مقدمة
التحكم الصناعي هو عنصر أساسي في الإنتاج الصناعي. تعمل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) كأجهزة رئيسية في التحكم في الأتمتة الصناعية، ويتم تطبيقها على نطاق واسع في مختلف قطاعات الاقتصاد الوطني بما في ذلك الصناعة والنقل والخدمات البلدية. PLCs هي أجهزة تحكم صناعية تم تطويرها من خلال دمج الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا الكمبيوتر والتحكم الآلي وتقنيات الاتصالات في وحدات التحكم التسلسلية. والغرض منها هو استبدال المرحلات وتنفيذ المنطق والتوقيت والعد ووظائف التحكم التسلسلية الأخرى، وبالتالي إنشاء أنظمة تحكم مرنة قابلة للبرمجة [1]. تقترن برامج التحكم الصناعية التقليدية PLC ارتباطًا وثيقًا بالأجهزة، وتهيمن المنتجات الأجنبية على حصة السوق، مما يعرض مشكلات مثل التكاليف المرتفعة وعدم كفاية قابلية التوسع.
1. الاتجاهات التطورية في أنظمة التحكم الصناعية
مع تقارب علم التحكم مع تخصصات الحوسبة والمعلومات والاتصالات، تتطور نظرية التحكم من التحكم التقليدي في ردود الفعل والتحكم الحديث إلى التحكم الذكي الموجه بالبيانات. تتقدم أنظمة التحكم من التحكم في نقطة واحدة- والتحكم عبر الشبكة إلى التحكم القائم على السحابة الموزعة-. من خلال التكامل المبتكر لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT) مع التكنولوجيا التشغيلية (OT)، تتطور أنظمة التحكم الصناعية التقليدية تدريجيًا إلى أنظمة تحكم صناعية جديدة. تتميز هذه الأنظمة الجديدة بالترابط وقابلية التوسع واتخاذ القرار-المبني على البيانات-، وهو ما يتجلى في اتجاهين رئيسيين:
(1) الانتقال من بنيات التحكم المتخصصة المغلقة والمعزولة إلى بنيات التحكم العامة المفتوحة المنفصلة-
مع ظهور تقنيات مثل 5G وحوسبة الحافة وتقدمها، تتحول بنية التحكم الصناعية التقليدية -الطبقة ISA-95 المكونة من خمس طبقات نحو بنية سحابية مكونة من ثلاث-طبقة "نهاية-حافة-سحابية". ومن بين هذه الأمور، أصبح تطور طبقة التحكم PLC نقطة محورية في جميع أنحاء الصناعة. من الناحية التكنولوجية، يتم ترحيل مهام التحكم الصناعي من الأجهزة المتخصصة المضمنة إلى الأجهزة-السحابية ذات الأغراض العامة-المزودة بإمكانيات معالجة البيانات في الوقت الفعلي. من الناحية التشغيلية، أصبحت مهام الوقت الفعلي-السهلة، مثل التحكم المنطقي، مركزية بشكل متزايد عند الحافة أو السحابة، بينما تظل مهام الوقت الفعلي-الصعبة، مثل التحكم في الحركة، يتم تنفيذها على الأجهزة الميدانية.
(2) الانتقال من معالجة المهام الفردية-إلى التعاون في المهام المتعددة الموزعة-
تستخدم PLCs التقليدية معالجة تسلسلية للمهام. ومع ذلك، يؤدي توسيع مقاييس التحكم إلى زيادة حجم المهام وتنوعها، وتوسيع فروق الأولوية بين المهام، وزيادة متطلبات التعاون. خاصة مع تقديم البيانات الضخمة وتقنيات الذكاء الاصطناعي، فإن التعاون الفعال بين مهام التحكم التقليدية ومهام تكنولوجيا المعلومات المستندة إلى البيانات- يستلزم التحول من معالجة العقدة الواحدة- إلى المعالجة التعاونية-العقدية المتعددة في أنظمة التحكم التقليدية.
