Ipari hálózatokon alapuló elosztott irányítórendszerek tervezése és megvalósítása

1. Ipari hálózatokon alapuló elosztott irányítórendszerek tervezése és megvalósítása Sebestyen Pal Gheorghe, Pusztai Kálmán 2003

2. Célok: • az elosztott irányítórendszerekre jellemző, kommunikációval kapcsolatos elméleti és gyakorlati feladatok kezelése: • az irányítórendszerekben alkalmazott kommunikációs eszközök működési és teljesítményi tulajdonságainak elemzése • egy olyan tervezési módszer kidolgozása, amely alkalmas az ipari hálózatok interfészeinek fejlesztésére • az ipari kommunikációs protokollok modellezése és szimulációja • a válaszidő analitikus meghatározása az elosztott rendszerekben • egy új elosztott irányítórendszer-modell fejlesztése és gyakorlati megvalósítása

3. Cél - a következő állítás bizonyítása: “Az elosztott irányítórendszerek tervezése és fejlesztése sajátos kommunikációs modelleket és technikákat igényel, amelyek megfelelnek a vezérlési alkalmazások különleges kérelmeiknek és korlátainak. “

4. Tartalom: • Bevezetés: célok és feladatok • A számítástechnika és a digitális kommunikáció használata a vezérlési alkalmazásokban • Egy ipari hálózat interfészének megvalósítási modellje • Az ipari hálózatok modellezése és szimulációja Petri Hálózatok által • Irányítórendszerekben való taszkok dinamikus beprogramálása • Irányítórendszerek megvalósítása elosztott szolgáltatások által • Következtetések

5. Felsőbb irányítási szint Vizualizálás és beállítás Operatőr Irányítás és beállítás Vezérlőrendszer Bemeneti adatok Parancsok Energia és nyersanyag Energia és termékek Vezérelt folyamat Perturbációk Környezeti körülmények Számítógépes folyamatvezérlés Figura 2.1 Schema de principiu a unui sistem de control

6. Kommunikációs eszközök a vezérlőrendszerekben • ce a fost si ce se vrea

7. Kommunikációs eszközök a vezérlőrendszerekben

8. Kommunikációs eszközök a vezérlőrendszerekben

9. Sajátos kommunikációs kérelmek a vezérlőrendszerekben Biztonság & Hibatolerancia Valós-idejű korlátok Sajátos adat-fluxusok Determinisztikus Belátható Együttműködés Fejleszthetőség Reagálási sebesség Egyszerű Kommunikációs protokoll

10. Sejthálózatok Terepsínek (fieldbuses) Szenzorok és vezérlőeszközök hálózatai Ipari kommunikációs hálózatok

11. Reagálási idő Adatmennyiség 1-10 koct. 10-20 100ms-1s Sejthálózatok 10-256 oct. 10-100 10-100 ms Terepsínek biti 100-1000 1-10ms Szenzorok és vezérlőeszközök hálózatai Csomópontok száma Tulajdonságok

12. Az elemzés következtetései: • Szükségesek: • sajátos technikák a hálózati interfészek tervezéséhez • sajátos módszerek a hálózat helyes működésének igazolására • új módszerek a válaszidő meghatározásához egy elosztott környezetben • elosztott modellek az irányítórendszerek tervezéséhez

13. Egy ASi hálózati interfész tervezése • Jellemzők : • szenzorok és vezérlőeszközök kapcsolásához alkalmas hálózat • szigorú időkorlátok (10-20 μs) • bonyolult, automatikus, hálózatot felismerő és beállító eljárások • több kommunikációs szolgáltatás párhuzamos kezelése • periódikus adatbegyűjtés • hálózati csomópontok dinamikus felismerése és beállítása • hibák felismerése és kiküszöbölése

14. Vezérlési alkalmazás Felhasználói interfész 3. szint Befogadó számítógép Hozzáférési függvények Felhasználói interfész Memória Fő ciklus Parancsok kezelése Megszakítási rutinok 2. szint Kommunikációs Hálózat-hozzáférési szabályozó Időkezelés kontollőr Hozzáférési szabályozó Adás /Vétel Hálózatikontollőr Kommunikációs driver 1. szint Adaptáló áramkör Üzenetkezelő Ipari hálózat Az interfész felépítési modellje

15. Az ASi hálózati interfész megvalósítása • Megvalósítási észrevételek: • különleges végrehajtási technikák, a valós-idejű korlátok betartásához • párhuzamos végrehajtás • előtér-háttér technika • dinamikus prioritások • az interfész a Müncheni Egyetem megrendelésére készült • a gyakorlati megvalósítás bizonyította a modell választásának helyességét

16. Az ipari hálózatok Temporál Petri Hálózatokkal valómodellezése és szimulációja • Cél: • a hálózat helyes működésének bizonyítása • a különböző protokollok időbeli viselkedésének elemzése • helytelen működési esetek felderítése és elemzése: • időkorlátok meghaladása • túlcsordulási helyzetek az adatok közvetítésében • a Petri Hálózatok alkalmazása: • intuitív, grafikus ábrázolás • könnyen modellezhető a konkurencia • ... korlátolt a protokollok modellezése terén

17. Javaslat:Temporál Petri Hálózatok kiterjesztése • Új komponensek: • Feltételesélek • Időtartalmú tranzíciók: • végrehajtási idő • késleltetési idő • engedélyezési idő • Új szimulálási szabályok

18. A „Hálózati analizátor” alkalmazás

19. Ipari hálózatok modellezése: Profibus, CAN, TDMA(MARS) • Mit modelleztünk: • különböző hálózat-hozzáférési technikát (Token-bus, CSMA/BA, TDMA) • különböző hálózat-terhelési helyzetet • időkorlátokat (maximális közvetítési idő, token forgási idő, stb.)

