Uvod
Industrijska kontrola ključna je komponenta industrijske proizvodnje. Programabilni logički kontroleri (PLC) služe kao ključni uređaji u upravljanju industrijskom automatizacijom, naširoko se primjenjuju u raznim sektorima nacionalnog gospodarstva, uključujući industriju, transport i komunalne usluge. PLC-ovi su industrijski upravljački uređaji razvijeni integracijom mikroelektronike, računalne tehnologije, automatskog upravljanja i komunikacijskih tehnologija u sekvencijalne kontrolere. Njihova je svrha zamijeniti releje, izvršiti logiku, mjerenje vremena, brojanje i druge funkcije sekvencijalnog upravljanja, čime se uspostavljaju fleksibilni programabilni sustavi upravljanja [1]. Tradicionalni PLC softver za industrijsko upravljanje usko je povezan s hardverom, a strani proizvodi dominiraju tržišnim udjelom, predstavljajući probleme kao što su visoki troškovi i nedovoljna skalabilnost.
1. Evolucijski trendovi u industrijskim sustavima upravljanja
Kako se znanost o kontroli spaja s računarstvom, informacijama i komunikacijskim disciplinama, teorija kontrole se razvija od klasične kontrole s povratnom spregom i moderne kontrole prema inteligentnoj kontroli-pokrenutoj podacima. Kontrolni sustavi napreduju od kontrole jedne-točke i umrežene kontrole do distribuirane kontrole temeljene-na oblaku. Kroz inovativnu integraciju informacijske i komunikacijske tehnologije (ICT) s operativnom tehnologijom (OT), tradicionalni industrijski sustavi upravljanja postupno se razvijaju u nove industrijske sustave upravljanja. Ovi novi sustavi imaju međupovezanost, skalabilnost i-odluke-pokrenute podacima, što se očituje u dva glavna trenda:
(1) Prijelaz sa zatvorenih, izoliranih specijaliziranih upravljačkih arhitektura na otvorene, razdvojene upravljačke arhitekture opće-namjene
S pojavom i napretkom tehnologija kao što su 5G i rubno računalstvo, tradicionalna pet{1}}slojna ISA-95 arhitektura industrijske kontrole pomiče se prema tro-slojnoj strukturi "end-edge-cloud". Među njima, evolucija PLC-a kontrolnog sloja postala je središnja točka u cijeloj industriji. Tehnološki, zadaci industrijske kontrole migriraju s ugrađenih specijaliziranih uređaja na rubne-uređaje opće-namjene u oblaku s-mogućnostima obrade podataka u stvarnom vremenu. Operativno, meki zadaci u stvarnom-vremenu kao što je logička kontrola sve su više centralizirani na rubu ili u oblaku, dok se teški zadaci-u stvarnom vremenu kao što je kontrola pokreta i dalje izvršavaju na uređajima na strani polja.
(2) Prijelaz s obrade jednog-zadatka na distribuiranu suradnju s više-zadataka
Tradicionalni PLC-ovi koriste sekvencijalno procesiranje zadataka. Međutim, širenje kontrolnih ljestvica povećava obujam i raznolikost zadataka, proširuje razlike u prioritetima između zadataka i povećava zahtjeve za suradnjom. Osobito s uvođenjem velikih podataka i tehnologija umjetne inteligencije, učinkovita suradnja između tradicionalnih kontrolnih zadataka i IT zadataka-pokrenutih podacima zahtijeva pomak s obrade s jednim-čvorom na obradbu s više-čvorova u tradicionalnim kontrolnim sustavima.
Tehnički razvojni putevi PLC-a temeljeni na 2.5G oblaku-
Potaknuti napretkom ICT-a-osobito mrežne tehnologije poput 5G-5G oblaka-temeljeni PLC-ovi pojavili su se kao ključno rješenje za ograničenja tradicionalnih PLC-ova. Na temelju lokacije postavljanja PLC kontrolnih zadataka, trenutni 5G PLC-ovi temeljeni na oblaku slijede tri primarna tehnička razvojna puta:
(1) PLC-temeljen u oblaku-na razini polja: Kontrolni zadaci raspoređeni su na industrijskim pristupnicima, prikladni za srednje{3}}do-visoke-scenarije upravljanja brzinom na razini polja. Podržava industrijske upravljačke cikluse od 1-5 ms i više, nudi visoku pouzdanost i ima niske troškove postavljanja.
