalteenustes. PLC-d on tööstuslikud juhtimisseadmed, mis on välja töötatud mikroelektroonika, arvutitehnoloogia, automaatjuhtimise ja sidetehnoloogiate integreerimisel järjestikustesse kontrolleritesse. Nende eesmärk on asendada releed, täita loogikat, ajastust, loendamist ja muid järjestikuseid juhtimisfunktsioone, luues seeläbi paindlikud programmeeritavad juhtimissüsteemid [1]. Traditsiooniline PLC tööstusliku juhtimistarkvara on tihedalt seotud riistvaraga ning turuosa domineerivad välismaised tooted, mis põhjustavad selliseid probleeme nagu kõrged kulud ja ebapiisav mastaapsus.
1. Tööstuslike juhtimissüsteemide evolutsioonilised suundumused
Kuna juhtimisteadus läheneb arvutus-, teabe- ja sidedistsipliinidele, areneb juhtimisteooria klassikalisest tagasiside juhtimisest ja kaasaegsest juhtimisest andmepõhise{0}}intelligentse juhtimise suunas. Juhtimissüsteemid arenevad ühe-punkti juhtimiselt ja võrgupõhiselt juhtimiselt hajutatud pilve{3}}põhise juhtimiseni. Info- ja kommunikatsioonitehnoloogia (IKT) uuendusliku integreerimise kaudu operatiivtehnoloogiaga (OT) arenevad traditsioonilised tööstuslikud juhtimissüsteemid järk-järgult uuteks tööstuslikeks juhtimissüsteemideks. Nendel uutel süsteemidel on vastastikune seotus, skaleeritavus ja andmepõhine-otsuste{7}}tegemine, mis väljendub kahes peamises suundumuses:
(1) Üleminek suletud, isoleeritud spetsialiseeritud juhtimisarhitektuuridelt avatud, lahutatud üld-eesmärgiga juhtimisarhitektuuridele
Seoses selliste tehnoloogiate nagu 5G ja servade andmetöötluse esilekerkimisega ja arenemisega on traditsiooniline viie-kihiline ISA-95 tööstusliku juhtimisarhitektuur nihkumas kolme-kihilise "otsa-serva-pilve" struktuuri poole. Nende hulgas on juhtkihi PLC areng muutunud kogu tööstuse keskseks punktiks. Tehnoloogiliselt migreeruvad tööstuslikud juhtimisülesanded manustatud spetsialiseeritud seadmetelt pilve{9}}üldotstarbelistele{10}}seadmetele, millel on reaalajas andmetöötluse võimalus{12}}. Operatiivselt koondatakse pehmed reaalajas{13}}toimingud, nagu loogiline juhtimine, üha enam servale või pilve, samas kui raskeid reaalajas{14}}ülesandeid, nagu liikumisjuhtimine, täidetakse väliseadmetes.
(2) Üleminek ühe-ülesande töötlemiselt hajutatud mitme-ülesandega koostööle
Traditsioonilised PLC-d kasutavad ülesannete jaoks järjestikust töötlemist. Juhtskaalade laiendamine suurendab aga ülesannete mahtu ja mitmekesisust, suurendab ülesannete prioriteetide erinevusi ja suurendab koostöönõudeid. Eelkõige seoses suurandmete ja tehisintellekti tehnoloogiate kasutuselevõtuga nõuab tõhus koostöö traditsiooniliste juhtimisülesannete ja andmepõhiste IT-ülesannete vahel üleminekut ühe-sõlme töötlemiselt mitme sõlmega ühistöötlusele traditsioonilistes juhtimissüsteemides.
