專題分享丨5G虛擬化PLC技術(shù)研究與實(shí)踐
作者簡介
張悅 中國移動通信有限公司研究院前沿技術(shù)研究員，主要從事工業(yè)協(xié)議、實(shí)時(shí)虛擬化等技術(shù)研究工作。
劉瑋哲 中國移動通信有限公司研究院主任研究員，主要從事實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等技術(shù)研究工作。
房正正 中國移動通信有限公司研究院前沿技術(shù)研究員，主要從事實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等技術(shù)研究工作。
王曦澤 中國移動通信有限公司研究院技術(shù)經(jīng)理，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作。
王小瑩 中國移動通信有限公司研究院前沿技術(shù)研究員，主要從事實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等技術(shù)研究工作。
馬帥 中國移動通信有限公司研究院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究所副所長，主要從事 5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作。
論文引用格式：
張悅, 劉瑋哲, 房正正, 等. 5G虛擬化PLC技術(shù)研究與實(shí)踐[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2023, 49(11): 8-17.
5G虛擬化PLC技術(shù)研究與實(shí)踐
張悅 劉瑋哲 房正正 王曦澤 王小瑩 馬帥
（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）
摘要：隨著PLC軟件標(biāo)準(zhǔn)化和5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PLC從專用控制設(shè)備向軟件功能服務(wù)轉(zhuǎn)變，工業(yè)控制從現(xiàn)場向泛在、從軟硬一體向軟件定義方向演進(jìn)。首先，通過分析工業(yè)控制系統(tǒng)演進(jìn)趨勢，提出以5G虛擬化PLC為技術(shù)底座的新型5G工控系統(tǒng)。其次，分別從架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面闡述了5G虛擬化PLC的技術(shù)特點(diǎn)，并介紹了以5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)為載體開展的5G虛擬化PLC技術(shù)實(shí)踐。最后，展望虛擬化PLC的發(fā)展趨勢，分析5G虛擬化PLC技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞：虛擬化PLC；5G工業(yè)控制；實(shí)時(shí)虛擬化；“端-邊-云”協(xié)同
0 引言
工業(yè)控制是工業(yè)生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是工業(yè)自動化控制的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、市政等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面。PLC在順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子、計(jì)算機(jī)、自動控制和通信技術(shù)而形成的工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的編程控制系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)PLC工控軟件與硬件緊密耦合，國外產(chǎn)品占據(jù)主要市場份額，存在成本高、可擴(kuò)展性不足等問題。
1 工業(yè)控制系統(tǒng)演進(jìn)趨勢
隨著控制科學(xué)與計(jì)算、信息、通信等學(xué)科交叉融合，控制理論從經(jīng)典反饋控制、現(xiàn)代控制向數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能控制發(fā)展，控制系統(tǒng)從單點(diǎn)控制、網(wǎng)絡(luò)化控制向基于分布式的云控制演進(jìn)。通過信息與通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）與運(yùn)營技術(shù)（Operational Technology，OT）融合創(chuàng)新，傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸向新型工業(yè)控制系統(tǒng)演進(jìn)，具備互聯(lián)性、可擴(kuò)展和數(shù)據(jù)驅(qū)動決策等新特點(diǎn),具體表現(xiàn)為以下兩大趨勢[1]。
（1）封閉孤立的專用控制架構(gòu)走向開放解耦的通用控制架構(gòu)