(2) PLC-temeljen na rubnoj{1}}razini oblaka: Kontrolni zadaci raspoređeni su na unutarnjim procesorskim jedinicama osnovnog pojasa (BBU), funkcijama korisničke ravnine (UPF) ili platformama rubnog računalstva s više-pristupom (MEC). Prikladno za scenarije centralizirane kontrole na-razini radionice ili tvornice sa srednjim-do-malim brzinama, podržava industrijske cikluse upravljanja od 20 ms i više s niskim troškovima postavljanja.
(3) PLC -temeljen na-oblaku širokog područja: Kontrolni zadaci raspoređeni su na središnjim poslužiteljima u oblaku, prikladni za scenarije suradničke kontrole male-brzine na tvorničkoj razini. Poboljšana optičkim vlaknima i determinističkim mrežnim tehnologijama, kraj-to-latencija se može smanjiti na 5 ms, ali su troškovi implementacije viši.
Trenutna PLC tehnologija-temeljena na 5G oblaku suočava se s izazovima uključujući nedosljedne arhitekture, nedostatak rubne-podrške za suradnju i nemogućnost orkestriranja PLC aplikacija. Konkretno, 5G mreže koje služe industrijskoj kontroli nailaze na kašnjenja, podrhtavanje i probleme s pouzdanošću. Kako bi se to riješilo, ovaj dokument predlaže tehničku arhitekturu 5G virtualiziranog PLC-a. Kroz "end-edge-cloud" suradnju, postiže se tri objedinjavanja: jedinstveno okruženje vremena izvođenja, jedinstveno raspoređivanje implementacije i jedinstveni razvojni i operativni portal.
3. Tehnička arhitektura 5G virtualiziranog PLC-a
3.1 Tipične karakteristike virtualiziranog PLC-a
Tehnologija virtualizacije je tehnika upravljanja resursima koja stvara sloj apstrakcije na hardveru računala pomoću softvera. Time se hardverski resursi jednog računala dijele na više virtualnih strojeva, povećavajući učinkovitost i sigurnost korištenja resursa. Široko prihvaćena u računalstvu u oblaku, tehnologija virtualizacije nastavlja se razvijati i sazrijevati, proširujući svoju primjenu na različite domene i hardverske arhitekture.
Virtualizacijski PLC (vPLC) stvara virtualizirano okruženje za rad, odvajajući PLC upravljačke zadatke od fizičkog hardvera. To omogućuje implementaciju PLC zadataka preko različitih uređaja mrežnih elemenata. vPLC pokazuje tri ključne karakteristike:
(1) PLC softver-Razdvajanje hardvera:Tradicionalni PLC-ovi koriste ugrađeni hardver i-operativne sustave u stvarnom vremenu s uskom softverskom{1}}hardverskom spregom. vPLC uvodi okruženje za izvršavanje PLC-a koje upravlja učitavanjem zadataka, izvršavanjem i raspoređivanjem, čime se odvajaju PLC zadaci od-operativnog sustava u stvarnom vremenu.
(2) Izvršenje virtualnog PLC-a:Tehnologija virtualizacije omogućuje implementaciju i rad heterogenih operativnih sustava na -hardveru opće namjene. PLC runtime okruženje radi na virtualnom operativnom sustavu, odvajajući PLC zadatke od temeljnog hardvera.
(3) PLC orkestracija i raspored:U svojoj srži, vPLC funkcionira kao PLC softverska usluga. Može se orkestrirati i implementirati unutar sustava "edge-cloud" i dinamički rasporediti tijekom izvođenja, nudeći fleksibilnost i skalabilnost koja se značajno razlikuje od tradicionalnih PLC-ova.
U usporedbi s tradicionalnim PLC-ovima, vPLC poboljšava fleksibilnost i skalabilnost sustava, smanjuje opremu i operativne troškove te uvelike olakšava nadogradnju i redizajn proizvodne linije.
3.2 Virtualizirani PLC pruža objedinjenu tehničku osnovu za 5G industrijske upravljačke sustave
Usredotočen na vPLC, 5G industrijski sustav upravljanja ima za cilj isporučiti otvorenu arhitekturu upravljanja-kao-a-uslugom (CaaS). Kontrolne funkcije PLC-a mogu se primijeniti sveprisutno i fleksibilno ponovno koristiti, omogućujući uključi-i-kontrolu uređaja preko heterogenih mreža. Arhitektura sustava dizajnirana je oko koncepta suradnje "end-edge-cloud", koji se sastoji od operativnog, servisnog i razvojnog sloja.