2,5G pilve{1}}põhised PLC tehnilised arendusteed
Tänu IKT edusammudele{0}}eelkõige võrgutehnoloogiad, nagu 5G-5G pilve-põhinevad PLC-d on kujunenud traditsiooniliste PLC piirangute peamiseks lahenduseks. PLC juhtimisülesannete juurutamise asukoha põhjal järgivad praegused 5G pilvepõhised PLC-d kolme peamist tehnilist arendusteed:
(1) Väli-tasandi pilve-põhine PLC: juhtimisülesanded juurutatakse tööstuslikele lüüsidele, mis sobivad keskmise- kuni -kiire{5}}juhtimisstsenaariumide jaoks välitasandil. See toetab 1–5 ms ja pikemaid tööstuslikke juhtimistsükleid, pakub suurt töökindlust ja madalate kasutuselevõtukuludega.
(2) Edge-level pilv-põhine PLC: juhtimisülesandeid rakendatakse siseruumide baasriba töötlemisüksustel (BBU), kasutajatasandi funktsioonidel (UPF) või multi-access edge computing (MEC) platvormidel. Sobib töökoja või tehase{5}}tasandi tsentraliseeritud juhtimisstsenaariumide jaoks keskmise- kuni-madala kiirusega, toetades 20 ms ja pikemaid tööstuslikke juhtimistsükleid madalate kasutuselevõtukuludega.
(3) Lai-pilve{2}}põhine PLC: juhtimisülesanded on juurutatud kesksetesse pilveserveritesse, mis sobivad tehase tasemel väikese-kiirusega koostööjuhtimise stsenaariumide jaoks. Fiiberoptika ja deterministlike võrgutehnoloogiatega täiustatud -otsa-latentsi saab vähendada 5 ms-ni, kuid juurutuskulud on suuremad.
Praegune 5G pilve{1}}põhine PLC-tehnoloogia seisab silmitsi probleemidega, sealhulgas ebaühtlane arhitektuur, ääre{2}}lõpu koostöötoe puudumine ja suutmatus PLC-rakendusi orkestreerida. Eelkõige esineb tööstuslikku juhtimist teenindavates 5G võrkudes viivitusi, värinat ja töökindlusprobleeme. Nende lahendamiseks pakutakse selles artiklis välja 5G virtualiseeritud PLC tehniline arhitektuur. Pilve lõpp-
3. 5G virtualiseeritud PLC tehniline arhitektuur
3.1 Virtualiseeritud PLC tüüpilised omadused
Virtualiseerimistehnoloogia on ressursihaldustehnika, mis loob tarkvara abil arvuti riistvarale abstraktsioonikihi. See jagab ühe arvuti riistvararessursid mitmeks virtuaalmasinaks, suurendades ressursside kasutamise tõhusust ja turvalisust. Pilvandmetöötluses laialdaselt kasutusele võetud virtualiseerimistehnoloogia areneb ja küpseb edasi, laiendades selle rakendust erinevates domeenides ja riistvaraarhitektuurides.
Virtualiseerimise PLC (vPLC) loob virtualiseeritud käituskeskkonna, eraldades PLC juhtimisülesanded füüsilisest riistvarast. See võimaldab juurutada PLC ülesandeid erinevates võrguelementide seadmetes. vPLC-l on kolm peamist omadust:
(1) PLC tarkvara-Riistvara lahtisidumine:Traditsioonilised PLC-d kasutavad manustatud riistvara ja reaalajas{0}}operatsioonisüsteeme koos tiheda tarkvara-riistvaraühendusega. vPLC tutvustab PLC käituskeskkonda, mis käsitleb ülesannete laadimist, täitmist ja ajastamist, eraldades seeläbi PLC ülesanded reaalajas operatsioonisüsteemist.
(2) Virtuaalne PLC täitmine:Virtualiseerimistehnoloogia võimaldab heterogeensete operatsioonisüsteemide juurutamist ja kasutamist üldotstarbelisel{0}}riistvaral. PLC käituskeskkond töötab virtuaalses operatsioonisüsteemis, lahutades PLC ülesanded aluseks olevast riistvarast.
(3) PLC orkestreerimine ja ajakava:Oma põhiolemuselt toimib vPLC PLC tarkvarateenusena. Seda saab orkestreerida ja juurutada "edge-cloud" süsteemides ning käitusajal dünaamiliselt ajastada, pakkudes paindlikkust ja skaleeritavust, mis erineb oluliselt traditsioonilistest PLC-dest.
