虚拟化控制系统:通过工作负载整合和实时融合网络实现

随着工业朝着更加灵活、数据驱动的方向发展,健壮的可编程逻辑控制器(PLC)已成为前进的障碍。虚拟 PLC(vPLC)的出现解决了这一难题,用软件定义的系统取代了固定功能的 PLC 硬件。vPLC 解决了工业自动化领域长期存在的许多难题,使企业能够以传统 PLC 无法实现的方式实现数字化运营,并在此过程中降低成本、提高灵活性。 向虚拟 PLC 的转型由两种关键技术支撑。首先是工作负载整合,它使得多个虚拟 PLC和其他任务能够在共享硬件上运行。其次是实时融合网络,它将信息技术(IT)和运营技术(OT)的通信汇集在一起。

随着产业向更加灵活、数据驱动的运营模式转变,坚如磐石的可编程逻辑控制器(PLC)已成为进步的障碍。虚拟 PLC(vPLC)作为解决方案应运而生,用软件定义的系统取代了固定功能的 PLC 硬件。vPLC 解决了工业自动化中许多长期存在的问题,使组织能够以传统 PLC 无法实现的方式数字化其运营,从而降低成本并提高过程的灵活性。

向虚拟 PLC 的转型由两种关键技术支撑。首先是工作负载整合,它使得多个虚拟 PLC 和其他任务能够在共享硬件上运行。其次是实时融合网络,它将信息技术(IT)和运营技术(OT)的通信汇集在一起。

这篇文章阐述了虚拟 PLC(可编程逻辑控制器)的基本原理,探讨了其优势,并强调了实时操作系统(RTOS)在实现实时融合网络和任务整合基础技术中的关键作用。通过理解这些概念,工业领导者可以更好地为未来做好准备,并在日益数字化的制造业领域中赢得竞争优势。

一、虚拟PLC与工作负载整合介绍

虚拟 PLC 可以被视为确定性软 PLC 概念的演变。在这种早期方法中,控制逻辑与底层硬件解耦,使得软 PLC 能够在通用计算平台上运行。虚拟 PLC 通过利用虚拟化技术将资源利用率提升至新的高度。一般来说,在单个硬件平台上只能运行一个软 PLC 的实例。相比之下,可以在同一硬件平台上托管多个虚拟 PLC——这一功能被称为工作负载整合。
关键优势在于 vPLC 的包括:

  • 提升数据可访问性:在集中平台上运行多个虚拟 PLC,所有控制过程的数据都更容易为人工智能(AI)、机器学习、数据分析以及决策提供支持。
  • 提高灵活性:虚拟 PLC 可以轻松重新配置、更新或重新部署,无需进行物理硬件更改。
  • 简化维护:虚拟化系统使得利用 IT 实践进行冗余、软件部署、版本控制和诊断变得容易得多。

尽管虚拟 PLC 在控制架构上代表了一次重大转变,但它们仍然与现有的 PLC 编程语言、方法和工具保持兼容。这使得组织在向更灵活的软件定义控制系统过渡时,可以重复利用现有的专业知识。

PLC 的虚拟化实现高度依赖于两项关键技术:

1. TSN:这套 IEEE 802.1 标准允许使用以太网实现确定性实时通信,使 vPLC 能够满足工业控制系统对严格时序的要求。

2. 虚拟化:嵌入式虚拟化将多核处理器的核心、内存和其他资源进行分区,使得多个vPLC 实例可以在同一硬件上同时运行,而不会相互干扰各自的时序要求。

虚拟化支持的实时操作系统(RTOS)对于在单个物理平台上运行一个或多个虚拟 PLC 以及额外的工作负载至关重要。

二、降低虚拟化控制系统成本

通过嵌入式虚拟化技术将多个控制功能整合到更少的物理设备上,可以显著降低成本。这包括硬件平台成本的节约,也包括维护成本和未来系统升级的成本。

软件更新可以集中部署,版本控制也变得更加易于管理。因此,自动化操作员可以利用集中式管理基础设施,比以往更高效地将新功能部署到已部署的硬件上。

统一架构的转型也使得工业自动化更容易进行扩展。通过采用标准化的硬件和协议,使用时间同步网络(TSN)的虚拟可编程逻辑控制器(vPLC)可以与不同制造商的设备协同工作,从而简化工业系统的集成和扩展,同时减少对不同类型交通专用网络的依赖。这种互操作性和灵活性使得制造商能够更轻松地扩展其运营,并适应不断变化的需求,而无需进行重大的基础设施改造。

