Giới thiệu
Kiểm soát công nghiệp là một thành phần cốt lõi của sản xuất công nghiệp. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đóng vai trò là thiết bị chính trong điều khiển tự động hóa công nghiệp, được áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc gia bao gồm công nghiệp, giao thông vận tải và dịch vụ đô thị. PLC là thiết bị điều khiển công nghiệp được phát triển bằng cách tích hợp vi điện tử, công nghệ máy tính, điều khiển tự động và công nghệ truyền thông vào bộ điều khiển tuần tự. Mục đích của chúng là thay thế rơle, thực hiện logic, định thời, đếm và các chức năng điều khiển tuần tự khác, từ đó thiết lập các hệ thống điều khiển khả trình linh hoạt [1]. Phần mềm điều khiển công nghiệp PLC truyền thống được kết hợp chặt chẽ với phần cứng và các sản phẩm nước ngoài chiếm lĩnh thị phần, gây ra các vấn đề như chi phí cao và khả năng mở rộng không đủ.
1. Xu hướng tiến hóa trong hệ thống điều khiển công nghiệp
Khi khoa học điều khiển hội tụ với các nguyên tắc điện toán, thông tin và truyền thông, lý thuyết điều khiển sẽ phát triển từ điều khiển phản hồi cổ điển và điều khiển hiện đại sang điều khiển thông minh dựa trên dữ liệu. Hệ thống điều khiển chuyển từ điều khiển-một điểm và điều khiển nối mạng sang điều khiển dựa trên-đám mây phân tán. Thông qua việc tích hợp đổi mới Công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) với Công nghệ vận hành (OT), các hệ thống điều khiển công nghiệp truyền thống đang dần phát triển thành các hệ thống điều khiển công nghiệp mới. Các hệ thống mới này có tính năng kết nối với nhau, khả năng mở rộng và đưa ra quyết định-theo hướng dữ liệu-, thể hiện ở hai xu hướng chính:
(1) Chuyển đổi từ Kiến trúc điều khiển chuyên dụng khép kín, biệt lập sang Kiến trúc điều khiển mục đích chung, mở và tách rời-
Với sự xuất hiện và tiến bộ của các công nghệ như 5G và điện toán biên, kiến trúc điều khiển công nghiệp ISA-95 năm lớp truyền thống đang chuyển sang cấu trúc ba-lớp "cuối-cạnh-đám mây". Trong số này, sự phát triển của lớp điều khiển PLC đã trở thành tâm điểm trong toàn ngành. Về mặt công nghệ, các tác vụ điều khiển công nghiệp đang chuyển từ các thiết bị chuyên dụng được nhúng sang các thiết bị có mục đích chung-cạnh{10}}trên đám mây có khả năng xử lý dữ liệu theo thời gian thực. Về mặt vận hành, các tác vụ thời gian thực mềm như điều khiển logic ngày càng được tập trung ở biên hoặc đám mây, trong khi các tác vụ cứng theo thời gian thực như điều khiển chuyển động vẫn được thực thi trên các thiết bị hiện trường.
(2) Chuyển đổi từ xử lý tác vụ-đơn sang cộng tác đa tác vụ phân tán-
PLC truyền thống sử dụng xử lý tuần tự cho các nhiệm vụ. Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô kiểm soát sẽ làm tăng khối lượng và tính đa dạng của nhiệm vụ, mở rộng sự khác biệt về mức độ ưu tiên giữa các nhiệm vụ và nâng cao yêu cầu cộng tác. Đặc biệt với sự ra đời của công nghệ dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo, sự cộng tác hiệu quả giữa các nhiệm vụ kiểm soát truyền thống và các nhiệm vụ CNTT-theo hướng dữ liệu đòi hỏi phải chuyển từ xử lý-nút đơn sang xử lý cộng tác nhiều{4}}nút trong các hệ thống điều khiển truyền thống.