(1) Runtime sloj: Utemeljen na-tehnologiji virtualizacije u stvarnom-vremenu, pruža objedinjeno-izvršno okruženje za vPLC na-hardveru opće namjene. Virtualizacija podržava miješanu implementaciju operativnih sustava-u stvarnom-vremenu i onih koji nisu-u-stvarnom vremenu, omogućujući dinamičko skaliranje vPLC-a.
(2) Sloj usluge: Odgovoran za implementaciju vPLC-a preko različitih fizičkih čvorova dok upravlja njihovim životnim ciklusom, postižući jedinstvenu implementaciju i raspoređivanje PLC industrijskih kontrolnih usluga.
(3) Razvojni sloj: Pruža okruženja za razvoj PLC aplikacija, alate za kompilaciju i otklanjanje pogrešaka, nudeći objedinjeni razvojni i operativni portal za 5G industrijske upravljačke sustave.
5G industrijski sustav upravljanja može se pohvaliti višestrukim tehničkim prednostima. Prvo, pruža jedinstvenu arhitekturu za tri različite PLC tehnologije-temeljene na oblaku. S jedne strane, podržava migraciju kontrolnih centara s terena na rubni ili središnji oblak, oslobađajući PLC kontrolu od ograničenja nametnutih terenskim okruženjima i omogućujući centraliziranu implementaciju. S druge strane, vPLC s rubne-strane osigurava nisku-kontrolu latencije terenskih uređaja, podržavajući različite-aplikacije-u stvarnom vremenu uključujući kontrolu kretanja. Drugo, implementacija vPLC-a preko različitih 5G mrežnih elemenata pruža integrirane mogućnosti "povezivanja + računalne snage + PLC funkcionalnosti" za industrijsku kontrolu. Ovo stvara novi, spljošteni sustav industrijske kontrole, razbijajući monopol tradicionalnih ekosustava industrijske kontrole. Treće, korištenje univerzalne softverske/hardverske arhitekture smanjuje troškove industrijske kontrole, ubrzavajući sazrijevanje "softverski{15}}definirane industrije."
4 ključne tehnologije 5G virtualiziranog PLC-a
4.1 Virtualizacija-u stvarnom vremenu
PLC zadaci se izvode kao procesi operacijskog sustava u ciklusima prema ciklusima industrijske kontrole. Svaki ciklus mora osigurati da PLC proces prima vanjske ulaze i dobiva vrijeme obrade CPU-a. Sposobnost-operativnog sustava u stvarnom vremenu ključna je za isporuku pouzdanih PLC kontrolnih usluga. Tehnologija-virtualizacije u stvarnom vremenu omogućuje ko-uvođenje računalnih zadataka u-stvarnom-i ne-stvarnom-vremenu na hardveru-opće namjene putem virtualizacije softvera/hardvera. Podržava konsolidaciju računalnih zadataka s više ugrađenih uređaja na jedan-uređaj opće namjene. Dok osigurava rad-u stvarnom vremenu, ova tehnologija koristi snažnu hardversku prilagodljivost univerzalnog operativnog sustava i bogate mogućnosti primjene. Nudi prednosti kao što su smanjena cijena uređaja, veličina i potrošnja energije, dok se postiže kompatibilnost u heterogenim ekosustavima uređaja.
Trenutno industrija koristi različite tehnike virtualizacije, prvenstveno kategorizirane kao particioniranje hardvera, puna virtualizacija, paravirtualizacija i virtualizacija operacijskog sustava. Među njima, sljedeća su tri pristupa najprikladnija-za prilagodbu virtualizacije u stvarnom vremenu:
(1) Particioniranje hardvera:Dijeli temeljne hardverske resurse u neovisne particije, od kojih svaka pokreće vlastiti operativni sustav. Hardversko particioniranje nudi izvrsne-izvedbe u stvarnom vremenu, približavajući se-golim razinama, ali nema mogućnosti dijeljenja resursa, ima ograničenu skalabilnost i pokazuje nisku iskorištenost resursa. Naime, periferni I/O zahtijeva prethodno-particioniranje i ne može se ponovno koristiti, što povećava tehničku složenost.