20. Időbeli ütemezés az elosztott valós-idejű rendszerekben • Alapok: • egyszerűsítő számítógép-modellek a programálási feladat megoldásához • egy processzorral rendelkezőrendszerekben alkalmazott programálási algoritmusok • Osztályozási kritériumok • elosztott rendszerekben alkalmazott programálási algoritmusok • válaszidő meghatározó eljárások

21. Matematikai módszer a válaszidő meghatározására • Egy taszk válaszidejének képlete ri = Ji +wi = Ji + Ci + Bi+((Jj+wi)/Tj * Cj) • Egy üzenet közvetítési idejének képlete rm = wm + Xm = (Pm+Im)/Sp * TTDMA + ((Pm +Im(wm)) – (s-1)*Sp)*  R1 (m+1) = RM( J1(m)) J1(m+1) = 1(Rret(m+1)) R2 (m+1) = RM( J2(m)) J2(m+1) = 2(Rret(m+1)) …….. Rn (m+1) = RM( Jn(m)) Jn(m+1) = n(Rret(m+1)) Rret(m+1) = TDMA(Jret(m)) Jret(m+1) = ret(R1(m+1), R2(m+1),…Rn(m+1))

22. Új valós-idejű tervezési módszer, amely elosztott irányítórendszerekben alkalmazható • A módszer meghatározótulajdonságai: • a válaszidő analitikus kiértékelésére alapszik • biztosítja az időkorlátok betartását • számításba veszi a taszkok és üzenetek kölcsönös késleltetését • egyenletesen terheli meg a hálózati csomópontokat • hibásodás esetén újra elosztja a taszkokat a megmaradt csomópontokra

23. Felépítési elvek - a rendszer tartalmaz egy szett irányítási eszközt, amely egy ipari hálózatba van bekapcsolva - az alkalmazás irányítási függvényeit tranzakciók valósítják meg (tranzakció = egy sorozat elosztott taszk meg üzenet) - minden eszköz egy előre meghatározott taszk-szettet alkalmas végrehajtani - egy rendszer-koordinátor elosztja az aktív tranzakiók taszkjait úgy, hogy az időhatárok betartását biztosítsa a1 a4 a3 a9 a2 a5 a7 a6 a8

24. Dinamikus taszk allokáláson alapuló elosztott vezérlőrendszer-prototípus • Felépítés: • egy koordinátor-alkalmazás + több végrehajtó („executiv”) modul • Szolgáltatások: • a rendszer elemeinek automatikus felismerése • az elemek beállításának és leterhelésének felmérése • a taszkok egyenletes elosztása, biztosítva az időkorlátok betartását • a hibák érzékelése és maszkolása

25. A kiválasztott megoldás előnyei: • Számon tartja a taszkok és üzenetek kölcsönös késleltetési befolyását • Biztosítja a globális idő-korlátok betartását • Előnybe részesíti a periodikus taszkok végrehajtását • A rendszer hiba-toleráns • A rendszer bővíthető, új egységek bekapcsolása nem feltételezi a rendszer leállítását

26. Elosztott szolgáltatásokon alapuló vezérlőrendszer • A cél: • A komplex vezérlőrendszerek tervezésének leegyszerűsítése • Javasolt módszer: • Kiépíteni egy szolgáltatásokból álló középszintet, amely kielégíti a legtöbb vezérlési alkalmazások kommunikációs igényeit • Meghatározni a szolgáltatások típusát, viselkedését és feladatait • Egy szolgáltatás feladatait több hálózati csomópontban működő szerver teljesíti

27. Felépítési modell Vezérlő alkalmazás Felhasználói interfész Beállítási szolgáltatás A jelenségek nyilvántartása Ütemezési szolgáltatás Az erőforrások nyilvántartása Idő- szolgáltatás Másolatok kezelése Hálózati interfész (1-4 szint) Figura 6.2 Structura ierarhică a serviciilor de control la nivelul unui nod de reţea

28. Hálózati csomópont Hálózati csomópont Hálózati csomópont Alkalmazás Alkalmazás Alkalmazás Szolgáltatás Szolgáltatás Szolgáltatás Más szolgált Más szolgált Más szolgált Hálózati interfész Hálózati interfész Hálózati interfész Hálózati interfész Hálózati interfész Hálózati interfész Executiv Executiv Executiv Alkalmazás Alkalmazás Alkalmazás Felépítési modell ........ .... Korlátolt erőforrásokkal rendelkező csomópontok

29. Következtetések • Elméleti megvalósítások: • A vezérlő alkalmazásokban használt kommunikációs eszközök elemzése és osztályozása • Egy általános ipari hálózati interfész modell kidolgozása • Petri Hálózatokon alapuló protokoll modellezési és szimulálási módszerénekfejlesztése • Elosztott vezérlőrendszer-prototípus, amely garantálja a globális idő-korlátok betartását • Elosztott szolgáltatásokon alapuló vezérlőrendszer-modell

30. Következtetések • Gyakorlati megvalósítások: • ASi hálózat-interfész • Hálózatokat modellező és szimuláló program • Netcontrol – elosztott szolgáltatásokon alapuló vezérlőrendszer • További fejlesztések: • Az előző modellek egyesítése • Új kommunikációs szolgáltatások fejlesztése • A fejlesztett eszközök lehetőségeinek bővítése