隨著5G、邊緣計(jì)算等技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，傳統(tǒng)ISA-95的五層工業(yè)控制架構(gòu)開始向“端-邊-云”三層架構(gòu)轉(zhuǎn)變。其中控制層PLC演進(jìn)成為產(chǎn)業(yè)各界關(guān)注的熱點(diǎn)。從技術(shù)上看，工控任務(wù)從嵌入式專用設(shè)備開始向具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力的云邊通用設(shè)備遷移。從業(yè)務(wù)上看，邏輯控制等軟實(shí)時(shí)任務(wù)逐漸遷移至邊緣或云端集中控制，運(yùn)動控制等硬實(shí)時(shí)任務(wù)仍留在現(xiàn)場側(cè)設(shè)備執(zhí)行。
（2）單一控制任務(wù)處理走向分布式多任務(wù)協(xié)同處理
傳統(tǒng) PLC 采取順序處理的方式處理任務(wù)，但控制規(guī)模擴(kuò)張帶來任務(wù)量增加、任務(wù)種類廣泛、各任務(wù)的優(yōu)先級差異擴(kuò)大、任務(wù)之間的協(xié)同要求變高，尤其是大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的引入，傳統(tǒng)控制任務(wù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的IT任務(wù)高效協(xié)同必然要求傳統(tǒng)控制系統(tǒng)從單節(jié)點(diǎn)處理向多節(jié)點(diǎn)協(xié)同處理轉(zhuǎn)變。
2 5G云化PLC的技術(shù)發(fā)展路徑
伴隨ICT發(fā)展，尤其是以5G為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，5G云化PLC成為解決傳統(tǒng)PLC問題的重要手段。以PLC控制任務(wù)部署位置為劃分依據(jù)，當(dāng)前5G云化PLC存在三大技術(shù)發(fā)展路徑（見圖1）。
圖1 5G云化PLC的技術(shù)發(fā)展路徑
（1）現(xiàn)場級云化PLC：控制任務(wù)部署在工業(yè)網(wǎng)關(guān)上，適用于現(xiàn)場級中高速控制場景，支持1~5 ms及以上工控周期，具備較高的可靠性，部署成本較低。
（2）邊緣級云化PLC：控制任務(wù)部署在室內(nèi)基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）、用戶面功能（User Plane Function，UPF）或多接入邊緣計(jì)算（Multi-Acess Edge Computing，MEC）上，適用于車間或工廠級中低速集中化控制場景，支持20 ms及以上工控周期，部署成本較低。
（3）廣域級云化PLC：控制任務(wù)部署在中心云服務(wù)器上，適用于工廠級低速協(xié)同控制場景。利用光纖和確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)增強(qiáng)，端到端時(shí)延可降低至5 ms，但部署成本較高。
目前的5G云化PLC技術(shù)路線存在架構(gòu)不統(tǒng)一、不支持邊端協(xié)同、PLC應(yīng)用無法編排等問題，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)工業(yè)控制面臨時(shí)延、抖動、可靠性等挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文提出5G虛擬化PLC技術(shù)架構(gòu)，通過“端-邊-云”協(xié)同，實(shí)現(xiàn)3個(gè)“統(tǒng)一”：統(tǒng)一運(yùn)行環(huán)境、統(tǒng)一部署調(diào)度和統(tǒng)一開發(fā)運(yùn)維門戶。
3 5G虛擬化PLC的技術(shù)架構(gòu)
3.1 虛擬化PLC的典型特征
虛擬化技術(shù)是一種資源管理技術(shù)，通過使用軟件技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件上創(chuàng)建抽象層，將單個(gè)計(jì)算機(jī)的硬件資源分成多個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)，提升資源利用效率和安全性。虛擬化技術(shù)在云計(jì)算中被廣泛使用，隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，虛擬化技術(shù)也在更多的領(lǐng)域、不同的硬件架構(gòu)上得以應(yīng)用[2]。
虛擬化PLC（Virtualization PLC，vPLC）通過創(chuàng)建虛擬化運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)PLC控制任務(wù)與硬件設(shè)備分離，進(jìn)而可將PLC任務(wù)部署在各類不同網(wǎng)元設(shè)備上。vPLC具備3個(gè)典型特征。
（1）PLC軟硬解耦：傳統(tǒng)PLC采用嵌入式硬件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟硬件耦合緊密。vPLC通過引入PLC運(yùn)行環(huán)境，由PLC運(yùn)行環(huán)境提供PLC任務(wù)的加載、執(zhí)行和調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)PLC任務(wù)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的解耦。
