5G虛擬化PLC技術研究與實踐

摘要：隨著PLC軟件標準化和5G網(wǎng)絡的發(fā)展，PLC從專用控制設備向軟件功能服務轉變，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。首先，通過分析工業(yè)控制系統(tǒng)演進趨勢，提出以5G虛擬化PLC為技術底座的新型5G工控系統(tǒng)。其次，分別從架構、關鍵技術等方面闡述了5G虛擬化PLC的技術特點，并介紹了以5G工業(yè)網(wǎng)關為載體開展的5G虛擬化PLC技術實踐。最后，展望虛擬化PLC的發(fā)展趨勢，分析5G虛擬化PLC技術發(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)?？?a target="_blank">編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是工業(yè)自動化控制的關鍵設備，廣泛應用于工業(yè)、交通、市政等國民經(jīng)濟各個方面。PLC在順序控制器的基礎上引入了微電子、計算機、自動控制和通信技術而形成的工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、計時計數(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、可擴展性不足等問題。

1 工業(yè)控制系統(tǒng)演進趨勢

隨著控制科學與計算、信息、通信等學科交叉融合，控制理論從經(jīng)典反饋控制、現(xiàn)代控制向數(shù)據(jù)驅動的智能控制發(fā)展，控制系統(tǒng)從單點控制、網(wǎng)絡化控制向基于分布式的云控制演進。通過信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）與運營技術（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，具備互聯(lián)性、可擴展和數(shù)據(jù)驅動決策等新特點，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走向開放解耦的通用控制架構

隨著5G、邊緣計算等技術的出現(xiàn)與發(fā)展，傳統(tǒng)ISA-95的五層工業(yè)控制架構開始向“端-邊-云”三層架構轉變。其中控制層PLC演進成為產(chǎn)業(yè)各界關注的熱點。從技術上看，工控任務從嵌入式專用設備開始向具備實時數(shù)據(jù)處理能力的云邊通用設備遷移。從業(yè)務上看，邏輯控制等軟實時任務逐漸遷移至邊緣或云端集中控制，運動控制等硬實時任務仍留在現(xiàn)場側設備執(zhí)行。

（2）單一控制任務處理走向分布式多任務協(xié)同處理

傳統(tǒng) PLC 采取順序處理的方式處理任務，但控制規(guī)模擴張帶來任務量增加、任務種類廣泛、各任務的優(yōu)先級差異擴大、任務之間的協(xié)同要求變高，尤其是大數(shù)據(jù)和人工智能技術的引入，傳統(tǒng)控制任務和數(shù)據(jù)驅動的IT任務高效協(xié)同必然要求傳統(tǒng)控制系統(tǒng)從單節(jié)點處理向多節(jié)點協(xié)同處理轉變。

2 5G云化PLC的技術發(fā)展路徑

伴隨ICT發(fā)展，尤其是以5G為代表的網(wǎng)絡技術發(fā)展，5G云化PLC成為解決傳統(tǒng)PLC問題的重要手段。以PLC控制任務部署位置為劃分依據(jù)，當前5G云化PLC存在三大技術發(fā)展路徑（見圖1）。

圖1 5G云化PLC的技術發(fā)展路徑

（1）現(xiàn)場級云化PLC：控制任務部署在工業(yè)網(wǎng)關上，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：控制任務部署在中心云服務器上，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)絡技術增強，端到端時延可降低至5 ms，但部署成本較高。

目前的5G云化PLC技術路線存在架構不統(tǒng)一、不支持邊端協(xié)同、PLC應用無法編排等問題，尤其是5G網(wǎng)絡服務工業(yè)控制面臨時延、抖動、可靠性等挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文提出5G虛擬化PLC技術架構，通過“端-邊-云”協(xié)同，實現(xiàn)3個“統(tǒng)一”：統(tǒng)一運行環(huán)境、統(tǒng)一部署調(diào)度和統(tǒng)一開發(fā)運維門戶。

3 5G虛擬化PLC的技術架構

3.1 虛擬化PLC的典型特征

虛擬化技術是一種資源管理技術，通過使用軟件技術在計算機硬件上創(chuàng)建抽象層，將單個計算機的硬件資源分成多個虛擬計算機，提升資源利用效率和安全性。虛擬化技術在云計算中被廣泛使用，隨著虛擬化技術的不斷發(fā)展與成熟，虛擬化技術也在更多的領域、不同的硬件架構上得以應用［2］。