Lộ trình phát triển kỹ thuật PLC dựa trên nền tảng đám mây 2.5G-
Được thúc đẩy bởi những tiến bộ về CNTT-đặc biệt là các công nghệ mạng như PLC dựa trên đám mây 5G-5G{6}}đã nổi lên như một giải pháp chính cho những hạn chế của PLC truyền thống. Dựa trên vị trí triển khai các nhiệm vụ điều khiển PLC, các PLC dựa trên đám mây 5G hiện tại đi theo ba lộ trình phát triển kỹ thuật chính:
(1) PLC dựa trên đám mây-cấp đám mây{2}}trường: Nhiệm vụ điều khiển được triển khai trên các cổng công nghiệp, phù hợp với các kịch bản kiểm soát tốc độ trung bình-đến{4}}cao{5}}ở cấp hiện trường. Nó hỗ trợ các chu kỳ điều khiển công nghiệp từ 1–5 ms trở lên, mang lại độ tin cậy cao và chi phí triển khai thấp.
(2) PLC dựa trên nền tảng đám mây cấp độ-đám mây biên-cạnh: Các tác vụ điều khiển được triển khai trên các bộ xử lý băng tần cơ sở trong nhà (BBU), chức năng mặt phẳng người dùng (UPF) hoặc nền tảng điện toán biên đa truy cập (MEC). Thích hợp cho các kịch bản kiểm soát tập trung ở cấp độ xưởng hoặc nhà máy-với tốc độ trung bình-đến{7}}thấp, hỗ trợ các chu kỳ điều khiển công nghiệp từ 20 mili giây trở lên với chi phí triển khai thấp.
(3) PLC dựa trên đám mây-khu vực rộng{2}}: Các tác vụ điều khiển được triển khai trên máy chủ đám mây trung tâm, phù hợp với các kịch bản điều khiển cộng tác tốc độ thấp ở cấp nhà máy. Được cải tiến bằng cáp quang và công nghệ mạng xác định, độ trễ từ đầu đến cuối có thể giảm xuống 5 mili giây nhưng chi phí triển khai sẽ cao hơn.
Công nghệ PLC dựa trên đám mây 5G-hiện tại phải đối mặt với những thách thức bao gồm kiến trúc không nhất quán, thiếu hỗ trợ cộng tác cuối- biên và không có khả năng điều phối các ứng dụng PLC. Đặc biệt, các mạng 5G phục vụ điều khiển công nghiệp gặp phải các vấn đề về độ trễ, giật hình và độ tin cậy. Để giải quyết những vấn đề này, bài viết này đề xuất kiến trúc kỹ thuật PLC ảo hóa 5G. Thông qua cộng tác "end{8}}edge{9}}cloud", nó đạt được ba sự thống nhất: môi trường thời gian chạy hợp nhất, lập kế hoạch triển khai thống nhất cũng như cổng vận hành và phát triển hợp nhất.
3. Kiến trúc kỹ thuật của PLC ảo hóa 5G
3.1 Đặc điểm điển hình của PLC ảo hóa
Công nghệ ảo hóa là một kỹ thuật quản lý tài nguyên tạo ra lớp trừu tượng trên phần cứng máy tính bằng phần mềm. Điều này chia tài nguyên phần cứng của một máy tính thành nhiều máy ảo, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và bảo mật. Được áp dụng rộng rãi trong điện toán đám mây, công nghệ ảo hóa tiếp tục phát triển và trưởng thành, mở rộng ứng dụng trên nhiều lĩnh vực và kiến trúc phần cứng đa dạng.
Ảo hóa PLC (vPLC) tạo ra môi trường thời gian chạy ảo hóa, tách các tác vụ điều khiển PLC khỏi phần cứng vật lý. Điều này cho phép triển khai các tác vụ PLC trên nhiều thiết bị phần tử mạng khác nhau. vPLC thể hiện ba đặc điểm chính:
(1) Phần mềm PLC-Tách phần cứng:PLC truyền thống sử dụng phần cứng nhúng và hệ điều hành{0}}thời gian thực với sự kết nối phần cứng-phần mềm chặt chẽ. vPLC giới thiệu môi trường thời gian chạy PLC xử lý việc tải, thực thi và lập lịch tác vụ, từ đó tách các tác vụ PLC khỏi hệ điều hành theo thời gian thực.
(2) Thực thi PLC ảo:Công nghệ ảo hóa cho phép triển khai và vận hành các hệ điều hành không đồng nhất trên phần cứng có mục đích chung. Môi trường thời gian chạy PLC chạy trên hệ điều hành ảo, tách các tác vụ PLC khỏi phần cứng cơ bản.
