تحقیق و تمرین فناوری PLC مجازی 5G

مقدمه

کنترل صنعتی جزء اصلی تولید صنعتی است. کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) به عنوان دستگاه‌های کلیدی در کنترل اتوماسیون صنعتی عمل می‌کنند که به طور گسترده در بخش‌های مختلف اقتصاد ملی از جمله صنعت، حمل‌ونقل و خدمات شهری استفاده می‌شوند. PLC ها دستگاه های کنترل صنعتی هستند که با ادغام میکروالکترونیک، فناوری کامپیوتر، کنترل خودکار و فناوری های ارتباطی در کنترل کننده های متوالی توسعه یافته اند. هدف آنها جایگزینی رله ها، اجرای منطق، زمان بندی، شمارش و سایر توابع کنترل متوالی است، در نتیجه سیستم های کنترل قابل برنامه ریزی قابل انعطاف را ایجاد می کنند [1]. نرم افزار کنترل صنعتی PLC سنتی به سختی با سخت افزار همراه است و محصولات خارجی بر سهم بازار تسلط دارند و مسائلی مانند هزینه های بالا و مقیاس پذیری ناکافی را ارائه می دهند.

1. روندهای تکاملی در سیستم های کنترل صنعتی

از آنجایی که علم کنترل با رشته‌های محاسباتی، اطلاعات و ارتباطات همگرا می‌شود، نظریه کنترل از کنترل بازخورد کلاسیک و کنترل مدرن به سمت کنترل هوشمند مبتنی بر داده{0}} تکامل می‌یابد. پیشرفت سیستم‌های کنترل از-کنترل نقطه‌ای و کنترل شبکه‌ای تا کنترل مبتنی بر ابر توزیع‌شده-. از طریق ادغام نوآورانه فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) با فناوری عملیاتی (OT)، سیستم های کنترل صنعتی سنتی به تدریج به سیستم های کنترل صنعتی جدید تبدیل می شوند. این سیستم‌های جدید دارای پیوستگی، مقیاس‌پذیری و تصمیم‌گیری مبتنی بر داده‌ها هستند که در دو گرایش اصلی آشکار می‌شوند:

(1) انتقال از معماری های کنترل تخصصی بسته و ایزوله به معماری های عمومی باز و جداشده-معماری کنترل هدف

با ظهور و پیشرفت فناوری‌هایی مانند 5G و محاسبات لبه‌ای، معماری سنتی کنترل صنعتی پنج-ISA{3}}۹۵ به سمت ساختار سه لایه «پایان-لبه-ابر» تغییر می‌کند. در این میان، تکامل لایه کنترل PLC به یک نقطه کانونی در سراسر صنعت تبدیل شده است. از نظر فناوری، وظایف کنترل صنعتی از دستگاه‌های تخصصی تعبیه‌شده به دستگاه‌های ابری-عمومی{10}}با قابلیت‌های{12}}در زمان واقعی پردازش داده منتقل می‌شوند. از نظر عملیاتی، کارهای زمان واقعی نرم مانند کنترل منطقی به طور فزاینده‌ای در لبه یا ابر متمرکز می‌شوند، در حالی که وظایف سخت{14}}زمان واقعی مانند کنترل حرکت در دستگاه‌های سمت میدان اجرا می‌شوند.

(2) انتقال از تک-پردازش کار به چند کار توزیع شده-همکاری

PLC های سنتی از پردازش متوالی برای وظایف استفاده می کنند. با این حال، گسترش مقیاس‌های کنترل، حجم و تنوع کار را افزایش می‌دهد، تفاوت‌های اولویت بین وظایف را افزایش می‌دهد و الزامات همکاری را افزایش می‌دهد. به خصوص با معرفی کلان داده و فناوری‌های هوش مصنوعی، همکاری کارآمد بین وظایف کنترل سنتی و وظایف فناوری اطلاعات مبتنی بر داده، نیاز به تغییر از پردازش تک‌گرهی به پردازش مشارکتی چند-گرهی در سیستم‌های کنترل سنتی دارد.

