PLC 4.0:工业4.0的控制系统

PLC 4.0: A Control System for Industry 4.0【翻译】

Mahyar Azarmipour†, Haitham Elfaham†, Caspar Gries§and Ulrich Epple†
†Chair of Process Control Engineering
RWTH Aachen University, Aachen, Germany
Email: {m.azarmipour, h.elfaham, epple}@plt.rwth-aachen.de
§SYSGO GmbH, Klein-Winterheim, Germany
Email: [email protected]

摘要
工业4.0遵循促进制造业数字化的目标。因此信息技术与自动化的融合起着至关重要的作用。这些目标不仅需要新的软件和信息模型，而且还需要提供更多智能和生产系统更灵活的硬件。传感器领域的最新发展引入了传感器4.0，这是硬件适应工业4.0需求的一个例子。这对于其他参与的硬件（如控制设备）也是必要的。这些控制设备还必须设计得更加智能，并提供与云计算和网络物理系统等其他技术的接口。本文将介绍一种新的控制设备体系结构，它作为工业自动化应用程序和IT技术之间的桥梁，为与控制过程并行运行的测试和仿真提供一个虚拟平台。我们将此架构称为“PLC 4.0”

一、 引言
最近，在工业自动化领域，正在发生重大的范式转变。德国的工业4.0（I40）、美国的工业互联网联盟（IIC）和许多其他倡议旨在引入革命性的思想和概念，如物联网（IoT）[1]、云计算、网络物理生产系统（CPPS），以实现适应性等目标[2]。其中适应性描述了一个系统对计划外的变化或修改作出反应的准备状态[3]。建立这些概念需要修改硬件和基础设施（智能现场设备）的基本方面，通过在自动化金字塔中分解通信层次结构或其他开发方面（如面向服务、互操作性、部署虚拟化）来增加互连性，P2P通信等在传统的自动化系统中，大规模生产和快速制造成为人们关注的焦点。因此，自动化系统的灵活性是基于配方的。I4.0遵循促进制造业数字化的目标。未来的自动化系统允许产品和生产过程的数字化工程。从而集成信息技术（IT），如云计算、物联网和CPPS在自动化中发挥着至关重要的作用，以增加智能的制造系统。传感器领域的最新发展可以见证传感器4.0或“智能传感器”的引入。但是，可以在基础设施（即控制层）中进行进一步的开发。本文讨论了一种新的可编程逻辑控制器结构。我们称之为“可编程逻辑控制器4.0”。建议的架构提供了一个平台，该平台支持与公共云系统的连接，同时还考虑了安全方面。此外，它还提供了一个抽象层，提高了PLC的灵活性，提高了通信服务质量（QoS）和可扩展性。图1示出了PLC 4.0的建议基础结构。深灰色框演示了引入的层，它们可以提供上述增强功能。
本文的其余部分结构如下：第II部分涉及相关的工作以及概念所使用的基本知识和技术。第Ⅲ部分讨论了PLC 4.0的基本特性。概念和相关场景在第Ⅳ、Ⅴ部分中介绍。第Ⅵ部分讨论了问题的实施。最后，第Ⅶ部分得出论文的结论。

二.相关工作和基础
近年来，为了取代硬件可编程逻辑控制器，人们提出了一些实现虚拟可编程逻辑控制器（vPLCs）的方法。例如，[4]引入了一种在工业自动化中提供控制服务的方法，以提高自动化系统的灵活性。这种方法将可编程逻辑控制器实现为私有云中的虚拟实体（以确保安全），并将其作为服务交付给现场设备。在[7]中引入的方法遵循了使用AMAZON服务的类似目标。本文提出的方法为硬件可编程逻辑控制器提供了一种新的体系结构，该体系结构还提供了考虑安全性的云通信（公共或私有），并介绍了一些提高自动化系统灵活性的方法。在[6]中，介绍了一种使用容器技术的多用途控制器的体系结构。本文应用容器技术和hypervisor解决方案来确保动态部署和连接以及安全性、关键应用程序的分离、实时操作系统（OS）和通信。

