Uvod
Industrijski nadzor je osrednja sestavina industrijske proizvodnje. Programabilni logični krmilniki (PLC) služijo kot ključne naprave pri krmiljenju industrijske avtomatizacije, ki se široko uporabljajo v različnih sektorjih nacionalnega gospodarstva, vključno z industrijo, transportom in komunalnimi storitvami. PLC-ji so industrijske krmilne naprave, razvite z integracijo mikroelektronike, računalniške tehnologije, avtomatskega krmiljenja in komunikacijskih tehnologij v zaporedne krmilnike. Njihov namen je nadomestiti releje, izvajati logične, časovne, štetne in druge zaporedne krmilne funkcije, s čimer vzpostavijo prilagodljive programabilne krmilne sisteme [1]. Tradicionalna programska oprema za industrijsko krmiljenje PLC je tesno povezana s strojno opremo, tuji izdelki pa prevladujejo na trgu, kar predstavlja težave, kot so visoki stroški in nezadostna razširljivost.
1. Evolucijski trendi v industrijskih nadzornih sistemih
Ko se znanost o nadzoru zbližuje z disciplinami računalništva, informacij in komunikacij, se teorija nadzora razvija od klasičnega nadzora s povratnimi informacijami in sodobnega nadzora proti inteligentnemu nadzoru-na podlagi podatkov. Nadzorni sistemi napredujejo od eno-točkovnega nadzora in omrežnega nadzora do porazdeljenega nadzora-v oblaku. Z inovativno integracijo informacijske in komunikacijske tehnologije (IKT) z operativno tehnologijo (OT) se tradicionalni industrijski nadzorni sistemi postopoma razvijajo v nove industrijske nadzorne sisteme. Te nove sisteme odlikuje medsebojna povezanost, razširljivost in-odločanje-na podlagi podatkov, kar se kaže v dveh glavnih trendih:
(1) Prehod z zaprtih, izoliranih specializiranih krmilnih arhitektur na odprte, ločene splošne -namenske nadzorne arhitekture
S pojavom in napredkom tehnologij, kot sta 5G in robno računalništvo, se tradicionalna pet{1}}slojna industrijska krmilna arhitektura ISA-95 pomika proti tri-slojni strukturi »end-edge-cloud«. Med temi je razvoj krmilnega sloja PLC postal osrednja točka v industriji. Tehnološko gledano se naloge industrijskega nadzora selijo iz vgrajenih specializiranih naprav v-naprave za-splošne{10}}oblačne namene z-zmožnostmi obdelave podatkov v realnem času. Operativno so mehke naloge v realnem-času, kot je logični nadzor, vse bolj centralizirane na robu ali v oblaku, medtem ko se naloge v trdem-realnem času, kot je nadzor gibanja, še vedno izvajajo na napravah na strani polja.
(2) Prehod z obdelave ene-naloge na porazdeljeno več{2}}sodelovanje
Tradicionalni PLC-ji za naloge uporabljajo zaporedno obdelavo. Vendar pa razširitev kontrolnih lestvic poveča obseg in raznolikost nalog, poveča prednostne razlike med nalogami in poveča zahteve po sodelovanju. Zlasti z uvedbo tehnologij velike količine podatkov in umetne inteligence je zaradi učinkovitega sodelovanja med tradicionalnimi nalogami nadzora in opravili IT-na podlagi podatkov potreben premik od obdelave z enim-vozliščem na sodelovalno obdelavo z več-vozlišči v tradicionalnih nadzornih sistemih.
Tehnične razvojne poti PLC-ja,-ki temeljijo na 2.5G oblaku
Zaradi napredka IKT,-zlasti omrežne tehnologije, kot je 5G{3}}5G oblak-PLC-ji, so se izkazali kot ključna rešitev za tradicionalne omejitve PLC-jev. Glede na lokacijo uvedbe nadzornih nalog PLC-ja trenutni PLC-ji 5G v oblaku sledijo trem primarnim tehničnim razvojnim potem:
(1) PLC-na ravni polja-na podlagi oblaka: Nadzorne naloge so nameščene na industrijskih prehodih, primerne za srednje{3}}do-visoke-hitrostne scenarije krmiljenja na ravni polja. Podpira industrijske krmilne cikle 1–5 ms in več, nudi visoko zanesljivost in ima nizke stroške uvajanja.