2.5G Cloud{1}مسیرهای توسعه فنی مبتنی بر PLC

با پیشرفت‌های ICT{0}}به‌ویژه فناوری‌های شبکه مانند PLC‌های مبتنی بر 5G-5G-به‌عنوان یک راه‌حل کلیدی برای محدودیت‌های PLC سنتی ظهور کرده‌اند. بر اساس محل استقرار وظایف کنترل PLC، PLC های مبتنی بر ابر 5G فعلی از سه مسیر توسعه فنی اصلی پیروی می کنند:

(1) PLC مبتنی بر فضای{1}}سطح ابری-: وظایف کنترلی بر روی دروازه‌های صنعتی مستقر می‌شوند که برای سناریوهای کنترل سرعت متوسط-تا--در سطح میدان مناسب است. از چرخه‌های کنترل صنعتی 1 تا 5 میلی‌ثانیه و بالاتر پشتیبانی می‌کند، قابلیت اطمینان بالایی را ارائه می‌دهد و هزینه‌های استقرار پایینی دارد.

(2) PLC مبتنی بر ابر سطح لبه-: وظایف کنترلی بر روی واحدهای پردازش باند پایه داخلی (BBU)، توابع صفحه کاربر (UPF) یا پلتفرم‌های محاسبه لبه دسترسی چندگانه (MEC) مستقر می‌شوند. مناسب برای سناریوهای کنترل متمرکز سطح کارگاهی یا کارخانه‌ای با سرعت‌های متوسط-تا-، پشتیبانی از چرخه‌های کنترل صنعتی 20 میلی‌ثانیه و بالاتر با هزینه‌های استقرار کم.

(3) PLC مبتنی بر-وسعت ابر-: وظایف کنترلی بر روی سرورهای ابری مرکزی مستقر می‌شوند که برای سناریوهای کنترل مشارکتی با سرعت پایین-در سطح کارخانه مناسب است. با فیبر نوری و فناوری‌های شبکه قطعی، تأخیر-تا-پایان را می‌توان به 5 میلی‌ثانیه کاهش داد، اما هزینه‌های استقرار بالاتر است.

فناوری فعلی PLC مبتنی بر ابر 5G{1}}با چالش‌هایی از جمله معماری‌های ناسازگار، فقدان پشتیبانی از همکاری نهایی و ناتوانی در سازماندهی برنامه‌های PLC مواجه است. به ویژه، شبکه‌های 5G که به کنترل صنعتی خدمات می‌دهند، با تأخیر، لرزش و مشکلات قابلیت اطمینان مواجه می‌شوند. برای پرداختن به این موارد، این مقاله یک معماری فنی PLC مجازی 5G را پیشنهاد می‌کند. از طریق همکاری "end{8}}edge-ابر"، به سه اتحاد دست می یابد: محیط یکپارچه زمان اجرا، برنامه ریزی یکپارچه استقرار، و پورتال توسعه و عملیات یکپارچه.

3. معماری فنی PLC مجازی 5G

3.1 ویژگی های معمولی PLC مجازی

فناوری مجازی سازی یک تکنیک مدیریت منابع است که با استفاده از نرم افزار یک لایه انتزاعی بر روی سخت افزار کامپیوتر ایجاد می کند. این منابع سخت افزاری یک کامپیوتر را به چندین ماشین مجازی تقسیم می کند و کارایی و امنیت استفاده از منابع را افزایش می دهد. فناوری مجازی سازی که به طور گسترده در محاسبات ابری پذیرفته شده است، همچنان به تکامل و بلوغ خود ادامه می دهد و کاربرد خود را در دامنه های مختلف و معماری های سخت افزاری گسترش می دهد.

مجازی سازی PLC (vPLC) یک محیط زمان اجرا مجازی ایجاد می کند و وظایف کنترل PLC را از سخت افزار فیزیکی جدا می کند. این امکان استقرار وظایف PLC را در دستگاه های مختلف عناصر شبکه فراهم می کند. vPLC سه ویژگی کلیدی را نشان می دهد:

(1) نرم افزار PLC{1}}جداسازی سخت افزار:PLC‌های سنتی از سخت‌افزار تعبیه‌شده و سیستم‌های عامل{0}زمان واقعی با اتصال سخت‌افزاری{1} سخت‌افزاری استفاده می‌کنند. vPLC یک محیط زمان اجرا PLC را معرفی می کند که بارگذاری، اجرا و زمان بندی کار را مدیریت می کند، در نتیجه وظایف PLC را از سیستم عامل زمان واقعی جدا می کند.

(2) اجرای PLC مجازی:فناوری مجازی‌سازی استقرار و عملیات سیستم‌عامل‌های ناهمگن را روی سخت‌افزار همه منظوره- امکان‌پذیر می‌سازد. محیط اجرای PLC بر روی یک سیستم عامل مجازی اجرا می شود و وظایف PLC را از سخت افزار زیرین جدا می کند.