(3) Điều phối và lập kế hoạch PLC:Về cốt lõi, vPLC hoạt động như một dịch vụ phần mềm PLC. Nó có thể được điều phối và triển khai trong các hệ thống "đám mây{1}}cạnh" và được lên lịch động trong thời gian chạy, mang lại tính linh hoạt và khả năng mở rộng khác biệt rõ rệt so với PLC truyền thống.
So với PLC truyền thống, vPLC tăng cường tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống, giảm chi phí thiết bị và vận hành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc nâng cấp và thiết kế lại dây chuyền sản xuất.
3.2 PLC ảo hóa cung cấp nền tảng kỹ thuật thống nhất cho hệ thống điều khiển công nghiệp 5G
Tập trung vào vPLC, hệ thống điều khiển công nghiệp 5G nhằm mục đích cung cấp kiến trúc Điều khiển mở-dưới dạng-một-Dịch vụ (CaaS). Các chức năng điều khiển PLC có thể được triển khai ở mọi nơi và tái sử dụng linh hoạt, cho phép điều khiển thiết bị cắm-và-chạy trên các mạng không đồng nhất. Kiến trúc của hệ thống được thiết kế dựa trên khái niệm cộng tác "end{8}}edge{9}}cloud", bao gồm các lớp vận hành, dịch vụ và phát triển.
(1) Lớp thời gian chạy: Dựa trên công nghệ ảo hóa-thời gian thực, nó cung cấp một môi trường thời gian chạy-thời gian thực thống nhất cho vPLC trên phần cứng-có mục đích chung. Ảo hóa hỗ trợ triển khai hỗn hợp các hệ điều hành-thời gian thực và không{6}}thời gian thực-, cho phép mở rộng quy mô linh hoạt của vPLC.
(2) Lớp dịch vụ: Chịu trách nhiệm triển khai vPLC trên các nút vật lý khác nhau trong khi quản lý vòng đời của chúng, đạt được việc triển khai và lập kế hoạch thống nhất các dịch vụ điều khiển công nghiệp PLC.
(3) Lớp phát triển: Cung cấp các môi trường phát triển ứng dụng PLC, các công cụ biên dịch và gỡ lỗi, cung cấp cổng vận hành và phát triển thống nhất cho các hệ thống điều khiển công nghiệp 5G.
Hệ thống điều khiển công nghiệp 5G tự hào có nhiều ưu điểm kỹ thuật. Đầu tiên, nó cung cấp kiến trúc thống nhất cho ba công nghệ PLC dựa trên đám mây-riêng biệt. Một mặt, nó hỗ trợ di chuyển các trung tâm điều khiển từ hiện trường sang đám mây biên hoặc trung tâm, giải phóng khả năng điều khiển PLC khỏi các ràng buộc do môi trường hiện trường áp đặt và cho phép triển khai tập trung. Mặt khác, vPLC bên{5}}cạnh đảm bảo khả năng kiểm soát độ trễ-thấp của các thiết bị hiện trường, hỗ trợ nhiều ứng dụng-thời gian thực-cao khác nhau, bao gồm cả điều khiển chuyển động. Thứ hai, việc triển khai vPLC trên các thành phần mạng 5G đa dạng mang lại khả năng tích hợp “kết nối + sức mạnh tính toán + chức năng PLC” cho điều khiển công nghiệp. Điều này tạo ra một hệ thống kiểm soát công nghiệp mới, phẳng, phá vỡ sự độc quyền của hệ sinh thái kiểm soát công nghiệp truyền thống. Thứ ba, việc tận dụng kiến trúc phần mềm/phần cứng phổ quát giúp giảm chi phí kiểm soát công nghiệp, đẩy nhanh quá trình trưởng thành của "ngành công nghiệp được xác định bằng phần mềm".