(2) PLC-na ravni robnega oblaka: Nadzorne naloge so nameščene na notranjih procesorskih enotah osnovnega pasu (BBU), funkcijah uporabniške ravnine (UPF) ali platformah robnega računalništva z več-dostopi (MEC). Primerno za scenarije centraliziranega nadzora na ravni delavnice ali-tovarne s srednjimi-do-nizkimi hitrostmi, ki podpira industrijske krmilne cikle 20 ms in več z nizkimi stroški uvajanja.
(3) PLC, ki temelji-na oblaku-široko: nadzorne naloge so nameščene na osrednjih strežnikih v oblaku, kar je primerno za nizko{3}}hitrostne sodelovalne nadzorne scenarije na tovarniški ravni. Izboljšano z optičnimi vlakni in determinističnimi omrežnimi tehnologijami se lahko zakasnitev od--od konca do konca zmanjša na 5 ms, vendar so stroški uvajanja višji.
Trenutna tehnologija PLC,-ki temelji na oblaku 5G, se sooča z izzivi, vključno z nedoslednimi arhitekturami, pomanjkanjem podpore za-konec sodelovanje in nezmožnostjo orkestriranja aplikacij PLC. Zlasti omrežja 5G, ki služijo industrijskemu nadzoru, se srečujejo z zamudami, tresenjem in težavami z zanesljivostjo. Da bi jih obravnavali, ta članek predlaga 5G virtualizirano tehnično arhitekturo PLC. S sodelovanjem »end-edge-cloud« doseže tri poenotenja: enotno okolje izvajanja, enotno načrtovanje uvajanja ter enoten razvojni in operacijski portal.
3. Tehnična arhitektura 5G virtualiziranega PLC-ja
3.1 Tipične značilnosti virtualiziranega PLC-ja
Tehnologija virtualizacije je tehnika upravljanja virov, ki s pomočjo programske opreme ustvari plast abstrakcije na strojni opremi računalnika. To razdeli strojne vire enega računalnika na več virtualnih strojev, kar poveča učinkovitost in varnost uporabe virov. Tehnologija virtualizacije, ki je široko sprejeta v računalništvu v oblaku, se še naprej razvija in dozoreva ter širi svojo uporabo v različnih domenah in arhitekturah strojne opreme.
Virtualizacijski PLC (vPLC) ustvarja virtualizirano izvajalno okolje, ki ločuje nadzorne naloge PLC-ja od fizične strojne opreme. To omogoča uvajanje nalog PLC v različnih napravah omrežnih elementov. vPLC ima tri ključne značilnosti:
(1) Programska oprema PLC-Ločevanje strojne opreme:Tradicionalni PLC-ji uporabljajo vdelano strojno opremo in-operacijske sisteme v realnem času s tesno programsko{1}}sklopom strojne opreme. vPLC uvaja izvajalno okolje PLC, ki obravnava nalaganje, izvajanje in razporejanje nalog, s čimer ločuje naloge PLC od-operacijskega sistema v realnem času.
(2) Virtualno izvajanje PLC:Tehnologija virtualizacije omogoča uvajanje in delovanje heterogenih operacijskih sistemov na-strojni opremi za splošne namene. Izvajalno okolje PLC deluje v navideznem operacijskem sistemu in ločuje naloge PLC od osnovne strojne opreme.
(3) PLC Orkestracija in razporejanje:V svojem bistvu vPLC deluje kot programska storitev PLC. Lahko ga je orkestrirati in razmestiti znotraj sistemov »edge-cloud« ter dinamično načrtovati med izvajanjem, kar ponuja prilagodljivost in razširljivost, ki se izrazito razlikujeta od tradicionalnih PLC-jev.
V primerjavi s tradicionalnimi PLC-ji vPLC izboljša prilagodljivost in razširljivost sistema, zmanjša stroške opreme in obratovalne stroške ter močno olajša nadgradnjo in preoblikovanje proizvodne linije.
3.2 Virtualizirani PLC zagotavlja enotno tehnično podlago za industrijske nadzorne sisteme 5G
Industrijski nadzorni sistem 5G, osredotočen na vPLC, želi zagotoviti odprto arhitekturo nadzora-kot-a-storitve (CaaS). Krmilne funkcije PLC-ja je mogoče razmestiti povsod in jih prilagodljivo ponovno uporabiti, kar omogoča krmiljenje naprave plug-and-play v heterogenih omrežjih. Arhitektura sistema je zasnovana okoli koncepta sodelovanja »end-edge-cloud«, ki vključuje operativno, storitveno in razvojno plast.