(3) PLC ارکستراسیون و برنامه ریزی:vPLC در هسته خود به عنوان یک سرویس نرم افزاری PLC عمل می کند. می‌توان آن را در سیستم‌های "لبه-ابر" هماهنگ و مستقر کرد و به صورت پویا در طول زمان اجرا برنامه‌ریزی کرد، که انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری را به‌طور قابل‌توجهی از PLC‌های سنتی متمایز می‌کند.

در مقایسه با PLC های سنتی، vPLC انعطاف پذیری و مقیاس پذیری سیستم را افزایش می دهد، تجهیزات و هزینه های عملیاتی را کاهش می دهد و ارتقاء و طراحی مجدد خط تولید را بسیار تسهیل می کند.

3.2 PLC مجازی یک بنیاد فنی یکپارچه برای سیستم های کنترل صنعتی 5G فراهم می کند

هدف سیستم کنترل صنعتی 5G با تمرکز بر vPLC، ارائه یک کنترل باز-به عنوان-یک-معماری سرویس (CaaS) است. عملکردهای کنترل PLC را می توان به طور همه جا مستقر کرد و به طور انعطاف پذیر مجدداً مورد استفاده قرار داد و کنترل دستگاه را در شبکه های ناهمگن فعال کرد. معماری سیستم حول مفهوم همکاری "پایان-لبه-ابر" طراحی شده است که شامل لایه‌های عملیاتی، خدماتی و توسعه است.

(1) لایه زمان اجرا: بر اساس-فناوری مجازی سازی زمان واقعی، یک محیط{2}}زمان اجرای واقعی یکپارچه برای vPLC روی سخت افزار{3} همه منظوره فراهم می کند. مجازی‌سازی از استقرار ترکیبی سیستم‌عامل‌های-زمان واقعی و غیر{6} زمان واقعی-پشتیبانی می‌کند و مقیاس‌بندی پویا vPLC را امکان‌پذیر می‌کند.

(2) لایه سرویس: مسئول استقرار vPLC در گره های فیزیکی مختلف در حین مدیریت چرخه عمر آنها، دستیابی به استقرار یکپارچه و برنامه ریزی خدمات کنترل صنعتی PLC است.

(3) لایه توسعه: محیط های توسعه برنامه PLC، کامپایل و ابزارهای اشکال زدایی را فراهم می کند و یک پورتال توسعه و عملیات یکپارچه برای سیستم های کنترل صنعتی 5G ارائه می دهد.

سیستم کنترل صنعتی 5G دارای مزایای فنی متعددی است. اول، یک معماری یکپارچه برای سه فناوری PLC متمایز- مبتنی بر ابر ارائه می‌کند. از یک طرف، از مراکز کنترل مهاجرتی از میدان به لبه یا ابر مرکزی پشتیبانی می‌کند، کنترل PLC را از محدودیت‌های اعمال‌شده توسط محیط‌های میدانی آزاد می‌کند و امکان استقرار متمرکز را فراهم می‌کند. از سوی دیگر، edge-کنترل تأخیر پایین دستگاه‌های میدانی را تضمین می‌کند، و از برنامه‌های مختلف-زمان واقعی{{8}از جمله کنترل حرکت پشتیبانی می‌کند. دوم، استقرار vPLC در عناصر مختلف شبکه 5G قابلیت های یکپارچه "اتصال + قدرت محاسباتی + عملکرد PLC" را برای کنترل صنعتی ارائه می دهد. این یک سیستم کنترل صنعتی جدید و مسطح ایجاد می کند و انحصار اکوسیستم های سنتی کنترل صنعتی را می شکند. سوم، استفاده از معماری جهانی نرم‌افزار/سخت‌افزار هزینه‌های کنترل صنعتی را کاهش می‌دهد و بلوغ «صنعت تعریف‌شده نرم‌افزار» را تسریع می‌کند.