Võrreldes traditsiooniliste PLC-dega suurendab vPLC süsteemi paindlikkust ja mastaapsust, vähendab seadmete ja tegevuskulusid ning hõlbustab oluliselt tootmisliinide uuendamist ja ümberkujundamist.
3.2 Virtualiseeritud PLC loob ühtse tehnilise aluse 5G tööstuslikele juhtimissüsteemidele
VPLC-le keskendunud 5G tööstusliku juhtimissüsteemi eesmärk on pakkuda avatud juhtimist-kui-teenusena (CaaS){3}}arhitektuuri. PLC-juhtimisfunktsioone saab kasutada kõikjal ja paindlikult taaskasutada, võimaldades ühendada{5}}ja-seadet heterogeensetes võrkudes. Süsteemi arhitektuur on loodud koostöökontseptsiooni "end-edge-cloud" ümber, mis hõlmab töö-, teenindus- ja arenduskihte.
(1) Runtime Layer: põhineb reaalajas-virtualiseerimistehnoloogial ja pakub ühtset reaalajas{2}}käituskeskkonda vPLC jaoks üldotstarbelisel-riistvaral. Virtualiseerimine toetab reaalajas -reaalajas ja mitte-reaalajas{7}}operatsioonisüsteemide kombineeritud juurutamist, võimaldades vPLC dünaamilist skaleerimist.
(2) Teenuskiht: vastutab vPLC juurutamise eest erinevates füüsilistes sõlmedes, haldades samal ajal nende elutsüklit, saavutades PLC tööstuslike juhtimisteenuste ühtse juurutamise ja ajastamise.
(3) Arenduskiht: pakub PLC rakenduste arenduskeskkondi, kompileerimis- ja silumistööriistu, pakkudes ühtset arendus- ja operatsiooniportaali 5G tööstuslike juhtimissüsteemide jaoks.
5G tööstuslikul juhtimissüsteemil on mitmeid tehnilisi eeliseid. Esiteks pakub see ühtse arhitektuuri kolme erineva pilve{2}}põhise PLC-tehnoloogia jaoks. Ühest küljest toetab see juhtimiskeskuste migreerimist põllult servale või keskpilve, vabastades PLC juhtimise välikeskkonnast tulenevatest piirangutest ja võimaldades tsentraliseeritud juurutamist. Teisest küljest tagab serva{5}}poolne vPLC väliseadmete madala-latentsuse juhtimise, toetades mitmesuguseid suure-reaalajas-rakendusi, sealhulgas liikumisjuhtimist. Teiseks pakub vPLC juurutamine erinevates 5G võrguelementides integreeritud võimalusi "ühenduvus + arvutusvõimsus + PLC-funktsioonid" tööstuslikuks juhtimiseks. See loob uue, lamendatud tööstusliku juhtimissüsteemi, purustades traditsiooniliste tööstusliku kontrolli ökosüsteemide monopoli. Kolmandaks, universaalse tarkvara/riistvaraarhitektuuri võimendamine vähendab tööstusliku kontrolli kulusid, kiirendades "tarkvaraga määratletud tööstuse" valmimist.
5G virtualiseeritud PLC 4 peamist tehnoloogiat
4.1 Reaalajas-virtualiseerimine
PLC ülesanded töötavad operatsioonisüsteemi protsessidena tsüklitena vastavalt tööstuslikele juhtimistsüklitele. Iga tsükkel peab tagama, et PLC protsess võtab vastu väliseid sisendeid ja CPU töötlemisaja. Operatsioonisüsteemi reaalajas -võimekus on usaldusväärsete PLC juhtimisteenuste pakkumisel ülioluline. Reaalajas-virtualiseerimistehnoloogia võimaldab tarkvara/riistvara virtualiseerimise kaudu reaalajas-ja mitte-reaalajas-arvutusülesandeid üldotstarbelisel-riistvaral ka-kasutada. See toetab arvutusülesannete koondamist mitmelt manustatud seadmelt ühte üldotstarbelisse{11}}seadmesse. Reaalajas{13}}jõudluse tagamisel kasutab see tehnoloogia universaalse operatsioonisüsteemi tugevat riistvaralist kohanemisvõimet ja rikkalikke rakendusvõimalusi. See pakub eeliseid, nagu seadme väiksemad kulud, suurus ja energiatarve, saavutades samal ajal ühilduvuse heterogeensete seadmete ökosüsteemidega.