2.5G Cloud-مسارات التطوير الفني المعتمدة على PLC
بفضل تطورات تكنولوجيا المعلومات والاتصالات-وخاصة تقنيات الشبكات مثل 5G-الشبكات PLC القائمة على سحابة 5G-، ظهرت كحل رئيسي لقيود PLC التقليدية. استنادًا إلى موقع نشر مهام التحكم PLC، تتبع PLCs الحالية القائمة على السحابة 5G ثلاثة مسارات تطوير تقنية أساسية:
(1) السحابة على مستوى الحقل-المعتمدة على PLC-: يتم نشر مهام التحكم على البوابات الصناعية، وهي مناسبة لسيناريوهات التحكم في السرعة المتوسطة-إلى-العالية- على مستوى الحقل. وهو يدعم دورات التحكم الصناعية التي تتراوح من 1 إلى 5 مللي ثانية وما فوق، ويوفر موثوقية عالية، وتكاليف نشر منخفضة.
(2) PLC على مستوى السحابة -الحافة-: يتم نشر مهام التحكم على وحدات معالجة النطاق الأساسي الداخلية (BBU)، أو وظائف مستوى المستخدم (UPF)، أو منصات حوسبة الحافة متعددة الوصول (MEC). مناسب لسيناريوهات التحكم المركزي على مستوى ورشة العمل أو المصنع-بسرعات متوسطة-إلى-منخفضة، ودعم دورات التحكم الصناعية التي تصل إلى 20 مللي ثانية وما فوق مع تكاليف نشر منخفضة.
(3) PLC المستند إلى السحابة-واسعة النطاق-: يتم نشر مهام التحكم على خوادم السحابة المركزية، وهي مناسبة لسيناريوهات التحكم التعاوني ذات السرعة المنخفضة- على مستوى المصنع. تم تحسينه باستخدام الألياف الضوئية وتقنيات الشبكات الحتمية، ويمكن تقليل زمن الوصول من النهاية-إلى-النهاية إلى 5 مللي ثانية، ولكن تكاليف النشر أعلى.
تواجه تقنية PLC المستندة إلى سحابة 5G حاليًا تحديات، بما في ذلك البنى غير المتسقة، والافتقار إلى دعم التعاون النهائي-، وعدم القدرة على تنسيق تطبيقات PLC. على وجه الخصوص، تواجه شبكات 5G التي تخدم التحكم الصناعي مشكلات التأخير والارتعاش والموثوقية. ولمعالجة هذه المشكلة، تقترح هذه الورقة بنية تقنية PLC افتراضية لـ 5G. من خلال التعاون "end-edge-cloud"، يحقق ثلاث عمليات توحيد: بيئة وقت تشغيل موحدة، وجدولة نشر موحدة، وبوابة موحدة للتطوير والعمليات.
3. البنية التقنية لـ 5G Virtual PLC
3.1 الخصائص النموذجية للـ PLC الافتراضية
تقنية المحاكاة الافتراضية هي تقنية لإدارة الموارد تقوم بإنشاء طبقة تجريد على أجهزة الكمبيوتر باستخدام البرامج. يؤدي هذا إلى تقسيم موارد الأجهزة لجهاز كمبيوتر واحد إلى أجهزة افتراضية متعددة، مما يعزز كفاءة استخدام الموارد وأمانها. تستمر تقنية المحاكاة الافتراضية، التي تم اعتمادها على نطاق واسع في الحوسبة السحابية، في التطور والنضج، وتوسيع نطاق تطبيقها عبر مجالات متنوعة وبنيات الأجهزة.
تعمل المحاكاة الافتراضية PLC (vPLC) على إنشاء بيئة تشغيل افتراضية، مما يؤدي إلى فصل مهام التحكم في PLC عن الأجهزة المادية. يتيح ذلك نشر مهام PLC عبر أجهزة عناصر الشبكة المختلفة. يعرض vPLC ثلاث خصائص رئيسية:
(1) برنامج PLC-فصل الأجهزة:تستخدم أجهزة PLC التقليدية الأجهزة المضمنة وأنظمة التشغيل-في الوقت الفعلي مع اقتران محكم بين الأجهزة-. يقدم vPLC بيئة تشغيل PLC التي تتعامل مع تحميل المهام وتنفيذها وجدولتها، وبالتالي فصل مهام PLC عن نظام التشغيل في الوقت الحقيقي-.
(2) التنفيذ الافتراضي للـ PLC:تعمل تقنية المحاكاة الافتراضية على تمكين نشر وتشغيل أنظمة التشغيل غير المتجانسة على الأجهزة ذات الأغراض العامة-. تعمل بيئة تشغيل PLC على نظام تشغيل افتراضي، مما يؤدي إلى فصل مهام PLC عن الأجهزة الأساسية.