A、 虚拟化
在I40中，虚拟化在系统设计中起着重要的作用。虚拟化可以为软件提供一个抽象层，从而提高系统的灵活性。此外，虚拟化可以更好地控制不同应用程序/操作系统之间的资源分配。不同的虚拟化方案将在以下各节中进行说明：
a）通过虚拟机监控程序实现虚拟化：IBM引入了虚拟机（vm）和通过虚拟机监控程序实现虚拟化的概念[18]，[19]。hypervisor是一个用于OSs的操作系统。它是一个软件层，抽象了底层平台接口，如处理器、内存和网络连接，允许应用程序同时运行[5]。这些应用程序、它们的操作系统和所有其他依赖项都封装在称为VM的独立环境中。有两种类型的管理程序。类型1虚拟机监控程序可以直接安装在硬件上，而不需要操作系统（参见图2（a）），而类型2虚拟机监控程序作为操作系统中的常规应用程序运行（参见图2（b））。
b） 通过容器实现虚拟化：容器技术也可以看作是一种虚拟化方法。与VM类似，容器只允许在应用程序级别进行抽象。由于在容器中运行的应用程序使用底层操作系统，因此与VMs相比，它们的重量很轻，VMs将应用程序与专用操作系统实例捆绑在一起（见图2（c））。容器技术为分散性、可伸缩性和动态部署提供了解决方案。

B、 动态运行时环境
工业自动化中的动态运行时环境（RTE）为逻辑执行提供了一个平台，可以在运行时进行动态调整。我们的示例中使用的RTE是ACPLT/RTE。在库开发阶段（离线阶段），以ANSI/C语言编写元模型和类的逻辑，如功能块、控制图或顺序图，然后根据操作系统编译生成.dll或.so文件。这些元模型和函数块类型可以在运行时实例化和工程（彼此连接）。兼容操作系统之间也可以进行库交换。图3展示了RTE的不同阶段。

C、 自动化层次结构
自动化金字塔将自动化层次划分为四个层次，即（自下而上的顺序）：字段、控制、MES和ERP。每一层负责不同的目标。在经典的自动化范例中，通信基础设施是以一致的方式构建的。随着在I40中解散通信层次结构的提议，新的目标和风险出现了。其中一个主要的关注点是控制层的安全性。控制层具有开放的通信端点会导致外部攻击或控制软件操作的风险。在提议的PLC 4.0方案中，这些问题得到了解决。
1） 控制层次结构：在工业自动化中，控制逻辑是在一个特定的层次结构中实现的，该层次结构确保了不同组件之间的协调功能，如[16]所示。此控制层次结构由单个控制单元（SCU）、组控制单元（GCU）和程序组成。SCU包含单个现场设备的控制逻辑。GCU将SCU的不同功能整合在一起。该层次结构具有基于可使用如图4所示的前述控制单元实例化和执行的过程的灵活方案。

D、 数字孪生
数字孪生（DT）一词是格里夫斯于2003年在密歇根大学提出的。然而，术语DT的定义是在不同的上下文中发展和引入的，如[20]所示。尽管DT的定义多种多样，但DT的一个共同目标是根据信息世界中的用例虚拟化系统的不同方面。DT技术通常通过三个部分来定义。物理空间、虚拟空间与两个空间的连接[10]。这实现了工业4.0环境下的主要目标之一，即通过映射数字世界中的物理生产系统来测试它们的行为，从而实现数字化。它不仅包含资产的模型，还包含它们的交互和接口，以及它们的制造过程[17]。这可以作为优化、验证、故障诊断等数据分析的基础。
E. 资产管理壳,工业4.0组件
资产管理Shell (AAS)是资产生命周期中的数字表示。AAS的目标是提供关于资产的一致信息。例如，钻头的AAS包含制造商、转速、钻深等信息。将AAS上传到云中是一种常见的做法，因为它提供了全局访问，并且确保了它的可用性(尽管有资产连接)。