(2) Linux spremnici-u stvarnom vremenu:Promijenite Linux iz sustava-dijeljenja vremena u-sustav stvarnog vremena koristeći metode kao što su Preemption Patch ili Xenomai. Zatim iskoristite laganu virtualizaciju spremnika za izolaciju resursa, stvarajući virtualizirano okruženje za rad u stvarnom-vremenu za PLC-ove. Ovaj pristup u potpunosti koristi Linuxov zreli softverski i hardverski ekosustav, smanjujući troškove prijenosa PLC softvera. Iako spremnici imaju niske operativne troškove, izvedba modificiranog Linux kernela u stvarnom-vremenu ostaje inferiorna u odnosu na namjenske-operacijske sustave u stvarnom vremenu (RTOS), što dovodi do podrhtavanja i grešaka u scenarijima kao što je servo kontrola kretanja.
(3) Virtualizacija mikrojezgre:Uvodi RTOS i-operativne sustave opće namjene (GPOS) u hibridnoj konfiguraciji koristeći mikrojezgru kao hipervizor tipa-1. Mikrojezgre nude pojednostavljenu funkcionalnost, manje troškove i poboljšanu sigurnost u usporedbi s monolitnim jezgrama, omogućujući virtualizaciju hardvera i visoke performanse u stvarnom vremenu. Ova se tehnologija aktivno razvija u industrijskom, automobilskom sektoru infotainmenta i robotike, iako izazovi uključuju nezreo tehnički ekosustav i složenu prilagodbu hardvera.
5G industrijski kontrolni sustavi mogu odabrati različite-pristupe virtualizaciji u stvarnom vremenu na temelju mrežnih elemenata i scenarija primjene. Za rubne i vPLC-ove-temeljene na oblaku, preferirani izbor je-tehnologija Linux spremnika u stvarnom vremenu. S jedne strane, izmjena-Linuxa u stvarnom vremenu stvara niske troškove i olakšava jednostavnu implementaciju. S druge strane, tehnologije raspoređivanja orkestracije spremnika i sigurnosne kopije redundancije su zrele i predstavljaju male rizike. Uzimajući u obzir visoke-zahtjeve rubne-strane vPLC-a u stvarnom vremenu i potrebu za suradnjom s rubne-strane, edge-strani vPLC trebao bi dati prioritet Linux spremnicima-stvarnom vremenu ili rješenjima za virtualizaciju mikrojezgre.
4.2 5G Determinističke mreže
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%) zahtijeva visoke performanse bežičnog zračnog sučelja za prijenos podataka preko slojeva okomito i sustava vodoravno. Drugo, deterministički prijenos podataka u heterogenim mrežnim okruženjima. Nesigurnost u mrežnoj-induciranoj latenciji kritičan je faktor koji utječe na stabilnost upravljačkog sustava. Postojeće mrežno modeliranje linearnog-jump sustava može kompenzirati nestabilna nasumična kašnjenja, ali se i dalje bori da ispuni-zahtjeve kontrole u stvarnom vremenu.
Deterministička mreža korisnicima pruža zajamčenu kvalitetu usluge (QoS), uz fleksibilno prebacivanje između determinističkih i ne-determinističkih usluga i autonomnu kontrolu nad QoS razinama. Tipične determinističke mrežne tehnologije prikazane su u Tablici 1. Sveukupno, determinističko umrežavanje predstavlja primarni put za realizaciju 5G industrijskih kontrolnih sustava. 5G Determinističko umrežavanje (5GDN) koristi visoko-preciznu sinkronizaciju sata, oblikovanje prometa i tehnike rezerviranja resursa povrh rezanja 5G mreže za isporuku determinističke propusnosti, determinističke latencije i 99,9999% pouzdanost veze. Ovo stvara predvidljivu, planiranu, provjerljivu bežičnu mrežu s determinističkim mogućnostima, nudeći "diferencirano + determinističko" iskustvo usluge [5]. Kada se integrira s terenskim mrežama i rubnim računalnim tehnologijama, 5G determinističko umrežavanje omogućuje end{14}}to-enddeterminističku kontrolu.