(1) Izvajalna plast: temelji na realno{1}}tehnologiji virtualizacije in zagotavlja poenoteno realno{2}}izvajalno okolje za vPLC na splošno{3}}strojni opremi. Virtualizacija podpira mešano uvajanje operacijskih sistemov v-realnem in ne{6}}realnem-času, kar omogoča dinamično skaliranje vPLC.
(2) Storitveni sloj: odgovoren za uvajanje vPLC v različna fizična vozlišča, medtem ko upravlja njihov življenjski cikel, dosega enotno uvajanje in razporejanje PLC industrijskih nadzornih storitev.
(3) Razvojna plast: Zagotavlja okolja za razvoj aplikacij PLC, orodja za kompilacijo in razhroščevanje ter ponuja enoten razvojni in operativni portal za industrijske nadzorne sisteme 5G.
Industrijski nadzorni sistem 5G se ponaša s številnimi tehničnimi prednostmi. Prvič, zagotavlja poenoteno arhitekturo za tri različne tehnologije PLC,-ki temeljijo na oblaku. Po eni strani podpira selitev nadzornih centrov iz polja v robni ali osrednji oblak, osvobaja nadzor PLC-ja od omejitev, ki jih nalagajo terenska okolja, in omogoča centralizirano uvajanje. Po drugi strani vPLC na robni-strani zagotavlja nizko{6}}zakasnitev nadzora terenskih naprav, ki podpira različne-realnočasovne-aplikacije, vključno z nadzorom gibanja. Drugič, uvedba vPLC v različnih omrežnih elementih 5G zagotavlja integrirane zmogljivosti "povezljivosti + računalniške moči + funkcionalnosti PLC" za industrijski nadzor. To ustvarja nov, sploščen sistem industrijskega nadzora, ki razbija monopol tradicionalnih industrijskih nadzornih ekosistemov. Tretjič, izkoriščanje univerzalne arhitekture programske/strojne opreme zmanjšuje stroške industrijskega nadzora in pospešuje zorenje »programsko{15}}definirane industrije«.
4 ključne tehnologije virtualiziranega PLC-ja 5G
4.1 Virtualizacija-v realnem času
Naloge PLC-ja se izvajajo kot procesi operacijskega sistema v ciklih v skladu z industrijskimi krmilnimi cikli. Vsak cikel mora zagotoviti, da proces PLC prejme zunanje vnose in pridobi čas obdelave CPE. Zmogljivost operacijskega sistema-v realnem času je ključnega pomena za zagotavljanje zanesljivih krmilnih storitev PLC. Tehnologija-virtualizacije v realnem času omogoča so-uvajanje računalniških nalog-v-in-ne-realnem času na-strojni opremi za splošne namene prek virtualizacije programske/strojne opreme. Podpira združevanje računalniških nalog iz več vdelanih naprav v eno samo-napravo za splošni namen. Medtem ko zagotavlja-delovanje v realnem času, ta tehnologija izkorišča močno prilagodljivost strojne opreme univerzalnega operacijskega sistema in bogate zmogljivosti aplikacij. Ponuja prednosti, kot so zmanjšani stroški naprave, velikost in poraba energije, hkrati pa dosega združljivost med heterogenimi ekosistemi naprav.
Trenutno industrija uporablja različne tehnike virtualizacije, ki so v prvi vrsti kategorizirane kot particioniranje strojne opreme, popolna virtualizacija, paravirtualizacija in virtualizacija operacijskega sistema. Med temi so naslednji trije pristopi najprimernejši za-prilagoditev virtualizacije v realnem času:
(1) Particioniranje strojne opreme:Razdeli osnovna sredstva strojne opreme na neodvisne particije, od katerih vsaka izvaja svoj operacijski sistem. Particioniranje strojne opreme nudi odlično-zmogljivost v realnem času, ki se približuje ravni-gole kovine, vendar nima zmožnosti deljenja virov, ima omejeno razširljivost in izkazuje nizko porabo virov. Predvsem periferni V/I zahteva predhodno-razdelitev in ga ni mogoče ponovno uporabiti, kar povečuje tehnično zapletenost.
