Uvod
Industrijska kontrola je ključna komponenta industrijske proizvodnje. Programabilni logički kontroleri (PLC) služe kao ključni uređaji u kontroli industrijske automatizacije, široko se primjenjuju u različitim sektorima nacionalne ekonomije, uključujući industriju, transport i komunalne usluge. PLC-ovi su industrijski upravljački uređaji razvijeni integracijom mikroelektronike, kompjuterske tehnologije, automatske kontrole i komunikacijskih tehnologija u sekvencijalne kontrolere. Njihova svrha je da zamijene releje, izvrše logiku, mjerenje vremena, brojanje i druge sekvencijalne upravljačke funkcije, čime se uspostavljaju fleksibilni programabilni kontrolni sistemi [1]. Tradicionalni softver za industrijsko upravljanje PLC-om je usko povezan sa hardverom, a strani proizvodi dominiraju tržišnim udelom, predstavljajući probleme kao što su visoki troškovi i nedovoljna skalabilnost.
1. Evolucijski trendovi u industrijskim kontrolnim sistemima
Kako se nauka o kontroli približava disciplinama računarstva, informacija i komunikacija, teorija upravljanja evoluira od klasične povratne kontrole i moderne kontrole prema inteligentnoj kontroli{0}}vođenoj podacima. Kontrolni sistemi napreduju od kontrole u jednoj-tački i umrežene kontrole do distribuirane kontrole zasnovane na oblaku-. Kroz inovativnu integraciju informacione i komunikacione tehnologije (IKT) sa operativnom tehnologijom (OT), tradicionalni industrijski sistemi upravljanja postepeno se razvijaju u nove industrijske sisteme upravljanja. Ovi novi sistemi karakteriziraju međusobnu povezanost, skalabilnost i donošenje odluka-vođeno podacima{7}}, što se manifestira u dva glavna trenda:
(1) Prijelaz sa zatvorenih, izolovanih specijalizovanih upravljačkih arhitektura na otvorene, odvojene kontrolne arhitekture opšte-namijene
Sa pojavom i napretkom tehnologija kao što su 5G i edge computing, tradicionalna pet-slojna ISA-95 arhitektura industrijske kontrole se pomjera prema troslojnoj strukturi "end-edge-cloud" -. Među njima, evolucija PLC-a kontrolnog sloja postala je žarište u cijeloj industriji. Tehnološki, zadaci industrijske kontrole migriraju sa ugrađenih specijalizovanih uređaja na cloud-ivice opće namjene-uređaje s-mogućnošću obrade podataka u realnom vremenu. Operativno, meki zadaci u stvarnom vremenu-kao što je logička kontrola su sve više centralizirani na rubu ili oblaku, dok se zadaci teškog{14}}u stvarnom vremenu, kao što je kontrola pokreta, izvršavaju na uređajima sa strane terena.
(2) Prelazak sa obrade jednog-zadatka na distribuiranu saradnju sa više zadataka
Tradicionalni PLC-ovi koriste sekvencijalnu obradu zadataka. Međutim, proširenje kontrolnih skala povećava obim i raznolikost zadataka, proširuje razlike u prioritetima između zadataka i povećava zahtjeve za saradnju. Posebno s uvođenjem velikih podataka i tehnologija umjetne inteligencije, efikasna saradnja između tradicionalnih kontrolnih zadataka i IT zadataka vođenih podacima- zahtijeva prelazak sa obrade jednog-čvora na više-kolaborativnu obradu u tradicionalnim kontrolnim sistemima.
2.5G Cloud-Putovi tehničkog razvoja PLC-a
Vođeni napretkom ICT-a-posebno mrežne tehnologije kao što su 5G-5G PLC-ovi zasnovani na oblaku-pojavili su se kao ključno rješenje za tradicionalna ograničenja PLC-a. Na osnovu lokacije postavljanja zadataka kontrole PLC-a, trenutni 5G PLC-ovi zasnovani na oblaku slijede tri primarna pravca tehničkog razvoja:
(1) PLC zasnovan na oblaku-na nivou-: Kontrolni zadaci su raspoređeni na industrijskim gateway-ima, pogodnim za srednje{3}}do-velike- scenarije kontrole brzine na nivou terena. Podržava industrijske cikluse upravljanja od 1-5 ms i više, nudi visoku pouzdanost i ima niske troškove implementacije.
