5G虛擬化PLC技術(shù)研究與實(shí)踐

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(chǎng)向泛在、從軟硬一體向軟件定義方向演進(jìn)。首先，通過(guò)分析工業(yè)控制系統(tǒng)演進(jìn)趨勢(shì)，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(kāi)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(shì)，分析5G虛擬化PLC技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

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(dòng)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(guó)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(dòng)控制和通信技術(shù)而形成的工業(yè)控制裝置，目的是用來(lái)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(guó)外產(chǎn)品占據(jù)主要市場(chǎng)份額，存在成本高、可擴(kuò)展性不足等問(wèn)題。

1 工業(yè)控制系統(tǒng)演進(jìn)趨勢(shì)

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(dòng)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(guò)信息與通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）與運(yùn)營(yíng)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(dòng)決策等新特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為以下兩大趨勢(shì)［1］。

（1）封閉孤立的專用控制架構(gòu)走向開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(dòng)控制等硬實(shí)時(shí)任務(wù)仍留在現(xiàn)場(chǎng)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(lái)任務(wù)量增加、任務(wù)種類廣泛、各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(dòng)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(wèn)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(jiàn)圖1）。

圖1 5G云化PLC的技術(shù)發(fā)展路徑

（1）現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(chǎng)級(jí)中高速控制場(chǎng)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(jí)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(jí)中低速集中化控制場(chǎng)景，支持20 ms及以上工控周期，部署成本較低。

（3）廣域級(jí)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(jí)低速協(xié)同控制場(chǎng)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(wú)法編排等問(wèn)題，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)工業(yè)控制面臨時(shí)延、抖動(dòng)、可靠性等挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出5G虛擬化PLC技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)“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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)其編排部署，也可在運(yùn)行期間進(jìn)行動(dòng)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(kāi)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(kāi)發(fā)層（見(jiàn)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(dòng)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(duì)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(kāi)發(fā)層：提供PLC應(yīng)用開(kāi)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(kāi)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(chǎng)向邊緣、中心云遷移，擺脫現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的低時(shí)延控制，支持包括運(yùn)動(dòng)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(dòng)“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(guò)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(shì)。

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(wú)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(wú)法復(fù)用，提高了技術(shù)成本。

（2）實(shí)時(shí)Linux容器：通過(guò)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(guò)容器輕量級(jí)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(kāi)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(dòng)控制等場(chǎng)景存在抖動(dòng)毛刺問(wèn)題。

（3）微內(nèi)核虛擬化：通過(guò)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(duì)宏內(nèi)核功能簡(jiǎn)化、開(kāi)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(shì)，但存在技術(shù)生態(tài)不成熟、硬件適配難度大等問(wèn)題。

5G工業(yè)控制系統(tǒng)可依據(jù)不同網(wǎng)元、不同場(chǎng)景選擇不同實(shí)時(shí)虛擬化實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)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(kāi)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(duì)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(dòng)控制、控制器間通信、高速邏輯控制等場(chǎng)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(duì)無(wú)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(jí)的能力。典型的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如表1所示。綜合來(lái)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(wú)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(chǎng)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(guò)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(duì)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(tái)。

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(duì)從PLC的控制。典型場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)景與方案

為推動(dòng)5G與工業(yè)深度融合，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)合作伙伴開(kāi)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(guó)移動(dòng)為該客戶在生產(chǎn)車間部署了5G網(wǎng)絡(luò)，為自動(dòng)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(tái)規(guī)劃AGV不同移動(dòng)路徑，指引AGV在立庫(kù)和不同工段間移動(dòng)。

針對(duì)該場(chǎng)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(jiàn)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(guò)程中的反饋信息。在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，從vPLC部署在5G工控網(wǎng)關(guān)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)傳感器控制AGV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確的移動(dòng)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(chǎng)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(tái)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(guò)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L(zhǎng)inux 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(kāi)銷，將進(jìn)程處理最大時(shí)延抖動(dòng)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(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行的干擾。通過(guò)上述Linux內(nèi)核改造，進(jìn)程處理最大時(shí)延抖動(dòng)可降到100 μs以下（見(jiàn)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(dòng)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)集成。目前，系統(tǒng)已經(jīng)適配兩款國(guó)產(chǎn)PLC-runtime。其次，創(chuàng)建vPLC實(shí)例對(duì)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(wèn)主機(jī)外設(shè)資源。對(duì)于RS232/485、CAN等外設(shè)接口，通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備文件映射的方式訪問(wèn)。對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)端口映射的方式訪問(wèn)，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(duì)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(kāi)銷，采用B/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)輕量級(jí)編排系統(tǒng)。用戶通過(guò)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(wèn)、容器鏡像下載、配置和監(jiān)測(cè)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(guò)HTTP相互通信。以容器運(yùn)行監(jiān)測(cè)為例，編排模塊通過(guò)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(chǎng)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)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(cè)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(dòng)為532 μs（見(jiàn)圖9）。在工業(yè)控制中，一般要求時(shí)延抖動(dòng)控制在工控周期10%~15%以內(nèi)。據(jù)此測(cè)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(shì)的結(jié)合。

圖9 虛擬化PLC性能測(cè)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(gòu)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(guò)軟件升級(jí)即可提供PLC工業(yè)控制服務(wù)，無(wú)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(chǎng)景豐富、成本降低、易維護(hù)、可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著第四次工業(yè)革命到來(lái)，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(dòng)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(guó)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(guó)八制、國(guó)外壟斷”的市場(chǎng)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(dòng)化與信息化復(fù)合技術(shù)人才，推動(dòng)工業(yè)控制高質(zhì)量發(fā)展。