4 فناوری کلیدی PLC مجازی 5G

4.1{1}}مجازی سازی زمان واقعی

وظایف PLC به عنوان فرآیندهای سیستم عامل در چرخه های مطابق با چرخه های کنترل صنعتی اجرا می شود. هر چرخه باید اطمینان حاصل کند که فرآیند PLC ورودی های خارجی را دریافت می کند و زمان پردازش CPU را به دست می آورد. قابلیت-زمان واقعی سیستم عامل برای ارائه خدمات کنترل قابل اعتماد PLC حیاتی است. فناوری مجازی سازی در زمان واقعی-استقرار همزمان-کارهای محاسباتی زمان واقعی و غیر{7}زمان واقعی-در سخت افزار همه منظوره- را از طریق مجازی سازی نرم افزار/سخت افزار امکان پذیر می کند. از ادغام وظایف محاسباتی از چندین دستگاه تعبیه شده در یک دستگاه همه منظوره پشتیبانی می کند. این فناوری در حالی که عملکرد زمانی واقعی را تضمین می‌کند،{13}}این فناوری از سازگاری سخت‌افزاری قوی و قابلیت‌های کاربردی غنی سیستم عامل جهانی بهره می‌برد. مزایایی مانند کاهش هزینه دستگاه، اندازه و مصرف انرژی را ارائه می دهد، در حالی که به سازگاری با اکوسیستم های ناهمگن دستگاه دست می یابد.

در حال حاضر، صنعت از تکنیک‌های مجازی‌سازی مختلفی استفاده می‌کند که در درجه اول به عنوان پارتیشن‌بندی سخت‌افزار، مجازی‌سازی کامل، مجازی‌سازی و مجازی‌سازی سیستم عامل طبقه‌بندی می‌شوند. در این میان، سه رویکرد زیر برای سازگاری مجازی‌سازی{1} زمان واقعی مناسب‌ترین هستند:

(1) پارتیشن بندی سخت افزار:منابع سخت افزاری زیربنایی را به پارتیشن های مستقل تقسیم می کند که هر کدام سیستم عامل خود را اجرا می کنند. پارتیشن بندی سخت افزار عملکرد عالی-در زمان واقعی را ارائه می دهد، به سطوح فلزی{2}لخت نزدیک می شود، اما فاقد قابلیت اشتراک منابع است، از مقیاس پذیری محدود رنج می برد و استفاده کم از منابع را نشان می دهد. قابل‌توجه، ورودی/خروجی محیطی به پارتیشن‌بندی قبلی نیاز دارد و نمی‌توان از آن‌ها مجددا استفاده کرد که پیچیدگی فنی را افزایش می‌دهد.

(2) کانتینرهای{1} زمان واقعی لینوکس:لینوکس را با استفاده از روش‌هایی مانند Preemption Patch یا Xenomai از یک سیستم اشتراک‌گذاری زمانی به یک سیستم زمان واقعی- تغییر دهید. سپس، از مجازی سازی کانتینر سبک وزن برای جداسازی منابع استفاده کنید، و یک محیط زمان اجرا مجازی شده در زمان واقعی برای PLCها ایجاد کنید. این رویکرد به طور کامل از نرم افزار و اکوسیستم سخت افزاری بالغ لینوکس استفاده می کند و هزینه های انتقال نرم افزار PLC را کاهش می دهد. اگرچه کانتینرها سربار عملیاتی کمی دارند، اما عملکرد{6}زمان واقعی هسته لینوکس اصلاح‌شده نسبت به سیستم‌عامل‌های اختصاصی زمان واقعی (RTOS) پایین‌تر است و منجر به لرزش و اشکال در سناریوهایی مانند کنترل حرکت سروو می‌شود.

(3) مجازی سازی میکروکرنل:RTOS و سیستم‌های عامل همه منظوره (GPOS) را در یک پیکربندی ترکیبی با استفاده از میکروکرنل به‌عنوان Hypervisor نوع-1 مستقر می‌کند. میکروکرنل‌ها عملکرد ساده‌تر، سربار کمتر و امنیت پیشرفته‌تری را در مقایسه با هسته‌های یکپارچه ارائه می‌کنند که هم مجازی‌سازی سخت‌افزار و هم عملکرد بالا در زمان واقعی را ممکن می‌سازد. این فناوری به طور فعال در بخش‌های صنعتی، اطلاعات سرگرمی خودرو و بخش‌های رباتیک در حال توسعه است، اگرچه چالش‌ها شامل یک اکوسیستم فنی نابالغ و سازگاری سخت‌افزاری پیچیده است.

سیستم‌های کنترل صنعتی 5G می‌توانند رویکردهای مجازی‌سازی{1} زمان واقعی متفاوتی را بر اساس عناصر شبکه و سناریوهای کاربردی انتخاب کنند. برای vPLCهای مبتنی بر لبه و ابر{3}}فناوری کانتینر لینوکس{4}زمان واقعی انتخاب ترجیحی است. از یک طرف، اصلاح{6}زمان واقعی لینوکس هزینه های سربار کمی را به همراه دارد و استقرار آسان را تسهیل می کند. از سوی دیگر، زمان‌بندی ارکستراسیون کانتینر و فناوری‌های پشتیبان اضافی بالغ هستند و خطرات کمی را به همراه دارند. با توجه به{9}}نیازهای زمانی واقعی بالا{10}}edge vPLC سمت{10}}و نیاز به همکاری کناری، edge{12}}side vPLC باید ظروف{13}}لینوکس بلادرنگ یا راه حل های مجازی سازی میکروکرنل را در اولویت قرار دهد.