虛擬化PLC（Virtualization PLC，vPLC）通過創(chuàng)建虛擬化運行環(huán)境，實現(xiàn)PLC控制任務與硬件設備分離，進而可將PLC任務部署在各類不同網(wǎng)元設備上。vPLC具備3個典型特征。

（1）PLC軟硬解耦：傳統(tǒng)PLC采用嵌入式硬件和實時操作系統(tǒng)，軟硬件耦合緊密。vPLC通過引入PLC運行環(huán)境，由PLC運行環(huán)境提供PLC任務的加載、執(zhí)行和調(diào)度，從而實現(xiàn)PLC任務與實時操作系統(tǒng)的解耦。

（2）PLC虛擬運行：在通用硬件上通過虛擬化技術，實現(xiàn)異構操作系統(tǒng)部署運行。PLC運行環(huán)境部署在虛擬操作系統(tǒng)上，實現(xiàn)PLC任務與底層硬件的解耦。

（3）PLC編排調(diào)度：vPLC本質是PLC軟件服務，可在“端-邊-云”系統(tǒng)中對其編排部署，也可在運行期間進行動態(tài)調(diào)度，提供明顯區(qū)別于傳統(tǒng)PLC的靈活性和可擴展性。

與傳統(tǒng)PLC相比，vPLC提高了系統(tǒng)靈活性和可擴展性，降低了設備和運維成本，極大地促進了生產(chǎn)線的更新和重新設計［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（Control as a Service，CaaS）的開放體系架構，PLC控制功能可泛在部署、靈活復用，在異構網(wǎng)絡下實現(xiàn)設備的即插即“控”。5G工業(yè)控制系統(tǒng)基于“端-邊-云”協(xié)同的理念進行架構設計，包括運行層、服務層和開發(fā)層（見圖2）。

圖2 5G工業(yè)控制系統(tǒng)架構

（1）運行層：基于實時虛擬化技術，在通用硬件上為vPLC提供統(tǒng)一的實時運行環(huán)境。虛擬化支持實時操作系統(tǒng)與非實時操作系統(tǒng)混合部署，支持vPLC的動態(tài)擴展。

（2）服務層：負責將vPLC部署到不同物理節(jié)點，同時對其生命周期進行管理，實現(xiàn)PLC工控服務統(tǒng)一部署和調(diào)度。

（3）開發(fā)層：提供PLC應用開發(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)運維門戶。

5G工業(yè)控制系統(tǒng)具備多種技術優(yōu)點。首先，它為3類不同的云化PLC技術提供統(tǒng)一架構。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)境對設備的制約，實現(xiàn)PLC控制集中化部署。另一方面，端側vPLC可保障對現(xiàn)場設備的低時延控制，支持包括運動控制在內(nèi)的各類高實時性應用。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關鍵技術

4.1 實時虛擬化

PLC任務作為操作系統(tǒng)進程在操作系統(tǒng)上按照工控周期循環(huán)運行，必須在每個工控周期確保PLC進程可以接收外部輸入以及獲得CPU處理時間。為了提供可靠的PLC控制服務，操作系統(tǒng)的實時性是關鍵因素。實時虛擬化技術是指在通用硬件上通過軟硬件虛擬化，實現(xiàn)實時計算任務和非實時計算任務混合部署，支持將多個嵌入式設備上的計算任務合并到同一個通用設備中運行。實時虛擬化技術在保障實時性的同時，還可發(fā)揮通用操作系統(tǒng)良好的硬件適配和豐富的應用能力，具備降低設備成本、尺寸、功耗，實現(xiàn)異構設備生態(tài)兼容等優(yōu)勢。

目前業(yè)界已有多種虛擬化技術，主要分為硬件分區(qū)、完全虛擬化、準虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化等。其中，適合做實時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立的分區(qū)，每個分區(qū)都具有各自獨立的操作系統(tǒng)。硬件分區(qū)實時性好，接近裸機性能，但無法實現(xiàn)資源共享，擴展性不足，資源利用率較低。尤其是外設I/O需要事先分區(qū)，無法復用，提高了技術成本。

