Internet a řízení v reálném čase. Jde to dohromady?

Transkript

1 Internet a řízení v reálném čase. Jde to dohromady? Pavel Burget ČVUT v Praze, FEL, katedra řídicí techniky pavel.burget@fel.cvut.cz Karlovo nám. 13, Praha 2,

2 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

3 Současný trend v automatizaci 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 Internet Secur ity Data in HTML pages and via applets Internet, resp. TCP/IP splňuje požadavky.

4 Současný trend v automatizaci 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 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

6 Komunikace v reálném čase 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). T1 Producent Generuj data Konzument Zpracuj data T2 Komunikační stack Komunikační stack T3 Přenos

7 Komunikace v reálném čase 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

8 Komunikace v reálném čase Adresování Network A Network B Router 1 Router Network C Network identifier (globally unique) Station identifier (locally unique)

9 Komunikace v reálném čase Původní Ethernet Sdílené médium Kaţdá stanice poslouchá provoz Half-duplex, tj. vysílat můţe pouze jedna stanice Radio, sběrnice Koax, kroucený pár Metoda přístupu k médiu CSMA/CD Nedeterministické Shared medium Fyzická vrstva koax. 10Base5, později 10Base2 Celá sít je jedna kolizní doména.

10 Komunikace v reálném čase Technologie switchů Médium už není sdílené Spojení bod-bod Stanice switch, switch switch Ukládání a předávání zpráv Plně duplexní komunikace Souběţné vysílání a přijímání Neexistují kolizní domény, a tak není třeba CSMA/CD. Frame 2 Frame 1 Frame 3

11 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

12 Konkrétní pouţití - PROFINET PROFINET integrace v rámci celé výroby DCS ERP MES Ethernet backbone PROFIBUS DP PROFIBUS PA 7 8 PROFINET PROXY HART PROFINET FF H

13 Konkrétní pouţití - PROFINET PROFINET komunikace v reálném čase PC Internet Explorer PROFINET HTTP SNMP Socket TCP / UDP Real-Time RT IRT PROFINET Field devices IP Ethernet Sensor PC system SNMP/OPC server PROFINET PLC PROFINET využívá standardní komunikaci TCP/IP, infrastrukturu podle normy IEEE a dále komunikaci v reálném čase

14 Konkrétní pouţití - PROFINET 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 Poţadavek pro izochronní reţim Deterministická délka Důleţité pro polohové řízení komunikačního cyklu Rezervace časových slotů Garantovaný výkon pro pohony a IT Rychlý kanál IRT Rezervováno pro IRT IRT RT RT TCP/IP RT TCP/IP RT RT TCP/IP RT RT TCP/IP RT TCP/IP Normální kanál

15 Konkrétní pouţití - PROFINET PROFINET je Ethernet v reálném čase Rezervované pásmo pro isochronní komunikaci IRT umožňuje vysoce přesnou synchronizaci IRT interval TCP/IP IRT interval TCP/IP IRT interval TCP/IP Cycle 1 Cycle 2 = time window Cycle n Isochronous communication IRT data RT communication RT data Standard communication TCP/IP data

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

17 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

18 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

19 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

20 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

21 Děkuji za pozornost. OTÁZKY?