Számítógépes folyamatirányítás

Az előadások a következő témára: "Számítógépes folyamatirányítás"— Előadás másolata:

1 Számítógépes folyamatirányítás

2 Alapfogalmak Ipari gyártási folyamatok és technológiai rendszerek számítógépes vezérlését, irányítását és felügyeletét jelenti a mikroprocesszorok megjelenésével kezdődött fontosabb elemei: intelligens távadók, érzékelők, digitális szabályozók ipari számítógépek, PLC-k, PXI-k, stb. számjegyvezérlésű szerszámgépek (NC, CNC), megmunkáló központok, robotok, robotkarok a megvalósítást valós idejű (Real-Time) számítógépes rendszerek és osztott intelligenciájú, hierarchikus (DCS) rendszerek teszik lehetővé

3 Valós idejű (Real-Time) rendszerek
Olyan rendszerek, amelyek specifikációjában valamilyen időbeli viselkedésre vonatkozó előírás szerepel a külső, valós időskálához kötötten. Jellemzők: a válaszidők soha sem haladhatják meg a számukra meghatározott időkorlátot a számítógép az adatokat időlépték szerint gyűjti: a gyorsabb folyamatokról sűrűbb mintavételezéssel, míg a lassúbb folyamatokról ritkább mintavételezéssel történik az adatgyűjtés a számítógép a folyamattal A/D, D/A és digitális interfészeken keresztül tart kapcsolatot ha a számítógép a rendelkező jel kiadásával a folyamatba is beavatkozik, akkor a folyamat időléptékéhez kell igazodnia

4 Intelligens távadók Képesek az érzékelt fizikai mennyiségek szabványos analóg villamos mennyiségekké alakítani (0 – 10 V vagy 4 – 20 mA) és ezeket közvetlenül vagy az ipari kommunikációs hálózaton (Hart, CAN, Profibus, Profinet, stb.) keresztül továbbítani.

5 Digitális PID szabályozók
analóg átmeneti függvény kimenet digitalizálva (n-re) kimenet digitalizálva (n-1-re) a kettő különbségéből kimeneti algoritmus

6 Mérésadatgyűjtő rendszerek

7 A rendszer feladata: Mérés, adatgyűjtés Kiértékelés Döntéshozatal
Beavatkozás Dokumentálás Archiválás Folyamatállapot vizualizálás (ember-gép kapcsolat, HMI, SCADA rendszer)

8 Korszerű mérésadatgyűjtők
PC-hez csatlakoztatható mérőmodulok PC-LAB modulok NI DAC modulok Pont-pont összeköttetésre alkalmas célműszerek Távmérési eszközök hálózati kommunikációs csatlakozással SCADA rendszerek programozható mérésadatgyűjtők gépi kódban assembly nyelvben magas szintű programozási nyelven grafikus, menürendszeres megjelenítés: mérőrendszerek vezérlésére szakosodott programok: LabView, Test Point, Visual Designer

9 LabView NI DAQ adatgyűjtő rendszer
LabView rendszer: teljesen grafikus programozáson alapuló, virtuális műszerezettséget szimulálni tudó, mérő és adatgyűjtő rendszer Alkalmazási területei: a virtuális műszerek tervezése, kialakítása, jelkondicionálás adatgyűjtő rendszerek tervezése és kialakítása, (DAQ) valós idejű folyamatok kezelése (Compact RIO) gépi látás szabályozó modulok (PID and Fuzzy Controll Modul)

10 NI DAQ adatgyűjtő rendszer
NI DAQ adatgyűjtő egységek kapcsolata a PC-vel: PCI, PCI Express, PXI, PCMCIA, USB, WLAN, Ethernet NI DAQ adatgyűjtő rendszer elemei: érzékelők és átalakítók jelkezelés, jelkondicionálás DAQ hardver modul(ok) Eszközkezelők és szoftvermodulok FGPA modulok Compact RIO

11 PXI mérésadatgyűjtő számítógép

12 Compact RIO rendszer

13 SCADA rendszerek (Supervisory Control and Data Acquisition)
Feladata: A jelek összegyűjtése az érzékelőktől A begyűjtött információk feldolgozása Adatbázisok létrehozása Folyamatok felügyelete Microsoft op. rendszerekkel együttműködve dolgoznak (Win2003, ODBC, OPC, SQL) Felügyeleti szoftver IBM kompatibilis PC-ken. Folyamatirányítást nem végez, (az a PLC feladata) csak vizualizálási és beavatkozási lehetőséget biztosít Támogatja a kliens-szerver felépítést

