Virtualizace pro základní řídicí úroveň

-- 12.03.20

Koncoví uživatelé jsou spokojeni s virtualizací v serverových místnostech informačních technologií a ve stolních počítačích; mnoho podobných výhod lze nyní realizovat pomocí programovatelných automatů a programovatelných řídicích automatů.

Komerčně dostupné technologie jsou téměř vždy aplikovány rychleji ve sféře spotřební elektroniky a informačních technologií (IT) než jejich průmyslové protějšky. Například virtualizační technologie se již mnoho let běžně používají v prostředí IT, nejčastěji v serverových aplikacích. Na druhé straně aplikace provozních technologií (PT) průmyslové automatizace při zavádění virtualizace zaostávaly o několik let.

Dnes se virtualizace stala hlavním proudem téměř pro všechny produkty, postupy a aplikace PT, i když se stále používá v prostředích počítačových místností. Nyní je běžné, že systémové servery PT hostují více virtuálních počítačů (VM) pro vizualizaci, datový sklad, redundanci a další použití.

Automatizační technici používají virtualizaci na bázi stolních počítačů k rychlému vytváření instancí vývojových a testovacích systémů. Virtualizace poskytuje výhody pro rychlé zavádění systémů, optimalizaci využití zdrojů a zálohování konfigurací.

Koncepce a výhody virtualizace jsou běžně spojovány s počítači a servery, ale mohou být použity i jinde. Virtualizace byla nedávno rozšířena na specializovanější a robustnější průmyslové programovatelné automaty (PLC) a programovatelné řídicí automaty (PAC) používané pro automatizaci procesů a strojů.

Pro konečné uživatele tím vytváří více možností, například schopnost mít analytiku blíže zdrojovým datům. Poskytuje také další výhody, včetně nárůstu produktivity, efektivity a zvýšení zabezpečení.

Koncepce virtualizace

Základní definicí virtualizace je poskytovat schopnost provozovat více než jeden operační systém virtuálního počítače na jedné hardwarové platformě, což umožňuje využít jeden fyzický počítač jako více virtuálních počítačů. Každý virtuální počítač musí pracovat nezávisle.

Existují dva typy virtualizace (typ 1 a typ 2) posuzované v závislosti na umístění hypervizoru. Hypervizor je kombinace hardwaru, firmwaru a softwaru běžícího na hostitelském počítači a správy hostovaných virtuálních počítačů.

Virtualizace typu 2, která může být nazývána „hostovaná“, se používá pro stolní a serverové počítače, přičemž hypervizor běží na tradičním hostitelském operačním systému již běžícím na hardwaru. Vytvoří se tak virtuální „karanténa“, ve které může běžet více operačních systémů současně, ale kvůli základnímu operačnímu systému se přidává latence.

Virtualizace typu 1, někdy nazývaná „nativní“, využívá hypervizor běžící přímo na čistém počítači bez základního operačního systému. Hypervizor rozdělí hardware pro každý operační systém. Výsledkem je velmi nízká latence a jitter, což je ideální pro deterministické nebo časově citlivé aplikace v reálném čase. Typ 1 nabízí vyšší výkon než typ 2, protože má přímý přístup k hardwaru bez zpoždění kvůli hostitelskému operačnímu systému.

Až donedávna nebyla virtualizace na základní řídicí úrovni závodu praktická ani možná. Nyní vývoj nové třídy PLC a PAC využívajících více procesorových jader a virtualizaci nabízí možnost rozšířit stejné koncepty virtualizace do průmyslového řídicího prvku, což umožňuje integrovaný přístup.

Běžnou třídou průmyslového řídicího prvku pro typické automatizační aplikace je PLC, který k poskytování vysokorychlostního deterministického řízení používal vyhrazený procesor a speciální operační systém reálného času (RTOS). Výzvou pro virtualizaci funkcí PLC je zachování vysokorychlostního determinismu.

V současné době existují hardwarová vylepšení, která jsou známá ze světa běžně dostupných osobních počítačů, jako jsou vícejádrové procesory a velká paměť. Použitím vícejádrové technologie a virtualizace typu 1 mohou platformy průmyslových řídicích prvků spouštět více operačních systémů na stejném procesoru, včetně RTOS pro řízení, který bude mít jen malý až žádný účinek na determinismus a rychlost (obrázek 1). Druhý hostovaný operační systém Linux lze použít pro další zpracování dat na okraji. S rostoucím počtem dostupných jader lze nasadit ještě více operačních systémů.

U řídicích prvků umístěných na okraji znamená možnost provozování více operačních systémů dramatický posun (obrázek 2). Primárním zájmem je udržování robustního RTOS pro řídicí funkce, stejně jako u PLC, aby automatizační funkce nebyla ohrožena. Sekundární operační systém, fungující jako doplněk k RTOS, poskytuje více výpočetních možností. Dva operační systémy musejí být nezávislé a musejí si udržovat schopnost interakce.