(2) PLC baziran na oblaku-nivoa-: Kontrolni zadaci se postavljaju na unutrašnje procesorske jedinice baznog opsega (BBU), funkcije korisničke ravni (UPF) ili platforme za više-pristupne rubne računare (MEC). Pogodno za radioničke ili fabričke{5}}centralizovane scenarije upravljanja sa srednjim{6}}do-malim brzinama, podržavajući industrijske cikluse upravljanja od 20 ms i više uz niske troškove implementacije.
(3) PLC baziran na-oblaku-u širokom području: Kontrolni zadaci su raspoređeni na centralnim serverima u oblaku, pogodni za male{3}}scenare kolaborativne kontrole male brzine na fabričkom nivou. Poboljšano optičkim vlaknima i determinističkim mrežnim tehnologijama, latencija od-do-kraja može se smanjiti na 5 ms, ali troškovi implementacije su veći.
Trenutna 5G tehnologija PLC-a-bazirana na oblaku suočava se sa izazovima uključujući nedosljedne arhitekture, nedostatak podrške za kraj-okrajnu saradnju i nemogućnost orkestriranja PLC aplikacija. Konkretno, 5G mreže koje služe industrijskoj kontroli nailaze na kašnjenja, podrhtavanje i probleme s pouzdanošću. Da bi se ovo pozabavilo, ovaj rad predlaže tehničku arhitekturu 5G virtueliziranog PLC-a. Kroz "end{8}}edge-cloud" saradnju, postiže tri ujedinjenja: objedinjeno okruženje za izvršavanje, objedinjeno raspoređivanje rasporeda i jedinstveni razvojni i operativni portal.
3. Tehnička arhitektura 5G virtueliziranog PLC-a
3.1 Tipične karakteristike virtuelizovanog PLC-a
Tehnologija virtuelizacije je tehnika upravljanja resursima koja stvara sloj apstrakcije na računarskom hardveru pomoću softvera. Ovo deli hardverske resurse jednog računara na više virtuelnih mašina, poboljšavajući efikasnost i sigurnost korišćenja resursa. Široko prihvaćena u računarstvu u oblaku, tehnologija virtuelizacije nastavlja da se razvija i sazrijeva, proširujući svoju primjenu na različite domene i hardverske arhitekture.
Virtualizacijski PLC (vPLC) stvara virtuelizirano okruženje za izvršavanje, odvajajući zadatke kontrole PLC-a od fizičkog hardvera. Ovo omogućava implementaciju PLC zadataka na različitim uređajima mrežnih elemenata. vPLC pokazuje tri ključne karakteristike:
(1) PLC softver-Hardversko razdvajanje:Tradicionalni PLC-ovi koriste ugrađeni hardver i-operativne sisteme u realnom vremenu sa čvrstim softverskim-hardverskim povezivanjem. vPLC uvodi okruženje za izvršavanje PLC-a koje upravlja učitavanjem zadataka, izvršavanjem i rasporedom, čime se odvajaju PLC zadatke od operativnog-operativnog sistema u realnom vremenu.
(2) Izvršenje virtualnog PLC-a:Tehnologija virtuelizacije omogućava primenu i rad heterogenih operativnih sistema na hardveru opšte{0}}namjene. PLC runtime okruženje radi na virtuelnom operativnom sistemu, odvajajući PLC zadatke od osnovnog hardvera.
(3) PLC orkestracija i raspored:U svojoj srži, vPLC funkcionira kao PLC softverska usluga. Može se orkestrirati i implementirati unutar sistema "edge-cloud" i dinamički raspoređivati tokom vremena rada, nudeći fleksibilnost i skalabilnost koja se značajno razlikuje od tradicionalnih PLC-ova.
U poređenju sa tradicionalnim PLC-ovima, vPLC poboljšava fleksibilnost i skalabilnost sistema, smanjuje opremu i operativne troškove i uvelike olakšava nadogradnju i redizajn proizvodnih linija.
3.2 Virtuelizirani PLC pruža jedinstvenu tehničku osnovu za 5G industrijske upravljačke sisteme
Usredsređen na vPLC, 5G industrijski kontrolni sistem ima za cilj da pruži otvorenu arhitekturu upravljanja-kao-a-usluge (CaaS). Funkcije kontrole PLC-a mogu se primjenjivati sveprisutno i fleksibilno ponovo koristiti, omogućavajući plug{5}}i-upravljanje uređajem preko heterogenih mreža. Arhitektura sistema je dizajnirana oko koncepta saradnje "kraj-ivice-oblaka", koji se sastoji od operativnih, servisnih i razvojnih slojeva.