（2）PLC虛擬運(yùn)行：在通用硬件上通過虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)操作系統(tǒng)部署運(yùn)行。PLC運(yùn)行環(huán)境部署在虛擬操作系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)PLC任務(wù)與底層硬件的解耦。
（3）PLC編排調(diào)度：vPLC本質(zhì)是PLC軟件服務(wù)，可在“端-邊-云”系統(tǒng)中對其編排部署，也可在運(yùn)行期間進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，提供明顯區(qū)別于傳統(tǒng)PLC的靈活性和可擴(kuò)展性。
與傳統(tǒng)PLC相比，vPLC提高了系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性，降低了設(shè)備和運(yùn)維成本，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)線的更新和重新設(shè)計(jì)[3]。
3.2 虛擬化PLC為5G工業(yè)控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的技術(shù)底座
5G工業(yè)控制系統(tǒng)以vPLC為核心，旨在提供一種控制即服務(wù)（Control as a Service，CaaS）的開放體系架構(gòu)，PLC控制功能可泛在部署、靈活復(fù)用，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即“控”。5G工業(yè)控制系統(tǒng)基于“端-邊-云”協(xié)同的理念進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括運(yùn)行層、服務(wù)層和開發(fā)層（見圖2）。
圖2 5G工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)
（1）運(yùn)行層：基于實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)，在通用硬件上為vPLC提供統(tǒng)一的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。虛擬化支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)混合部署，支持vPLC的動態(tài)擴(kuò)展。
（2）服務(wù)層：負(fù)責(zé)將vPLC部署到不同物理節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對其生命周期進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)PLC工控服務(wù)統(tǒng)一部署和調(diào)度。
（3）開發(fā)層：提供PLC應(yīng)用開發(fā)環(huán)境、編譯、調(diào)試工具，為5G工業(yè)控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的開發(fā)運(yùn)維門戶。
5G工業(yè)控制系統(tǒng)具備多種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。首先，它為3類不同的云化PLC技術(shù)提供統(tǒng)一架構(gòu)。一方面，支持控制中心從現(xiàn)場向邊緣、中心云遷移，擺脫現(xiàn)場環(huán)境對設(shè)備的制約，實(shí)現(xiàn)PLC控制集中化部署。另一方面，端側(cè)vPLC可保障對現(xiàn)場設(shè)備的低時(shí)延控制，支持包括運(yùn)動控制在內(nèi)的各類高實(shí)時(shí)性應(yīng)用。其次，在5G各類網(wǎng)元部署vPLC，為工業(yè)控制提供了“連接+算力+PLC能力”的一體化能力，打造新型的扁平化工業(yè)控制體系，打破傳統(tǒng)工業(yè)控制壟斷生態(tài)。再次，基于通用軟硬件架構(gòu)可以降低工業(yè)控制成本，推動“軟件定義工業(yè)”走向成熟。
4 5G虛擬化PLC關(guān)鍵技術(shù)
4.1 實(shí)時(shí)虛擬化PLC任務(wù)作為操作系統(tǒng)進(jìn)程在操作系統(tǒng)上按照工控周期循環(huán)運(yùn)行，必須在每個(gè)工控周期確保PLC進(jìn)程可以接收外部輸入以及獲得CPU處理時(shí)間。為了提供可靠的PLC控制服務(wù)，操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵因素。實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)是指在通用硬件上通過軟硬件虛擬化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)和非實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)混合部署，支持將多個(gè)嵌入式設(shè)備上的計(jì)算任務(wù)合并到同一個(gè)通用設(shè)備中運(yùn)行。實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)在保障實(shí)時(shí)性的同時(shí)，還可發(fā)揮通用操作系統(tǒng)良好的硬件適配和豐富的應(yīng)用能力，具備降低設(shè)備成本、尺寸、功耗，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備生態(tài)兼容等優(yōu)勢。