三、 PLC 4.0的基本特性
A、 云解决方案-外部接口
将IT解决方案集成到自动化中是I4.0追求的目标。在这方面，通过允许应用程序的动态部署，在自动化中集成云解决方案提高了自动化系统的适应性[8]。在自动化中实现类似于app store[13]的概念可以构建一个动态的应用系统，作为可适应的生产的基础。因此，只要运行时环境提供库和应用程序的动态集成，这些应用程序（及其所需的编译库）就可以在运行时下载和执行（参见第2节）。此外，像AAS这样的概念应该安全无缝地集成到新的自动化架构中。因此，需要一个可以在容器中提供的外部接口。此容器将具有受限的权限（在通信和资源消耗方面），并将充当外部云系统的门户。

B、 模拟与验证
仿真是一个重要因素，必须加以考虑和修改，以满足II-D节中提到的I4.0要求。桥接现实和虚拟仿真，例如通过数字双胞胎，相当于采用从虚拟世界到现实世界的信息，即在我们的案例中，正在运行的实现。像快速预测等场景可以实现，通过工厂模拟可被操作员用作在发生系统故障和问题之前的检测辅助工具。此外，上述云解决方案允许应用程序的动态部署，但这些应用程序在使用前必须经过有效性测试。这些模拟和验证不应损害系统安全及其资源管理。

C、 实时和QoS保证
实时执行和QoS（通信延迟和安全性）可以使用虚拟机进行管理，如II-A中类型1的管理程序中所示。此外，软件抽象可以允许执行RTOS（实时操作系统），确保实时需求，同时运行处理其他任务的其他vm（例如外部接口）。

D、 适应性
控制硬件级的适应性包括以下特点：
•可扩展性：为了应对各种可用的操作系统和应用程序日益增加的依赖性，不同的计算硬件被并行使用。具有不同依赖关系的不同应用程序可以共享同一硬件，而不是使用管理程序和vm在不同的硬件资源上运行。虚拟化是一项关键技术，它可以提供高度可扩展的资源以减少未充分利用的资源[14]
**•部署：**未中断的软件更新和部署新的应用程序
**•资源管理：**根据定义的可调整方案（优先级、关键性等），在运行的应用程序之间分配可用资源

四、PLC 4.0概念
为控制设备引入一种新的体系结构可以作为一种解决方案，为上述特性提供无缝集成，而不会影响安全性等方面。引入的体系结构使用了虚拟化技术，并提供了物理和虚拟空间的严格隔离，以维护安全性并允许独立执行。因此，可以安全地更新、重置或修改分区，而不会影响其他正在运行的容器的操作。并提供了根据需求动态重新分配资源的可能性。该系统的两个重要方面是分区与应用程序之间的实时通信和系统的安全性。安全处理外部(例如，云)和内部(例如，另一个分区)访问不同的分区。这可以定义，也可以仅限于授权人员。
在引入的概念中，分区被分为三个元类：控制类、临时类和接口类。图5示出了示出不同分区和不同实体之间的通信流的架构。每个元类都有一组已定义的规则，例如QoS、通信、资源消耗等。这些规则由管理分区定义。管理元级别仅包含一个分区。

A、 管理
Admin controls and monitors all functions and operations of PLC 4.0. It is connected to higher automation layers such as ERP and MES to adapt the operation of PLC to the system requirements or changes related to failure, safety etc. This unit offers different services for the management of PLC 4.0. These services can be categorized as follow:
•CRUD服务：它处理为组件管理提供的创建、读取、更新和删除等服务。
–**C **创建：此服务创建一个组件，并为其分配所需的存储和计算资源。
–**R **读取：此服务读取所有现有组件及其使用的资源以及现有通信通道。
–**U **更新：此服务用于更新组件。
–**D **删除：此服务删除组件或组件之间的通信链接。