4.2 5شبکه‌های قطعی G

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٪ عملکرد رابط هوای بی سیم بالا برای انتقال داده ها در لایه ها به صورت عمودی و سیستم ها به صورت افقی را می طلبد. دوم، انتقال داده قطعی در محیط های شبکه ناهمگن. عدم قطعیت در تأخیر القای شبکه یک عامل حیاتی است که بر پایداری سیستم کنترل تأثیر می گذارد. مدل‌سازی سیستم پرش خطی شبکه موجود می‌تواند تأخیرهای تصادفی ناپایدار را جبران کند، اما هنوز برای برآورده کردن{6} خواسته‌های عملکرد کنترل زمان واقعی تلاش می‌کند.

یک شبکه قطعی کیفیت تضمین شده خدمات (QoS) را در اختیار کاربران قرار می دهد که دارای سوئیچینگ انعطاف پذیر بین سرویس های قطعی و غیر قطعی-و کنترل مستقل بر سطوح QoS است. فناوری‌های شبکه قطعی معمولی در جدول 1 نشان داده شده است. به طور کلی، شبکه قطعی نشان‌دهنده مسیر اصلی برای تحقق سیستم‌های کنترل صنعتی 5G است{4}}شبکه قطعی G (5GDN) از تکنیک‌های دقیق همگام‌سازی ساعت تعیین‌کننده، شکل‌دهی ترافیک، و باند رزرو منابع در بالای شبکه‌های 5G استفاده می‌کند. تأخیر و 99.9999٪ قابلیت اطمینان اتصال. این یک شبکه بی‌سیم قابل پیش‌بینی، قابل برنامه‌ریزی و تأیید با قابلیت‌های قطعی ایجاد می‌کند و یک تجربه خدمات «متمایز + قطعی» را ارائه می‌دهد [5]. هنگامی که با شبکه‌های میدانی و فناوری‌های محاسبات لبه‌ای یکپارچه می‌شود، شبکه قطعی 5G کنترل قطعی-تا{15}}پایان را قادر می‌سازد.

4.3 ارکستراسیون مشترک "End-Edge-Cloud"

از طریق مجازی‌سازی{0}زمان واقعی، دستگاه‌های سخت‌افزاری سنتی PLC به خدمات نرم‌افزاری PLC جداشده از سخت‌افزار تبدیل می‌شوند. در معماری انتهای ابر-لبه- 5G، استقرار انعطاف‌پذیر سرویس‌های نرم‌افزار PLC مورد نیاز است که نیاز به یک پلت فرم هماهنگ و زمان‌بندی vPLC یکپارچه دارد.

هماهنگ‌سازی و زمان‌بندی vPLC از استقرار vPLC به عنوان کانتینر یا ماشین‌های مجازی روی عناصر شبکه مانند دروازه‌های صنعتی 5G، ایستگاه‌های پایه صنعتی 5G، UPF‌های صنعتی 5G و MEC پشتیبانی می‌کند. روش های ارکستراسیون شامل دو نوع است: اتصال بین تراشه های محاسباتی و تراشه های ورودی/خروجی (کنترل کننده به IO، C2IO) و اتصال بین تراشه های محاسباتی (کنترل کننده به کنترلر، C2C). C2IO به ارتباط PLC-به-IO اشاره دارد، که شامل سناریوهای اصلی PLC-به-IO و Slave PLC-به-IO می‌شود. C2C به معنای ارتباط PLC{16}}به{17}}PLC است که عمدتاً شامل کنترل اصلی PLC بر روی PLC های برده می شود. در سناریوهای معمولی، ابر میزبان سیستم های کنترل تولید، نرم افزارهای صنعتی و سیستم های مدیریت اطلاعات سازمانی است. لبه در درجه اول از PLC های اصلی مسئول ارتباط با سیستم های ابری استفاده می کند. این PLC های اصلی دستورات کنترلی C2C را تولید می کنند و آنها را در PLC های برده مستقر در لبه توزیع می کنند. Edge{23}}slave side PLC در درجه اول ارتباطات C2IO را کنترل می‌کند و دستورات کنترلی را از PLC اصلی لبه برای مدیریت دستگاه‌های ورودی/خروجی میدانی{25}}دریافت می‌کند.