(2) Vsebniki Linuxa-v realnem času:Z metodami, kot sta Preemption Patch ali Xenomai, spremenite Linux iz sistema-za souporabo časa v sistem-realnega časa. Nato izkoristite lahko virtualizacijo vsebnika za izolacijo virov in ustvarite realno{3}}časovno virtualizirano okolje izvajanja za PLC-je. Ta pristop v celoti izkorišča ekosistem zrele programske in strojne opreme Linuxa, kar zmanjšuje stroške prenosa programske opreme PLC. Čeprav imajo vsebniki nizke operativne stroške, ostaja zmogljivost modificiranega jedra Linuxa v realnem-času slabša od namenskih-operacijskih sistemov v realnem času (RTOS), kar povzroča tresenje in napake v scenarijih, kot je servo nadzor gibanja.
(3) Virtualizacija mikrojedra:Razmesti RTOS in-operacijske sisteme splošne namene (GPOS) v hibridni konfiguraciji z uporabo mikrojedra kot hipervizorja tipa-1. Mikrojedra ponujajo poenostavljeno funkcionalnost, manjše stroške in izboljšano varnost v primerjavi z monolitnimi jedri, kar omogoča virtualizacijo strojne opreme in visoko zmogljivost v realnem času. Ta tehnologija se aktivno razvija v industrijskih, avtomobilskih sektorjih infozabave in robotike, čeprav izzivi vključujejo nezrel tehnični ekosistem in zapleteno prilagajanje strojne opreme.
Industrijski nadzorni sistemi 5G lahko izberejo različne-pristope virtualizacije v realnem času na podlagi omrežnih elementov in aplikacijskih scenarijev. Za vPLC-je, ki temeljijo na robu in-oblaku, je najprimernejša izbira-tehnologija vsebnika Linux v realnem času. Po eni strani spreminjanje-Linuxa v realnem času povzroča nizke stroške in omogoča enostavno uvajanje. Po drugi strani sta razporejanje orkestracije vsebnika in tehnologije redundantnega varnostnega kopiranja zreli in predstavljata nizka tveganja. Ob upoštevanju visokih-zahtev vPLC na robni-strani in potrebe po sodelovanju na robni-strani bi moral vPLC na robni-strani dati prednost vsebnikom-Linux v realnem času ali rešitvam za virtualizacijo mikrojeder.
4.2 5G Deterministična omrežja
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%) zahtevajo visoko zmogljivost brezžičnega zračnega vmesnika za prenos podatkov prek plasti navpično in sistemov vodoravno. Drugič, deterministični prenos podatkov v heterogenih omrežnih okoljih. Negotovost v-povzročeni zakasnitvi omrežja je kritičen dejavnik, ki vpliva na stabilnost nadzornega sistema. Obstoječe modeliranje linearnega-sistema skokov v omrežju lahko kompenzira nestabilne naključne zakasnitve, vendar še vedno težko izpolnjuje-zahteve glede učinkovitosti nadzora v realnem času.
Deterministično omrežje uporabnikom zagotavlja zajamčeno kakovost storitev (QoS), ki vključuje prilagodljivo preklapljanje med determinističnimi in ne-determinističnimi storitvami ter avtonomni nadzor nad nivoji QoS. Tipične deterministične omrežne tehnologije so prikazane v tabeli 1. Na splošno deterministično mreženje predstavlja primarno pot za uresničitev industrijskih nadzornih sistemov 5G. 5G Deterministično omrežje (5GDN) uporablja visoko{6}}natančno sinhronizacijo ure, oblikovanje prometa in tehnike rezervacije virov poleg rezanja omrežja 5G za zagotavljanje deterministične pasovne širine, deterministične zakasnitve in 99,9999% zanesljivost povezave. To ustvari predvidljivo, načrtovano, preverljivo brezžično omrežje z determinističnimi zmogljivostmi, ki ponuja "diferencirano + deterministično" izkušnjo storitve [5]. Ko je 5G deterministično omrežje integrirano s terenskimi omrežji in robnimi računalniškimi tehnologijami, omogoča deterministični nadzor od-{15}}do konca.
4.3 Sodelovalna orkestracija »End-Edge-Cloud«
Z realnočasovno-virtualizacijo se tradicionalne naprave strojne opreme PLC spremenijo v-strojno ločene storitve programske opreme PLC. Znotraj arhitekture 5G cloud-edge-end je potrebna prilagodljiva uvedba storitev programske opreme PLC, kar zahteva enotno orkestracijo vPLC in platformo za načrtovanje.
