5G虚拟化PLC技术研究与实践
5G虚拟化PLC技术研究与实践
摘要
随着PLC软件标准化和5G网络的发展,PLC从专用控制设备向软件功能服务转变,工业控制从现场向泛在、从软硬一体向软件定义方向演进。首先,通过分析工业控制系统演进趋势,提出以5G虚拟化PLC为技术底座的新型5G工控系统。其次,分别从架构、关键技术等方面阐述了5G虚拟化PLC的技术特点,并介绍了以5G工业网关为载体开展的5G虚拟化PLC技术实践。最后,展望虚拟化PLC的发展趋势,分析5G虚拟化PLC技术发展面临的挑战。
关键词： 虚拟化PLC; 5G工业控制; 实时虚拟化; “端-边-云”协同
0引言
工业控制是工业生产核心环节。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是工业自动化控制的关键设备,广泛应用于工业、交通、市政等国民经济各个方面。PLC在顺序控制器的基础上引入了微电子、计算机、自动控制和通信技术而形成的工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时计数等顺序控制功能,建立柔性的编程控制系统[1]。传统PLC工控软件与硬件紧密耦合,国外产品占据主要市场份额,存在成本高、可扩展性不足等问题。
1工业控制系统演进趋势
随着控制科学与计算、信息、通信等学科交叉融合,控制理论从经典反馈控制、现代控制向数据驱动的智能控制发展,控制系统从单点控制、网络化控制向基于分布式的云控制演进。通过信息与通信技术(Information and Communications Technology,ICT)与运营技术(Operational Technology,OT)融合创新,传统工业控制系统逐渐向新型工业控制系统演进,具备互联性、可扩展和数据驱动决策等新特点,具体表现为以下两大趋势[1]。
(1)封闭孤立的专用控制架构走向开放解耦的通用控制架构
随着5G、边缘计算等技术的出现与发展,传统ISA-95的五层工业控制架构开始向“端-边-云”三层架构转变。其中控制层PLC演进成为产业各界关注的热点。从技术上看,工控任务从嵌入式专用设备开始向具备实时数据处理能力的云边通用设备迁移。从业务上看,逻辑控制等软实时任务逐渐迁移至边缘或云端集中控制,运动控制等硬实时任务仍留在现场侧设备执行。
(2)单一控制任务处理走向分布式多任务协同处理
传统PLC采取顺序处理的方式处理任务,但控制规模扩张带来任务量增加、任务种类广泛、各任务的优先级差异扩大、任务之间的协同要求变高,尤其是大数据和人工智能技术的引入,传统控制任务和数据驱动的IT任务高效协同必然要求传统控制系统从单节点处理向多节点协同处理转变。
2 5G云化PLC的技术发展路径
伴随ICT发展,尤其是以5G为代表的网络技术发展,5G云化PLC成为解决传统PLC问题的重要手段。以PLC控制任务部署位置为划分依据,当前5G云化PLC存在三大技术发展路径(见图1)。
图1
图1 5G云化PLC的技术发展路径
(1)现场级云化PLC:控制任务部署在工业网关上,适用于现场级中高速控制场景,支持1~5 ms及以上工控周期,具备较高的可靠性,部署成本较低。
(2)边缘级云化PLC:控制任务部署在室内基带处理单元(Building Baseband Unit,BBU)、用户面功能(User Plane Function,UPF)或多接入边缘计算(Multi-Acess Edge Computing,MEC)上,适用于车间或工厂级中低速集中化控制场景,支持20 ms及以上工控周期,部署成本较低。
(3)广域级云化PLC:控制任务部署在中心云服务器上,适用于工厂级低速协同控制场景。利用光纤和确定性网络技术增强,端到端时延可降低至5 ms,但部署成本较高。
目前的5G云化PLC技术路线存在架构不统一、不支持边端协同、PLC应用无法编排等问题,尤其是5G网络服务工业控制面临时延、抖动、可靠性等挑战。针对上述问题,本文提出5G虚拟化PLC技术架构,通过“端-边-云”协同,实现3个“统一”:统一运行环境、统一部署调度和统一开发运维门户。
3 5G虚拟化PLC的技术架构
3.1虚拟化PLC的典型特征
虚拟化技术是一种资源管理技术,通过使用软件技术在计算机硬件上创建抽象层,将单个计算机的硬件资源分成多个虚拟计算机,提升资源利用效率和安全性。虚拟化技术在云计算中被广泛使用,随着虚拟化技术的不断发展与成熟,虚拟化技术也在更多的领域、不同的硬件架构上得以应用[2]。
虚拟化PLC(Virtualization PLC,vPLC)通过创建虚拟化运行环境,实现PLC控制任务与硬件设备分离,进而可将PLC任务部署在各类不同网元设备上。vPLC具备3个典型特征。
(1)PLC软硬解耦:传统PLC采用嵌入式硬件和实时操作系统,软硬件耦合紧密。vPLC通过引入PLC运行环境,由PLC运行环境提供PLC任务的加载、执行和调度,从而实现PLC任务与实时操作系统的解耦。