(3) تنسيق وجدولة PLC:تعمل vPLC في جوهرها كخدمة برمجية PLC. ويمكن تنظيمها ونشرها ضمن أنظمة "السحابة-الحافة" وجدولتها ديناميكيًا أثناء وقت التشغيل، مما يوفر مرونة وقابلية للتوسع تختلف بشكل ملحوظ عن أجهزة PLC التقليدية.
بالمقارنة مع PLCs التقليدية، تعمل vPLC على تحسين مرونة النظام وقابلية التوسع، وتقليل تكاليف المعدات والتشغيل، وتسهل بشكل كبير ترقيات خط الإنتاج وإعادة تصميمه.
3.2 توفر PLC الافتراضية أساسًا تقنيًا موحدًا لأنظمة التحكم الصناعية 5G
يتمحور نظام التحكم الصناعي 5G حول vPLC، ويهدف إلى تقديم بنية تحكم مفتوحة -ك-a-بنية الخدمة (CaaS). يمكن نشر وظائف التحكم PLC في كل مكان وإعادة استخدامها بمرونة، مما يتيح التحكم في جهاز التوصيل -والتشغيل- عبر الشبكات غير المتجانسة. تم تصميم بنية النظام حول مفهوم التعاون السحابي "end-edge-cloud"، والذي يشتمل على طبقات التشغيل والخدمة والتطوير.
(1) طبقة وقت التشغيل: استنادًا إلى تقنية المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي-، فإنها توفر بيئة تشغيل موحدة في الوقت الحقيقي-لـ vPLC على أجهزة ذات أغراض عامة-. تدعم المحاكاة الافتراضية النشر المختلط لأنظمة التشغيل في الوقت الفعلي-والوقت غير-الحقيقي-، مما يتيح التوسع الديناميكي لـ vPLC.
(2) طبقة الخدمة: مسؤولة عن نشر vPLC عبر العقد المادية المختلفة أثناء إدارة دورة حياتها، وتحقيق النشر الموحد وجدولة خدمات التحكم الصناعية PLC.
(3) طبقة التطوير: توفر بيئات تطوير تطبيقات PLC وأدوات التجميع وتصحيح الأخطاء، وتقدم بوابة موحدة للتطوير والعمليات لأنظمة التحكم الصناعية 5G.
يتميز نظام التحكم الصناعي 5G بمزايا تقنية متعددة. أولاً، يوفر بنية موحدة لثلاث تقنيات PLC-معتمدة على السحابة. فمن ناحية، فهو يدعم ترحيل مراكز التحكم من الميدان إلى الحافة أو السحابة المركزية، مما يحرر التحكم PLC من القيود التي تفرضها البيئات الميدانية ويتيح النشر المركزي. ومن ناحية أخرى، تضمن تقنية vPLC الجانبية -الجانبية التحكم في زمن الوصول المنخفض للأجهزة الميدانية، مما يدعم العديد من تطبيقات الوقت-الحقيقي-المتعددة بما في ذلك التحكم في الحركة. ثانيًا، يوفر نشر vPLC عبر عناصر شبكة 5G المتنوعة إمكانات متكاملة "للاتصال + قوة الحوسبة + وظيفة PLC" للتحكم الصناعي. وهذا يخلق نظام تحكم صناعي جديد ومسطح، مما يكسر احتكار أنظمة التحكم الصناعية التقليدية. ثالثًا، يؤدي الاستفادة من البنية العالمية للبرامج/الأجهزة إلى تقليل تكاليف التحكم الصناعي، مما يؤدي إلى تسريع نضج "الصناعة-المحددة بالبرمجيات".
