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

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

7 Kommunikációs eszközök a vezérlőrendszerekben

8

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

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

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

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

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 való modellezése 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: –Feltételes élek –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 rendelkező rendszerekben alkalmazott programálási algoritmusok •Osztályozási kritériumok –elosztott rendszerekben alkalmazott programálási algoritmusok –válaszidő meghatározó eljárások

21 Matematikai módszer a válaszidő meghatározására •Egy taszk válaszidejének képlete r i = J i +w i = J i + C i + B i +  (  (J j +w i )/T j  * C j ) •Egy üzenet közvetítési idejének képlete r m = w m + X m =  (P m +I m )/S p  * T TDMA + ((P m +I m (w m )) – (s-1)*S p )*  R 1 (m+1) =  RM ( J 1(m) ) J 1(m+1) =  1 (R ret(m+1) ) R 2 (m+1) =  RM ( J 2(m) ) J 2(m+1) =  2 (R ret(m+1) ) …….. R n (m+1) =  RM ( J n(m) ) J n(m+1) =  n (R ret(m+1) ) R ret(m+1) =  TDMA (J ret(m) ) J ret(m+1) =  ret (R 1(m+1), R 2(m+1),… R n(m+1) )

22 Új valós-idejű tervezési módszer, amely elosztott irányítórendszerekben alkalmazható •A módszer meghatározó tulajdonságai: –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 a2 a3 a5 a6 a7 a8 a4 a9

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

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

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 módszerének fejlesztése –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