Praegu kasutatakse tööstuses erinevaid virtualiseerimistehnikaid, mis jagunevad peamiselt riistvara partitsioonideks, täielikuks virtualiseerimiseks, paravirtualiseerimiseks ja operatsioonisüsteemi virtualiseerimiseks. Nende hulgast on reaalajas virtualiseerimise{1}}kohandamiseks kõige sobivamad järgmised kolm lähenemisviisi:
(1) Riistvara partitsioonid:Jaotab aluseks olevad riistvararessursid sõltumatuteks partitsioonideks, millest igaüks töötab oma operatsioonisüsteemiga. Riistvara partitsioonid pakuvad suurepärast reaalajas-jõudlust, lähenedes palja{2}}metalli tasemele, kuid puuduvad ressursside jagamise võimalused, mastaapsus on piiratud ja ressursside kasutamine on madal. Eelkõige nõuab välisseadmete I/O eelpartitsiooni-ja seda ei saa uuesti kasutada, suurendades tehnilist keerukust.
(2) Reaalajas{1}}Luxi konteinerid:Muutke Linuxi aja{0}}jagamissüsteemist reaalajas{1}}süsteemiks, kasutades selliseid meetodeid nagu Preemption Patch või Xenomai. Seejärel kasutage ressursside eraldamiseks kerget konteineri virtualiseerimist, luues PLC-de jaoks reaalajas -virtualiseeritud käituskeskkonna. See lähenemisviis kasutab täielikult ära Linuxi küpset tarkvara ja riistvara ökosüsteemi, vähendades PLC tarkvara teisaldamise kulusid. Ehkki konteineritel on madal töökoormus, jääb muudetud Linuxi kerneli reaalajas-jõudlus alla spetsiaalsete reaalajas -operatsioonisüsteemide (RTOS) omadele, mis põhjustab värisemist ja tõrkeid sellistes stsenaariumides nagu servo-liikumise juhtimine.
(3) Mikrokerneli virtualiseerimine:Juurutab RTOS-i ja üldotstarbelisi -operatsioonisüsteeme (GPOS) hübriidkonfiguratsioonis, kasutades 1. tüüpi hüperviisorina mikrokernelit. Mikrokernelid pakuvad monoliitsete tuumadega võrreldes lihtsustatud funktsionaalsust, väiksemaid üldkulusid ja täiustatud turvalisust, võimaldades nii riistvara virtualiseerimist kui ka suurt reaalajas jõudlust. See tehnoloogia areneb aktiivselt tööstus-, autotööstuse teabe- ja meelelahutussektoris ning robootikasektoris, kuigi väljakutseteks on ebaküps tehniline ökosüsteem ja keeruline riistvara kohandamine.
5G tööstuslikud juhtimissüsteemid saavad võrguelementide ja rakenduste stsenaariumide põhjal valida erinevaid reaalajas{1}}virtualiseerimise lähenemisviise. Ääre- ja pilvepõhiste-vPLC-de jaoks on eelistatud valik-reaalajas Linuxi konteinertehnoloogia. Ühest küljest on Linuxi reaalajas muutmine-väike kulu ja hõlbustab juurutamist. Teisest küljest on konteinerite orkestreerimise ajastamise ja koondamise varundustehnoloogiad küpsed, mis kujutab endast madalaid riske. Arvestades serva-serva-poolse vPLC kõrgeid reaalajas nõudeid ja serva-poolse koostöö vajadust, peaks serva-poolne vPLC eelistama reaalajas Linuxi konteinereid või mikrokerneli virtualiseerimislahendusi.