(1) Runtime Layer: Zasnovano na tehnologiji virtuelizacije u realnom vremenu-obezbeđuje ujedinjeno okruženje u realnom vremenu-za vPLC na hardveru opšte{3}}namjene. Virtuelizacija podržava mješovitu primjenu operativnih sistema u stvarnom-i ne{6}}realnom-vremenskom sistemu, omogućavajući dinamičko skaliranje vPLC-a.
(2) Sloj usluge: Odgovoran za implementaciju vPLC-a na različitim fizičkim čvorovima dok upravlja njihovim životnim ciklusom, postižući objedinjenu implementaciju i zakazivanje usluga industrijske kontrole PLC-a.
(3) Sloj razvoja: Omogućava razvojna okruženja PLC aplikacija, alate za kompilaciju i otklanjanje grešaka, nudeći objedinjeni razvojni i operativni portal za 5G industrijske sisteme upravljanja.
5G industrijski kontrolni sistem ima više tehničkih prednosti. Prvo, pruža jedinstvenu arhitekturu za tri različite PLC tehnologije-bazirane na oblaku. S jedne strane, podržava migraciju kontrolnih centara sa terena na rub ili centralni oblak, oslobađajući PLC kontrolu od ograničenja koja nameću terenska okruženja i omogućavajući centraliziranu primenu. S druge strane, edge{5}}side vPLC osigurava nisku-kontrolu latencije terenskih uređaja, podržavajući različite aplikacije visokog{7}}u realnom-vremenu uključujući kontrolu pokreta. Drugo, implementacija vPLC-a u različitim 5G mrežnim elementima pruža integrirane mogućnosti "povezanosti + računarske snage + PLC funkcionalnosti" za industrijsku kontrolu. Ovo stvara novi, spljošteni sistem industrijske kontrole, razbijajući monopol tradicionalnih industrijskih kontrolnih ekosistema. Treće, korištenje univerzalne softverske/hardverske arhitekture smanjuje troškove industrijske kontrole, ubrzavajući sazrijevanje "softverski{15}}definirane industrije."
4 ključne tehnologije 5G virtueliziranog PLC-a
4.1 Virtuelizacija u realnom vremenu
PLC zadaci se izvode kao procesi operativnog sistema u ciklusima prema industrijskim kontrolnim ciklusima. Svaki ciklus mora osigurati da PLC proces prima eksterne ulaze i dobije vrijeme obrade CPU-a. Sposobnost operativnog sistema-u realnom vremenu je kritična za pružanje pouzdanih PLC kontrolnih usluga. Tehnologija virtuelizacije u-realnom vremenu omogućava za-primenu računarskih zadataka u realnom-i ne-realnom-zadatku na hardveru opšte-opšte namene putem softverske/hardverske virtuelizacije. Podržava konsolidaciju računskih zadataka s više ugrađenih uređaja na jedan uređaj opće{11}}namjene. Dok osigurava performanse-u realnom vremenu, ova tehnologija koristi snažnu prilagodljivost hardvera univerzalnog operativnog sistema i bogate mogućnosti aplikacija. Nudi prednosti kao što su smanjena cijena uređaja, veličina i potrošnja energije, dok istovremeno postiže kompatibilnost između heterogenih ekosistema uređaja.
Trenutno, industrija koristi različite tehnike virtuelizacije, prvenstveno kategorisane kao hardversko particionisanje, puna virtuelizacija, paravirtualizacija i virtuelizacija operativnog sistema. Među njima, sljedeća tri pristupa su najpogodnija za-prilagodbu virtuelizacije u realnom vremenu:
(1) Hardversko particioniranje:Dijeli osnovne hardverske resurse na nezavisne particije, od kojih svaka pokreće svoj operativni sistem. Hardversko particioniranje nudi odlične-performanse u realnom vremenu, približava se- nivoima golog metala, ali nema mogućnosti dijeljenja resursa, pati od ograničene skalabilnosti i pokazuje nisku iskorištenost resursa. Posebno, periferni I/O zahtijeva pre-particioniranje i ne može se ponovo koristiti, povećavajući tehničku složenost.