4.3 Kolaborativna orkestracija "End-Edge-Cloud"
Kroz-virtualizaciju u stvarnom vremenu, tradicionalni PLC hardverski uređaji pretvaraju se u hardver-razdvojene PLC softverske usluge. Unutar 5G cloud-edge-end arhitekture potrebna je fleksibilna implementacija PLC softverskih usluga, što zahtijeva jedinstvenu vPLC orkestraciju i platformu za planiranje.
Orkestracija i raspoređivanje vPLC-a podržavaju implementaciju vPLC-a kao spremnika ili virtualnih strojeva na mrežnim elementima kao što su 5G industrijski pristupnici, 5G industrijske bazne stanice, 5G industrijski UPF-ovi i MEC. Metode orkestracije uključuju dvije vrste: međusobno povezivanje između računalnih čipova i I/O čipova (kontroler na IO, C2IO) i međusobno povezivanje između računalnih čipova (kontroler na kontroler, C2C). C2IO se odnosi na PLC-na-IO komunikaciju, obuhvaćajući scenarije master PLC-to-IO i slave PLC-to-IO. C2C označava PLC-na-PLC komunikaciju, prvenstveno uključujući kontrolu glavnog PLC-a nad podređenim PLC-ovima. U tipičnim scenarijima, oblak ugošćuje sustave kontrole proizvodnje, industrijski softver i sustave upravljanja informacijama poduzeća. The edge prvenstveno postavlja glavne PLC-ove odgovorne za sučelje sa sustavima u oblaku. Ovi glavni PLC-ovi generiraju C2C kontrolne naredbe i distribuiraju ih podređenim PLC-ovima raspoređenim na rubu. Podređeni PLC-ovi s rubne-strane primarno upravljaju C2IO komunikacijom, primaju kontrolne naredbe s rubnog glavnog PLC-a za upravljanje I/O uređajima-na strani polja.
Za razliku od sustava za orkestraciju kao što su Kubernetes ili Kubevirt, vPLC zahtijeva visoku-izvedbu i pouzdanost u stvarnom vremenu. Orkestracija standardnog spremnika ili virtualnog stroja teško ispunjava stroge zahtjeve ciklusa industrijske kontrole. Orkestracija i raspored vPLC-a zahtijevaju žrtvovanje neke skalabilnosti kako bi se postigla vrhunska izvedba-i pouzdanost u stvarnom vremenu. Među njima, vPLC redundantno vruće stanje pripravnosti čini ključnu komponentu okvira za orkestraciju i raspoređivanje. 5G vPLC model orkestracije i raspoređivanja
5. 5G Virtualna PLC implementacija
5.1 Testni scenarij i rješenje
Kako bi unaprijedio duboku integraciju 5G i industrijskih aplikacija, China Mobile je surađivao s industrijskim partnerima u provedbi tehničkih ispitivanja 5G vPLC-a. Ova je tehnologija potvrđena i primijenjena u više od deset industrijskih poduzeća. Uzimajući tipičnog klijenta kao primjer, China Mobile je postavio 5G mrežu unutar klijentove proizvodne radionice kako bi pružio mrežne usluge za rukovanje materijalom automatiziranog vođenog vozila (AGV). Na temelju vrste materijala, poslovna platforma planira različite staze kretanja AGV-a, vodeći vozila između automatiziranih sustava skladištenja i različitih proizvodnih segmenata.
Kako bi ispunio ove zahtjeve, 5G industrijski sustav upravljanja koristi "Master vPLC-Slave vPLC" edge-kooperativnu arhitekturu (vidi sliku 4). Na rubu, glavni vPLC raspoređen je na UPF za centraliziranje postavljanja PLC-a. Prima upute za zadatak od Manufacturing Execution System (MES), enkapsulira ih u kontrolne naredbe i šalje ih podređenim vPLC-ovima koje nose AGV-ovi. Istovremeno, prima povratne informacije od podređenih vPLC-ova tijekom izvođenja. Na razini terena, podređeni vPLC raspoređen je na 5G industrijskom upravljačkom pristupniku, postižući zamjenu "dva-u-jednom" i za PLC i za 5G podatkovnu terminalnu jedinicu (DTU). S jedne strane, pomoćni vPLC prima upravljačke naredbe od glavnog vPLC-a i koristi senzore za kontrolu pogonskog sustava AGV-a, omogućavajući precizno kretanje i pozicioniranje. S druge strane, kada AGV dosegne svoje odredište, podređeni vPLC vraća rezultate izvršenja zadatka glavnom vPLC-u, izvješćujući o statusu završetka zadatka.
