Оценка производительности виртуального ПЛК в обмене данными уровня управления

Коротко о статье

Сравнительное исследование латентности обмена данными между виртуальным и аппаратным ПЛК по протоколу S7comm. Приведена методика измерений и показано, что ограничение производительности связано с реализацией сетевого стека прошивки vPLC, а не с типом виртуализации.

Главное

• Цель работы — сопоставить быстродействие vPLC и аппаратного ПЛК в обмене данными M2M и с SCADA.
• Методика основана на пассивном прослушивании трафика через сетевой TAP с синхронизацией устройств по NTP.
• Измерялись полное время цикла «запрос-ответ» (Lcc) и задержки на отдельных участках, включая обработку в стеке ПЛК и передачу по сети.
• Минимальная латентность vPLC составила около 3 мс, что сопоставимо с аппаратным ПЛК.
• Среднее время цикла vPLC достигло примерно 50 мс с пиками до 100 мс, тогда как у аппаратного ПЛК оно держалось на уровне около 3 мс.
• Основной вклад в рост латентности vPLC даёт задержка обработки пакетов в IP-стеке (метрики LET и LCT); обработка пакетов у vPLC идёт циклично с периодом около 100 мс, а у аппаратного ПЛК — по прерыванию.
• Различий в производительности vPLC между промышленным ПК и виртуальной машиной на коммерческом ПК не выявлено.

Термины и технологии

• M2M
• SCADA
• NTP
• S7comm
• Siemens S7-1512C-1 PN
• Siemens CPU1582v
• Simatic IPC227E
• VMware
• Lcc
• LET
• LCT

Кому полезно: Инженеры АСУ ТП, проектирующие системы с виртуальными контроллерами

По теме на сайте

• Статья Аспекты безопасности протокола Siemens S7comm
• Библиотека Flexem: Синхронизация времни панели опертаора с NTP сервером
• Статья Синхронизация времени в АСУ ТП: Почему NTP/PTP влияет на расследование инцидентов и качество аналитики

Первоисточник: t.me

Выжимка составлена редакцией сайта с помощью ИИ по тексту статьи.

Источник: Статья "Virtual PLC in Industrial Edge Platform: Performance Evaluation of Supervision and Control Communication", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. (https://ieeexplore.ieee.org/document/10449455)

Цель: Сравнительный анализ производительности виртуального ПЛК (vPLC) и традиционного аппаратного ПЛК в сценариях обмена данными машина-машина (M2M) и с SCADA-системой.

Методология:
Разработана методика измерения с использованием сетевого TAP для пассивного прослушивания трафика между контроллерами.

Определен набор метрик латентности, включая полное время цикла "запрос-ответ" (Lcc) и составляющие задержки на каждом участке (обработка в стеке ПЛК, передача по сети).

Все устройства в измерительном стенде синхронизированы по протоколу NTP для минимизации погрешности измерений.
В качестве тестового протокола использован промышленный S7comm.

Объекты испытаний:
Аппаратный ПЛК: Siemens S7-1512C-1 PN.
Виртуальный ПЛК: Siemens CPU1582v, развернутый в контейнере на двух платформах:
Промышленный ПК (Simatic IPC227E).
Коммерческий ПК с гипервизором VMware.

Результаты измерений:
Минимальная латентность: Минимальное зафиксированное время цикла "запрос-ответ" (Lcc) для vPLC составило ~3 мс, что сопоставимо с показателем аппаратного ПЛК.

Средняя и максимальная латентность: Среднее время цикла для vPLC составило ~50 мс, с пиковыми значениями до ~100 мс. Для аппаратного ПЛК среднее время цикла оставалось на уровне ~3 мс с минимальным разбросом.

Анализ составляющих задержки: Основной вклад в увеличение латентности vPLC вносит задержка на обработку пакетов в IP-стеке (метрики LET и LCT). Анализ трафика показал циклический характер обработки сетевых пакетов vPLC с периодом ~100 мс, в отличие от обработки по прерыванию в аппаратном ПЛК.

Влияние аппаратной платформы: Значимой разницы в производительности vPLC при работе на промышленном ПК и в виртуальной машине на коммерческом ПК не выявлено.

Выводы, представленные в статье:
Виртуальный ПЛК обладает техническим потенциалом для обеспечения низкой латентности, сравнимой с аппаратными аналогами.

Ключевым ограничением производительности в рассмотренном кейсе является не тип виртуализации, а реализация сетевого стека прошивки vPLC.
Предложенная методика позволяет количественно оценить производительность связи vPLC и выявить узкие места в системе.

Для задач, требующих детерминированного времени отклика в пределах единиц миллисекунд, текущая реализация vPLC может не соответствовать требованиям. Для приложений верхнего уровня АСУ ТП, менее критичных к задержкам, его применение представляется возможным.

Источник: https://t.me/sandbox_ru