Orkestracija in razporejanje vPLC podpira uvajanje vPLC kot vsebnikov ali virtualnih strojev na omrežnih elementih, kot so industrijski prehodi 5G, industrijske bazne postaje 5G, industrijski UPF-ji 5G in MEC. Metode orkestracije vključujejo dve vrsti: medsebojno povezavo med računalniškimi čipi in I/O čipi (krmilnik do IO, C2IO) in medsebojno povezavo med računalniškimi čipi (krmilnik do krmilnika, C2C). C2IO se nanaša na komunikacijo PLC-to-IO, ki zajema scenarije glavnega PLC-to-IO in podrejenega PLC-to-IO. C2C označuje komunikacijo PLC-to-PLC, ki vključuje predvsem krmiljenje glavnega PLC-ja nad podrejenimi PLC-ji. V tipičnih scenarijih oblak gosti sisteme za nadzor proizvodnje, industrijsko programsko opremo in sisteme za upravljanje informacij podjetja. Edge primarno uvaja glavne PLC-je, odgovorne za povezovanje s sistemi v oblaku. Ti glavni PLC-ji ustvarjajo nadzorne ukaze C2C in jih distribuirajo podrejenim PLC-jem, nameščenim na robu. Podrejeni PLC-ji na robni-strani primarno upravljajo komunikacijo C2IO, prejemajo krmilne ukaze od glavnega PLC-ja na robu za upravljanje V/I naprav-na strani polja.
Za razliko od orkestracijskih sistemov, kot sta Kubernetes ali Kubevirt, vPLC zahteva visoko-zmogljivost in zanesljivost v realnem času. Orkestracija standardnega vsebnika ali virtualnega stroja težko izpolnjuje stroge zahteve cikla industrijskega nadzora. Orkestriranje in razporejanje vPLC zahteva žrtvovanje nekaj razširljivosti za dosego vrhunske-zmogljivosti in zanesljivosti v realnem času. Med temi redundantna vroča pripravljenost vPLC predstavlja osrednjo komponento ogrodja za orkestracijo in načrtovanje. 5G vPLC model orkestracije in načrtovanja
5. 5G Virtual PLC implementacija
5.1 Preizkusni scenarij in rešitev
Da bi pospešili globoko integracijo 5G in industrijskih aplikacij, je China Mobile sodeloval z industrijskimi partnerji pri izvedbi tehničnih preskusov 5G vPLC. Ta tehnologija je bila potrjena in uporabljena v več kot desetih industrijskih podjetjih. Če vzamemo za primer tipičnega odjemalca, je China Mobile vzpostavil omrežje 5G v naročnikovi proizvodni delavnici za zagotavljanje omrežnih storitev za ravnanje z materialom z avtomatsko vodenimi vozili (AGV). Glede na vrsto materiala poslovna platforma načrtuje različne poti gibanja AGV, ki vodijo vozila med avtomatiziranimi skladiščnimi sistemi in različnimi proizvodnimi segmenti.
Za izpolnjevanje teh zahtev industrijski nadzorni sistem 5G uporablja »Master vPLC-Slave vPLC« edge-kooperativno arhitekturo (glejte sliko 4). Na robu je glavni vPLC nameščen na UPF za centralizirano uvajanje PLC-ja. Prejema navodila za opravila od Manufacturing Execution System (MES), jih enkapsulira v nadzorne ukaze in jih pošlje podrejenim vPLC-jem, ki jih nosijo AGV-ji. Hkrati med izvajanjem prejema povratne informacije od podrejenih vPLC-jev. Na terenski ravni je podrejeni vPLC nameščen na industrijskem nadzornem prehodu 5G, s čimer je dosežena zamenjava "dva-v-enem" za PLC in 5G podatkovno terminalsko enoto (DTU). Po eni strani podrejeni vPLC sprejema krmilne ukaze od glavnega vPLC in uporablja senzorje za nadzor pogonskega sistema AGV, kar omogoča natančno premikanje in pozicioniranje. Po drugi strani pa, ko AGV doseže svoj cilj, podrejeni vPLC vrne rezultate izvajanja naloge glavnemu vPLC in poroča o statusu dokončanja naloge.