4 تقنيات رئيسية لـ 5G Virtual PLC
4.1-المحاكاة الافتراضية للوقت الحقيقي
تعمل مهام PLC كعمليات نظام تشغيل في دورات وفقًا لدورات التحكم الصناعية. يجب أن تضمن كل دورة أن عملية PLC تتلقى مدخلات خارجية وتحصل على وقت معالجة وحدة المعالجة المركزية. تعد القدرة-في الوقت الفعلي لنظام التشغيل أمرًا بالغ الأهمية لتقديم خدمات تحكم PLC موثوقة. تعمل تقنية-المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي على تمكين-النشر المشترك للمهام الحسابية-في الوقت الحقيقي وغير-الوقت الحقيقي-على الأجهزة ذات الأغراض العامة-من خلال المحاكاة الافتراضية للبرامج/الأجهزة. وهو يدعم دمج المهام الحسابية من أجهزة مضمنة متعددة في جهاز واحد للأغراض العامة-. ومع ضمان الأداء في الوقت الفعلي{13}}تستفيد هذه التقنية من القدرة القوية على التكيف مع الأجهزة في نظام التشغيل العالمي وإمكانات التطبيقات الغنية. فهو يوفر مزايا مثل تقليل تكلفة الجهاز وحجمه واستهلاك الطاقة، مع تحقيق التوافق عبر الأنظمة البيئية للأجهزة غير المتجانسة.
حاليًا، تستخدم الصناعة العديد من تقنيات المحاكاة الافتراضية، والتي يتم تصنيفها بشكل أساسي على أنها تقسيم الأجهزة، والمحاكاة الافتراضية الكاملة، والمحاكاة الافتراضية، والمحاكاة الافتراضية لنظام التشغيل. ومن بين هذه الطرق الثلاثة، تعد الأساليب الثلاثة التالية هي الأكثر ملاءمةً للتكيف مع المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي-:
(1) تقسيم الأجهزة:يقسم موارد الأجهزة الأساسية إلى أقسام مستقلة، كل منها يعمل بنظام التشغيل الخاص به. يوفر تقسيم الأجهزة أداءً ممتازًا-في الوقت الفعلي، ويقترب من المستويات المعدنية-المجردة، ولكنه يفتقر إلى إمكانات مشاركة الموارد، ويعاني من محدودية قابلية التوسع، ويظهر استخدامًا منخفضًا للموارد. ومن الجدير بالذكر أن عمليات الإدخال/الإخراج الطرفية تتطلب تقسيمًا مسبقًا-ولا يمكن إعادة استخدامها، مما يزيد من التعقيد الفني.
(2) حاويات Linux-الوقت الفعلي:قم بتعديل نظام Linux من نظام-مشاركة الوقت إلى نظام الوقت-الحقيقي باستخدام طرق مثل Preemption Patch أو Xenomai. بعد ذلك، يمكنك الاستفادة من المحاكاة الافتراضية للحاويات خفيفة الوزن لعزل الموارد، وإنشاء بيئة تشغيل افتراضية-في الوقت الحقيقي لـ PLCs. يستخدم هذا النهج بشكل كامل النظام البيئي للبرامج والأجهزة الناضجة لنظام Linux، مما يقلل من تكاليف نقل برامج PLC. على الرغم من أن الحاويات لديها حمل تشغيلي منخفض، إلا أن أداء الوقت الفعلي لنواة Linux المعدلة-يظل أدنى من أنظمة التشغيل المخصصة-في الوقت الحقيقي (RTOS)، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار ومواطن الخلل في سيناريوهات مثل التحكم في الحركة المؤازرة.
(3) المحاكاة الافتراضية للنوية:نشر RTOS وأنظمة التشغيل ذات الأغراض العامة -(GPOS) في تكوين مختلط باستخدام النواة الدقيقة كبرنامج Hypervisor من النوع-1. توفر النوى الدقيقة وظائف مبسطة، وحملًا أقل، وأمانًا محسنًا مقارنة بالنوى المتجانسة، مما يتيح كلاً من المحاكاة الافتراضية للأجهزة والأداء العالي في الوقت الفعلي. تتطور هذه التكنولوجيا بشكل نشط في قطاعات الصناعة والترفيه والمعلومات والروبوتات، على الرغم من أن التحديات تشمل النظام البيئي التقني غير الناضج والتكيف المعقد للأجهزة.
يمكن لأنظمة التحكم الصناعية 5G تحديد-أساليب مختلفة للمحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي استنادًا إلى عناصر الشبكة وسيناريوهات التطبيق. بالنسبة إلى وحدات vPLC المستندة إلى الحافة والسحابة-، تعد تقنية حاوية Linux في الوقت الفعلي- هي الخيار المفضل. فمن ناحية، يؤدي تعديل نظام التشغيل Linux في الوقت الفعلي- إلى تحمل تكاليف منخفضة ويسهل عملية النشر. من ناحية أخرى، أصبحت تقنيات جدولة تنسيق الحاويات والنسخ الاحتياطي للتكرار ناضجة، مما يشكل مخاطر منخفضة. بالنظر إلى متطلبات الوقت الحقيقي العالية-لـ edge{10}}side vPLC والحاجة إلى تعاون edge{11}}side، يجب أن تعطي edge{12}}side vPLC الأولوية-لحاويات Linux في الوقت الحقيقي أو حلول المحاكاة الافتراضية للنواة الصغيرة.