4.2 5G deterministlikud võrgud
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%) nõuavad kõrget traadita õhuliidese jõudlust andmeedastuseks kihtide vahel vertikaalselt ja süsteemide horisontaalselt. Teiseks deterministlik andmeedastus heterogeensetes võrgukeskkondades. Ebakindlus võrgu-indutseeritud latentsuses on juhtsüsteemi stabiilsust mõjutav kriitiline tegur. Olemasolev võrgu lineaarne{5}}hüppesüsteemi modelleerimine võib kompenseerida ebastabiilseid juhuslikke viivitusi, kuid on siiski hädas reaalajas{6}}juhtimise jõudlusnõuete täitmisega.
Deterministlik võrk pakub kasutajatele garanteeritud teenusekvaliteeti (QoS), mis hõlmab paindlikku üleminekut deterministlike ja mittedeterministlike teenuste vahel ning autonoomset juhtimist QoS-tasandite üle. Tüüpilised deterministlikud võrgutehnoloogiad on näidatud tabelis 1. Üldiselt on deterministlik võrgundus 5G tööstuslike juhtimissüsteemide realiseerimise peamiseks teeks. 5G Deterministic Networking (5GDN) kasutab lisaks 5G-le ülitäpset kella sünkroonimist, liikluse kujundamist ja ressursside reserveerimise tehnikaid, deterministliku ribalaiuse ja deterministliku ribalaiuse pakkumiseks. Ühenduse töökindlus 99,9999%. See loob etteaimatava, planeeritava ja kontrollitava deterministlike võimalustega traadita võrgu, mis pakub "diferentseeritud + deterministlikku" teenusekogemust [5]. Välivõrkude ja servaarvutustehnoloogiatega integreerituna võimaldab 5G deterministlik võrgundus otstest{14}}otsa{15}}deterministlikku juhtimist.
4.3 "End-Edge-Cloud" koostööorkestratsioon
Reaalajas{0}}virtualiseerimise abil muudetakse traditsioonilised PLC-riistvaraseadmed riistvara{1}}lahtisiduvateks PLC-tarkvarateenusteks. 5G pilve{4}}edge-lõpparhitektuuris on vaja PLC-tarkvarateenuste paindlikku juurutamist, mistõttu on vaja ühtset vPLC orkestreerimis- ja ajastamisplatvormi.
vPLC orkestreerimine ja ajastamine toetab vPLC juurutamist konteinerite või virtuaalmasinatena võrguelementides, nagu 5G tööstuslikud lüüsid, 5G tööstuslikud tugijaamad, 5G tööstuslikud UPF-id ja MEC. Orkestreerimismeetodid hõlmavad kahte tüüpi: arvutikiipide ja I/O-kiipide vaheline ühendus (kontroller IO-le, C2IO) ja arvutuskiipide vastastikune ühendus (kontroller kontrollerile, C2C). C2IO viitab PLC----IO-suhtlusele, hõlmates nii pea-PLC-st--IO-le kui ka alam-PLC-st-IO-le{13}}IO-le. C2C tähistab PLC-d{16}}PLC-ga, mis hõlmab peamiselt pea-PLC juhtimist alam-PLC-de üle. Tüüpiliste stsenaariumide korral majutab pilv tootmisjuhtimissüsteeme, tööstustarkvara ja ettevõtte teabehaldussüsteeme. Serv kasutab peamiselt põhi-PLC-sid, mis vastutavad pilvesüsteemidega liidestamise eest. Need ülem-PLC-d genereerivad C2C-juhtkäske ja jagavad need serval juurutatud alam-PLC-dele. Servapoolsed alam-PLC-d tegelevad peamiselt C2IO-suhtlusega, saades juhtkäsklusi serva ülem-PLC-lt, et hallata välja{25}}sisend-/väljundseadmeid.