4 công nghệ chủ chốt của PLC ảo hóa 5G
4.1 Ảo hóa thời gian thực{1}}
Các tác vụ PLC chạy như các quy trình của hệ điều hành theo chu kỳ theo chu kỳ điều khiển công nghiệp. Mỗi chu kỳ phải đảm bảo quy trình PLC nhận được đầu vào bên ngoài và có được thời gian xử lý của CPU. Khả năng-thời gian thực của hệ điều hành là rất quan trọng để cung cấp các dịch vụ điều khiển PLC đáng tin cậy. Công nghệ ảo hóa thời gian thực-cho phép đồng-triển khai các tác vụ tính toán theo thời gian thực-và không-thời gian thực-trên phần cứng có mục đích chung-thông qua ảo hóa phần mềm/phần cứng. Nó hỗ trợ hợp nhất các tác vụ tính toán từ nhiều thiết bị nhúng vào một thiết bị có mục đích chung duy nhất. Trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất theo thời gian thực, công nghệ này tận dụng khả năng thích ứng phần cứng mạnh mẽ và khả năng ứng dụng phong phú của hệ điều hành phổ quát. Nó mang lại những lợi ích như giảm chi phí, kích thước và mức tiêu thụ điện năng của thiết bị, đồng thời đạt được khả năng tương thích trên các hệ sinh thái thiết bị không đồng nhất.
Hiện tại, ngành này sử dụng nhiều kỹ thuật ảo hóa khác nhau, chủ yếu được phân loại thành phân vùng phần cứng, ảo hóa hoàn toàn, ảo hóa song song và ảo hóa hệ điều hành. Trong số này, ba cách tiếp cận sau đây phù hợp nhất cho việc điều chỉnh-ảo hoá theo thời gian thực:
(1) Phân vùng phần cứng:Chia tài nguyên phần cứng cơ bản thành các phân vùng độc lập, mỗi phân vùng chạy hệ điều hành riêng. Phân vùng phần cứng mang lại hiệu suất-thời gian thực tuyệt vời, gần đạt mức-kim loại trần nhưng thiếu khả năng chia sẻ tài nguyên, khả năng mở rộng hạn chế và thể hiện mức sử dụng tài nguyên thấp. Đáng chú ý là I/O ngoại vi yêu cầu phải phân vùng trước-và không thể sử dụng lại, điều này làm tăng độ phức tạp về mặt kỹ thuật.
(2) Vùng chứa Linux-thời gian thực:Sửa đổi Linux từ hệ thống-chia sẻ thời gian thành hệ thống-thời gian thực bằng cách sử dụng các phương pháp như Bản vá ưu tiên hoặc Xenomai. Sau đó, tận dụng tính năng ảo hóa vùng chứa hạng nhẹ để tách biệt tài nguyên, tạo môi trường thời gian chạy ảo hóa,-thời gian thực cho PLC. Cách tiếp cận này tận dụng tối đa hệ sinh thái phần cứng và phần mềm hoàn thiện của Linux, giảm chi phí chuyển đổi phần mềm PLC. Mặc dù các bộ chứa có chi phí hoạt động thấp nhưng hiệu suất theo thời gian thực của nhân Linux đã sửa đổi- vẫn kém hơn so với các hệ điều hành thời gian thực-chuyên dụng (RTOS), dẫn đến hiện tượng giật hình và trục trặc trong các tình huống như điều khiển chuyển động servo.
(3) Ảo hóa vi hạt nhân:Triển khai RTOS và các hệ điều hành có mục đích chung (GPOS) trong cấu hình kết hợp sử dụng vi nhân làm trình giám sát loại-1. Hạt nhân vi mô cung cấp chức năng đơn giản hóa, chi phí thấp hơn và bảo mật nâng cao so với hạt nhân nguyên khối, cho phép cả ảo hóa phần cứng và hiệu suất thời gian thực cao. Công nghệ này đang tích cực phát triển trong các lĩnh vực công nghiệp, thông tin giải trí ô tô và robot, mặc dù các thách thức bao gồm hệ sinh thái kỹ thuật chưa trưởng thành và khả năng thích ứng phần cứng phức tạp.
Hệ thống điều khiển công nghiệp 5G có thể chọn các phương pháp ảo hóa-thời gian thực khác nhau dựa trên các thành phần mạng và kịch bản ứng dụng. Đối với các vPLC dựa trên nền tảng đám mây và biên,-công nghệ bộ chứa Linux theo thời gian thực là lựa chọn ưu tiên. Một mặt, việc sửa đổi theo thời gian thực-của Linux có chi phí thấp và tạo điều kiện triển khai dễ dàng. Mặt khác, các công nghệ lập kế hoạch điều phối container và sao lưu dự phòng đã hoàn thiện nên ít gây rủi ro. Xem xét các yêu cầu cao về-thời gian thực của vPLC bên{10}}cạnh và nhu cầu cộng tác bên{11}}cạnh, vPLC bên{12}}cạnh nên ưu tiên các bộ chứa Linux thời gian thực hoặc các giải pháp ảo hóa vi nhân.