5.2 Razvoj sistema
Tehnologija-vsebnikov v realnem času se uporablja za uvajanje vPLC tako na 5G UPF kot na industrijske prehode, ki jih pretvori v 5G Industrial UPF in 5G Industrial Control Gateway. Ključne konfiguracije so podrobno opisane v tabeli 2.
Arhitektura sistema, prikazana na sliki 5, obsega industrijski UPF 5G, industrijski nadzorni prehod 5G in platformo za orkestracijo. Primarna prizadevanja za raziskave in razvoj so naslednja.
(1) Sprememba jedra Linuxa
Najprej sta bila izvirna jedra UPF in prehoda spremenjena v-jedra v realnem času z integracijo popravka Preempt-RT. Spremenjeni različici jedra sta Linux 4.18.16-rt in Linux 4.4.167-rt. V pogojih visoke obremenitve se je največja zakasnitev obdelave procesa zmanjšala z 8 ms na 500 μs. Drugič, izolacija virov CPE je bila konfigurirana za dodeljevanje opravil-v realnem času namenskim jedrom CPE, kar zmanjša obremenitev preklapljanja med opravili in dodatno zniža največjo tresenje zakasnitve obdelave pod 300 μs. Tretjič, mehanizem za usmerjanje prekinitev je bil zasnovan tako, da preusmeri odzive perifernih prekinitev na druga jedra CPE za obdelavo, kar zmanjša motnje pri izvajanju nalog v realnem času. S temi spremembami jedra Linuxa je bilo največje tresenje zakasnitve obdelave zmanjšano na manj kot 100 μs.
Zakasnitev obdelave procesa pred spreminjanjem jedra Linuxa
Zakasnitev obdelave po spremembi jedra Linuxa(2) Kontejnerizacija-izvajalnega okolja PLC
Za podporo dinamične razširitve PLC-ja je treba vzpostaviti navidezno izvajalno okolje v vsebnikih za-izvajalno okolje PLC-ja. Najprej zgradite sliko vsebnika PLC, ki temelji na Alpine Linuxu, predvsem z integracijo izvajalnega okolja PLC-z 32/64-bitnimi dinamično povezovalnimi knjižnicami. Trenutno sistem podpira dve domači različici PLC-ja. Nato ustvarite nosilce vsebnika, ki ustrezajo primerkom vPLC, da ohranite podatke, ustvarjene med delovanjem vsebnika PLC. Tretjič, vsebniki PLC med delovanjem zahtevajo dostop do gostiteljskih perifernih virov. Za vmesnike, kot sta RS232/485 in CAN, je dostop dosežen s preslikavo datotek naprave. Pri omrežnih vmesnikih IP je dostop omogočen prek preslikave vrat, predvsem preslikave vrat, kot je vmesnik za prenos programa PLC in zunanjih vrat za storitve vodila (npr. podrejena storitvena vrata Modbus TCP).
(3) Orkestracija vPLC
Da bi podprli poenoteno orkestracijo v UPF in prehodih, hkrati pa zmanjšali stroške virov prehoda, je bil razvit lahek sistem orkestracije z uporabo arhitekture B/S. Uporabniki izvajajo čelne operacije prek brskalnikov, medtem ko zaledje obsega module za upravljanje in orkestracijo za orkestracijo vsebnika PLC in uvajanje. Modul za upravljanje, nameščen na strežnikih, zagotavlja predvsem spletni dostop, prenos slik vsebnika in konfiguracijo/nadzor vsebnika PLC. Modul za orkestracijo je nameščen tako na UPF kot na prehodih, predvsem pa ponuja vlečenje slik vsebnika, konfiguracijo okolja vsebnika in upravljanje izvajalnega časa. Moduli za upravljanje in orkestracijo komunicirajo prek HTTP. Če za primer vzamemo spremljanje časa izvajanja vsebnika, orkestracijski modul občasno komunicira z lokalno storitvijo Docker prek odjemalca Docker, da pridobi informacije o statusu vsebnika, ki se nato sporočijo upravljalnemu modulu. Ko upravljalni modul zazna neobičajno stanje, sproži obravnavo izjem.