**•资源分配服务：**管理员监控资源分配，并能够根据应用程序的关键性重新分配资源。

•资源分配服务：管理员监控资源分配，并能够根据应用程序的关键性重新分配资源。

**•领域特定服务：**这些服务是根据用例提供的.

1） 设计方法：为了实现管理，考虑了两种不同的设计方法。这些设计应该在服务实现中允许模块化，以便可以单独管理和部署它们。
a） 微服务体系结构：微服务是面向服务体系结构（SOA）的变体，在SOA中，应用程序被分解为更小的服务。这种分解允许更多的模块化和粒度。这些细粒度的服务可以用不同的语言实现。服务的模块性和松散耦合允许部署服务。服务可以根据所需的技能进行部署或交付。这些服务可以由更高的自动化层（如MES或ERP）提供。这个实现导致一个由松散耦合的服务组成的应用程序[21]。
**b） 基于组件的体系结构：**基于组件的体系结构通过生成可重用和部署的自治单元来增加系统的模块性。在这种情况下，管理器被实现为一个通过其接口提供服务的组件。管理员是一个组件，也可以作为一个组件进行管理。这意味着它可以由操作员或更高的自动化层（如MES）更新、删除等。图6表示该组件的内部结构。它有一个注册表单元，所有现有组件都在其中注册。表示不同的硬件状态，例如使用的资源或通信信道。最后一层表示所提供的服务。

B、 控制
控制元类包含基于第二节中定义的控制层次结构的系统控制过程。它由在动态运行时环境中执行的scu和GCUs组成，因此可以在运行时进行更改。它为SCADA、Admin和操作员提供了不同的接口来修改或更新控制逻辑。
C、 暂时的
适应性是I4.0的主要目标之一。一个可适应的系统必须能够改变其行为以满足当前的需求。因此，引入了一个临时的元类，它充当了模拟模型（例如，软件和硬件在环）和实现可以在自动化基础设施中无缝集成数字世界。该单元提供了在应用于控制系统之前测试和验证新应用程序的可能性。同时，它也是运行控制逻辑并行仿真的平台，为故障诊断、优化等提供了依据。
D、 接口
如前所述，在I4.0环境中，自动化金字塔层的严格分离被一个相互连接的层次结构所取代。在控制设备中集成与云计算等技术的接口是实现高连接性和动态部署的基础。interface元类提供了一个到云的门户，并且包含唯一可以与外部世界通信以下载和上载所需组件的分区。

五、 情景
A、 数字孪生平台
DT建立了一个包含物理实体的虚拟模型，以模拟它们的行为[9]。这种虚拟化是生产优化、机器学习、故障诊断等的基础，它由物理空间和虚拟空间以及它们之间的实时通信组成。因此物理空间和虚拟空间是完全独立的。DT可以从不同的角度进行研究。其中一个观点与框架和基础设施有关。在[11]中研究了基于CPPS的框架，在[12]中研究了基于云计算的框架。在[12]中，引入了DT的体系结构框架，但没有讨论虚拟空间和物理空间之间交互的基础设施。
本文提出的控制体系结构为数字孪生结构提供了一种基础设施，使物理（控制）空间和虚拟（临时）空间完全分离，同时能够实时通信。虚拟空间包含模拟所需的DT、植物模型和数据，物理空间包含控制逻辑。在这种情况下，DT作用于控制级，对控制过程进行预测、优化和故障诊断。在这个基础设施中，管理员可以控制物理空间和虚拟空间之间的所有交互。使用此基础结构的好处如下：