4.2 5G Mạng xác định
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%) yêu cầu hiệu suất giao diện không dây cao để truyền dữ liệu qua các lớp theo chiều dọc và hệ thống theo chiều ngang. Thứ hai, truyền dữ liệu xác định trong môi trường mạng không đồng nhất. Sự không chắc chắn về độ trễ do mạng- gây ra là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ thống điều khiển. Mô hình hóa hệ thống nhảy-tuyến tính mạng hiện tại có thể bù đắp cho độ trễ ngẫu nhiên không ổn định nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc đáp ứng-nhu cầu về hiệu suất kiểm soát thời gian thực.
Mạng xác định cung cấp cho người dùng chất lượng dịch vụ (QoS) được đảm bảo, có tính năng chuyển đổi linh hoạt giữa các dịch vụ xác định và không{0}} xác định cũng như khả năng kiểm soát tự động đối với các cấp QoS. Các công nghệ mạng xác định điển hình được trình bày trong Bảng 1. Nhìn chung, mạng xác định đại diện cho con đường chính để hiện thực hóa các hệ thống điều khiển công nghiệp 5G. 5Mạng xác định G (5GDN) sử dụng-các kỹ thuật đồng bộ hóa đồng hồ có độ chính xác cao, định hình lưu lượng truy cập và đặt trước tài nguyên trên cơ sở phân chia mạng 5G để cung cấp băng thông xác định, độ trễ xác định và Độ tin cậy kết nối 99,9999%. Điều này tạo ra một mạng không dây có thể dự đoán, có thể lập kế hoạch, có thể kiểm chứng với các khả năng xác định, mang lại trải nghiệm dịch vụ "khác biệt + xác định" [5]. Khi được tích hợp với mạng hiện trường và công nghệ điện toán biên, Mạng xác định 5G cho phép kiểm soát xác định từ đầu đến cuối.
4.3 Phối hợp cộng tác "End{1}}Edge-Cloud"
Thông qua ảo hóa-thời gian thực, các thiết bị phần cứng PLC truyền thống được chuyển đổi thành các dịch vụ phần mềm PLC-tách rời phần cứng. Trong kiến trúc cuối-cạnh{5}}đám mây 5G, cần phải triển khai linh hoạt các dịch vụ phần mềm PLC, đòi hỏi phải có nền tảng lập lịch và điều phối vPLC thống nhất.
Việc điều phối và lập lịch vPLC hỗ trợ triển khai vPLC dưới dạng bộ chứa hoặc máy ảo trên các thành phần mạng như cổng công nghiệp 5G, trạm gốc công nghiệp 5G, UPF công nghiệp 5G và MEC. Các phương thức phối hợp bao gồm hai loại: kết nối giữa các chip máy tính và chip I/O (Bộ điều khiển đến IO, C2IO) và kết nối giữa các chip máy tính (Bộ điều khiển đến Bộ điều khiển, C2C). C2IO đề cập đến giao tiếp PLC-với-IO, bao gồm cả kịch bản PLC chính-với-IO và PLC phụ-với-IO. C2C biểu thị giao tiếp PLC-với-PLC, chủ yếu liên quan đến việc điều khiển PLC chính đối với các PLC phụ. Trong các tình huống điển hình, đám mây lưu trữ các hệ thống kiểm soát sản xuất, phần mềm công nghiệp và hệ thống quản lý thông tin doanh nghiệp. Biên chủ yếu triển khai các PLC chính chịu trách nhiệm giao tiếp với các hệ thống đám mây. Các PLC chính này tạo ra các lệnh điều khiển C2C và phân phối chúng đến các PLC phụ được triển khai ở biên. PLC phụ bên biên-chủ yếu xử lý giao tiếp C2IO, nhận các lệnh điều khiển từ PLC chính biên để quản lý các thiết bị I/O bên{25}}biên trường.