(2)PLC虚拟运行:在通用硬件上通过虚拟化技术,实现异构操作系统部署运行。PLC运行环境部署在虚拟操作系统上,实现PLC任务与底层硬件的解耦。
(3)PLC编排调度:vPLC本质是PLC软件服务,可在“端-边-云”不同层级的设备上灵活部署和调度,实现资源的优化利用和任务的高效协同。
3.2 虚拟化PLC为5G工业控制系统提供统一的技术底座
5G虚拟化PLC技术通过构建统一的虚拟化运行环境,为5G工业控制系统提供了技术底座。这种统一的技术底座具有以下优势:
(1)统一运行环境:通过虚拟化技术,在不同层级的设备上提供一致的运行环境,使得PLC应用可以在“端-边-云”不同层级之间灵活迁移和部署。
(2)统一部署调度:基于虚拟化技术,可以实现PLC应用的集中管理和调度,提高资源利用率和系统灵活性。
(3)统一开发运维门户:提供统一的开发和运维平台,简化PLC应用的开发、部署和维护过程,降低系统运维成本。
4 5G虚拟化PLC关键技术
4.1 实时虚拟化
实时虚拟化是5G虚拟化PLC的核心技术之一,主要解决虚拟化环境下的实时性问题。实时虚拟化技术通过优化虚拟机监控器(Hypervisor)和调度算法,确保PLC任务在虚拟化环境中的实时响应能力。具体实现方式包括:
(1)硬件辅助虚拟化:利用CPU的硬件虚拟化特性,如Intel VT-x和AMD-V,提高虚拟机的性能和隔离性。
(2)实时调度算法:设计专门的调度算法,确保关键任务的实时性要求得到满足。
(3)资源预留机制:为关键任务预留必要的计算和存储资源,避免资源竞争导致的延迟。
4.2 5G确定性网络
5G确定性网络是实现5G虚拟化PLC的关键网络技术。它通过提供确定性的网络传输服务,确保PLC控制指令的可靠传输和低延迟。具体实现方式包括:
(1)网络切片技术:为工业控制应用创建专用的网络切片,提供隔离的网络资源和服务质量(QoS)保障。
(2)时间敏感网络(TSN):通过TSN技术,实现网络传输的确定性和低延迟,满足工业控制对时间敏感性的要求。
(3)边缘计算:将计算能力下沉到网络边缘,减少数据传输延迟,提高控制指令的实时性。
4.3 “端-边-云”协同编排
“端-边-云”协同编排是5G虚拟化PLC的重要技术特征,通过实现不同层级设备的协同工作,提高系统的整体性能和灵活性。具体实现方式包括:
(1)资源协同:根据任务需求和资源状态,动态分配计算、存储和网络资源,实现资源的最优利用。
(2)任务协同:根据任务的实时性和优先级要求,智能调度任务在不同层级设备上的执行,实现任务的高效协同。
(3)数据协同:通过边缘计算和云计算的协同,实现数据的分布式存储和处理,提高数据处理效率和可靠性。
5 5G虚拟化PLC实践
5.1 试验场景与方案
为了验证5G虚拟化PLC技术的可行性和效果,开展了基于5G工业网关的虚拟化PLC技术试验。试验场景包括工厂自动化、智能制造等典型工业应用场景。试验方案主要包括以下几个方面:
(1)硬件平台:采用支持5G通信和边缘计算的工业网关作为试验平台,搭载高性能处理器和实时操作系统。
(2)软件平台:基于开源虚拟化技术,构建虚拟化PLC运行环境,支持PLC应用的部署和调度。
(3)网络环境:搭建5G网络环境,提供确定性网络服务,确保PLC控制指令的可靠传输。
(4)测试内容:重点测试虚拟化PLC的实时性、可靠性和可扩展性,评估其在实际工业场景中的应用效果。
5.2 系统研发
在试验方案的基础上,进行了系统的研发工作,主要包括以下几个方面:
(1)虚拟化PLC运行环境开发:基于开源虚拟化技术,开发适用于工业控制场景的虚拟化PLC运行环境,支持PLC应用的部署和调度。
(2)5G确定性网络实现:通过网络切片技术和时间敏感网络(TSN),实现5G网络的确定性传输服务,确保PLC控制指令的低延迟和高可靠性。
(3)“端-边-云”协同编排系统开发:开发协同编排系统,实现资源、任务和数据的智能调度和协同工作。
(4)PLC应用开发与测试:开发典型工业控制应用,在试验平台上进行功能和性能测试,验证虚拟化PLC技术的可行性。
5.3 试验效果
试验结果表明,5G虚拟化PLC技术在实时性、可靠性和可扩展性方面均达到了预期目标。具体效果如下:
(1)实时性:通过实时虚拟化技术和5G确定性网络,实现了毫秒级的控制指令传输和响应时间,满足了工业控制的实时性要求。
(2)可靠性:通过网络切片和边缘计算,提高了控制指令传输的可靠性和抗干扰能力,降低了系统故障率。
(3)可扩展性:通过“端-边-云”协同编排,实现了资源的动态分配和任务的灵活调度,提高了系统的可扩展性和灵活性。
6 结束语
5G虚拟化PLC技术是工业控制系统演进的重要方向,通过虚拟化技术实现PLC控制任务与硬件设备的解耦,结合5G确定性网络和“端-边-云”协同编排,为工业控制系统提供了统一的技术底座。虽然5G虚拟化PLC技术在实时性、可靠性和可扩展性方面取得了显著进展,但仍面临一些挑战,如虚拟化环境下的安全问题、跨层级设备的协同优化等。未来,随着5G网络的进一步发展和虚拟化技术的不断创新,5G虚拟化PLC技术将在工业控制领域发挥更加重要的作用。