4.2 5الشبكات الحتمية
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 (>تتطلب 99.9999٪ أداءً عاليًا لواجهة الهواء اللاسلكية لنقل البيانات عبر الطبقات عموديًا والأنظمة أفقيًا. ثانياً، نقل البيانات الحتمية في بيئات الشبكات غير المتجانسة. يعد عدم اليقين في الكمون الناجم عن الشبكة- عاملًا حاسمًا يؤثر على استقرار نظام التحكم. يمكن أن تعوض نمذجة نظام القفز الخطي الحالي للشبكة- التأخيرات العشوائية غير المستقرة ولكنها لا تزال تواجه صعوبات في تلبية متطلبات أداء التحكم في الوقت الحقيقي-.
توفر الشبكة الحتمية للمستخدمين جودة خدمة مضمونة (QoS)، وتتميز بالتبديل المرن بين الخدمات الحتمية وغير الحتمية- والتحكم المستقل في طبقات جودة الخدمة. يعرض الجدول 1 تقنيات الشبكة الحتمية النموذجية. بشكل عام، تمثل الشبكات الحتمية المسار الأساسي لتحقيق أنظمة التحكم الصناعية 5G. 5تستخدم الشبكات الحتمية G (5GDN) تزامن الساعة عالي الدقة وتشكيل حركة المرور وتقنيات حجز الموارد بالإضافة إلى تقطيع شبكة 5G لتوفير عرض النطاق الترددي الحتمي وزمن الوصول الحتمي و موثوقية الاتصال بنسبة 99.9999%. يؤدي هذا إلى إنشاء شبكة لاسلكية يمكن التنبؤ بها والتخطيط والتحقق منها بقدرات حتمية، مما يوفر تجربة خدمة "متمايزة + حتمية" [5]. عند دمجها مع الشبكات الميدانية وتقنيات الحوسبة الطرفية، تتيح الشبكات الحتمية 5G التحكم الحتمي من النهاية-إلى-النهاية.
4.3 التنسيق التعاوني "End-Edge-Cloud"
من خلال-المحاكاة الافتراضية في الوقت الفعلي، يتم تحويل أجهزة PLC التقليدية إلى خدمات برامج PLC منفصلة للأجهزة. ضمن بنية نهاية السحابة 5G-edge-، يلزم النشر المرن لخدمات برامج PLC، مما يستلزم نظامًا أساسيًا موحدًا لتنسيق وجدولة vPLC.
يدعم تنسيق وجدولة vPLC نشر vPLC كحاويات أو أجهزة افتراضية على عناصر الشبكة مثل بوابات 5G الصناعية، ومحطات 5G الصناعية الأساسية، وUPFs الصناعية 5G، وMEC. تشتمل أساليب التنسيق على نوعين: التوصيل البيني بين شرائح الحوسبة وشرائح الإدخال/الإخراج (وحدة التحكم إلى IO، C2IO) والتوصيل البيني بين شرائح الحوسبة (وحدة التحكم إلى وحدة التحكم، C2C). يشير C2IO إلى اتصال PLC-إلى-IO، والذي يشمل كلاً من سيناريوهات PLC الرئيسية-إلى-IO وPLC-إلى-الإدخال والإخراج. تشير C2C إلى اتصال PLC-إلى-PLC، والذي يتضمن بشكل أساسي التحكم الرئيسي في PLC على أجهزة PLC التابعة. في السيناريوهات النموذجية، تستضيف السحابة أنظمة التحكم في الإنتاج، والبرامج الصناعية، وأنظمة إدارة معلومات المؤسسة. تقوم الحافة بشكل أساسي بنشر PLCs الرئيسية المسؤولة عن التفاعل مع الأنظمة السحابية. تقوم هذه الشركات PLCs الرئيسية بإنشاء أوامر التحكم C2C وتوزيعها على PLCs التابعة المنتشرة على الحافة. تتعامل أجهزة PLC التابعة لـ Edge-side بشكل أساسي مع اتصالات C2IO، حيث تتلقى أوامر التحكم من Edge master PLC لإدارة أجهزة الإدخال/الإخراج الجانبية-المجالية.