14 Tartály folyadékszínt felügyeleti rendszer

15 webSCADA rendszer

16

17

18

19

20 SCADA elemek

21 OPC szerver Összekapcsolja a folyamatirányító rendszert a PLC-kel
Más eszközök PLC1 PLC2 ………. Összekapcsolja a folyamatirányító rendszert a PLC-kel Szerver és kliens egy számítógépen Kezeli az adatbázist Valósidejű adatgyűjtés Grafikus megjelenítést biztosít Diagnosztikai funkciókat is ellát

22 Osztott intelligenciájú (decentralizált) rendszerek – DCS (Distributed Control System)
Ötödik generációs irányítási rendszer Az irányítási feladatokat egymással kommunikációs kapcsolatban lévő számítógépek végzik, amelyek bizonyos szintű hierarchiát alkotnak Egy-egy számítógép feladata jól meghatározható A technológia közvetlen közelében vannak A vezérlési adatokat hagyományos vagy intelligens (SMART) távadóktól kapják Feldolgozzák, kiértékelik ezeket az adatokat és továbbítják a központi adatbázis felé. Sok esetben az irányításhoz szükséges alapadatokat szintén egy központi adatbázistól kapják. Redundancia biztosítása

23 Három szinten történő kommunikáció
Alsó színt (Device Level): terepi buszrendszer (ASI, DEVICENET) Érzékelők jeleinek valós idejű feldolgozása, valamint a beavatkozó jelek kiadása Középső színt (Control Level): Automatizálási színt PLC-k, CNC-k, és digitális szabályozók közötti kapcsolat (MODBUS, PROFIBUS kapcsolat) Felső színt: Gyártással kapcsolatos információfeldolgozás (OPC) Irányítást felügyelő mérnöki állomások (SCADA) ETHERNET hálózaton kapcsolódnak

24 Háromszintű irányítórendszer
Adatbázis szerver WEB szerver Felügyeleti állomás PC állomások ETHERNET hálózat Mérnöki munka- állomás Operátormunka- állomás Kapcsolati interfész (PROXI) Terepi busz (pl. PROFIBUS) PLC1 Folyamatirányító1 PLC2 Folyamatirányító 2 ASI-bus F O L Y A M A T

25

26 Fisher

27 VALÓS IDEJŰ IPARI ETHERNET KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK

28 Ipari vezérlők közötti ETHERNET kapcsolat lehetősége
Az ipari vezérlőeszközök különleges, valós idejű kommunikációs körülményeket igényelnek A hagyományos ETHERNET, a buszon kialakuló ütközések miatt képtelen a valós idejű adattovábbításra

29 Irodai Ethernet 1976 Robert Metcalf ötlete alapján indul
1983-ban szabványosították IEEE802.3 10, 100, 1000 Mb/s, 10 Gb/s hálózatok 1997 IEEE WLAN protokoll CSMA/CS protokoll szerinti hozzáférés OSI modell kontra TCP/IP modell 7 réteg (OSI), 4 réteg (TCP/IP) Szabványos keretformátum IEEE802.3 keret Ethernet II keret

30 OSI és TCP/IP modellek és protokolljai

31 IEEE802.3 keretformátum Előtag: 7 bájtnyi 1 és 0;
Kerethatároló: 1 bájton ua. csak az utolsó bit is 1 Célcím/Forráscím: a cél- illetve a forrásállomás MAC címe; Adathossz: megmutatja, hogy az adatmező hány bájtból áll; Adatok: a küldött/fogadott adatmennyiség; Ellenőrző összeg: kerethibát hivatott felderíteni.