Koncept provozování dvou operačních systémů v průmyslovém řídicím prvku umístěném na okraji lze dále vysvětlit pojmem „vnitřní“ a „vnější“ smyčka, jež mohou být známy uživatelům kaskádových procesních regulačních smyček. V tomto případě je vnitřní smyčkou RTOS virtuálního počítače pro řízení, zatímco vnější smyčkou je standardní operační systém virtuálního počítače pro přidané funkce. Vnitřní smyčka může monitorovat vstup procesního toku, provádět výpočty PID (proporcionální, integrační a derivační regulace) a ovládat výstup regulačního ventilu. Vnější smyčka může doporučovat vnitřní smyčce optimální průtok, to však nijak neovlivní běh vnitřní smyčky.

Dalším způsobem, jak vysvětlit koncept vnitřní a vnější smyčky, je analogie související s navigací automobilu. Vnitřní smyčku představuje přímá pozornost řidiče věnovaná řízení vozidla na místo určení, zatímco vnější smyčkou může být navigační systém v palubní desce automobilu, který poskytuje doplňující informace.

Vnitřní smyčka je kriticky významná a musí pokračovat v činnosti bez selhání, i kdyby vnější smyčka měla problém. Na druhou stranu je vnější smyčka cenná, nikoli však nezbytná pro základní provoz systému.

Řízení zůstává vnitřní smyčce

PLC poskytují specializovanou funkčnost, robustní vnější kryt a konektivitu vstup/výstup (I/O) nezbytnou pro automatizaci zařízení a procesů. Tato zařízení získala vyšší výpočetní výkon a síťové funkce pro lepší interakci se systémy vyšší úrovně v podobě pokročilejší verze často nazývané PAC. PLC a PAC mají stále své vyhrazené role.

PLC a PAC používají mnoho typů programovacích jazyků, nejoblíbenější jsou liniová schémata. Základním měřítkem výkonu PLC je to, jak rychle dokáže řídicí prvek skenovat liniové schéma, obvykle se měří v milisekundách. Všechny ostatní doplňkové úkoly musejí být zpracovány tak, aby byla zachována deterministická doba skenování. Operační systém osobního počítače není dobrým kandidátem pro milisekundové řízení, protože musí zvládat mnoho doplňkových úkolů, jako je grafika a uživatelské rozhraní.

Virtuální počítač na bázi řídicího prvku s funkcemi PLC nebo PAC vyžaduje použití RTOS k zajištění potřebných funkcí vnitřní smyčky PLC bez aspektů ubírajících výkon.

Ve vnější smyčce

Protože funkce řízení zůstává v podstatě stejná, skutečnou výhodou virtualizace řídicích prvků je přidání vnější smyčky virtuálního počítače se systémem Linux pečlivě integrované kooperativním způsobem. Tento virtuální počítač může dělat cokoli, co by mohlo dělat vyhrazené PC, ale s nižšími náklady a v kompaktnějším rozměrovém formátu, navíc bez nutnosti integrovat do řídicího prvku PC. Je zbytečné, aby průmysloví uživatelé okamžitě začali využívat výhod druhého operačního systému, protože pro základní funkčnost PLC mohou použít virtualizovaný řídicí prvek. Mnoho uživatelů zjišťuje, že univerzální operační systém Linux na okraji může vylepšit aplikace provozováním prvků strojového učení, prováděním analýz, komunikací s cloudem, použitím protokolu MQTT nebo jiného modelu vydavatel/odběratel pro výměnu informací, prováděním optimalizačních výpočtů pro informování virtuálního počítače řídicího prvku, řízením místního displeje a zobrazováním webových stránek.

Tyto funkce dříve vyžadovaly předřazené výpočetní zdroje. Uživatelé využívají výhod efektivní implementace těchto funkcí do operačního systému na okraji, protože využívají místně dostupný výpočetní výkon a reagují na data co nejblíže u zdroje. Tím se odstraňují vrstvy computingu a zefektivní se využívání sítě. Příkladem je schopnost přímo z řídicího prvku řídit místní displej nebo zobrazovat webové stránky.

Pokud je implementován správně, umožňuje virtuální počítač vnější smyčky uživatelům bezpečně provádět zpracování na okraji blíže ke zdroji dat, což uvolňuje předřazené síťové a výpočetní zdroje.

Vibhoosh Gupta je lídr produktového portfolia obchodní jednotky Machine Automation Solutions společnosti Emerson. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, cvavra@cfemedia.com.

Autor: Vibhoosh Gupta, Emerson