5.2 Razvoj sustava
Te-tehnologija spremnika u stvarnom vremenu upotrebljava se za implementaciju vPLC-a na 5G UPF i industrijske pristupnike, pretvarajući ih u 5G industrijski UPF i 5G industrijski kontrolni pristupnik. Ključne konfiguracije detaljno su prikazane u tablici 2.
Arhitektura sustava prikazana na slici 5 uključuje 5G industrijski UPF, 5G industrijski kontrolni pristupnik i platformu za orkestraciju. Primarni istraživački i razvojni napori su sljedeći.
(1) Promjena jezgre Linuxa
Prvo, izvorni kerneli UPF i pristupnika modificirani su u-jezgre u stvarnom vremenu integracijom zakrpe Preempt-RT. Modificirane verzije kernela su Linux 4.18.16-rt i Linux 4.4.167-rt. U uvjetima visokog opterećenja, maksimalna latencija obrade procesa smanjena je s 8 ms na 500 μs. Drugo, izolacija CPU resursa konfigurirana je za dodjeljivanje zadataka u stvarnom-vremenu namjenskim jezgrama CPU-a, smanjujući troškove prebacivanja zadataka i dodatno smanjujući maksimalno podrhtavanje latencije obrade ispod 300 μs. Treće, mehanizam za usmjeravanje prekida dizajniran je za preusmjeravanje odgovora perifernih prekida na druge CPU jezgre za obradu, minimizirajući smetnje u izvršavanju zadatka u stvarnom vremenu. Ovim modifikacijama jezgre Linuxa maksimalno podrhtavanje latencije obrade procesa smanjeno je na ispod 100 μs.
Latencija rukovanja procesom prije izmjene jezgre Linuxa
Latencija obrade nakon izmjene jezgre Linuxa(2) PLC-izvršna kontejnerizacija
Kako bi se podržalo dinamičko proširenje PLC-a, potrebno je uspostaviti virtualno okruženje za izvršavanje PLC-a-. Najprije izgradite sliku PLC spremnika temeljenu na Alpine Linuxu, primarno integrirajući PLC-izvršno vrijeme s 32/64-bitnim bibliotekama dinamičkog povezivanja. Trenutno sustav podržava dvije domaće varijante PLC-a. Zatim kreirajte volumene spremnika koji odgovaraju vPLC instancama kako biste sačuvali podatke generirane tijekom rada PLC spremnika. Treće, PLC spremnici zahtijevaju pristup perifernim resursima hosta tijekom rada. Za sučelja kao što su RS232/485 i CAN, pristup se postiže mapiranjem datoteka uređaja. Za IP mrežna sučelja, pristup je omogućen putem mapiranja portova, primarno mapiranja portova kao što je sučelje za preuzimanje programa PLC-a i servisni portovi vanjske sabirnice (npr. Modbus TCP slave servisni portovi).
(3) vPLC orkestracija
Kako bi se podržala objedinjena orkestracija preko UPF-a i gatewaya uz istovremeno smanjenje opterećenja resursa gatewaya, razvijen je lagani sustav orkestracije koristeći B/S arhitekturu. Korisnici izvode frontend operacije putem preglednika, dok se backend sastoji od modula za upravljanje i orkestraciju za orkestraciju i implementaciju PLC spremnika. Modul za upravljanje, postavljen na poslužiteljima, primarno omogućuje pristup webu, preuzimanje slika spremnika i konfiguraciju/nadzor PLC spremnika. Modul za orkestraciju raspoređen je i na UPF-u i na pristupnicima, primarno nudeći povlačenje slike spremnika, konfiguraciju okruženja spremnika i upravljanje vremenom izvođenja. Moduli za upravljanje i orkestraciju komuniciraju putem HTTP-a. Uzimajući za primjer nadzor vremena izvođenja spremnika, orkestracijski modul povremeno komunicira s lokalnom Docker uslugom putem Docker klijenta kako bi dohvatio informacije o statusu spremnika, koje se zatim prijavljuje upravljačkom modulu. Kada upravljački modul otkrije abnormalni status, pokreće rukovanje iznimkama.
