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    新的突破|基于邊緣的集成式架構:虛擬化控制器(vPLC)

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-21  來源:控制工程網  瀏覽次數:6
      大多數工業自動化應用,都要求控制設備和相關的輸入輸出(I/O)元件,具有較高的可靠性和可用性。從1968 年推出的第一臺離散可編程邏輯控制器(PLC)到現在,PLC 已被廣泛應用于制造業生產線的控制。雖然通常使用一組PLC 來精確執行I/O控制,但每個PLC 都需要通信端口和控制器單元,這樣系統規模就比較大而且價格高昂。一旦部署完成,升級成本也很高。
      在商業(COTS)基礎設施上的虛擬化可編程邏輯控制器(vPLC),可以取代大量單獨的控制器“機箱”及其電子設備。這就是邊緣計算,信息技術(IT)的云基礎設施就位于車間機器附近。這樣就可以滿足極低延遲和短控制周期的嚴格要求(本文假設邊緣計算基礎設施位于工廠內部)。
      通過將邊緣節點上的大量vPLC 相互連接,有助于運營效率的提高。盡管vPLC應用的不是太多,但隨著邊緣計算的出現,這種架構可能會變得越來越重要。在數據中心,在功能強大的服務器上虛擬化數據庫和應用程序一直使用最先進的技術。
      虛擬化是將邏輯功能(軟件)與物理設備分離,并在商業硬件上運行的能力。虛擬化可以降低成本,提高靈活性和可擴展性,并提高IT 的可靠性和性能。在過去的十年中,很多供應商開始在虛擬化的環境中支持其監控與數據采集(SCADA)和分布式控制系統(DCS)平臺,從而在運營技術(OT)環境中實現更多的虛擬化。
      最近我們看到,在需要將性能提高到超出其當前控制器能力的情況下,其實已經有越來越多的DCS 供應商開始部署虛擬化控制器CPU,以幫助用戶降低控制器成本。這些虛擬化DCS 控制器可以運行在商用IT 硬件上,如Windows 或Linux 服務器。
      基于邊緣的集成式架構
      可以想象以下場景:從車間移除分散的PLC,將其控制功能以vPLC 的形式托管在邊緣數據中心,并具有適當的計算能力以及與自動化系統的網絡連接的功能。服務器已經可以同時處理數百個vPLC,但配置虛擬化和共享網絡和存儲資源的標準IT 服務器,無法充分滿足OT 行業對可靠性和實時性能的要求。為此,需要能夠運行實時工作負載的工業邊緣服務器。只有I/O 仍然保持在機器、傳感器、執行器和驅動器的所在地。
      與基于單個PLC 的分散式體系結構相比,集成式體系結構在沒有功能變化的情況下,顯著降低了資本和運營支出,這主要是因為可以將大量的虛擬化PLC 托管在一臺服務器上。
    圖 1: 制造業正在采用邊緣計算來實現 IT/OT 融合。
     
