5G虚拟化PLC技术研究与实践

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5G虚拟化PLC技术研究与实践

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CSDN

https://blog.csdn.net/weixin_70923796/article/details/136751163

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。本文首先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。

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。