على عكس أنظمة التنسيق مثل Kubernetes أو Kubevirt، يتطلب vPLC أداءً وموثوقية عاليين في الوقت الفعلي. تكافح الحاوية القياسية أو تنسيق الآلة الافتراضية لتلبية متطلبات الدورة الصارمة للتحكم الصناعي. يستلزم تنسيق وجدولة vPLC التضحية ببعض قابلية التوسع لتحقيق أداء وموثوقية فائقين في الوقت الفعلي. ومن بين هذه العناصر، يشكل الاستعداد السريع المتكرر لـ vPLC مكونًا أساسيًا لإطار عمل التنسيق والجدولة. 5G vPLC Orchestration and Scheduling Model
5. 5تنفيذ G Virtual PLC
5.1 سيناريو الاختبار والحل
لتعزيز التكامل العميق بين تطبيقات 5G والتطبيقات الصناعية، تعاونت شركة China Mobile مع شركاء الصناعة لإجراء تجارب تقنية لـ 5G vPLC. وقد تم التحقق من صحة هذه التكنولوجيا ونشرها في أكثر من عشر مؤسسات صناعية. وبأخذ عميل نموذجي كمثال، قامت شركة China Mobile بنشر شبكة 5G داخل ورشة الإنتاج الخاصة بالعميل لتوفير خدمات الشبكة لمعالجة مواد المركبات الموجهة الآلية (AGV). استنادًا إلى نوع المادة، تخطط منصة الأعمال لمسارات حركة AGV متميزة، وتوجيه المركبات بين أنظمة التخزين الآلية وقطاعات الإنتاج المختلفة.
لتلبية هذه المتطلبات، يستخدم نظام التحكم الصناعي 5G بنية تعاونية "Master vPLC-Slave vPLC"- (انظر الشكل 4). على الحافة، يتم نشر vPLC الرئيسي على UPF لمركزية نشر PLC. يتلقى تعليمات المهمة من نظام تنفيذ التصنيع (MES)، ويغلفها في أوامر التحكم، ويرسلها إلى vPLCs التابعة التي تحملها AGVs. وفي الوقت نفسه، يتلقى تعليقات من وحدات vPLC التابعة أثناء التنفيذ. على المستوى الميداني، يتم نشر vPLC التابع على بوابة التحكم الصناعية 5G، مما يحقق استبدال "اثنين-في-واحد" لكل من PLC والوحدة الطرفية لبيانات 5G (DTU). من ناحية، يتلقى vPLC التابع أوامر التحكم من vPLC الرئيسي ويستخدم أجهزة استشعار للتحكم في نظام محرك AGV، مما يتيح الحركة وتحديد المواقع بدقة. من ناحية أخرى، عندما يصل AGV إلى وجهته، يقوم vPLC التابع بإرجاع نتائج تنفيذ المهمة إلى vPLC الرئيسي، مع الإبلاغ عن حالة إكمال المهمة.
5.2 تطوير النظام
-يتم استخدام تقنية الحاويات في الوقت الفعلي لنشر vPLC على كل من 5G UPF والبوابات الصناعية، وتحويلها إلى 5G UPF صناعي وبوابة تحكم صناعية 5G. تم تفصيل التكوينات الرئيسية في الجدول 2.
تشتمل بنية النظام الموضحة في الشكل 5 على UPF صناعي 5G وبوابة التحكم الصناعية 5G ومنصة التنسيق. جهود البحث والتطوير الأولية هي كما يلي.
(1) تعديل نواة لينكس
أولاً، تم تعديل نواة UPF والبوابة الأصلية إلى نواة للوقت الفعلي-من خلال دمج تصحيح Preempt-RT. إصدارات kernel المعدلة هي Linux 4.18.16-rt وLinux 4.4.167-rt. في ظل ظروف التحميل العالية، تم تقليل زمن الوصول الأقصى لمعالجة العملية من 8 مللي ثانية إلى 500 ميكروثانية. ثانيًا، تم تكوين عزل موارد وحدة المعالجة المركزية لتعيين مهام في الوقت الفعلي-لمراكز وحدة المعالجة المركزية المخصصة، مما يقلل من الحمل الزائد لتبديل المهام ويخفض الحد الأقصى لوقت استجابة معالجة العملية إلى أقل من 300 ميكروثانية. ثالثًا، تم تصميم آلية توجيه المقاطعة لإعادة توجيه استجابات المقاطعة الطرفية إلى مراكز وحدة المعالجة المركزية الأخرى للمعالجة، وتقليل التداخل مع تنفيذ المهام في الوقت الفعلي. من خلال تعديلات Linux kernel هذه، تم تقليل الحد الأقصى لوقت استجابة معالجة العملية إلى أقل من 100 ميكروثانية.