Không giống như các hệ thống điều phối như Kubernetes hay Kubevirt, vPLC yêu cầu độ tin cậy và hiệu suất theo thời gian thực-cao. Bộ điều phối máy ảo hoặc bộ chứa tiêu chuẩn gặp khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu chu trình nghiêm ngặt của kiểm soát công nghiệp. Việc điều phối và lập lịch vPLC đòi hỏi phải hy sinh một số khả năng mở rộng để đạt được hiệu suất và độ tin cậy-theo thời gian thực vượt trội. Trong số này, vPLC dự phòng nóng dự phòng tạo thành thành phần cốt lõi của khung điều phối và lập lịch trình. 5Mô hình lập kế hoạch và điều phối G vPLC
5. 5Triển khai PLC ảo G
5.1 Kịch bản và giải pháp kiểm thử
Để thúc đẩy khả năng tích hợp sâu sắc của 5G và các ứng dụng công nghiệp, China Mobile đã hợp tác với các đối tác trong ngành để tiến hành thử nghiệm kỹ thuật 5G vPLC. Công nghệ này đã được xác nhận và triển khai trên hơn mười doanh nghiệp công nghiệp. Lấy một khách hàng điển hình làm ví dụ, China Mobile đã triển khai mạng 5G trong xưởng sản xuất của khách hàng để cung cấp dịch vụ mạng cho việc xử lý vật liệu Xe dẫn hướng tự động (AGV). Dựa trên loại vật liệu, nền tảng kinh doanh hoạch định các đường di chuyển AGV riêng biệt, hướng dẫn phương tiện di chuyển giữa các hệ thống lưu trữ tự động và các phân đoạn sản xuất khác nhau.
Để giải quyết các yêu cầu này, hệ thống điều khiển công nghiệp 5G sử dụng kiến trúc hợp tác "Master vPLC-Slave vPLC"-(xem Hình 4). Ở biên, vPLC chính được triển khai trên UPF để tập trung triển khai PLC. Nó nhận các hướng dẫn nhiệm vụ từ Hệ thống thực thi sản xuất (MES), gói gọn chúng thành các lệnh điều khiển và gửi chúng đến các vPLC phụ do AGV mang theo. Đồng thời, nó nhận được phản hồi từ các vPLC nô lệ trong quá trình thực thi. Ở cấp hiện trường, vPLC phụ được triển khai trên cổng điều khiển công nghiệp 5G, đạt được khả năng thay thế "hai{9}}trong{10}}một" cho cả PLC và Thiết bị đầu cuối dữ liệu 5G (DTU). Một mặt, vPLC phụ nhận các lệnh điều khiển từ vPLC chính và sử dụng các cảm biến để điều khiển hệ thống truyền động của AGV, cho phép di chuyển và định vị chính xác. Mặt khác, khi AGV đến đích, vPLC phụ sẽ phản hồi kết quả thực hiện nhiệm vụ cho vPLC chính, báo cáo trạng thái hoàn thành nhiệm vụ.
5.2 Phát triển hệ thống
Công nghệ bộ chứa thời gian thực-được sử dụng để triển khai vPLC trên cả UPF 5G và cổng công nghiệp, chuyển đổi chúng thành UPF công nghiệp 5G và Cổng điều khiển công nghiệp 5G. Các cấu hình chính được trình bày chi tiết trong Bảng 2.
Kiến trúc hệ thống được hiển thị trong Hình 5 bao gồm UPF công nghiệp 5G, cổng điều khiển công nghiệp 5G và nền tảng điều phối. Những nỗ lực R&D chính như sau.
(1) Sửa đổi hạt nhân Linux
Đầu tiên, nhân UPF và cổng ban đầu đã được sửa đổi thành nhân-thời gian thực bằng cách tích hợp bản vá RT Preempt-RT. Phiên bản hạt nhân được sửa đổi là Linux 4.18.16-rt và Linux 4.4.167-rt. Trong điều kiện tải cao, độ trễ xử lý quy trình tối đa đã giảm từ 8 ms xuống 500 μs. Thứ hai, tính năng tách biệt tài nguyên CPU đã được định cấu hình để gán các tác vụ theo thời gian thực{13}}cho các lõi CPU chuyên dụng, giảm chi phí chuyển đổi tác vụ và giảm hơn nữa độ trễ xử lý quy trình tối đa bị biến động dưới 300 μs. Thứ ba, cơ chế định tuyến ngắt được thiết kế để chuyển hướng phản hồi ngắt ngoại vi sang các lõi CPU khác để xử lý, giảm thiểu nhiễu khi thực thi tác vụ theo thời gian thực. Thông qua những sửa đổi nhân Linux này, độ trễ xử lý quy trình tối đa đã giảm xuống dưới 100 μs.