(2) Linux kontejneri-u realnom vremenu:Modificirajte Linux iz-sistema za dijeljenje vremena u sistem u stvarnom-sistemu koristeći metode kao što su Preemption Patch ili Xenomai. Zatim iskoristite laganu virtuelizaciju kontejnera za izolaciju resursa, kreirajući-virtuelizovano okruženje za rad u realnom vremenu za PLC-ove. Ovaj pristup u potpunosti koristi Linuxov zreli softverski i hardverski ekosistem, smanjujući troškove prenosa PLC softvera. Iako kontejneri imaju niska operativna opterećenja, performanse modificiranog Linux kernela u realnom-vremenskom vremenu ostaju inferiorne u odnosu na namjenske operativne sisteme u realnom vremenu (RTOS), što dovodi do podrhtavanja i kvarova u scenarijima kao što je servo kontrola pokreta.
(3) Virtuelizacija mikrokernela:Razmješta RTOS i operativne sisteme opće{0}}opće namjene (GPOS) u hibridnoj konfiguraciji koristeći mikrokernel kao tip-1 hipervizor. Mikrokerneli nude pojednostavljenu funkcionalnost, manje troškove i poboljšanu sigurnost u poređenju sa monolitnim kernelima, omogućavajući i hardversku virtuelizaciju i visoke performanse u realnom vremenu. Ova tehnologija se aktivno razvija u industrijskom, automobilskom informativno-zabavnom i robotskom sektoru, iako izazovi uključuju nezreo tehnički ekosistem i složenu adaptaciju hardvera.
5G industrijski kontrolni sistemi mogu odabrati različite-pristupe virtuelizacije u realnom vremenu na osnovu mrežnih elemenata i scenarija aplikacije. Za vPLC-ove zasnovane na rubu i oblaku,-tehnologija Linux kontejnera u realnom vremenu je poželjan izbor. S jedne strane, modifikacije Linuxa u realnom-vremenu zahtijevaju male troškove i olakšavaju jednostavno postavljanje. S druge strane, tehnologije planiranja orkestracije kontejnera i rezervnih kopija redundanse su zrele i predstavljaju male rizike. Uzimajući u obzir visoke zahtjeve u stvarnom-vrijeme za edge-side vPLC i potrebu za edge-side saradnjom, edge-side vPLC bi trebao dati prioritet u realnom vremenu-Linux kontejnerima u realnom vremenu ili rješenjima za virtuelizaciju mikrokernela.
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%) zahteva visoke performanse bežičnog vazdušnog interfejsa za prenos podataka preko slojeva vertikalno i sistema horizontalno. Drugo, deterministički prijenos podataka u heterogenim mrežnim okruženjima. Nesigurnost u mrežnom{3}}indukovanom kašnjenju je kritičan faktor koji utiče na stabilnost kontrolnog sistema. Postojeće mrežno linearno-modeliranje sistema skokova može kompenzirati nestabilna nasumična kašnjenja, ali se još uvijek bori da ispuni zahtjeve za performanse kontrole u stvarnom vremenu-.
Deterministička mreža pruža korisnicima zajamčeni kvalitet usluge (QoS), sa fleksibilnim prebacivanjem između determinističkih i ne-determinističkih usluga i autonomnom kontrolom nad QoS nivoima. Tipične determinističke mrežne tehnologije prikazane su u Tabeli 1. Sve u svemu, determinističko umrežavanje predstavlja primarni put za realizaciju 5G industrijskih kontrolnih sistema. 5G Determinističko umrežavanje (5GDN) koristi visoko-preciznu sinhronizaciju sata, oblikovanje prometa i tehnike rezervacije resursa pored tehnika 5G, determinističkog presecanja mreže i određenja pojasa za isporuku 99,9999% pouzdanosti veze. Ovo stvara predvidljivu, planiranu, provjerljivu bežičnu mrežu s determinističkim mogućnostima, nudeći "diferencirano + determinističko" iskustvo usluge [5]. Kada se integriše sa terenskim mrežama i tehnologijama rubnog računarstva, 5G Determinističko umrežavanje omogućava determinističku kontrolu-do-kraja.