（2）實時Linux容器：通過Preemption Patch、Xenomai等方式將Linux從分時系統(tǒng)改造為實時系統(tǒng)，再通過容器輕量級虛擬化提供資源隔離，為PLC構建一個實時、虛擬化的運行環(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。盡管容器運行開銷較低，但改造后Linux內(nèi)核實時性仍低于實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS），在伺服運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提供高實時性。目前，該技術在工業(yè)、汽車車機、機器人等領域呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢，但存在技術生態(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時虛擬化實現(xiàn)方式。對于邊緣和云側vPLC，優(yōu)先選擇實時Linux容器技術。一方面Linux實時改造開銷小、部署便捷。另一方面容器編排調(diào)度、冗余備份技術成熟，風險低?？紤]到端側vPLC實時性要求較高以及端邊協(xié)同需要，端側vPLC優(yōu)先選擇實時Linux容器或微內(nèi)核虛擬化方案。

4.2 5G確定性網(wǎng)絡

5G工業(yè)控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡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。二是在異構網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)據(jù)的確定性傳輸。網(wǎng)絡誘導時延的不確定是影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵因素?，F(xiàn)有網(wǎng)絡線性跳躍系統(tǒng)建模可以補償不穩(wěn)定的隨機延遲，但仍難以滿足實時控制性能需求［4］。

確定性網(wǎng)絡是一種能夠為用戶提供確定性服務質量的網(wǎng)絡，具備靈活切換確定性服務和非確定性服務、自主控制提供確定性服務質量等級的能力。典型的確定性網(wǎng)絡技術如表1所示。綜合來看，確定性網(wǎng)絡技術是實現(xiàn)5G工控系統(tǒng)網(wǎng)絡的主要路徑。5G確定性網(wǎng)絡（5G Deterministic Networking，5GDN）采用高精度時鐘同步、流量整形、資源預留等技術在5G網(wǎng)絡切片基礎上實現(xiàn)確定性帶寬、確定性時延和99.999 9%的連接可靠性，打造可預期、可規(guī)劃、可驗證，有確定性能力的無線網(wǎng)絡，提供“差異化+確定性”的業(yè)務體驗［5］。5G確定性網(wǎng)絡結合現(xiàn)場網(wǎng)絡、邊緣計算等技術可實現(xiàn)端到端確定性控制［6］。

表1 典型確定性網(wǎng)絡技術

4.3 “端-邊-云”協(xié)同編排

通過實時虛擬化，傳統(tǒng)PLC硬件設備變成與硬件解耦的PLC軟件服務。在5G云邊端架構中，需要對PLC軟件服務進行靈活部署，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以容器或虛擬機的方式部署到5G工業(yè)網(wǎng)關、5G工業(yè)基站、5G工業(yè)UPF以及MEC等網(wǎng)元上。編排方式包括計算芯片與 IO 芯片的互連（Controller to IO，C2IO）和計算芯片之間的互連（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。邊緣側主要部署主PLC，負責與云端系統(tǒng)對接，以C2C類型生成并向部署在端側的從PLC下發(fā)控制指令。端側從PLC主要負責C2IO通信，接收邊緣主PLC控制指令，控制現(xiàn)場側IO設備。

與Kubernetes、Kubevirt等編排系統(tǒng)不同，vPLC具有高實時性、高可靠性要求，普通容器或虛擬機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，以換取更高的實時性和可靠性。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實踐

5.1 試驗場景與方案

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的技術實踐，目前已在十余家工業(yè)企業(yè)驗證應用。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，為自動導向車（Automated Guided Vehicle，AGV）物料搬運提供網(wǎng)絡服務。業(yè)務需要根據(jù)不同類型的物料，由業(yè)務平臺規(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（見圖4）。在邊緣側，主vPLC部署在UPF上，實現(xiàn)PLC的集中化部署。主vPLC負責接收制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）下發(fā)的任務指令，將任務封裝成控制指令，發(fā)送給AGV攜帶的從vPLC，同時接收從vPLC執(zhí)行過程中的反饋信息。在現(xiàn)場側，從vPLC部署在5G工控網(wǎng)關上，實現(xiàn)對PLC和5G 數(shù)據(jù)傳輸設備（Data Terminal Unit，DTU）的“二合一”替換。一方面，從vPLC負責接收到主vPLC發(fā)送的控制指令，通過傳感器控制AGV的驅動系統(tǒng)，實現(xiàn)精確的移動和定位。另一方面，當AGV到達目的地，從vPLC將任務執(zhí)行結果反饋給主vPLC，上報任務完成情況。