目前業(yè)界已有多種虛擬化技術(shù)，主要分為硬件分區(qū)、完全虛擬化、準(zhǔn)虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化等。其中，適合做實(shí)時(shí)虛擬化改造的主要包括以下3種。
（1）硬件分區(qū)：將底層硬件資源劃分成為相互獨(dú)立的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都具有各自獨(dú)立的操作系統(tǒng)。硬件分區(qū)實(shí)時(shí)性好，接近裸機(jī)性能，但無法實(shí)現(xiàn)資源共享，擴(kuò)展性不足，資源利用率較低。尤其是外設(shè)I/O需要事先分區(qū)，無法復(fù)用，提高了技術(shù)成本。
（2）實(shí)時(shí)Linux容器：通過Preemption Patch、Xenomai等方式將Linux從分時(shí)系統(tǒng)改造為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，再通過容器輕量級虛擬化提供資源隔離，為PLC構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)、虛擬化的運(yùn)行環(huán)境。該方案可充分利用Linux成熟的軟硬件生態(tài)，降低PLC軟件移植成本。盡管容器運(yùn)行開銷較低，但改造后Linux內(nèi)核實(shí)時(shí)性仍低于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS），在伺服運(yùn)動控制等場景存在抖動毛刺問題。
（3）微內(nèi)核虛擬化：通過微內(nèi)核作為Type-1的虛擬化軟件（Hypervisor）實(shí)現(xiàn)RTOS與通用操作系統(tǒng)（General Purpose Operating System，GPOS）混合部署。微內(nèi)核相對宏內(nèi)核功能簡化、開銷小、安全性好，可在提供硬件虛擬化同時(shí)提供高實(shí)時(shí)性。目前，該技術(shù)在工業(yè)、汽車車機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢，但存在技術(shù)生態(tài)不成熟、硬件適配難度大等問題。
5G工業(yè)控制系統(tǒng)可依據(jù)不同網(wǎng)元、不同場景選擇不同實(shí)時(shí)虛擬化實(shí)現(xiàn)方式。對于邊緣和云側(cè)vPLC，優(yōu)先選擇實(shí)時(shí)Linux容器技術(shù)。一方面Linux實(shí)時(shí)改造開銷小、部署便捷。另一方面容器編排調(diào)度、冗余備份技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)低。考慮到端側(cè)vPLC實(shí)時(shí)性要求較高以及端邊協(xié)同需要，端側(cè)vPLC優(yōu)先選擇實(shí)時(shí)Linux容器或微內(nèi)核虛擬化方案。
4.2 5G確定性網(wǎng)絡(luò)5G工業(yè)控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)連接提出兩大主要要求。一是極低延遲的空口能力。在工業(yè)運(yùn)動控制、控制器間通信、高速邏輯控制等場景下，控制周期短(1~5 ms)，可靠性要求高(>99.999 9%)，數(shù)據(jù)縱向跨層、橫向跨系統(tǒng)對無線空口性能提出了高要求。二是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)的確定性傳輸。網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的不確定是影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)線性跳躍系統(tǒng)建模可以補(bǔ)償不穩(wěn)定的隨機(jī)延遲，但仍難以滿足實(shí)時(shí)控制性能需求[4]。
確定性網(wǎng)絡(luò)是一種能夠?yàn)橛脩籼峁┐_定性服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)，具備靈活切換確定性服務(wù)和非確定性服務(wù)、自主控制提供確定性服務(wù)質(zhì)量等級的能力。典型的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如表1所示。綜合來看，確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要路徑。5G確定性網(wǎng)絡(luò)（5G Deterministic Networking，5GDN）采用高精度時(shí)鐘同步、流量整形、資源預(yù)留等技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)切片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)確定性帶寬、確定性時(shí)延和99.999 9%的連接可靠性，打造可預(yù)期、可規(guī)劃、可驗(yàn)證，有確定性能力的無線網(wǎng)絡(luò)，提供“差異化+確定性”的業(yè)務(wù)體驗(yàn)[5]。5G確定性網(wǎng)絡(luò)結(jié)合現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)端到端確定性控制[6]。