4.3 "End-Edge-Cloud" kolaborativna orkestracija
Kroz-virtuelizaciju u realnom vremenu, tradicionalni PLC hardverski uređaji se pretvaraju u hardverski-razdvojene PLC softverske usluge. U okviru 5G cloud-ivice-end arhitekture, potrebna je fleksibilna implementacija PLC softverskih usluga, što zahtijeva objedinjenu vPLC platformu za orkestraciju i zakazivanje.
vPLC orkestracija i zakazivanje podržavaju implementaciju vPLC-a kao kontejnera ili virtuelnih mašina na mrežnim elementima kao što su 5G industrijski pristupnici, 5G industrijske bazne stanice, 5G industrijski UPF-ovi i MEC. Metode orkestracije uključuju dva tipa: međusobnu vezu između računarskih čipova i I/O čipova (Kontroler za IO, C2IO) i međusobnu vezu između računarskih čipova (Kontroler za kontroler, C2C). C2IO se odnosi na PLC-na-IO komunikaciju, obuhvatajući i master PLC-na{{11}IO i slave PLC-na-IO scenarije. C2C označava PLC-na-PLC komunikaciju, prvenstveno uključujući kontrolu glavnog PLC-a nad slave PLC-ovima. U tipičnim scenarijima, u oblaku se nalaze sistemi kontrole proizvodnje, industrijski softver i sistemi za upravljanje informacijama preduzeća. The edge prvenstveno postavlja glavne PLC-ove odgovorne za povezivanje sa sistemima u oblaku. Ovi glavni PLC-ovi generiraju C2C kontrolne komande i distribuiraju ih slave PLC-ovima postavljenim na rubu. Podređeni PLC-ovi na rubnoj-strani primarno upravljaju C2IO komunikacijom, primajući kontrolne komande od glavnog PLC-a na rubu za upravljanje I/O uređajima na{25}}strani polja.
Za razliku od sistema orkestracije kao što su Kubernetes ili Kubevirt, vPLC zahtijeva visoke performanse{0}}u realnom vremenu i pouzdanost. Orkestracija standardnog kontejnera ili virtuelne mašine se bori da ispuni stroge zahtjeve ciklusa industrijske kontrole. VPLC orkestracija i zakazivanje zahtijevaju žrtvovanje neke skalabilnosti kako bi se postigle superiorne performanse-u realnom vremenu i pouzdanost. Među njima, vPLC redundantni hot standby čini osnovnu komponentu okvira orkestracije i rasporeda. 5G vPLC model orkestracije i rasporeda
5. 5G Virtual PLC implementacija
5.1 Test scenarij i rješenje
Kako bi unaprijedio duboku integraciju 5G i industrijskih aplikacija, China Mobile je sarađivao s industrijskim partnerima na provedbi tehničkih ispitivanja 5G vPLC-a. Ova tehnologija je potvrđena i primijenjena u više od deset industrijskih poduzeća. Uzimajući tipičnog klijenta kao primjer, China Mobile je razvio 5G mrežu unutar klijentove proizvodne radionice kako bi pružio mrežne usluge za rukovanje materijalom za automatizirano vođeno vozilo (AGV). Na osnovu vrste materijala, poslovna platforma planira različite puteve kretanja AGV-a, usmjeravajući vozila između automatiziranih sustava za skladištenje i različitih segmenata proizvodnje.
Da bi ispunio ove zahtjeve, 5G industrijski kontrolni sistem koristi arhitekturu kooperacije "Master vPLC-Slave vPLC" edge- (vidi sliku 4). Na rubu, glavni vPLC je raspoređen na UPF-u da centralizira implementaciju PLC-a. On prima instrukcije zadatka od Manufacturing Execution System (MES), enkapsulira ih u kontrolne komande i šalje ih podređenim vPLC-ovima koje nose AGV. Istovremeno, on prima povratne informacije od podređenih vPLC-ova tokom izvršavanja. Na nivou terena, slave vPLC je raspoređen na 5G industrijski kontrolni gateway, postižući "dva-u-" zamjenu i za PLC i za 5G Data Terminal Unit (DTU). S jedne strane, podređeni vPLC prima kontrolne komande od glavnog vPLC-a i koristi senzore za kontrolu pogonskog sistema AGV-a, omogućavajući precizno kretanje i pozicioniranje. S druge strane, kada AGV stigne na svoje odredište, podređeni vPLC vraća rezultate izvršenja zadatka glavnom vPLC-u, izvještavajući o statusu dovršetka zadatka.