Erinevalt orkestreerimissüsteemidest, nagu Kubernetes või Kubevirt, nõuab vPLC suurt reaalajas{0}}jõudlust ja töökindlust. Tavalise konteineri või virtuaalmasina orkestreerimisel on raske täita tööstusliku juhtimise rangeid tsüklinõudeid. vPLC orkestreerimine ja ajastamine nõuab suurema reaalajas-jõudluse ja töökindluse saavutamiseks mastaapsuse ohverdamist. Nende hulgas on vPLC üleliigne kuum ooterežiim orkestreerimis- ja ajastamisraamistiku põhikomponent. 5G vPLC orkestreerimis- ja ajastamismudel
5. 5G Virtual PLC juurutamine
5.1 Testi stsenaarium ja lahendus
5G ja tööstuslike rakenduste sügava integreerimise edendamiseks on China Mobile teinud koostööd tööstuspartneritega, et viia läbi 5G vPLC tehnilisi katsetusi. See tehnoloogia on valideeritud ja kasutusele võetud enam kui kümnes tööstusettevõttes. Võttes näiteks tüüpilise kliendi, võttis China Mobile kliendi tootmistsehhis kasutusele 5G võrgu, et pakkuda võrguteenuseid automatiseeritud juhitavate sõidukite (AGV) materjalide käitlemiseks. Materjalitüübist lähtuvalt kavandab äriplatvorm eraldiseisvad AGV liikumisteed, suunates sõidukid automatiseeritud laosüsteemide ja erinevate tootmissegmentide vahel.
Nende nõuete täitmiseks kasutab 5G tööstuslik juhtimissüsteem "Master vPLC-Slave vPLC" edge-koostööarhitektuuri (vt joonis 4). Äärmisel juurutatakse UPF-i põhivPLC, et tsentraliseerida PLC juurutamine. See võtab vastu ülesandejuhised tootmise täitmissüsteemilt (MES), kapseldab need juhtkäskudesse ja saadab need AGV-de kantavatele alam-vPLC-dele. Samal ajal saab see käivitamise ajal tagasisidet alam-vPLC-delt. Välitasandil rakendatakse alam-vPLC-d 5G tööstuslikul juhtimislüüsil, saavutades nii PLC kui ka 5G andmeterminali (DTU) asendamise kaks-ühes{10}}. Ühest küljest võtab alam-vPLC vastu juhtkäsklused ülem-vPLC-lt ja kasutab andureid AGV ajamisüsteemi juhtimiseks, võimaldades täpset liikumist ja positsioneerimist. Teisest küljest, kui AGV jõuab sihtkohta, edastab alam-vPLC ülesande täitmise tulemused ülem-vPLC-le, teatades ülesande täitmise olekust.
5.2 Süsteemi arendamine
Reaalajas konteinertehnoloogiat kasutatakse vPLC juurutamiseks nii 5G UPF-is kui ka tööstuslikes lüüsides, muutes need 5G tööstuslikuks UPF-iks ja 5G tööstuslikuks juhtimislüüsiks. Võtmekonfiguratsioonid on üksikasjalikult kirjeldatud tabelis 2.
Joonisel 5 näidatud süsteemiarhitektuur sisaldab 5G tööstuslikku UPF-i, 5G tööstuslikku juhtimislüüsi ja orkestreerimisplatvormi. Peamised teadus- ja arendustegevusega seotud jõupingutused on järgmised.