برخلاف سیستم‌های ارکستراسیون مانند Kubernetes یا Kubevirt، vPLC به عملکرد و قابلیت اطمینان{0}زمان واقعی بالا نیاز دارد. کانتینر استاندارد یا ارکستراسیون ماشین مجازی برای برآوردن الزامات چرخه سختگیرانه کنترل صنعتی تلاش می کند. هماهنگ‌سازی و زمان‌بندی vPLC به قربانی کردن برخی مقیاس‌پذیری‌ها برای دستیابی به عملکرد{3}}در زمان واقعی و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارد. در این میان، آماده به کار اضافی vPLC یک جزء اصلی از چارچوب هماهنگ‌سازی و زمان‌بندی را تشکیل می‌دهد. 5G vPLC ارکستراسیون و مدل زمان‌بندی

5. 5اجرای PLC مجازی G

5.1 سناریو تست و راه حل

برای پیشبرد ادغام عمیق 5G و برنامه های صنعتی، China Mobile با شرکای صنعتی برای انجام آزمایش های فنی vPLC 5G همکاری کرده است. این فناوری در بیش از ده شرکت صنعتی تایید و به کار گرفته شده است. با در نظر گرفتن یک مشتری معمولی به عنوان مثال، China Mobile یک شبکه 5G را در کارگاه تولید مشتری برای ارائه خدمات شبکه برای جابجایی مواد با خودروی هدایت‌شده خودکار (AGV) مستقر کرد. بر اساس نوع مواد، پلت فرم کسب و کار مسیرهای حرکت AGV متمایز را برنامه ریزی می کند، وسایل نقلیه را بین سیستم های ذخیره سازی خودکار و بخش های مختلف تولید هدایت می کند.

برای رسیدگی به این الزامات، سیستم کنترل صنعتی 5G از یک معماری مشارکتی "Master vPLC-Slave vPLC" edge-استفاده می‌کند (شکل 4 را ببینید). در لبه، vPLC اصلی بر روی UPF مستقر شده است تا استقرار PLC را متمرکز کند. دستورالعمل‌های وظیفه را از سیستم اجرای تولید (MES) دریافت می‌کند، آن‌ها را در دستورات کنترلی کپسوله می‌کند و آن‌ها را به vPLCهای برده که توسط AGV ها حمل می‌شوند ارسال می‌کند. به طور همزمان، در حین اجرا، بازخوردی از vPLCهای برده دریافت می کند. در سطح میدان، vPLC برده روی یک دروازه کنترل صنعتی 5G مستقر می‌شود و به یک جایگزین «دو-در{10}}یک برای PLC و هم برای واحد پایانه داده 5G (DTU) دست می‌یابد. از یک طرف، Slave vPLC دستورات کنترلی را از vPLC اصلی دریافت می‌کند و از سنسورها برای کنترل سیستم درایو AGV استفاده می‌کند که امکان حرکت و موقعیت‌یابی دقیق را فراهم می‌کند. از سوی دیگر، هنگامی که AGV به مقصد خود می رسد، vPLC برده نتایج اجرای وظیفه را به vPLC اصلی بازخورد می دهد و وضعیت تکمیل کار را گزارش می دهد.
 

5.2 توسعه سیستم

فناوری کانتینر زمان واقعی برای استقرار vPLC در هر دو 5G UPF و دروازه های صنعتی استفاده می شود و آنها را به یک UPF صنعتی 5G و یک دروازه کنترل صنعتی 5G تبدیل می کند. تنظیمات کلید در جدول 2 به تفصیل آمده است.

معماری سیستم نشان داده شده در شکل 5 شامل یک UPF صنعتی 5G، دروازه کنترل صنعتی 5G و پلت فرم ارکستراسیون است. تلاش های اولیه تحقیق و توسعه به شرح زیر است.