معالجة زمن الاستجابة للعملية قبل تعديل Linux Kernel
معالجة الكمون بعد تعديل Linux Kernel(2) حاوية وقت التشغيل PLC-
لدعم توسيع PLC الديناميكي، يجب إنشاء بيئة تشغيل افتراضية في حاوية لوقت تشغيل PLC-. أولاً، أنشئ صورة حاوية PLC استنادًا إلى Alpine Linux، مع دمج وقت تشغيل PLC-في المقام الأول مع مكتبات الارتباط الديناميكية 32/64-بت. حاليًا، يدعم النظام متغيرين محليين لوقت تشغيل PLC. بعد ذلك، قم بإنشاء وحدات تخزين حاوية تتوافق مع مثيلات vPLC للاستمرار في البيانات التي تم إنشاؤها أثناء تشغيل حاوية PLC. ثالثًا، تتطلب حاويات PLC الوصول إلى الموارد الطرفية المضيفة أثناء التشغيل. بالنسبة للواجهات مثل RS232/485 وCAN، يتم الوصول إليها من خلال تعيين ملفات الجهاز. بالنسبة لواجهات شبكة IP، يتم تمكين الوصول عبر تعيين المنافذ، وبشكل أساسي تعيين المنافذ مثل واجهة تنزيل برنامج PLC ومنافذ خدمة الناقل الخارجية (على سبيل المثال، منافذ خدمة Modbus TCP التابعة).
(3) تنسيق vPLC
لدعم التنسيق الموحد عبر UPF والبوابات مع تقليل الحمل الزائد لموارد البوابة، تم تطوير نظام تنسيق خفيف الوزن باستخدام بنية B/S. يقوم المستخدمون بتنفيذ عمليات الواجهة الأمامية عبر المتصفحات، بينما تشتمل الواجهة الخلفية على وحدات الإدارة والتنسيق لتنسيق حاوية PLC ونشرها. توفر وحدة الإدارة، المنتشرة على الخوادم، في المقام الأول إمكانية الوصول إلى الويب وتنزيل صور الحاوية وتكوين/مراقبة حاوية PLC. يتم نشر وحدة التنسيق على كل من UPF والبوابات، وتقدم في المقام الأول سحب صورة الحاوية وتكوين بيئة الحاوية وإدارة وقت التشغيل. تتواصل وحدات الإدارة والتنسيق عبر HTTP. بأخذ مراقبة وقت تشغيل الحاوية كمثال، تتواصل وحدة التنسيق بشكل دوري مع خدمة Docker المحلية من خلال عميل Docker لاسترداد معلومات حالة الحاوية، والتي يتم بعد ذلك الإبلاغ عنها إلى وحدة الإدارة. عندما تكتشف وحدة الإدارة حالة غير طبيعية، فإنها تبدأ معالجة الاستثناءات.