表1 典型確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
4.3 “端-邊-云”協(xié)同編排
通過實(shí)時(shí)虛擬化，傳統(tǒng)PLC硬件設(shè)備變成與硬件解耦的PLC軟件服務(wù)。在5G云邊端架構(gòu)中，需要對PLC軟件服務(wù)進(jìn)行靈活部署，因此需要提供vPLC統(tǒng)一編排調(diào)度平臺。
vPLC編排調(diào)度支持將vPLC以容器或虛擬機(jī)的方式部署到5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G工業(yè)基站、5G工業(yè)UPF以及MEC等網(wǎng)元上。編排方式包括計(jì)算芯片與 IO 芯片的互連（Controller to IO，C2IO）和計(jì)算芯片之間的互連（Controller to Controller，C2C）兩種類型。C2IO指PLC到IO的通信，包含主PLC到IO和從 PLC到IO 兩種情況。C2C指PLC到PLC的通信,主要是主PLC對從PLC的控制。典型場景下，云端部署生產(chǎn)控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、企業(yè)信息化管理系統(tǒng)等。邊緣側(cè)主要部署主PLC,負(fù)責(zé)與云端系統(tǒng)對接，以C2C類型生成并向部署在端側(cè)的從PLC下發(fā)控制指令。端側(cè)從PLC主要負(fù)責(zé)C2IO通信，接收邊緣主PLC控制指令，控制現(xiàn)場側(cè)IO設(shè)備。
與Kubernetes、Kubevirt等編排系統(tǒng)不同，vPLC具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性要求，普通容器或虛擬機(jī)的編排難以滿足苛刻的工控周期要求。對vPLC的編排調(diào)度需要犧牲部分伸縮性，以換取更高的實(shí)時(shí)性和可靠性。其中，vPLC冗余熱備是編排調(diào)度的核心組成部分。5G vPLC編排調(diào)度模型如圖3所示。
圖3 5G vPLC編排調(diào)度模型
5 5G虛擬化PLC實(shí)踐
5.1 試驗(yàn)場景與方案為推動5G與工業(yè)深度融合，中國移動聯(lián)合產(chǎn)業(yè)合作伙伴開展5G vPLC的技術(shù)實(shí)踐，目前已在十余家工業(yè)企業(yè)驗(yàn)證應(yīng)用。以某典型客戶為例，中國移動為該客戶在生產(chǎn)車間部署了5G網(wǎng)絡(luò)，為自動導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）物料搬運(yùn)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。業(yè)務(wù)需要根據(jù)不同類型的物料，由業(yè)務(wù)平臺規(guī)劃AGV不同移動路徑，指引AGV在立庫和不同工段間移動。
針對該場景需求，5G工控系統(tǒng)搭建了“主vPLC-從vPLC”端邊協(xié)同架構(gòu)（見圖4）。在邊緣側(cè)，主vPLC部署在UPF上，實(shí)現(xiàn)PLC的集中化部署。主vPLC負(fù)責(zé)接收制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）下發(fā)的任務(wù)指令，將任務(wù)封裝成控制指令，發(fā)送給AGV攜帶的從vPLC，同時(shí)接收從vPLC執(zhí)行過程中的反饋信息。在現(xiàn)場側(cè)，從vPLC部署在5G工控網(wǎng)關(guān)上，實(shí)現(xiàn)對PLC和5G 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（Data Terminal Unit，DTU）的“二合一”替換。一方面，從vPLC負(fù)責(zé)接收到主vPLC發(fā)送的控制指令，通過傳感器控制AGV的驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確的移動和定位。另一方面，當(dāng)AGV到達(dá)目的地，從vPLC將任務(wù)執(zhí)行結(jié)果反饋給主vPLC，上報(bào)任務(wù)完成情況。
圖4 應(yīng)用場景示意圖
5.2 系統(tǒng)研發(fā)
采用實(shí)時(shí)容器技術(shù)分別在5G UPF和工業(yè)網(wǎng)關(guān)上部署vPLC，將其改造成5G工業(yè)UPF和5G工控網(wǎng)關(guān)，主要配置如表2所示。
表2 UPF和網(wǎng)關(guān)軟硬件配置
5G工業(yè)UPF、5G工控網(wǎng)關(guān)與編排平臺組成如圖5所示的系統(tǒng)架構(gòu)，其中主要的研發(fā)工作如下。