(1) اصلاح هسته لینوکس

ابتدا، هسته‌های UPF و دروازه اصلی با ادغام وصله Preempt{1}}RT به هسته‌های{0}زمان واقعی تغییر یافتند. نسخه‌های کرنل اصلاح‌شده Linux 4.18.16-rt و Linux 4.4.167{10}}rt هستند. تحت شرایط بار بالا، حداکثر تاخیر پردازش فرآیند از 8 میلی ثانیه به 500 میکرو ثانیه کاهش یافت. دوم، جداسازی منبع CPU به گونه‌ای پیکربندی شده بود که{13}وظایف زمان واقعی را به هسته‌های CPU اختصاص دهد، سربار تعویض کار را کاهش دهد و حداکثر لرزش تأخیر پردازش را کمتر از 300 میکرو ثانیه کاهش دهد. سوم، یک مکانیسم مسیریابی وقفه برای هدایت پاسخ‌های وقفه محیطی به دیگر هسته‌های CPU برای پردازش، طراحی شد و تداخل در اجرای کار بلادرنگ را به حداقل رساند. از طریق این تغییرات هسته لینوکس، حداکثر تأخیر پردازش فرآیند به زیر 100 میکرو ثانیه کاهش یافت.

تأخیر مدیریت فرآیند قبل از اصلاح کرنل لینوکستأخیر پردازش پس از اصلاح کرنل لینوکس

(2) PLC{1}} Containerization زمان اجرا

برای پشتیبانی از گسترش پویا PLC، باید یک محیط زمان اجرا مجازی کانتینری برای زمان اجرا{0}PLC ایجاد شود. ابتدا، تصویر محفظه PLC را بر اساس لینوکس آلپاین بسازید، که در درجه اول زمان اجرای PLC را با کتابخانه های پیوند پویا 32/64 بیتی ادغام می کند. در حال حاضر، این سیستم از دو نوع PLC-runtime داخلی پشتیبانی می کند. سپس، حجم‌های کانتینر مربوط به نمونه‌های vPLC را ایجاد کنید تا داده‌های تولید شده در طول عملیات کانتینر PLC باقی بماند. سوم، کانتینرهای PLC نیاز به دسترسی به منابع جانبی میزبان در حین کار دارند. برای رابط هایی مانند RS232/485 و CAN، دسترسی از طریق نقشه برداری فایل دستگاه به دست می آید. برای رابط های شبکه IP، دسترسی از طریق نگاشت پورت، عمدتاً درگاه های نگاشت مانند رابط دانلود برنامه PLC و پورت های سرویس اتوبوس خارجی (مثلاً پورت های سرویس Modbus TCP Slave) فعال می شود.

(3) ارکستراسیون vPLC

برای پشتیبانی از ارکستراسیون یکپارچه در سراسر UPF و دروازه ها و در عین حال کاهش سربار منابع دروازه، یک سیستم ارکستراسیون سبک وزن با استفاده از معماری B/S ایجاد شد. کاربران عملیات frontend را از طریق مرورگرها انجام می دهند، در حالی که backend شامل ماژول های مدیریت و ارکستراسیون برای هماهنگ سازی و استقرار کانتینر PLC است. ماژول مدیریت، مستقر در سرورها، در درجه اول دسترسی به وب، بارگیری تصاویر کانتینر و پیکربندی/نظارت کانتینر PLC را فراهم می کند. ماژول ارکستراسیون هم در UPF و هم در دروازه‌ها مستقر می‌شود و عمدتاً کشیدن تصویر ظرف، پیکربندی محیط کانتینر و مدیریت زمان اجرا را ارائه می‌دهد. ماژول های مدیریت و ارکستراسیون از طریق HTTP ارتباط برقرار می کنند. با در نظر گرفتن نظارت بر زمان اجرای کانتینر، ماژول ارکستراسیون به طور دوره ای با سرویس Docker محلی از طریق Docker Client ارتباط برقرار می کند تا اطلاعات وضعیت کانتینر را بازیابی کند، که سپس به ماژول مدیریت گزارش می شود. هنگامی که ماژول مدیریت وضعیت غیر عادی را تشخیص می دهد، مدیریت استثنا را آغاز می کند.

