Internet a řízení v reálném čase. Jde to dohromady?

Internet a řízení v reálném čase. Jde to dohromady? Pavel Burget ČVUT v Praze, FEL, katedra řídicí techniky [email protected] Karlovo nám. 13, Praha 2, 121 35

5. října 2011

Současný trend v automatizaci

Standardizace a požadavky  Standardizované struktury sítí  Sniţování počtu rozhraní  Návrh a konfigurace celé sítě  Digitální připojení všech přístrojů

 Výhoda použití IT technologií  Vzdálený přístup  Webové sluţby  Aktualizace software

 Požadavky zákazníků  Vyšší výkon  Větší mnoţství  Jednodušší ovládání

5. října 2011


Vzdálená diagnostika  Přístup k automatizaci odkudkoli    

Přes webový server integrovaný přímo v zařízeních Se standardním internetovým prohlíţečem Nezávisle na inţenýrském nástroji Snadná vzdálená diagnostika a obsluha

 Zprávy o událostech mailem nebo přes SMS Secur ity Internet

Data Internet, resp. TCP/IP splňuje požadavky. in HTML pages and via applets

5. října 2011


Proč Ethernet?  Ethernet (TCP/IP) je celosvětový standard v IT komunikacích  Již desítky let se používá pro komunikaci mezi PLC  Koncoví uživatelé jej vyžadují  Vertikální integrace se systémy řízení výroby  Požadavky  Ochrana (kompatibilita) stávajících instalací  Komunikace v reálném čase na Ethernetu  Redukce kabeláţe Ethernetu (oproti běţné IT infrastruktuře)

5. října 2011

Komunikace v reálném čase

Požadavky  Doba odezvy  Čas od změny signálu na vstupu k reakci na odpovídajícím výstupu  Automatizace výroby: 5-10 ms  Polohové řízení: 1 ms, rozptyl <1µs (časově synchronizovaný)

 Procesorový čas je věnován převážně aplikaci  Komunikace nesmí příliš zatěţovat, speciální obvody (cena?)

 Aplikace je primární, komunikace je pouze podpůrný prostředek

 Stávající síťová infrastruktura  Ţádný vliv na existující komunikaci

 Pouţití standardní síťových komponent (např. switche)  Pouţití standardních Ethernetových řadičů

5. října 2011


Kritická místa v zařízení  Čas, potřebný pro zpracování dat, nezávisí na komunikaci  je záleţitostí aplikace

 Kritickým místem je komunikační stack  protokol pro komunikaci v reálném čase musí být velice efektivní  nelze pouţít protokoly ze stacku TCP/IP

 Zpoždění na přenosové lince je téměř zanedbatelné vzhledem k ostatním časům (100 Mb/s). Producent T1 T2 T3

Konzument

Generuj data

Zpracuj data

Komunikační stack

Komunikační stack

Přenos

5. října 2011


TCP/IP není vhodný RT komunikaci  TCP/IP nebo UDP/IP mají příliš velké nároky na zpracování  Doba zpracování dat v komunikačním stacku je příliš dlouhá  Pro přenos cyklických dat není třeba vytvářet a udrţovat spojení – jako v TCP  RT komunikace typicky probíhá v jednom segmentu sítě – není třeba směrování jako v IP  Pro přenos procesních dat stačí jeden Ethernetový rámec (1500 bajtů) – není třeba segmentace jako v TCP

5. října 2011


Adresování Network A 1

Network B 2

3

1

Router 1

2

3

Router 2

1

2

Network C Network identifier (globally unique)

Station identifier (locally unique)

5. října 2011


Původní Ethernet  Sdílené médium  Kaţdá stanice poslouchá provoz  Half-duplex, tj. vysílat můţe pouze Shared medium Fyzická vrstva koax. 10Base5, později 10Base2 jedna stanice  Radio, sběrnice  Koax, kroucený pár

 Metoda přístupu k médiu  CSMA/CD  Nedeterministické

Celá sít je jedna kolizní doména.

5. října 2011


Technologie „switchů“  Médium už není sdílené  Spojení bod-bod

Neexistují kolizní domény, a tak není třeba CSMA/CD.