واجهة نظام تنسيق PLC الافتراضية
5.3 نتائج الاختبار
بعد النشر الميداني لـ 5G Industrial UPF و5G بوابة التحكم الصناعية، تم تكوين اتصال Modbus TCP بين vPLC الرئيسي وvPLC التابع، وكذلك بين vPLC التابع وI/O. تم ضبط دورة التحكم الصناعي لـ vPLC التابعة على 5 مللي ثانية، بينما تم تكوين دورة vPLC الرئيسية على 20 مللي ثانية. تتضمن كل دورة تحكم vPLC رئيسية نسخة اتصال واحدة مع vPLC التابع. بعد اختبار تشغيلي ممتد (14 يومًا)، عملت جدولة AGV بشكل موثوق دون إيقاف التشغيل أو فشل انحراف المسار. أظهر vPLC الرئيسي متوسط وقت تنفيذ يبلغ 457 ميكروثانية، وأقصى وقت تنفيذ يبلغ 599 ميكروثانية، وأقصى ارتعاش يبلغ 532 ميكروثانية (انظر الشكل 9). يتطلب التحكم الصناعي عادةً أن يظل زمن الاستجابة في حدود 10% إلى 15% من دورة التحكم. بناءً على هذه القياسات، يمكن للبنية التعاونية الرئيسية-التابعة لـ vPLC edge-في أنظمة التحكم الصناعية 5G أن تدعم دورات التحكم لمدة 5 مللي ثانية أو أكثر، مما يلبي متطلبات الأداء للتحكم الصناعي ذو السرعة المتوسطة-إلى-العالية-. نظرًا لأن زمن الاستجابة الحالي لواجهة 5G لا يزال أعلى من 5 مللي ثانية، فإن الحل التعاوني للحافة-يجمع بين مزايا النشر المركزي ودعم التحكم في السرعة المتوسطة-إلى-العالية-، مقارنة بمخططات vPLC الجانبية-لنشر الحافة-الفردية.
تتضمن تكلفة حلول PLC التقليدية مصاريف المعدات مثل PLCs الرئيسية، وPLCs التابعة، و5G DTUs. يشمل حل نظام التحكم الصناعي 5G تكاليف ترخيص برامج UPF الصناعية 5G وبوابات التحكم الصناعية 5G. بالمقارنة مع حلول PLC التقليدية، يحقق حل نظام التحكم الصناعي 5G تخفيضًا كبيرًا يزيد عن 50% في تكاليف شراء المعدات. بالإضافة إلى ذلك، يدعم نظام التحكم الصناعي 5G التنسيق الموحد. يمكن نشر تطبيقات PLC وتحديثاتها والعمليات/الصيانة بشكل مركزي وتنفيذها عن بعد، مما يوفر قابلية توسع مرنة ويقلل وقت التشغيل والصيانة بنسبة تزيد عن 80%.
باختصار، يوفر نظام التحكم الصناعي 5G خدمات التحكم الصناعي PLC عبر ترقيات البرامج على عناصر شبكة 5G دون الحاجة إلى تعديلات الأجهزة أو تعطيل عمليات UPF/البوابة الحالية. وهو يدعم التحكم الصناعي ذو السرعة المتوسطة-إلى-العالية- ويقدم مزايا تشمل سيناريوهات التطبيق المتنوعة، وخفض التكلفة، وسهولة الصيانة، وقابلية التوسع.
6 الاستنتاج
مع ظهور الثورة الصناعية الرابعة، تكافح الشركات المحدودة العامة-التي تمثل جوهر التحكم الصناعي-لتلبية المتطلبات المتطورة للاتصالات الصناعية. إن تكامل تكنولوجيا المعلومات والاتصالات والتكنولوجيا التشغيلية، مما يؤدي إلى تسريع تقارب التكنولوجيا مع عوامل الإنتاج المتنوعة، يحمل وعدًا هائلاً لبناء-أنظمة التحكم الصناعية من الجيل الخامس. من ناحية، يوفر 5G vPLC بنية فنية موحدة وخريطة طريق لـ PLCs المستندة إلى السحابة-. من ناحية أخرى، فإن بناء النظام البيئي لتكنولوجيا 5G vPLC سيحفز مصنعي PLC على الانتقال من منتجات الأجهزة إلى خدمات البرمجيات، مما يفتح فرص تطوير جديدة لتكنولوجيا PLC المحلية وربما يعطل مشهد السوق الحالي الذي يهيمن عليه اللاعبون الأجانب بمعايير مجزأة. حاليًا، لا تزال أنظمة التحكم الصناعية 5G في مهدها التنموي. هناك حاجة إلى جهود تعاونية عبر الصناعة لمواجهة التحديات التقنية الرئيسية في مجالات مثل المحاكاة الافتراضية للنوية الدقيقة، والشبكات الحتمية، والاستعداد السريع الزائد، مما يؤدي إلى تعزيز وتحسين هذه الأنظمة بشكل مستمر. وفي الوقت نفسه، يعد تعزيز التعاون مع الجامعات لتنمية المواهب متعددة التخصصات في مجال الأتمتة الصناعية والمعلوماتية أمرًا ضروريًا لتحفيز التطوير عالي الجودة في مجال التحكم الصناعي.