Vmesnik virtualnega PLC orkestracijskega sistema
5.3 Rezultati testa
Po uvedbi 5G Industrial UPF in 5G Industrial Control Gateway je bila komunikacija Modbus TCP konfigurirana med glavnim vPLC in podrejenim vPLC, kot tudi med podrejenim vPLC in I/O. Industrijski nadzorni cikel podrejenega vPLC-ja je bil nastavljen na 5 ms, medtem ko je bil cikel glavnega vPLC-ja konfiguriran na 20 ms. Vsak nadzorni cikel glavnega vPLC je vključeval en primer komunikacije s pomožnim vPLC. Po podaljšanem operativnem testiranju (14 dni) je načrtovanje AGV delovalo zanesljivo brez zaustavitev ali napak pri odstopanju od poti. Glavni vPLC je pokazal povprečni čas izvajanja 457 μs, največji čas izvajanja 599 μs in največje tresenje 532 μs (glejte sliko 9). Industrijski nadzor običajno zahteva, da tresenje zakasnitve ostane znotraj 10 %–15 % krmilnega cikla. Na podlagi teh meritev lahko glavna-podrejena vPLC edge-kooperativna arhitektura v industrijskih krmilnih sistemih 5G podpira cikle krmiljenja 5 ms ali več, kar izpolnjuje zahteve glede zmogljivosti za srednje{21}}do -visoke-hitrost industrijskega nadzora. Glede na to, da trenutna zračna zakasnitev vmesnika 5G ostaja nad 5 ms, robna-sodelovalna rešitev združuje prednosti centralizirane uvedbe s podporo za srednje-do-visoke-nadzor hitrosti v primerjavi s shemami vPLC z eno-robno-stranjo uvedbe.
Stroški tradicionalnih PLC rešitev vključujejo stroške opreme, kot so glavni PLC, pomožni PLC in 5G DTU. Rešitev industrijskega nadzornega sistema 5G vključuje stroške za licenciranje industrijske programske opreme UPF 5G in industrijske nadzorne prehode 5G. V primerjavi s tradicionalnimi rešitvami PLC dosega rešitev industrijskega nadzornega sistema 5G znatno zmanjšanje stroškov nabave opreme za več kot 50 %. Poleg tega industrijski nadzorni sistem 5G podpira enotno orkestracijo. Uvajanje aplikacij PLC, posodobitve in delovanje/vzdrževanje je mogoče centralizirati in izvajati na daljavo, kar ponuja prilagodljivo razširljivost in skrajša čas O&M za več kot 80 %.
Če povzamemo, sistem industrijskega nadzora 5G zagotavlja storitve industrijskega nadzora PLC prek nadgradenj programske opreme na omrežnih elementih 5G, ne da bi zahteval spremembe strojne opreme ali prekinil obstoječe operacije UPF/prehoda. Podpira srednje{3}}do-visoke-industrijsko krmiljenje in ponuja prednosti, vključno z različnimi scenariji uporabe, znižanjem stroškov, enostavnostjo vzdrževanja in razširljivostjo.
6 Zaključek
S prihodom četrte industrijske revolucije se PLC-ji-jedro industrijskega nadzora-borijo za izpolnjevanje razvijajočih se zahtev industrijske povezljivosti. Integracija IKT in OT, ki pospešuje konvergenco tehnologije z različnimi proizvodnimi dejavniki, je izjemno obetavna za izgradnjo industrijskih nadzornih sistemov 5G naslednje{3}}generacije. Po eni strani 5G vPLC zagotavlja poenoteno tehnično arhitekturo in načrt za PLC-je,-ki temeljijo na oblaku. Po drugi strani pa bo izgradnja tehnološkega ekosistema 5G vPLC spodbudila proizvajalce PLC-jev k prehodu s strojne opreme na storitve programske opreme, kar bo odprlo nove razvojne priložnosti za domačo tehnologijo PLC-jev in potencialno motilo trenutno tržno pokrajino, na kateri prevladujejo tuji akterji z razdrobljenimi standardi. Industrijski krmilni sistemi 5G so trenutno v povojih razvoja. Za reševanje ključnih tehničnih izzivov na področjih, kot so virtualizacija mikrojeder, deterministično mreženje in redundantna vroča pripravljenost, so potrebna skupna prizadevanja v celotni panogi, pri čemer se ti sistemi nenehno izboljšujejo in izpopolnjujejo. Hkrati je krepitev sodelovanja z univerzami za gojenje interdisciplinarnih talentov na področju industrijske avtomatizacije in informatizacije bistvena za spodbujanje visoko{14}}kakovostnega razvoja industrijskega nadzora.