1） 提供实时操作系统和分区之间的实时通信： Hypervisor（取决于技术）提供分区之间的实时通信，无需使用其他技术来实现实时通信。
**2） 安全性：**如前所述，可以从两个角度考虑通信。这些透视图是对vm的访问和它们之间的通信。vm完全独立，彼此分离。对VMs的访问可以限制在授权人员。管理单元可以控制虚拟机之间的通信。管理器可以决定是否允许两个组件通信。通信可以是双向的，也可以是单向的，可以通过读、写、复制等权限来指定。

B、 适应性
I4.0的主要目标之一是适应性。这表示生产系统准备好应对计划外更改。这种系统的一个例子是设计用于生产产品变体的系统。在这种情况下调整生产需要操纵控制逻辑。为了防止生产中断，应该在运行时执行此操作。所提出的基础设施为更新控制逻辑或其操作系统提供了一个平台。

**1） 主动控制之间的适应性和动态变化：**图5中的临时分区为控制逻辑或其软件和操作系统的变化提供了一个平台。控制逻辑可以修改、更新或优化，以满足生产系统的新变化和条件。这些必要的更改可以在活动进程控件不受影响地向前运行时进行。因此，临时和主动过程控制可以交换它们的角色，以便更新的控制逻辑取代生产的移交。在这种情况下，应该为控制分区和临时分区分配相同的权限和安全级别，因为它们都包含生产系统的控制过程。
**2） 同步：**切换主动过程控制和临时过程控制需要控制过程之间的同步，以便过程控制继续进行而不中断。在接下来的研究步骤中，将考虑同步这些过程的可能性。

六、 原型实现
在本节中，我们将讨论这个虚拟化系统的实现。对于设备级的实现，使用类型1管理程序。我们使用SYSGO公司的PikeOS虚拟机监控解决方案，借助虚拟机监控程序，可以通过FIFO队列建立分区之间的实时通信。在不同的分区中，我们使用移植到PikeOS实时操作系统上的运行环境ACPLT/RTE，通过FIFO队列（实时）实现功能块之间的通信。此外，我们使用Docker[15]作为容器技术在不同的分区中执行部署。图7是我们原型中使用的工厂。这家工厂调节两个水箱的水位。每个油箱都配有一个泵和流量控制阀，用于控制其液位。此外，储罐配有液位传感器和两级防溢机构；分别使用两个级联阀（一个流量控制阀和另一个泵旁路阀）和一个紧急溢流管。在考虑的用例中，允许从罐1到罐2的单向流。目标是通过新引入的策略来控制2号罐的液位，该策略应取代现有策略。使用所提出的PLC 4.0架构，我们通过切换控制策略来演示安全测试和最终的控制平稳过渡。该装置的可编程逻辑控制器4.0概念如图7所示。

它包含一个控制分区，该分区包含真实工厂的控制逻辑，provisory分区包含工厂的模拟，作为测试和验证新引入的控制策略的平台。接口分区与云通信，以便部署所需的控制组件。
在接下来的工艺步骤中，从罐1流向罐2的液体体积应通过流量控制器进行控制。在这种情况下，操作员或更高的自动化级别（如MES）与管理分区通信，该级别控制器应替换为流控制器。这将触发控件组件到管理分区允许的外部接口分区的部署过程。在应用于控制逻辑之前，应对流量控制器进行测试和验证。此测试在临时分区中完成。在对流量控制器进行测试后，可以将其发送到控制分区，以取代现有的实际控制策略。

七 结论
安全性、适应性、可扩展性等方面给将经典控制系统集成到工业4.0中新引入的自动化体系结构带来了风险和困难。本文介绍了一种新的控制设备运行基础设施PLC 4.0。这个基础设施包含四个元类：管理、控制、临时和接口。在Hypervisor技术的帮助下，我们实现了元类，从而隔离了不同的功能并在不同的分区中执行它们。PLC 4.0提供了PLC与DT、云计算、物联网等概念的无缝集成。我们提供了一个原型实现，它使用一个简单的自动化工厂来演示这个概念。

REFERENCES
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