 Stanice – switch, switch – switch

 Ukládání a předávání zpráv  Plně duplexní komunikace  Souběţné vysílání a přijímání

Frame 2

Frame 1

Frame 3

5. října 2011

Konkrétní pouţití - PROFINET

PROFINET – síťové topologie  Výhody a přidaná hodnota pro uživatele  Sběrnicová struktura díky switchům integrovaným do zařízení  Stromová a hvězdicová struktura pro rozvětvené konfigurace  Redundantní kruhy s rekonfigurací v reálném čase Ring

Bus

Tree Star

Nižší náklady a vyšší flexibilita

Vysoká dostupnost

5. října 2011


PROFINET – integrace v rámci celé výroby ERP MES Ethernet backbone

DCS

PROFIBUS DP 2

1

3

PROFIBUS PA

4

PROFINET

5 6

7

8

…

1 6

2

1

3

2

4

PROFINET PROXY

1

3

HART

5 6

7

8

FF H1

4 …

1 6

5 6

7

8

…

1 6

5. října 2011


PROFINET – komunikace v reálném čase PROFINET

PC Internet Explorer

HTTP SNMP Socket

TCP / UDP

Real-Time PROFINET RT IRT Field devices

IP Ethernet

Sensor PC system SNMP/OPC server

PROFINET PLC

PROFINET využívá standardní komunikaci TCP/IP, infrastrukturu podle normy IEEE 802.3 a dále komunikaci v reálném čase

5. října 2011


PROFINET – komunikace v reálném čase  IRT – isochronous real time  Ethernet s infrastrukturou → Rychlá simultánní výměna switchů ţádaných a skutečných hodnot (100 Mbit/s)

 Časová synchronizace switchů

→

 Deterministická délka komunikačního cyklu

Důleţité pro polohové řízení

→

 Rezervace časových slotů

Poţadavek pro izochronní reţim

→

Garantovaný výkon pro pohony a IT

Rychlý kanál

Rezervováno pro IRT

IRT

RT

RT RT

Normální kanál

TCP/IP

RT

TCP/IP RT

RT

IRT RT

TCP/IP TCP/IP

RT

TCP/IP

5. října 2011


PROFINET je Ethernet v reálném čase  Rezervované pásmo pro isochronní komunikaci  IRT umožňuje vysoce přesnou synchronizaci IRT interval

TCP/IP Cycle 1

Isochronous communication

IRT data

IRT interval

TCP/IP

Cycle 2 = time window

IRT interval

TCP/IP Cycle n

RT communication

Standard communication

RT data

TCP/IP data

5. října 2011

Závěr

Shrnutí  Internet umožňuje vzdálenou diagnostiku a konfiguraci  Internet není vhodný pro komunikaci v reálném čase  Protokoly Internetu musí být doplněny protokoly reálného času

5. října 2011

Závěr

Související projekty na Katedře řídicí techniky •FRESCOR • Framework will enable the developer to focus on its own timing requirements • New contract model will specify what application requirements with respect to the schedulable resources (processor, network ...) there are

• Fixed priority scheduling, on-line computation of response time analysis • Linux, RTLinux, OSE • CAN, Ethernet, WiFi, ZigBee • x86, PPC, FPGAs architectures

5. října 2011

Závěr

Související projekty na Katedře řídicí techniky • Active control for a flexible aircraft: ACFA 2020 • Consortium includes EADS (coordinator), Airbus, DLR, ONERA, Alenia, Israel Aerospace Industries, Swedish Defence Research Agency, TU Munich, TU Vienna, and others (13 in total). • Development of vibration control systems for upcoming high-capacity passanger aircraft, to increase passanger comfort and reduce weight and fuel consumption

• DCE involved in optimal and robust control algorithms and command shaping

5. října 2011

Závěr

Související projekty na Katedře řídicí techniky • National Specific Transmission Module (STM) for European Train Control System (ETCS) • Design and implementation of the communication stack consisting of • Safe Time Layer (Subset 056) • Safe Link Layer (Subset 057) • Profibus FDL Master

• Designed for AŽD Prague in cooperation with Ansaldo (France) • Will be used in 60% of locomotives by Czech Railways

5. října 2011

Závěr

Katedra řídicí techniky  Dlouhodobě patří k nejúspěšnějším katedrám ČVUT  Více než ze 3/4 financována z výzkumných projektů  Základní výzkum (GAČR, MŠMT)  Aplikovaný výzkum (MPO, TAČR)

 Evropské projekty  Spolupráce se špičkovými evropskými a americkými pracovišti  Certifikované školicí středisko PROFINET

www.dce.fel.cvut.cz

Děkuji za pozornost.

OTÁZKY?

Internet a řízení v reálném čase. Jde to dohromady?

Recommend Documents