(1) Linuxi tuuma modifikatsioon
Esiteks muudeti algsed UPF-i ja lüüsi tuumad reaalajas{0}}tuumadeks, integreerides Preempt-RT paiga. Muudetud kerneli versioonid on Linux 4.18.16-rt ja Linux 4.4.167-rt. Suure koormuse tingimustes vähendati protsesside töötlemise maksimaalset latentsust 8 ms-lt 500 μs-ni. Teiseks seadistati protsessori ressursiisolatsioon määrama reaalajas ülesandeid spetsiaalsetele protsessori tuumadele, vähendades ülesannete vahetamise üldkulusid ja veelgi alandades protsessi töötlemise latentsusaja maksimaalset värinat alla 300 μs. Kolmandaks loodi katkestuse marsruutimise mehhanism välisseadmete katkestusreaktsioonide ümbersuunamiseks teistele protsessori tuumadele töötlemiseks, minimeerides häireid reaalajas ülesannete täitmisel. Nende Linuxi tuuma modifikatsioonide abil vähendati protsessi töötlemise latentsusaja maksimaalset värinat alla 100 μs.
Protsessi käsitlemise latentsus enne Linuxi tuuma muutmist
Töötlemise latentsus pärast Linuxi tuuma muutmist(2) PLC-käitusaegne konteiner
Dünaamilise PLC-laienduse toetamiseks tuleb PLC{0}}käitusaja jaoks luua konteineriseeritud virtuaalne käituskeskkond. Esmalt looge Alpine Linuxil põhinev PLC-konteineri kujutis, integreerides peamiselt PLC-käitusaja 32/64-bitiste dünaamiliste lingiteekidega. Praegu toetab süsteem kahte kodumaist PLC käitusaja varianti. Järgmisena looge vPLC eksemplaridele vastavad konteineri mahud, et säilitada PLC konteineri töö käigus loodud andmed. Kolmandaks vajavad PLC-konteinerid töötamise ajal juurdepääsu hosti välisressurssidele. Liidestele, nagu RS232/485 ja CAN, saavutatakse juurdepääs seadme failikaardistamise kaudu. IP-võrguliideste jaoks on juurdepääs lubatud pordi kaardistamise kaudu, peamiselt kaardistades pordid, nagu PLC programmi allalaadimisliides ja välised siini teeninduspordid (nt Modbus TCP alluv teeninduspordid).
(3) vPLC orkestreerimine
UPF-i ja lüüside ühtse orkestreerimise toetamiseks, vähendades samal ajal lüüsiressursside üldkulusid, töötati välja kerge orkestreerimissüsteem, mis kasutab B/S-arhitektuuri. Kasutajad teostavad esiosa toiminguid brauserite kaudu, samas kui taustaprogramm sisaldab haldus- ja orkestreerimismooduleid PLC-konteinerite orkestreerimiseks ja juurutamiseks. Serveritesse juurutatud haldusmoodul pakub peamiselt veebijuurdepääsu, konteineri kujutiste allalaadimist ja PLC konteineri konfigureerimist/seiret. Orkestreerimismoodul on juurutatud nii UPF-is kui ka lüüsides, pakkudes peamiselt konteineri kujutise tõmbamist, konteineri keskkonna konfigureerimist ja käitusaja haldust. Haldus- ja orkestreerimismoodulid suhtlevad HTTP kaudu. Võttes näiteks konteineri käitusaja jälgimise, suhtleb orkestreerimismoodul perioodiliselt kohaliku Dockeri teenusega Dockeri kliendi kaudu, et hankida konteineri olekuteave, mis seejärel haldusmoodulile edastatakse. Kui haldusmoodul tuvastab ebanormaalse oleku, käivitab see erandite käsitlemise.