5.2 Razvoj sistema
-Tehnologija kontejnera u realnom vremenu se koristi za implementaciju vPLC-a i na 5G UPF i na industrijske gatewaye, pretvarajući ih u 5G Industrial UPF i 5G Industrial Control Gateway. Ključne konfiguracije su detaljno prikazane u tabeli 2.
Arhitektura sistema prikazana na slici 5 se sastoji od 5G industrijskog UPF-a, 5G industrijskog upravljačkog prolaza i platforme za orkestraciju. Primarni istraživački i razvojni napori su sljedeći.
(1) Modifikacija Linux kernela
Prvo, originalni UPF i gateway kerneli su modificirani u jezgre u stvarnom-realnom vremenu integracijom Preempt-RT zakrpe. Modificirane verzije kernela su Linux 4.18.16-rt i Linux 4.4.167-rt. U uslovima visokog opterećenja, maksimalna latencija rukovanja procesom smanjena je sa 8 ms na 500 μs. Drugo, izolacija CPU resursa je konfigurirana da dodjeljuje-zadatke u realnom vremenu namjenskim CPU jezgrama, smanjujući opterećenje pri prebacivanju zadataka i dodatno snižavajući maksimalno podrhtavanje procesne latencije ispod 300 μs. Treće, mehanizam za usmjeravanje prekida je dizajniran da preusmjeri odgovore perifernih prekida na druge CPU jezgre za obradu, minimizirajući smetnje u izvršavanju zadataka u realnom vremenu. Kroz ove modifikacije Linux kernela, maksimalna latentnost procesa obrade je smanjena na ispod 100 μs.
Latencija obrade procesa prije modifikacije jezgre Linuxa
Latencija obrade nakon modifikacije Linux kernela(2) PLC-runtime Containerization
Da bi se podržalo dinamičko proširenje PLC-a, mora se uspostaviti kontejnersko virtualno okruženje za izvršavanje za PLC-izvršno vrijeme. Prvo, napravite sliku PLC kontejnera zasnovanu na Alpine Linuxu, prvenstveno integrirajući PLC-runtime sa 32/64-bitnim bibliotekama dinamičkih veza. Trenutno, sistem podržava dvije domaće PLC-runtime varijante. Zatim kreirajte volumene spremnika koji odgovaraju vPLC instancama kako biste uporni podaci generirani tijekom rada PLC kontejnera. Treće, PLC kontejneri zahtevaju pristup perifernim resursima hosta tokom rada. Za interfejse kao što su RS232/485 i CAN, pristup se postiže mapiranjem datoteka uređaja. Za IP mrežna sučelja, pristup je omogućen putem mapiranja portova, prvenstveno mapiranja portova kao što su interfejs za preuzimanje PLC programa i eksterni servisni portovi sabirnice (npr. Modbus TCP slave servisni portovi).
(3) vPLC orkestracija
Da bi se podržala objedinjena orkestracija preko UPF-a i gateway-a, dok je istovremeno smanjena potrošnja resursa pristupnika, razvijen je lagani sistem orkestracije koristeći B/S arhitekturu. Korisnici obavljaju frontend operacije preko pretraživača, dok backend sadrži module za upravljanje i orkestraciju za orkestraciju i implementaciju PLC kontejnera. Modul za upravljanje, raspoređen na serverima, prvenstveno pruža pristup webu, preuzimanje slika kontejnera i konfiguraciju/nadzor PLC kontejnera. Modul orkestracije je raspoređen i na UPF-u i na gateway-ima, prvenstveno nudeći izvlačenje slike kontejnera, konfiguraciju okruženja kontejnera i upravljanje vremenom izvršavanja. Moduli upravljanja i orkestracije komuniciraju putem HTTP-a. Uzimajući za primjer praćenje vremena izvođenja kontejnera, modul orkestracije povremeno komunicira s lokalnom Docker uslugom preko Docker klijenta kako bi dohvatio informacije o statusu kontejnera, koje se zatim izvještavaju modulu za upravljanje. Kada upravljački modul otkrije nenormalan status, on pokreće obradu izuzetaka.