圖5 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖
（1）Linux內(nèi)核改造首先，通過集成Preempt-RT補(bǔ)丁將UPF、網(wǎng)關(guān)原有內(nèi)核改造成實(shí)時(shí)內(nèi)核，改造后的內(nèi)核版本分別為Linux 4.18.16-rt和Linux 4.4.167-rt。在高負(fù)載情況下，改造前后進(jìn)程處理最大時(shí)延可從8 ms降至500 μs。其次，配置CPU資源隔離將實(shí)時(shí)任務(wù)常駐特定CPU核心，降低任務(wù)切換開銷，將進(jìn)程處理最大時(shí)延抖動進(jìn)一步降到300 μs以下。再次，設(shè)計(jì)中斷路由，將外設(shè)中斷響應(yīng)路由到其他CPU核心上處理，降低對實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行的干擾。通過上述Linux內(nèi)核改造，進(jìn)程處理最大時(shí)延抖動可降到100 μs以下（見圖6、圖7）。
圖6 Linux內(nèi)核改造前進(jìn)程處理時(shí)延
圖7 Linux內(nèi)核改造后進(jìn)程處理時(shí)延
（2）PLC-runtime容器化為了支持PLC動態(tài)擴(kuò)展，需要為PLC-runtime構(gòu)建容器虛擬運(yùn)行環(huán)境。首先，基于Alpine構(gòu)建PLC容器鏡像，主要包括PLC-runtime和32/64位動態(tài)鏈接庫集成。目前，系統(tǒng)已經(jīng)適配兩款國產(chǎn)PLC-runtime。其次，創(chuàng)建vPLC實(shí)例對應(yīng)的容器卷，用于PLC容器運(yùn)行期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)持久化。再次，PLC容器運(yùn)行期間需要訪問主機(jī)外設(shè)資源。對于RS232/485、CAN等外設(shè)接口，通過驅(qū)動設(shè)備文件映射的方式訪問。對于IP網(wǎng)絡(luò)接口，通過端口映射的方式訪問，主要映射的端口包括PLC程序下裝接口以及總線外部服務(wù)端口，比如Modbus TCP從站對外服務(wù)端口等。
（3）vPLC編排為了支持UPF和網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一編排，降低網(wǎng)關(guān)資源開銷,采用B/S架構(gòu)開發(fā)輕量級編排系統(tǒng)。用戶通過瀏覽器進(jìn)行前端操作，后端分為管理模塊和編排模塊實(shí)現(xiàn)PLC容器編排部署。管理模塊部署在服務(wù)器上，主要提供Web訪問、容器鏡像下載、配置和監(jiān)測PLC容器等功能。編排模塊分別部署在UPF和網(wǎng)關(guān)上，主要提供容器鏡像拉取、容器環(huán)境配置、運(yùn)行管理等功能。管理模塊和編排模塊通過HTTP相互通信。以容器運(yùn)行監(jiān)測為例，編排模塊通過Docker Client定時(shí)與本機(jī)Docker服務(wù)通信，獲取容器運(yùn)行狀態(tài)信息，然后上報(bào)給管理模塊，當(dāng)管理模塊發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常時(shí)進(jìn)行異常處理。vPLC編排系統(tǒng)界面如圖8所示。
圖8 虛擬化PLC編排系統(tǒng)界面
5.3 試驗(yàn)效果
完成5G工業(yè)UPF和5G工控網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場部署后，配置主vPLC與從vPLC、從vPLC與IO采用Modbus TCP通信，將從vPLC工控周期配置為5 ms，主vPLC工控周期為20 ms，主vPLC每個(gè)工控周期包含一次與從vPLC的通信。經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行測試（14 D），AGV調(diào)度運(yùn)行良好，未發(fā)生停機(jī)或路線偏移故障。測得主vPLC平均執(zhí)行時(shí)間為457 μs，最大執(zhí)行時(shí)間為599 μs，最大抖動為532 μs（見圖9）。在工業(yè)控制中,一般要求時(shí)延抖動控制在工控周期10%~15%以內(nèi)。據(jù)此測算5G工控系統(tǒng)采用主從vPLC端邊協(xié)同架構(gòu),可以支持5 ms及以上的工控周期，滿足中高速工業(yè)控制性能需要。由于目前5G口空延遲仍在5 ms以上，相比vPLC邊緣側(cè)單一部署方案，端邊協(xié)同方案實(shí)現(xiàn)了集中化部署和支持中高速控制兩大優(yōu)勢的結(jié)合。
圖9 虛擬化PLC性能測量
傳統(tǒng)PLC方案成本包括主PLC、從PLC、5G DTU等設(shè)備成本，5G工業(yè)控制系統(tǒng)方案包含5G工業(yè)UPF軟件授權(quán)和5G工控網(wǎng)關(guān)的成本，5G工業(yè)控制系統(tǒng)方案相比于傳統(tǒng)PLC方案的成本投入，設(shè)備采購價(jià)格顯著降低50%以上。另外，5G工業(yè)控制系統(tǒng)支持統(tǒng)一編排，PLC應(yīng)用下裝、更新、運(yùn)維均可以集中化遠(yuǎn)程進(jìn)行，擴(kuò)展靈活，運(yùn)維時(shí)間縮短80%以上。