رابط سیستم ارکستراسیون مجازی PLC

5.3 نتایج آزمون

پس از استقرار میدانی UPF صنعتی 5G و دروازه کنترل صنعتی 5G، ارتباط Modbus TCP بین vPLC اصلی و vPLC برده، و همچنین بین vPLC برده و I/O پیکربندی شد. چرخه کنترل صنعتی Slave vPLC روی 5 ms تنظیم شد، در حالی که چرخه vPLC اصلی روی 20 ms پیکربندی شد. هر چرخه کنترل vPLC اصلی شامل یک نمونه ارتباطی با vPLC برده بود. پس از آزمایش عملیاتی طولانی مدت (14 روز)، برنامه ریزی AGV به طور قابل اعتماد بدون خاموش شدن یا شکست انحراف مسیر عمل کرد. Master vPLC میانگین زمان اجرای 457 میکروثانیه، حداکثر زمان اجرای 599 میکروثانیه و حداکثر لرزش 532 میکرو ثانیه را نشان داد (شکل 9 را ببینید). کنترل صنعتی به طور معمول نیاز به لرزش تأخیر دارد تا در 10 تا 15 درصد چرخه کنترل باقی بماند. بر اساس این اندازه‌گیری‌ها، معماری اصلی-لبه vPLC{18}}همکار در سیستم‌های کنترل صنعتی 5G می‌تواند از چرخه‌های کنترل 5 میلی‌ثانیه یا بیشتر پشتیبانی کند، که الزامات عملکرد را برای کنترل صنعتی با سرعت متوسط{21}}تا-سرعت بالا برآورده می‌کند. با توجه به اینکه تأخیر هوای رابط 5G کنونی بالای 5 میلی‌ثانیه باقی می‌ماند، راه‌حل همکاری مزیت‌های استقرار متمرکز با پشتیبانی از کنترل سرعت متوسط-تا-{30}}بالا{30}}در مقایسه با{31}}لبه استقرار{32}طرحی یکطرفه{32}را ترکیب می‌کند.

هزینه راه حل های PLC سنتی شامل هزینه های تجهیزاتی مانند PLC های اصلی، PLC های برده و DTU های 5G است. راه حل سیستم کنترل صنعتی 5G شامل هزینه های مجوز نرم افزار UPF صنعتی 5G و دروازه های کنترل صنعتی 5G می شود. در مقایسه با راه حل های سنتی PLC، راه حل سیستم کنترل صنعتی 5G به کاهش قابل توجه بیش از 50٪ در هزینه های تهیه تجهیزات دست می یابد. علاوه بر این، سیستم کنترل صنعتی 5G از ارکستراسیون یکپارچه پشتیبانی می کند. استقرار برنامه PLC، به روز رسانی، و عملیات/نگهداری را می توان متمرکز و از راه دور انجام داد، که مقیاس پذیری انعطاف پذیری را ارائه می دهد و زمان O&M را تا بیش از 80% کاهش می دهد.

به طور خلاصه، سیستم کنترل صنعتی 5G خدمات کنترل صنعتی PLC را از طریق ارتقاء نرم افزاری در عناصر شبکه 5G بدون نیاز به تغییرات سخت افزاری یا ایجاد اختلال در عملیات UPF/gateway موجود ارائه می دهد. از کنترل صنعتی با سرعت متوسط{3}}تا-بالا- پشتیبانی می‌کند و مزایایی از جمله سناریوهای کاربردی متنوع، کاهش هزینه، سهولت تعمیر و نگهداری و مقیاس‌پذیری را ارائه می‌دهد.

6 نتیجه گیری

با ظهور انقلاب صنعتی چهارم، PLCها-هسته کنترل صنعتی{1}}در تلاش برای برآورده کردن نیازهای در حال تحول اتصال صنعتی هستند. ادغام ICT و OT، سرعت بخشیدن به همگرایی فناوری با عوامل تولید متنوع، نویدبخش ساختن نسل بعدی سیستم‌های کنترل صنعتی 5G است. از یک طرف، 5G vPLC یک معماری فنی و نقشه راه یکپارچه برای PLCهای مبتنی بر ابر- ارائه می‌کند. از سوی دیگر، ساخت اکوسیستم فناوری 5G vPLC، تولیدکنندگان PLC را برای انتقال از محصولات سخت‌افزاری به خدمات نرم‌افزاری تشویق می‌کند، فرصت‌های توسعه جدیدی را برای فناوری PLC داخلی باز می‌کند و به طور بالقوه چشم‌انداز بازار فعلی تحت سلطه بازیگران خارجی با استانداردهای پراکنده را مختل می‌کند. در حال حاضر، سیستم های کنترل صنعتی 5G در مراحل اولیه توسعه خود باقی مانده اند. تلاش‌های مشترک در سراسر صنعت برای مقابله با چالش‌های فنی کلیدی در زمینه‌هایی مانند مجازی‌سازی ریز هسته‌ها، شبکه‌های قطعی و آماده‌باش داغ اضافی و تقویت و پالایش مداوم این سیستم‌ها مورد نیاز است. همزمان، تقویت همکاری با دانشگاه‌ها برای پرورش استعدادهای بین‌رشته‌ای در اتوماسیون صنعتی و اطلاع‌رسانی برای پیشبرد توسعه کیفیت بالا در کنترل صنعتی ضروری است.