Độ trễ xử lý quy trình trước khi sửa đổi hạt nhân Linux
Độ trễ xử lý sau khi sửa đổi hạt nhân Linux(2) Bộ chứa thời gian chạy PLC-
Để hỗ trợ mở rộng PLC động, bạn phải thiết lập môi trường thời gian chạy ảo được đóng gói cho thời gian chạy PLC. Đầu tiên, xây dựng hình ảnh bộ chứa PLC dựa trên Alpine Linux, chủ yếu tích hợp thời gian chạy PLC-với các thư viện liên kết động 32/64{6}}bit. Hiện tại, hệ thống hỗ trợ hai biến thể thời gian chạy PLC trong nước. Tiếp theo, tạo khối lượng bộ chứa tương ứng với các phiên bản vPLC để duy trì dữ liệu được tạo trong quá trình vận hành bộ chứa PLC. Thứ ba, bộ chứa PLC yêu cầu quyền truy cập vào tài nguyên ngoại vi của máy chủ trong quá trình hoạt động. Đối với các giao diện như RS232/485 và CAN, quyền truy cập đạt được thông qua ánh xạ tệp thiết bị. Đối với giao diện mạng IP, quyền truy cập được kích hoạt thông qua ánh xạ cổng, chủ yếu là ánh xạ các cổng như giao diện tải xuống chương trình PLC và các cổng dịch vụ bus bên ngoài (ví dụ: cổng dịch vụ phụ Modbus TCP).
(3) Điều phối vPLC
Để hỗ trợ điều phối thống nhất trên UPF và các cổng đồng thời giảm chi phí tài nguyên cổng, một hệ thống điều phối nhẹ đã được phát triển bằng kiến trúc B/S. Người dùng thực hiện các hoạt động giao diện người dùng thông qua trình duyệt, trong khi phần phụ trợ bao gồm các mô-đun quản lý và điều phối để điều phối và triển khai bộ chứa PLC. Mô-đun quản lý, được triển khai trên các máy chủ, chủ yếu cung cấp quyền truy cập web, tải xuống hình ảnh vùng chứa và giám sát/cấu hình vùng chứa PLC. Mô-đun điều phối được triển khai trên cả UPF và cổng, chủ yếu cung cấp tính năng kéo hình ảnh vùng chứa, cấu hình môi trường vùng chứa và quản lý thời gian chạy. Các mô-đun quản lý và điều phối giao tiếp qua HTTP. Lấy giám sát thời gian chạy vùng chứa làm ví dụ, mô-đun điều phối giao tiếp định kỳ với dịch vụ Docker cục bộ thông qua Máy khách Docker để truy xuất thông tin trạng thái vùng chứa, sau đó được báo cáo cho mô-đun quản lý. Khi mô-đun quản lý phát hiện trạng thái bất thường, nó sẽ bắt đầu xử lý ngoại lệ.