32 Követelmények egy ipari Ethernettel szemben
Az Ethernet szabvány szerinti nyitottság megőrzése Full duplex kommunikáció Ciklikus működés biztosítása Valós idejű kapcsolatok támogatása Biztonságos adatátvitel 100 %-os IT kompatibilitás Diagnosztizálási lehetőségek Szinkronizálás biztosítása az ezt megkövetelő folyamatok számára A már meglévő terepi buszrendszerek egyszerű integrálhatósága

33 Fontosabb ipari Ethernet rendszerek és gyártóik
Modbus/TCP (Schneider Electric) Ethernet/Ip (Rockwell) Ethernet Powerlink (Bernecker & Rainer ) Profinet (Siemens) EtherCAT (Beckhoff) Sercos III (Sercos Interfaces)

34 ETHERNET Powerlink Fontosabb jellemzői: IEEE 802.3 szabványra épül
A nyitottság megőrzése mellett valós idejű, determinisztikus adatátvitelt biztosít Időkritikus adatok továbbítása gyors és pontos ciklusokkal Ciklusidő akár 200 μs Az állomások nagypontosságú szinkronizálása 1 μs-os szinkronizálási lehetőség Nem valós idejű adatok továbbítása aszinkron csatornán keresztül

35 Időrések kialakítása a ciklusidőn belül
Szinkron fázisban: minden állomás rögzített szélességű időablakot kap (1, 2, ..n, EPL azonosítóval). Aszinkron fázisban: hagyományos IP alapú kommunikáció és címzési mód (IP cím). Valós idejű adatok küldésekor egy időben legfeljebb két állomás férhet hozzá a hálózathoz

36 A sávszélesség optimalizálása multiplexeléssel
Azok az állomások amelyek magasabb ciklusidővel is megelégednek, azonos időréseken osztoznak. (4-11 állomások)

37 PROFINET Szabványos (IEC és IEC 61748) nyílt ipari ETHERNET hálózat. (Siemens technológia) Felhasználja az IT technológia előnyeit: Szabványos hálózati elemek és csatlakozók (hub, switch, stb) Alacsony telepítési költségek, kevesebb mérnöki munka Biztosítja a decentrális terepi eszközök RT és IRT kommunikációját Hálózati diagnózis lehetősége Biztonságos kommunikáció

38 A PROFINET rendszer elemei
POFINET CBA Komponens alapú, programozható folyamatok és technológiák közötti NRT és RT kommunikáció POFINET I/O Terepi eszközök és vezérlők I/O csatornáinak ETHERNET alapú RT és IRT kapcsolata

39 PROFINET alkalmazási területei
NRT RT IRT FOLYAMAT AUTOMATIZÁLÁS GYÁRTÁS AUTOMATIZÁLÁS MOTOR VEZÉRLÉSEK TCP/IP <100 ms <10 ms <1 ms Real-Time IEEE szabvány szerinti TCP/IP, UDP/IP protokollok használata Real-Time és Isochronous Real-Time adatátvitel MAC cím szerinti azonosítás vagy IP címzési lehetőség

40 Válaszidők szerinti eloszlás
IRT RT TCP/IP 1 10 100 ms IRT alkalmazás, kevesebb mint 1 ms-os válaszidővel, akár 1 μs-os szinkronizálással RT alkalmazások < 10 ms-os válaszidőkkel, alacsony eloszlással TCP/IP alapú, 100 ms körüli válaszidők nem valós idejű alkalmazásokhoz, magas eloszlással

41 PROFINET I/O rendszer elemei
I/O kontroller - PLC, a vezérlési programmal I/O eszköz - Terepi eszköz (pl. szelepvezérlő) I/O supervisor - Programozó és/vagy diagnosztizáló eszköz

42 Kommunikációs kapcsolatok
Kapcsolatmenedzselés Alkalmazás reláció (AR) Kommunikációs reláció (CR) Record Data CR (nem ciklikus, pl. konfigurálás, lekérdezés), IO Data CR (ciklikus, be- és kimeneti adatok továbbításakor), Alarm Data CR (hibaesemények alkalmával).