Sučelje virtualnog PLC orkestracijskog sustava
5.3 Rezultati ispitivanja
Nakon postavljanja 5G Industrial UPF-a i 5G Industrial Control Gatewaya na terenu, Modbus TCP komunikacija je konfigurirana između glavnog vPLC-a i slave vPLC-a, kao i između slave vPLC-a i I/O. Industrijski kontrolni ciklus podređenog vPLC-a postavljen je na 5 ms, dok je ciklus glavnog vPLC-a konfiguriran na 20 ms. Svaki kontrolni ciklus glavnog vPLC-a uključivao je jednu komunikacijsku instancu s podređenim vPLC-om. Nakon produljenog operativnog testiranja (14 dana), AGV raspored funkcionirao je pouzdano bez prekida rada ili kvarova skretanja s rute. Glavni vPLC pokazao je prosječno vrijeme izvršenja od 457 μs, maksimalno vrijeme izvršenja od 599 μs i maksimalno podrhtavanje od 532 μs (vidi sliku 9). Industrijska kontrola obično zahtijeva podrhtavanje latencije unutar 10%–15% ciklusa upravljanja. Na temelju ovih mjerenja, master-slave vPLC edge-kooperativna arhitektura u 5G industrijskim kontrolnim sustavima može podržati cikluse upravljanja od 5 ms ili dulje, ispunjavajući zahtjeve performansi za srednje{21}}do-velike-brzinske industrijske kontrole. S obzirom da trenutna zračna latencija 5G sučelja ostaje iznad 5 ms, rubno-kooperativno rješenje kombinira prednosti centralizirane implementacije s podrškom za srednje-do-visoku-kontrolu brzine, u usporedbi s jedno-rubnom-stranom vPLC shemama.
Trošak tradicionalnih PLC rješenja uključuje troškove opreme kao što su master PLC, slave PLC i 5G DTU. Rješenje 5G industrijskog sustava upravljanja uključuje troškove licenciranja 5G industrijskog UPF softvera i 5G industrijskih kontrolnih pristupnika. U usporedbi s tradicionalnim PLC rješenjima, rješenje 5G industrijskog sustava upravljanja postiže značajno smanjenje od preko 50% u troškovima nabave opreme. Dodatno, 5G industrijski sustav upravljanja podržava jedinstvenu orkestraciju. Implementacija PLC aplikacija, ažuriranja i operacije/održavanje mogu se centralizirati i izvesti na daljinu, nudeći fleksibilnu skalabilnost i smanjujući vrijeme održavanja i održavanja za više od 80%.
Ukratko, 5G industrijski upravljački sustav isporučuje PLC industrijske upravljačke usluge putem softverskih nadogradnji na 5G mrežnim elementima bez potrebe za modifikacijama hardvera ili ometanja postojećih UPF/gateway operacija. Podržava srednje{3}}do-velike-brzinske industrijske kontrole i nudi prednosti uključujući različite scenarije primjene, smanjenje troškova, jednostavnost održavanja i skalabilnost.
6 Zaključak
S dolaskom Četvrte industrijske revolucije, PLC-ovi-jezgra industrijske kontrole-bore se da zadovolje rastuće zahtjeve industrijske povezanosti. Integracija ICT-a i OT-a, ubrzavajući konvergenciju tehnologije s različitim faktorima proizvodnje, ima golemo obećanje za izgradnju sljedeće-generacije 5G industrijskih sustava upravljanja. S jedne strane, 5G vPLC pruža jedinstvenu tehničku arhitekturu i plan za PLC-temeljene na oblaku. S druge strane, izgradnja 5G vPLC tehnološkog ekosustava potaknut će proizvođače PLC-ova na prijelaz s hardverskih proizvoda na softverske usluge, otvarajući nove razvojne prilike za domaću PLC tehnologiju i potencijalno narušavajući trenutni tržišni krajolik kojim dominiraju strani igrači s fragmentiranim standardima. Trenutno su 5G industrijski sustavi upravljanja još u povojima razvoja. Potrebni su zajednički napori u cijeloj industriji kako bi se uhvatili u koštac s ključnim tehničkim izazovima u područjima kao što su virtualizacija mikrokernela, determinističko umrežavanje i redundantno vruće stanje pripravnosti, kontinuirano poboljšavajući i usavršavajući te sustave. Istodobno, jačanje suradnje sa sveučilištima radi njegovanja interdisciplinarnog talenta u industrijskoj automatizaciji i informatizaciji ključno je za poticanje visoko{14}}kvalitetnog razvoja u industrijskoj kontroli.