三、虚拟化vPLC设备连接中融合网络的地位

同样,可编程逻辑控制器(vPLC)允许控制系统使用通用硬件,时间敏感网络(TSN)则使工业网络能够过渡到基于标准以太网的单一、融合的网络。作为一套 IEEE 802.1 标准,TSN 提供了一系列功能,使得在传统上属于尽力而为的网络技术中实现了确定性通信:

  • 时间同步:TSN 通过 IEEE 802.1AS 标准确保所有网络设备之间精确的时间同步,该标准源自于 IEEE 1588 精确时间协议(PTP)。
  • 交通类别:将不同类型的交通分配到日程的不同部分,以将其与其他交通类型分开。
  • 帧优先抢占:该功能允许高优先级的帧中断低优先级帧的传输。
  • 路径控制和预约:TSN 提供了预留网络带宽和控制数据在网络中路径的机制。
  • 可靠性:TSN 包含无缝冗余和容错功能,这对于工业应用至关重要。

由于这些确定性特征,TSN 允许多种交通类型——如控制信号、视频和诊断信息——在同一以太网基础设施上传输,而不同交通类型之间不会相互干扰。更重要的是,不同工业协议可以在同一 TSN 网络中共存,消除了为每个协议分别建立物理网络的需求。

正确的 TSN 功能组合可以在网络中提供“虚拟电缆”,用动态的、软件定义的路径替换传统的固定连接。这种方法不仅减少了网络的物理复杂性,简化了重新配置,并使管理流程更加流畅,而且还能在控制系统部署中实现更大的灵活性和成本降低。

四、融合网络中时间同步网络的应用方法

近年来,TSN(时间同步网络)技术已经取得了显著进步,稳定性得到提升,并为不同行业开发了 TSN 配置文件。尽管网络配置仍存在一些复杂性,但正在开发工具以简化 TSN 网络管理,方便开发人员和终端用户。

随着自动化行业向时间同步网络(TSN)的采用迈进,通常有三种方法来利用 TSN 进行工业应用:

  • 挖掘传统现场总线:这种方法将现有的现场总线协议,如 Profinet,封装在 TSN 中,允许逐步过渡。
  • 基于 TSN 的现场总线:一些协议,如 CC-Link IE TSN,正在重新设计,以使用 TSN作为其底层技术。通过使用这项技术而不是网络,它们规定了在封闭环境中网络中一切应该如何运作。
  • TSN 作为资源:一些协议,如 OPC FX,假定存在一个管理的 TSN 网络。TSN 通过与这些协议交互,为它们分配网络资源。

随着 TSN 不断发展,它正成为向更加灵活、高效和互联的工业控制系统过渡中不可或缺的组成部分。

五、提升基于 TSN 的融合网络上的 VPLCS 敏捷性

工业自动化和控制系统的融合了虚拟 PLC 和 TSN 技术,放大了两种技术的优势,代表着向融合的 IT/OT 基础设施的全面迁移,这为工业自动化和控制系统创造了新的机遇。特别是,这种协同作用为更加灵活、高效和以数据驱动的制造流程铺平了道路。

在集中式硬件上运行的虚拟 PLC 通过时间同步网络进行通信,使得所有控制过程的数据更加易于获取。这种数据访问性的提升使得实时分析和决策能力得以实现,使制造商能够优化其流程并迅速应对变化的情况。

六、案例研究

一家主要汽车制造商已成功在其生产环境中实施虚拟 PLC(可编程逻辑控制器)以控制任务。该实施利用虚拟 PLC 控制辅助系统和管理非时间敏感的过程,利用现有 IT 基础设施以减少对专用控制硬件的需求。该实施带来的益处显著:

  • 硬件成本通过将多个控制功能整合到更少的物理设备上而降低。
  • 制造商在重新配置生产线方面获得了更高的灵活性。
  • 增强的数据收集能力实现了更好的分析和预测性维护。
  • 网络融合技术的应用简化了整体网络架构,降低了维护成本。

随着虚拟 PLC(vPLC)的广泛应用,越来越多的行业发现了它如何实现工业自动化的数字化,从而带来实际效益。通过提供 RTOS 和 TSN 等技术的更高确定性,汽车制造商和其他原始设备制造商(OEM)可以实现更高的投资回报率(ROI)。

七、基于 TSN 的 VPLCS 的实用实现

虽然虚拟 PLC 和 TSN 的优势显而易见,但在实际工业环境中实施这些技术需要仔细考虑硬件、软件和网络方面的因素。

本节概述了实际实施的要点考虑。

八、硬件工作负载整合的考虑因素

健壮的计算平台是 vPLC 实现的基石。以下特性对于有效的工作负载整合至关重要:

  • 多核处理
  • 高级缓存管理
  • 硬件辅助虚拟化支持
  • 兼容 TSN 的网络接口

通过英特尔® 时间协调计算(英特尔® TCC)等解决方案,这些功能确保多个 vPLC 实例可以同时运行,而不会相互干扰性能。

网络硬件同样发挥着至关重要的作用。需要具备 TSN 功能的网络接口卡(NIC),并且网络基础设施必须包括能够处理实时流量的工业级 TSN 交换机。

九、软件栈支持 VPLCS

实时操作系统(RTOS)是软件堆栈中的关键组件,它抽象了TSN 网络同步、流量整形以及其他要求,以便将虚拟可编程逻辑控制器(vPLC)集成到融合网络中。

RTOS 应支持:

  • 应用之间进行稳健的分区,以防止资源争夺和任务干扰,从而避免破坏确定性任务执行。
  • 支持流行的虚拟机管理程序,尤其是确保确定性的实时虚拟机管理程序
  • 能够与通用操作系统如微软* Windows 和 Linux 并行运行

虹科INtime® 实时操作系统(RTOS)体现了这些特点。它支持开箱即用的流行虚拟机管理程序,可以作为Windows 和 Linux 的配套产品部署,同时保持与宿主系统的严格隔离。这种能力使得多个 vPLC 实例可以在同一平台上运行,彼此之间相互隔离,以确保稳定和可预测的性能。像INtime 可用的全面时间同步网络(TSN)协议栈也是必需的。这个栈应该给予访问汇聚网络的权利,而无需应用程序对底层实现有详细的了解。

十、网络配置与管理在融合环境中的实践

根据 TSN 网络的架构和规模,可能需要采取不同的网络配置和管理方法:

今天,手动配置和实时操作系统(RTOS)足以管理时间同步网络(TSN)端点和较小规模的基础设施。例如,一个由几台运行虚拟可编程逻辑控制器(vPLC)的机器组成,并通过 TSN 连接的部署。

对于大型、复杂的安装,如整个工厂,需要配置软件来简化更高级的 TSN 功能(如流量类别、调度和时间同步)的实施。

在任何部署场景中,实时操作系统(RTOS)都发挥着至关重要的作用,负责从设备端调度网络流量以及管理在终端上运行的 TSN(时间敏感网络)应用。然而,目前可用的 RTOS中,能够提供支持 TSN 所需基础设施的寥寥无几。而那些旨在适应 TSN 标准未来变化的 RTOS 更是少之又少,这些变化不可避免地会改变 TSN 网络的配置和部署方式。

虹科INtime 是一种支持即插即用 TSN 网络堆栈和库的实时操作系统 (RTOS),旨在与 TSN 的演进同步扩展。INtime 的根源在于基于实时以太网的设备与控制器之间的现场级通信。它提供了一个灵活的配置接口,帮助开发者现在和未来充分利用 TSN 的潜力,无需专用工具和实用程序。
在实践操作中,INtime 抽象了虚拟可编程逻辑控制器(vPLC)的控制逻辑、虚拟网络以及其他连接的控制端点之间的差距。这意味着它可以帮助工程师将 vPLC 应用映射到网络资源,正确分配时间同步网络(TSN)流量类别,指定适当的、服务质量(QoS)要求,等等,这一切都可以从设备级别完成。

十一、实现挑战与解决方案

通过专注于清晰、简单的配置,并提供用户友好的端点设置工具,今天用户在实施 TSN 网络时的复杂性可以显著降低。通过选择前瞻性的实时操作系统(RTOS)如 INtime,这些用户还可以简化连接设备的过程和组件,并逐步实现虚拟可编程逻辑控制器(vPLC)和 TSN 的优势。

工业自动化领域对虚拟 PLC 和 TSN 的采用带来了变革性的优势,但也带来了特定的挑战。以下是一些主要考虑因素:

1、从传统系统过渡

挑战: 从传统PLC转向vPLC,需要将新的软件定义控制与现有的传统系统进行集成。

解决方案: 采用分阶段迁移战略,首先采用混合系统,让传统PLC和vPLC一起运行。这种方法通过保持应用层不变,仅交换连接,使所有现场组件和软件保持一致。这样可以最大限度地减少干扰,实现更平稳的过渡。

2、了解网络配置和管理

挑战:实施TSN会带来网络配置的复杂性,需要设置时间同步、流量调度和带宽控制。

解决方案:使用INtime RTOS等实时操作系统是TSN网络终端配置的最佳实践。它通过易于使用的API简化了连接设备所需的TSN网络服务的配置。这种方法抽象化了网络的复杂性,使工程师能够专注于系统的应用,而不必在底层TSN基础设施的启用上花费精力。