Virtuaalse PLC orkestreerimissüsteemi liides
5.3 Testi tulemused
Pärast 5G tööstusliku UPF-i ja 5G tööstusliku juhtimislüüsi kasutuselevõttu konfigureeriti Modbus TCP side ülem-vPLC ja alam-vPLC, samuti alam-vPLC ja I/O vahel. Alam-vPLC tööstuslikuks juhtimistsükliks määrati 5 ms, ülem-vPLC tsükliks aga 20 ms. Iga ülem-vPLC juhtimistsükkel sisaldas üht sideeksemplari alam-vPLC-ga. Pärast pikendatud töökatsetust (14 päeva) toimis AGV sõiduplaanide koostamine usaldusväärselt ilma seisakute või marsruudi kõrvalekaldumisteta. Põhi-vPLC keskmine täitmisaeg oli 457 μs, maksimaalne täitmisaeg 599 μs ja maksimaalne värin 532 μs (vt joonis 9). Tööstuslik juhtimine nõuab tavaliselt latentsusvärinat, et see jääks 10–15% piiresse kontrolltsüklist. Nende mõõtmiste põhjal võib 5G tööstuslike juhtimissüsteemide ülem-alluv vPLC edge-koostööarhitektuur toetada 5 ms või pikemaid juhtimistsükleid, mis vastab keskmise{21}} kuni -kiire{23}}iire tööstusliku juhtimise jõudlusnõuetele. Arvestades, et praegune 5G liidese õhulatentsus jääb üle 5 ms, ühendab serva{27}}koostöölahendus tsentraliseeritud juurutamise eelised keskmise{28}} kuni -kiire{30}}juhtimise toega võrreldes ühe-juurutusserva{32}}poolsete vPLC-skeemidega.
Traditsiooniliste PLC-lahenduste maksumus sisaldab seadmekulusid, nagu põhi-PLC-d, alam-PLC-d ja 5G DTU-d. 5G tööstusliku juhtimissüsteemi lahendus hõlmab 5G tööstusliku UPF-tarkvara litsentsimise ja 5G tööstuslike juhtimislüüside kulusid. Võrreldes traditsiooniliste PLC-lahendustega saavutab 5G tööstusliku juhtimissüsteemi lahendus seadmete hankimise kulude olulise, üle 50% vähenemise. Lisaks toetab 5G tööstuslik juhtimissüsteem ühtset orkestreerimist. PLC-rakenduste juurutamist, värskendusi ja toiminguid/hooldust saab tsentraliseerida ja teostada eemalt, pakkudes paindlikku mastaapsust ja vähendades O&M aega üle 80%.
Kokkuvõttes pakub 5G tööstusjuhtimissüsteem PLC tööstusjuhtimisteenuseid 5G võrguelementide tarkvarauuenduste kaudu, ilma et oleks vaja riistvara muudatusi teha või olemasolevaid UPF-i/lüüsi toiminguid häirida. See toetab keskmise- kuni-kiire-industriaalset juhtimist ja pakub eeliseid, sealhulgas erinevaid rakendusstsenaariume, kulude vähendamist, hoolduse lihtsust ja mastaapsust.
6 Järeldus
Neljanda tööstusrevolutsiooni tulekuga on PLC-d -tööstusliku juhtimise tuum-võimaldavad vastata tööstusliku ühenduvuse arenevatele nõudmistele. IKT ja OT integreerimine, mis kiirendab tehnoloogia lähenemist erinevate tootmisteguritega, annab tohutult palju lubadust järgmise põlvkonna 5G tööstuslike juhtimissüsteemide ehitamisel. Ühest küljest pakub 5G vPLC pilvepõhiste PLC-de jaoks ühtset tehnilist arhitektuuri ja tegevuskava. Teisest küljest motiveerib 5G vPLC tehnoloogia ökosüsteemi ülesehitamine PLC-tootjaid riistvaratoodetelt tarkvarateenustele üle minema, avades kodumaisele PLC-tehnoloogiale uusi arendusvõimalusi ja potentsiaalselt häirides praegust turumaastikku, kus domineerivad killustatud standarditega välismaised mängijad. Praegu on 5G tööstuslikud juhtimissüsteemid alles lapsekingades. Peamiste tehniliste väljakutsetega toimetulemiseks sellistes valdkondades nagu mikrokerneli virtualiseerimine, deterministlik võrkude loomine ja üleliigne kuum ooterežiim on vaja teha kogu tööstusharu koostööd, neid süsteeme pidevalt täiustades ja täiustades. Samal ajal on koostöö tugevdamine ülikoolidega, et kasvatada interdistsiplinaarseid talente tööstuse automatiseerimise ja informatiseerimise vallas, et edendada tööstusjuhtimise kvaliteetset-arengut.