Sučelje virtualnog PLC sistema orkestracije
5.3 Rezultati testa
Nakon primjene na terenu 5G Industrial UPF i 5G Industrial Control Gatewaya, Modbus TCP komunikacija je konfigurisana između glavnog vPLC-a i slave vPLC-a, kao i između slave vPLC-a i I/O. Industrijski kontrolni ciklus slave vPLC-a je postavljen na 5 ms, dok je ciklus glavnog vPLC-a konfiguriran na 20 ms. Svaki glavni vPLC kontrolni ciklus uključivao je jednu instancu komunikacije s podređenim vPLC-om. Nakon produženog operativnog testiranja (14 dana), AGV raspoređivanje je funkcionisalo pouzdano bez prekida rada ili kvarova na skretanju rute. Glavni vPLC je pokazao 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 da podrhtavanje kašnjenja ostane unutar 10%–15% kontrolnog ciklusa. Na osnovu ovih mjerenja, master{17}}slave vPLC edge-kooperativna arhitektura u 5G industrijskim kontrolnim sistemima može podržati kontrolne cikluse od 5 ms ili duže, ispunjavajući zahtjeve performansi za srednje{21}}do{22}}velike-brzine industrijske kontrole. S obzirom na to da trenutna latencija 5G interfejsa ostaje iznad 5 ms, edge{27}}kooperativno rješenje kombinuje prednosti centralizirane implementacije s podrškom za srednje{28}}do-visoke-kontrole brzine, u poređenju sa vPLC šemama s jednom-ivicom implementacije{32}.
Troškovi tradicionalnih PLC rješenja uključuju troškove opreme kao što su glavni PLC-ovi, slave PLC-ovi i 5G DTU-ovi. Rešenje 5G industrijskog upravljačkog sistema obuhvata troškove licenciranja 5G industrijskog UPF softvera i 5G industrijskih kontrolnih gateway-a. U poređenju sa tradicionalnim PLC rešenjima, rešenje 5G industrijskog upravljačkog sistema postiže značajno smanjenje troškova nabavke opreme od preko 50%. Dodatno, 5G industrijski kontrolni sistem podržava objedinjenu orkestraciju. Postavljanje PLC aplikacija, ažuriranja i operacije/održavanje mogu se centralizirati i izvoditi na daljinu, nudeći fleksibilnu skalabilnost i smanjujući vrijeme održavanja i održavanja za preko 80%.
Ukratko, 5G industrijski kontrolni sistem pruža usluge industrijske kontrole PLC-a putem nadogradnje softvera na elementima 5G mreže bez potrebe za hardverskim modifikacijama ili ometanjem postojećih UPF/gateway operacija. Podržava industrijsku kontrolu srednje{3}}do-velike-brzine i nudi prednosti uključujući različite scenarije aplikacija, smanjenje troškova, lakoću održavanja i skalabilnost.
6 Zaključak
S pojavom Četvrte industrijske revolucije, PLC-ovi-suština industrijske kontrole-bore se da zadovolje rastuće zahtjeve industrijskog povezivanja. Integracija ICT-a i OT-a, ubrzavajući konvergenciju tehnologije sa različitim proizvodnim faktorima, ima ogromno obećanje za izgradnju sljedeće-generacije 5G industrijskih kontrolnih sistema. S jedne strane, 5G vPLC pruža jedinstvenu tehničku arhitekturu i mapu puta za PLC-bazirane PLC-ove. S druge strane, izgradnja 5G vPLC tehnološkog ekosistema će potaknuti proizvođače PLC-a da pređu sa hardverskih proizvoda na softverske usluge, otvarajući nove razvojne mogućnosti za domaću PLC tehnologiju i potencijalno narušavajući trenutni tržišni krajolik kojim dominiraju strani igrači s fragmentiranim standardima. Trenutno, 5G industrijski kontrolni sistemi ostaju u svom razvoju. Potrebni su zajednički napori u cijeloj industriji kako bi se uhvatili u koštac s ključnim tehničkim izazovima u oblastima kao što su virtualizacija mikrokernela, determinističko umrežavanje i redundantni hot standby, kontinuirano poboljšavajući i usavršavajući ove sisteme. Istovremeno, jačanje saradnje sa univerzitetima u cilju kultiviranja interdisciplinarnih talenata u industrijskoj automatizaciji i informatizaciji je od suštinskog značaja za pokretanje visokog{14}}razvoja u industrijskoj kontroli.