綜上所述，5G工控系統(tǒng)在5G網(wǎng)元上通過軟件升級即可提供PLC工業(yè)控制服務(wù)，無需硬件改造，不干擾UPF或網(wǎng)關(guān)的已有業(yè)務(wù)，支持中高速工業(yè)控制，具有應(yīng)用場景豐富、成本降低、易維護(hù)、可擴(kuò)展等優(yōu)勢。
6 結(jié)束語
隨著第四次工業(yè)革命到來，作為工業(yè)控制核心的PLC已難以滿足工業(yè)互聯(lián)發(fā)展需要。推動ICT與OT融合創(chuàng)新，加速技術(shù)與各類生產(chǎn)要素的融通，構(gòu)建新型5G工業(yè)控制系統(tǒng)前景廣闊。一方面，5G vPLC為5G云化PLC提供了統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和技術(shù)路徑，另一方面構(gòu)建5G vPLC技術(shù)生態(tài)將激勵(lì)PLC廠商從硬件產(chǎn)品向軟件服務(wù)轉(zhuǎn)型，為國產(chǎn)PLC技術(shù)提供了新的發(fā)展空間，有望打破現(xiàn)有PLC“七國八制、國外壟斷”的市場格局。當(dāng)前，5G工業(yè)控制系統(tǒng)仍處在發(fā)展初期，需要聯(lián)合產(chǎn)業(yè)各方力量在微內(nèi)核虛擬化、確定性網(wǎng)絡(luò)、冗余熱備等關(guān)鍵方面做技術(shù)攻關(guān)，不斷提升完善5G工業(yè)控制系統(tǒng)。同時(shí)，需加強(qiáng)與高校合作，培養(yǎng)工業(yè)自動化與信息化復(fù)合技術(shù)人才，推動工業(yè)控制高質(zhì)量發(fā)展。
Research and practice of 5G virtualization PLC technology
ZHANG Yue, LIU Weizhe, FANG Zhengzheng, WANG Xize, WANG Xiaoying, Ma Shuai
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)
Abstract: With standardization of Programmable Logic Controller (PLC) software and the development of 5G networks, PLCs are transforming from dedicated control devices to providing software services. Industrial control is moving from the field to ubiquity, and from hardware-software integration to software-defined development. This paper proposes a new 5G industrial control system based on 5G virtualization PLC as the technical foundation by analyzing the evolution trend of industrial control systems. Then, it expounds the technical characteristics of 5G virtualization PLC from architecture and key technologies, and introduces the technology practice of 5G virtualization PLC carried out with 5G industrial control gateway. Finally, it looks forward to the development trend of virtualization PLC and analyzes the challenges faced by the development of 5G virtualization PLC technology.Keywords: virtualization PLC; 5G industrial control; real-time virtualization; end-edge-cloud collaboration
本文刊于《信息通信技術(shù)與政策》2023年 第11期
主辦：中國信息通信研究院
《信息通信技術(shù)與政策》是工業(yè)和信息化部主管、中國信息通信研究院主辦的專業(yè)學(xué)術(shù)期刊。本刊定位于“信息通信技術(shù)前沿的風(fēng)向標(biāo)，信息社會政策探究的思想庫”，聚焦信息通信領(lǐng)域技術(shù)趨勢、公共政策、國家/產(chǎn)業(yè)/企業(yè)戰(zhàn)略，發(fā)布前沿研究成果、焦點(diǎn)問題分析、熱點(diǎn)政策解讀等，推動5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展，引導(dǎo)國家技術(shù)戰(zhàn)略選擇與產(chǎn)業(yè)政策制定，搭建產(chǎn)、學(xué)、研、用的高端學(xué)術(shù)交流平臺。
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