43 Küldési idő = küldési tényező * 31,25 μs
IO Data CR jellemzői Ciklikus adattovábbítás Küldési idő = tRT + tRTA + tNRT + tfenntartás Alap időegység = 31,25μs Küldési tényező (1-128-ig, k = 32 → küldési idő =1ms) Küldési idő = küldési tényező * 31,25 μs Osztási tényező = (2n) Frissítési idő = 2n∙ t küldési idő (1, 2, 4, 8,…ms)

44 OSI modell rétegei

45 A PROFINET és az ISO/OSI modell
PROFINET rétegek OSI rétegek 4 Alkalmazási réteg 7 Alkalmazási 6 Megjelenítési Nem használja 5 Viszony 3 4 Szállítási réteg Szállítási 2 3 Hálózati réteg Hálózati 1 1 2 Adatkapcsolati Adatkapcsolati réteg Fizikai A kommunikációs protokoll a hét rétegű OSI modellre épül, amelyből azonban csak az 1., 2., 3., 4. és 7. rétegeket használja /20

46 A RT csatorna beillesztése az ETHERNET felületre
IT alkalmazások PROFINET alkalmazások 1 - HTTP, - SNMP, - DHCP, - konfigurálás, - diagnosztizálás, - lekérdezések Vezérlési adatok Real-Time protocol TCP/UDP IP 2 3 ETHERNET IEEE 802.3 IRT hardver felület (ASIC) RT IRT 1. NRT osztály: konfigurálási, diagnosztizálási és lekérdezési feladatokra 2. RT osztály: megszakításos és ciklikus adatok és hibajelek továbbítására 3. IRT osztály: 1 ms-nál rövidebb válaszidejű alkalmazásokhoz, főként hajtásszabályozási (motion control) feladatokra

47 PROFINET Real-Time keret
IEEE szabvány szerinti keretformátum: Preamble SFD Dest. Addr. Source Addr. Lenght DATA CRC 7 Byte Byte Byte 6 Byte 2 Byte Byte Byte VLAN keretforma, 2x2 bájt kiegészítés (IEEE802.1Q) - prioritás (3 Bit, 0-7 színt); 6 vagy 7 az RT kereteknek - ether-type 0x8100: VLAN protokoll azonosító (2 Byte) - VLAN ID (12 Bit + 1 Bit CFI, CFI=0 Ethernet, CFI=1 Token ring) Ether-type azonosító a PROFINET RT keretnek - 0x0800: TCP/IP - IT kommunikáció - 0x8892: PROFINET RT kommunikáció Frame ID – RT kerettípus, pl. ciklikus, nem ciklikus, alarm típusú Státuszinformációk (pl. data status, 5. bit=1, nincs hiba, vagy ) Pream. SFD Dest. Source VLAN Ether- Frame DATA Cycle Data Transf. CRC tag type ID cnt status status 7 B B Byte 6 Byte 4 Byte Byte 2 Byte Byte 2 Byte 1 Byte 1 Byte B

48 IRT kommunikáció időosztása
A kommunikáció kizárólag egy hálózati szegmensen belül történik A busz ciklus két fázisra oszlik: IRT (piros) és NRT (zöld) intervallumok Az IRT fázis időtartama a követelményektől függően skálázható Az IRT fázis előtt valósul meg a ciklusok szinkronizációja

49 Az IRT adatok prioritása
Az IRT adatok mindig prioritást élveznek a számukra fenntartott sávban A ciklus kezdetekor, a kommunikáció alapjául szolgáló IRT kapcsoló mindig szabad sávot biztosít a szigorúan időkritikus adatoknak

50 A kerettovábbítási sorrend meghatározása
Csúszó ablakos kerettovábbítás két IRT eszköz esetén különböző sorrendben TF – kerettovábbítási idő, függ a keret nagyságától és az átviteli sebességtől (bitsebesség), TD – az IRT eszközök hálózati kapcsolóinak késleltetési ideje (≈3μs), TM – a közeg (kábel) késleltetési ideje (5ns/m), TCT –az IRT ciklusidő, N – az IRT eszközök száma. Megjegyzés: a keretek közötti 12 bájtnyi rést (Interframe Gap) elhanyagoljuk.

51 A ciklusidő meghatározása (α > 0)
ha α > 0; a keretidő a meghatározó (N > 1) ha α > 0 → Optimális ciklusidő: α = 0; → TF = TM + TD

52 Az átviteli sebesség növelésének hatása (α < 0)
Optimális átviteli sebesség minimális keretnél: α = 0; TM = 0,5μs (100m távolság); TD = 3μs TF = TM + TD = 3,5μs (kerettovábbítási idő) Minimális 64 bájtos keretnél:146,3Mbps α < 0; a kerettovábbítási időt főleg a közeg és az eszközök késleltetési ideje határozza meg:

53 A keretterhelés hatása
Az IRT keret felépítése Keretterhelési tényező (Frame Payload Factor): dDATA >= 36 bájt – az IRT felhasználói adat dFRAME – a keret mérete bájtban; FPF = 56%; amikor dDATA = 36 bájt FPF = 98%; amikor dDATA = 1490 bájt Felhasználva az előzőeket, kapjuk, hogy dDATA > 36 bájt esetén: b = 100Mbps

54 A keretterhelés hatása
100Mbps-os Ethernet hálózatban, 100m-es szegmensek esetében: TM = 0,5μs és TD = 3μs, a felhasználói adatok: dDATA >36 bájt, az IRT ciklusidő meghatározására alábbi összefüggést használhatjuk:

55 Számítási eredmények A szürke tartományában lévő ciklusidő értékek gyakorlatilag nem használhatóak IRT adatátvitelre, mert meghaladják a maximálisan lefoglalható IRT sáv méretét (500μs). A 250μs-ot meghaladó értékek is csak bizonyos korlátozások mellett alkalmazhatóak.

56 Alkalmazás Siemens Profinet IRT rendszer konfigurálása
Pl. Simens S7-300, CPU319 PN/DP kontroller és N = 8 IRT eszköz Tudni szeretnénk, milyen ciklusidőt kell beállítani

57 Az IRT ciklus konfigurálása (Siemens S7)
Következtetések 8 darab IRT eszköz, a vezérlési adatok nagysága 64 bájt, a táblázat alapján kapjuk, hogy a ciklusidő minimális értéke 62,38μs. beállíthatunk 75μs-os IRT ciklust, 75μs tartalék intervallummal a nyílt intervallum 250μs a teljes busz ciklusidő 500μs. A TCP/IP kommunikáció számára fennmaradó mintegy 360μs idő alatt kb. 4,4 megabájtnyi egyéb adat is továbbítható.

58 Az EtherCAT rendszer jellemzői
- rövid ciklusidő (≤ 1ms) zavarmentes kommunikáció nagy pontosságú szinkronizáció (jitter < 1μs) korlátlan számú IO eszköz (max ) 100 Mbps full duplex Ethernet hálózat „menet közben” adatcsere rövid, 1,35μs-os IO eszköz késleltetési idő korlátlan (max. 60 kbájt) adatmennyiség busz, csillag, fa, vegyes topológia /13

59 EtherCAT adattovábbítás
Változó hosszúságú telegramok Adatfogadás és küldés „menet közben” ASIC (Application Specific Indegrated Circuit) /13

60 Az EtherCAT kommunikációs protokoll
Keretazonosítás: EtherType 0x88A4 EtherCAT fejléc: keret hossza (telegramok száma), adattípus (ciklikus, alarm) Több telegram egy keretben Azonosítás telegramonként (HD) Telegram ellenőrzés: working countor (WC) Maximális keretméret: 1518 bájt + 8 bájt (Preambulum+SFD) + 12 bájt IFG /13

61 A keretterhelés meghatározása
Hány telegram fér el egy keretben? k = N (IO eszközök száma) és keretméret 64 bájt (minimális) ha: N(12 + Data) ≤ 44 bájt; (nem jellemző) k = N és az összes telegram elfér egy keretben, 44 bájt < N(12 + Data) ≤ 1498 bájt; keretek száma: nF = 1 k < N, több keret szükséges; a keretek száma: /

62 A minimális ciklusidő A három esetnek megfelelően:
k = N és keretméret 64 bájt, N(12 + Data) ≤ 44 bájt, teljes keretméret 84 bájt; k = N, 44 bájt < N(12 + Data) ≤ 1498 bájt, (nF = 1) 40 bájt a fejléc + Preambulum + IFG, összesen 320 bájt; k < N, több keretes továbbítás; b a bitsebesség (100/1000Mbps), tD eszköz késleltetési idő (1,35/0,85μs), tM a közeg késleltetése (5ns/m, max. 0,5μs/100m) /

63 Profinet IRT – EtherCAT összehasonlítás
a) Eszközvezérlők száma szerint 16bájt/100Mbps 16bájt/1Gbps

64 Profinet IRT – EtherCAT összehasonlítás
b) Keretterhelés szerint 16bájt/100Mbps 100Mbps 16bájt/1Gbps 1Gbps