圖4 應用場景示意圖

5.2 系統(tǒng)研發(fā)

采用實時容器技術分別在5G UPF和工業(yè)網(wǎng)關上部署vPLC，將其改造成5G工業(yè)UPF和5G工控網(wǎng)關，主要配置如表2所示。

表2 UPF和網(wǎng)關軟硬件配置

5G工業(yè)UPF、5G工控網(wǎng)關與編排平臺組成如圖5所示的系統(tǒng)架構，其中主要的研發(fā)工作如下。

圖5 系統(tǒng)技術架構圖

（1）Linux內(nèi)核改造

首先，通過集成Preempt-RT補丁將UPF、網(wǎng)關原有內(nèi)核改造成實時內(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。在高負載情況下，改造前后進程處理最大時延可從8 ms降至500 μs。其次，配置CPU資源隔離將實時任務常駐特定CPU核心，降低任務切換開銷，將進程處理最大時延抖動進一步降到300 μs以下。再次，設計中斷路由，將外設中斷響應路由到其他CPU核心上處理，降低對實時任務運行的干擾。通過上述Linux內(nèi)核改造，進程處理最大時延抖動可降到100 μs以下（見圖6、圖7）。

圖6 Linux內(nèi)核改造前進程處理時延

圖7 Linux內(nèi)核改造后進程處理時延

（2）PLC-runtime容器化

為了支持PLC動態(tài)擴展，需要為PLC-runtime構建容器虛擬運行環(huán)境。首先，基于Alpine構建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實例對應的容器卷，用于PLC容器運行期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)持久化。再次，PLC容器運行期間需要訪問主機外設資源。對于RS232/485、CAN等外設接口，通過驅動設備文件映射的方式訪問。對于IP網(wǎng)絡接口，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端口，比如Modbus TCP從站對外服務端口等。

（3）vPLC編排

為了支持UPF和網(wǎng)關統(tǒng)一編排，降低網(wǎng)關資源開銷，采用B/S架構開發(fā)輕量級編排系統(tǒng)。用戶通過瀏覽器進行前端操作，后端分為管理模塊和編排模塊實現(xiàn)PLC容器編排部署。管理模塊部署在服務器上，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)關上，主要提供容器鏡像拉取、容器環(huán)境配置、運行管理等功能。管理模塊和編排模塊通過HTTP相互通信。以容器運行監(jiān)測為例，編排模塊通過Docker Client定時與本機Docker服務通信，獲取容器運行狀態(tài)信息，然后上報給管理模塊，當管理模塊發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常時進行異常處理。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 試驗效果

完成5G工業(yè)UPF和5G工控網(wǎng)關現(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每個工控周期包含一次與從vPLC的通信。經(jīng)過長時間運行測試（14 D），AGV調(diào)度運行良好，未發(fā)生停機或路線偏移故障。測得主vPLC平均執(zhí)行時間為457 μs，最大執(zhí)行時間為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，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邊緣側單一部署方案，端邊協(xié)同方案實現(xiàn)了集中化部署和支持中高速控制兩大優(yōu)勢的結合。

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軟件授權和5G工控網(wǎng)關的成本，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，設備采購價格顯著降低50%以上。另外，5G工業(yè)控制系統(tǒng)支持統(tǒng)一編排，PLC應用下裝、更新、運維均可以集中化遠程進行，擴展靈活，運維時間縮短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，無需硬件改造，不干擾UPF或網(wǎng)關的已有業(yè)務，支持中高速工業(yè)控制，具有應用場景豐富、成本降低、易維護、可擴展等優(yōu)勢。

6 結束語

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，加速技術與各類生產(chǎn)要素的融通，構建新型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)一的技術架構和技術路徑，另一方面構建5G vPLC技術生態(tài)將激勵PLC廠商從硬件產(chǎn)品向軟件服務轉型，為國產(chǎn)PLC技術提供了新的發(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、冗余熱備等關鍵方面做技術攻關，不斷提升完善5G工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，需加強與高校合作，培養(yǎng)工業(yè)自動化與信息化復合技術人才，推動工業(yè)控制高質量發(fā)展。