      vPLC 和傳統PLC 之間的明顯區別在于靈活性和可擴展性。由于實現了控制功能的虛擬化,并運行在邊緣數據中心,虛擬控制器之間的交互變得更加簡單。虛擬控制器之間的通信,可以通過單個服務器內的功能調用來實現,與物理上分離的PLC 之間的傳統通信相比,這提高了可靠性和可擴展性。它有助于生產線的升級和重新設計。在數據中心運行的虛擬控制功能,就像生產線的“數字孿生”,有助于模擬和預測物理對象的行為。
      從邊緣數據中心訪問現場數據的可能性,意味著可以實時執行控制和數據分析,這是診斷、維護、優化和對自動化系統變更實現智能響應的理想選擇。
      大數據分析不是在邊緣服務器上的控件上運行,而是與同一邊緣服務器上的控件“并行”運行。因此,現代人工智能(AI)和機器學習算法,可以在不干擾現有控制過程的情況下應用于此。由于將控制功能托管在同一邊緣基礎設施上,因此也可以在此實現從數據分析到控制的反饋回路,從而開啟新的優化選項。
      實施虛擬化的4 個挑戰
      那為什么這種架構尚未被廣泛采用?相關調查發現了4 個主要的問題:
      01  現有的架構經過了試驗和測試:
      成本優勢、靈活性和優化很好,但收益并不匹配。“切勿觸碰運行中的系統”,除非資本和運營支出有收益顯著。
      02  服務協議和責任:
      工廠和運營商從供應商或系統集成商處購買了“封閉式”的解決方案。這些方案通常有封閉的接口,因此機器無法適應不同的控制架構。如果機器未按預期工作,供應商必須修復它。
      03  技術風險:
      集成服務器平臺的可靠性和確定性不夠可靠,無法將關鍵控制功能托付給它。由于網絡原因,邊緣數據中心中控制器的響應時間也可能不可靠。
      04  組織障礙:
      要實施此類集成平臺,控制專家需要新技能。公司內的人才儲備通常與集成架構不相匹配。
      在邊緣端進行控制虛擬化的優勢必須針對每個應用進行判斷。作為工業4.0 戰略的一部分,邊緣計算基礎設施對于那些對靈活的生產過程和反應性過程變化有很高要求的應用是物有所值的。技術風險相當具有挑戰性,但最近的一些進展表明,在這方面已經有新的突破:
      ● 實時操作系統和虛擬機監控程序解決方案,已經為當前多核CPU 提供了可靠的資源分區機制,如CPU內核和緩存,因此可以實現與“裸機”一樣的實時性能,而不是虛擬化和相關的實時波動。內核越多,可以同時獨立運行的實時應用程序也就越多。
      ● 由硬件支持的、本地以太網接口的網絡虛擬化,使多個應用能夠相互獨立地使用同一服務器上的網絡資源,并且可以實時在網絡中獲得所需的帶寬。時間敏感網絡(TSN)和確定性IP網絡,在網絡中提供了獨立傳輸來自不同應用程序的實時數據的機制,并且不受以太網網絡延遲的干擾。
      ● 對于各種現場總線協議,如Ethercat 和Profinet,已經提供了通過TSN 定義“通道”的規范。這使得現場I/O 能夠通過一個網絡與邊緣數據中心中的VPLC通信,就像它們通過現場總線直接連接一樣。
      ● 在應用和管理方面,提供獨立于制造商的接口已經成為一種趨勢。OPC 基金會運動工作組的當前規范工作旨在確?;?nbsp;OPC UA 發布/ 訂閱的控制和運動控制設備(驅動器、I/O)之間獨立于供應商的互操作性?;贠PC UA 和TSN 的制造商獨立互操作性的類似標準已被一些工業聯盟和協會(例如Euromap和OPAF)采用。獨立于制造商的管理接口也可以更好地發揮作用。
    圖 2:一個假設的自動化平臺的潛在架構。
     
      有了這些機制、技術和標準,就可以實現集成的、基于邊緣的架構,就像在各種測試平臺和演示中所展示的那樣。
      在編程和實時運行性能方面,控制模型沒有任何變化:即使生成的控制應用實現了虛擬化PLC,并且僅通過現場總線接口與現場通信,IEC 61131 編程模型也可以原封不動地使用。此外,一些項目已經按照IEC/EN 61499 分布式控制的要求擴展集成架構。
      來自組織方面的挑戰也不容忽視。用于承載控制的邊緣平臺的配置、調試和維護,與PLC 的編程和運行是不同的任務。因此,與以前一樣,控制應用的生命周期仍然是這些應用專家所擅長的領域,而IT 部門則負責邊緣服務器及在其上運行的托管基礎設施的安裝和維護。
      根據自動化行業的要求,確保健壯性和確定性的基本接口,必須包含在經認證的邊緣計算平臺產品中,因為這種能力通常既不是控制專家擅長的,也不是IT部門擅長的。但這不會改變基本模型中的任何內容。
      在自動化領域,基于邊緣的集成式控制架構并非是最先進的。目前的架構是很成熟的,其中大多數控制器在其應用中作為硬件PLC 實現。但是,如果需要更大的靈活性,那么將邊緣計算架構中的虛擬化控件,與邊緣節點和邊緣數據中心集成的方法和技術,可以帶來更多的好處。
      要實現完全的PLC 虛擬化,還面臨很多挑戰。例如,PLC 確定性與其它傳統云服務(如辦公應用程序)的不確定性、以性能為中心的本質之間存在根本區別。如果沒有一個或多個供應商參與此技術轉移,則不可能實現完全的PLC 虛擬化。
      盡管在工業控制中使用虛擬化PLC 可以為集成最新ICT 技術提供機會,但在制造業領域的采用率還有待提高。我們建議在綠地項目部署時可以采用虛擬化PLC。為了獲得最大收益,它們應該與生產線上的執行器和傳感器集成,并使帶有虛擬化PLC 的控制器成為智能工廠支持子系統的一部分。(作者:David Lou, Industry IoT Consortium)
      關鍵概念: 
      ■ 越來越多的DCS 供應商開始部署虛擬化控制器CPU,以幫助用戶降低控制器成本。
      ■ 從邊緣數據中心訪問現場數據的可能性,意味著可以實時執行控制和數據分析。
      思考一下: 
      是什么阻礙了您公司在工業控制中使用虛擬化PLC ?
     
    關鍵詞: PLC 虛擬化 VPLC
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