3、确保实时性能和确定性

挑战: 在虚拟化环境中保持实时性能和确定性通信,尤其是在整合多个vPLC实例时。

解决方案: 只有采用将本地系统实时功能与网络实时功能相结合的架构,才能全面实现确定性。这就需要选择像INtime这样的实时操作系统,并对TSN提供强大的支持,以实现全网时间同步。

十二、INtime® 在启用VPLC方面的作用

虹科INtime RTOS实时操作系统在实现vPLC方面发挥着至关重要的作用。通过提供确定性环境和对工作负载整合的强大支持,INtime允许多个vPLC在同一平台上并行运行,同时保持PLC应有的实时响应能力。

从工作负载整合的角度来看,INtime的主要功能包括:

  • 实时性能:INtime® 内核确保关键任务的确定性执行,这对于保持 PLC 所期望的实时响应至关重要。
  • 强健分区:INtime 提供对 CPU、内存和 I/O 资源的分区机制,确保每个 vPLC 实例在隔离的环境中拥有所需的资源,防止不同控制应用之间的干扰。
  • 虚拟机支持:INtime 支持虚拟化环境,能够与通用操作系统如 Linux 和 Windows 进行整合。这使得它非常适合用于托管虚拟 PLC 以及人机界面(HMI)和数据分析应用。
  • 开发与调试工具:全面集成的工具,用于开发、测试和调试 vPLC 应用程序,简化了开发过程。

INtime还为TSN奠定了坚实的基础。INtime的主要优势之一是能够从应用层抽象出硬件和网络的复杂性。这种抽象化使控制工程师能够专注于系统和应用的控制方面,而不必在如何启用底层TSN基础设施上花费精力。例如,INtime 可处理:

  • 芯片特定功能,用于精确时间执行和同步
  • TSN 兼容的网络接口卡(NIC)配置与管理
  • 本地系统与网络接口之间的时间同步

通过管理这些底层细节,INtime 使开发者能够使用熟悉的 PLC编程范式创建 vPLC 应用程序,无需成为底层硬件或网络技术的专家。

十二、新兴的TSN生态系统

随着 vPLC 和 TSN 在工业自动化领域的日益普及,一个由硬件、软件和网络领域的主要参与者组成的支持性生态系统正在形成。这个生态系统对于推动创新、确保互操作性和促进这些技术的应用至关重要。

由于涉及多个供应商,确保来自不同制造商的组件无缝协作至关重要。通过电气和电子工程师协会(IEEE)和行业联盟进行标准化,有助于创建一个实现互操作性的通用框架。

互操作测试在确保这一持续进展方面发挥着至关重要的作用。这些活动将整个生态系统的供应商聚集在一起,在真实场景中测试其产品的互操作性。此外,这些活动还促进了行业领导者之间的合作,推动了技术的不断改进,加快了技术在工业领域的应用。因此,TenAsys 在推动这些活动方面发挥了积极作用。

十三、未来展望

随着 vPLC 和 TSN 的应用不断增加,围绕这些技术的生态系统预计将迅速发展,从而推动工业自动化领域的重大进步。行业领先企业不断改进其产品,以提高互操作性、可扩展性和性能。随着越来越多的公司采用这些技术,生态系统将日趋成熟,提供更强大的解决方案,并促进供应商之间的更多合作。

vPLC 和 TSN 的未来与它们与其他新兴技术(如人工智能和数字双胞胎)的整合密切相关。人工智能可以加强预测性维护和流程优化,而数字孪生则可以利用 vPLC 和 TSN 网络的数据丰富物理系统的虚拟副本,从而进行更精确的模拟。

vPLC、TSN 和其他先进技术的融合将对各行各业产生深远影响。制造业、能源和物流业只是从提高效率、灵活性和可扩展性中受益的几个行业。随着这些技术越来越多地融入工业运营,它们将促成新的业务模式,推动创新,并显著提高运营绩效。

十四、结论

vPLC 和TSN的融合代表了工业自动化领域的重大进步。这些技术已经成熟到可以投入实际应用的程度,在灵活性、效率和数据可访问性方面带来了实实在在的好处。

随着工业领域的不断发展,现在就开始向 vPLC 和 TSN 过渡的企业将获得竞争优势。早期采用者将能更好地利用新兴技术,适应不断变化的市场需求。

虹科INtime软件套件为希望探索vPLC和TSN可能性的企业提供了一个强大的平台。通过与TenAsys合作,企业可以开始迈向更加灵活、高效和面向未来的自动化基础设施之路。

点击了解关于虹科INtime解决方案的更多内容:https://www.intelnect.com/intime-rtos/ 

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