Giao diện hệ thống điều phối PLC ảo
5.3 Kết quả kiểm tra
Sau khi triển khai tại hiện trường UPF công nghiệp 5G và Cổng điều khiển công nghiệp 5G, giao tiếp Modbus TCP đã được định cấu hình giữa vPLC chính và vPLC phụ, cũng như giữa vPLC phụ và I/O. Chu kỳ điều khiển công nghiệp của vPLC phụ được đặt thành 5 ms, trong khi chu kỳ của vPLC chính được định cấu hình ở 20 ms. Mỗi chu kỳ điều khiển vPLC chính bao gồm một phiên bản giao tiếp với vPLC phụ. Sau khi thử nghiệm vận hành kéo dài (14 ngày), việc lập lịch trình AGV hoạt động đáng tin cậy mà không bị tắt máy hoặc sai lệch tuyến đường. vPLC chính có thời gian thực hiện trung bình là 457 μs, thời gian thực hiện tối đa là 599 μs và jitter tối đa là 532 μs (xem Hình 9). Điều khiển công nghiệp thường yêu cầu độ trễ jitter duy trì trong khoảng 10%–15% của chu kỳ điều khiển. Dựa trên các phép đo này, kiến trúc hợp tác-cạnh vPLC phụ-chính trong hệ thống điều khiển công nghiệp 5G có thể hỗ trợ các chu kỳ điều khiển từ 5 mili giây trở lên, đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất cho điều khiển công nghiệp tốc độ trung bình-đến{22}}cao{23}}. Do độ trễ không khí của giao diện 5G hiện tại vẫn ở mức trên 5 mili giây, giải pháp hợp tác biên-kết hợp các ưu điểm của việc triển khai tập trung với khả năng hỗ trợ kiểm soát tốc độ từ trung bình-đến{29}}cao-, so với các sơ đồ vPLC biên-triển khai{32}}một biên.
Chi phí của các giải pháp PLC truyền thống bao gồm chi phí thiết bị như PLC chính, PLC phụ và DTU 5G. Giải pháp hệ thống điều khiển công nghiệp 5G bao gồm chi phí cấp phép phần mềm UPF công nghiệp 5G và cổng điều khiển công nghiệp 5G. So với các giải pháp PLC truyền thống, giải pháp hệ thống điều khiển công nghiệp 5G giúp giảm đáng kể hơn 50% chi phí mua sắm thiết bị. Ngoài ra, hệ thống điều khiển công nghiệp 5G hỗ trợ điều phối thống nhất. Việc triển khai, cập nhật và vận hành/bảo trì ứng dụng PLC có thể được tập trung và thực hiện từ xa, mang lại khả năng mở rộng linh hoạt và giảm hơn 80% thời gian O&M.
Tóm lại, hệ thống điều khiển công nghiệp 5G cung cấp các dịch vụ điều khiển công nghiệp PLC thông qua nâng cấp phần mềm trên các thành phần mạng 5G mà không yêu cầu sửa đổi phần cứng hoặc làm gián đoạn các hoạt động UPF/cổng hiện có. Nó hỗ trợ điều khiển công nghiệp tốc độ trung bình-đến{4}}cao{5}} và mang lại các lợi thế bao gồm các kịch bản ứng dụng đa dạng, giảm chi phí, dễ bảo trì và khả năng mở rộng.
6 Kết luận
Với sự ra đời của Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, PLC-cốt lõi của điều khiển công nghiệp-đấu tranh để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về kết nối công nghiệp. Việc tích hợp ICT và OT, thúc đẩy sự hội tụ của công nghệ với các yếu tố sản xuất đa dạng, mang lại nhiều hứa hẹn cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển công nghiệp 5G thế hệ tiếp theo. Một mặt, 5G vPLC cung cấp lộ trình và kiến trúc kỹ thuật thống nhất cho các PLC-dựa trên đám mây. Mặt khác, việc xây dựng hệ sinh thái công nghệ 5G vPLC sẽ khuyến khích các nhà sản xuất PLC chuyển đổi từ sản phẩm phần cứng sang dịch vụ phần mềm, mở ra cơ hội phát triển mới cho công nghệ PLC trong nước và có khả năng phá vỡ bối cảnh thị trường hiện tại do các hãng nước ngoài thống trị với các tiêu chuẩn rời rạc. Hiện tại, hệ thống điều khiển công nghiệp 5G vẫn đang ở giai đoạn phát triển sơ khai. Cần có những nỗ lực hợp tác trong toàn ngành để giải quyết các thách thức kỹ thuật chính trong các lĩnh vực như ảo hóa vi nhân, mạng xác định và chế độ chờ nóng dự phòng, đồng thời liên tục nâng cao và cải tiến các hệ thống này. Đồng thời, tăng cường hợp tác với các trường đại học để bồi dưỡng tài năng liên ngành trong tự động hóa và tin học hóa công nghiệp là điều cần thiết để thúc đẩy sự phát triển{14}chất lượng cao trong kiểm soát công nghiệp.