Retele induatriale de comunicatii Curs Informatica industriala

Cuprins Evolutia mijloacelor de comunicatie utilizate in sistemele de control Principii de functionare a retelelor industriale de comunicatii – caracteristici de performanta Clasificarea retelelor industriale de comunicatii Protocoale si standarde de retea Modele de comunicatie Modelul unui sistem distribuit de control bazat pe retele industriale

Controlul proceselor prin calculator Operator Nivel superior de control Condiţii de mediu Comenzi Date de intrare Perturbaţii Vizualizare şi configurare Coordonare şi configurare Energie şi produse Energie şi mat. prime Sistem de control Proces controlat Schema de principiu a unui sistem de control

Mijloace de comunicaţie în sistemele de control ce a fost si ce se vrea

Mijloace de comunicaţie în sistemele de control

Mijloace de comunicaţie în sistemele de control

Transmisia informatiilor (semnalelor) in sisteme de control Mijloace de comunicatie: mecanice Hidraulice si pneumatice Electrice (curent, tensiune ,...) Semnale (analogice) unificate – semnale standardizate tensiune (0-10V, -5 - +5V) curent (4-20 mA) Semnale digitale – semnale de stare, impulsuri, etc. Magistrale si retele de comunicatie

Modele de comunicatie Din punct de vedere fizic: Conexiuni unu-la-unu (pear-to-pear) Legaturi si interfete dedicate Ierarhizate Organizate pe nivele de control Sisteme de tip magistrala Mai multe conexiuni pe acelasi mediu de comunicatie

Modele de comunicaţie Din punct de vedere logic: modelul consumator/producător modelul master/slave modelul bazat pe timp (time-driven) modelul interogării circulare (pooling)

Ce se transmite ? Informatii de stare (inchis/deschis, pornit/oprit, validat/invalidat, etc..) informatii binare/logice Valori de marimi fizice de proces Informatie analogica Informatii de configurare si reglare Informatie mixta

Cum trebuie sa se transmita informatiile ? Sigur Fara pierdere de informatie Fara erori Fara interventia persoanelor neautorizate Exact In concordanta cu marimile de proces masurate Fara zgomote La timp intarzieri: Datorita masurarii Datorita transmisiei

Comunicatia in retea Un mediu, mai multe conexiuni Transmiterea de date complexe in directii multiple Infrastructura de comunicatie mai ieftina Transmisie sigura/fiabila: Prin folosirea tehnicilor digitale de codare si transmisie Mijloace specifice de protectie a datelor (metode de detectie si corectie a erorilor incluse in protocolul de comunicatie) Mediu de comunicatie scalabil si reconfigurabil Standardizare si interoperabilitate

Retele de comunicatie in industrie Un proces lent de asimilare, implementare Comunicatia in retea este (strict) necesara intr-un sistem modern de control: Cablare si instalare mai ieftina Mai multe servicii implementate pe acelasi mediu Se pot conecta foarte multe dispozitive de automatizare Modificare, reconfigure si dezvoltare simpla Tratarea uniforma a diferitelor dispozitive de automatizare (adresare, numire, configurare, etc.) Tehnici mai bune de detectie a erorilor si de asigurare a tolerantei la defecte

Cerinte specifice de comunicatie: Timp determinat/predefinit pentru transmisia mesajelor – comunicatie de timp-real Nivel predefinit de siguranta/fiabilitate: Nivelul de fiabilitate trebuie demonstrat Toleranta la defecte, detectia, mascarea si corectia erorilor Caracter determinist, predictiv al transmisiei Transmiterea unor structuri specifice de date Achizitia si transmisia periodica a datelor Mai multe nivele de prioritati !!! Retelele de calculatoare nu au fost proiectate pentru astfel de cerinte !!!

Cerinte specifice de comunicatie in sistemele de control Fiabilitate& Toleranţă la defecte Garanţii de timp-real Fluxuri de date specifice Determinism& Predictibilitate Interoperabilitate si scalabilitate Viteză de reacţie Simplitate Protocol de comunicaţie

Solutii: Retele dedicate de comunicatie => retele industriale Adaptarea retelelor de calculatoare pentru mediu industrial

Retele industriale de comunicatie (def) – sisteme de comunicatie dezvoltate cu scopul satisfacerii cerintelor de comunicatie din mediul induatrial (?) Evolutia retelelor industriale: Prima realizare - MAP – General Motors – pentru modernizarea liniilor de asamblare 1990-1996 – marele „bum” – dezvoltarea unui numar foarte mare de protocoale industriale de comunicatie 1996- 2000 – proces de unificare si standardizare Cercetari teoretice – analiza caracteristicilor critice (timp, siguranta) prin metode analitice si experimentale 2000-2006 – utilizarea tehnologiilor Internet pentru urmarire si control (inclusiv Ethernet)

Situatia actuala Probleme: Tendinte pozitive: (Prea) Multe protocoale si standarde Probleme de incompatibilitate Probleme de integrabilitate, interoperabilitate Tendinte pozitive: Promovarea protocolului Ethernet (industrial) ca mediu comun de comunicatie pentru partea de control-proces si partea de gestiune economica Tehnici wireless de comunicatie pentru mediu indistrial Controlul calitatii serviciilor in Internet (QoS) – mijloc de garantare a cerintelor specifice din sistemele de control

Modele de comunicatie Aplicatie Aplicatie Aplicatie Sesiune Prezentare ISO-OSI TCP/IP RIC (Internet) Utilizator Aplicatie Aplicatie Aplicatie Sesiune Prezentare Transport Transport(TCP) Retea Retea (IP) Retea Legatura de date Nivele inferioare Legatura de date Fizic Fizic

Clasificarea retelelor industriale de comunicatie: 3 clase mai importante: Retele pentru senzori si elemente de actionare (Instrumentation bus, Actuator/Sensor network) Retele/magistrale de teren (fieldbuses) Retele celulare (cell networks) Prin ce difera: numărul de noduri conectate în reţea dimensiunea şi distribuţia geografică a reţelei timpul de reacţie maxim impus al reţelei complexitatea dispozitivelor conectate în reţea (gradul de inteligenţă, resurse disponibile) costurile de instalare şi întreţinere admise (un procent din costurile întregii instalaţii) fiabilitatea impusă şi gradul de toleranţă la defecte cerinţe speciale (medii explozive, zgomote electromagnetice intense, variaţii mari ale parametrilor de mediu, etc.)

Retele industriale de comunicatii

Caracteristici Retele celulare Magistrale de teren Retele pentru Dim. mesaj Timp de reactie 1-10 koct. 10-20 100ms-1s Retele celulare 10-256 oct. 10-100 10-100 ms Magistrale de teren biti 100-1000 1-10ms Retele pentru senzori si elem. de act. Numar de noduri

Retele pentru senzori si elemente de actionare Utilizate pentru controlul la nivelul procesului de fabricatie: Bucle de reglaj Control secvential (PLC) Interconectarea unor elemente simple de automatizare (senzori, actuatori) cu elemente de complexitate medie (PLC, regulataore, etc.) caracteristici: Viteza (foarte) mare; timp de reactie scazut( 1-10 ms) Mesaje foarte scurte (8-16 biti); antet scurt/mesaj (overhead) Metode deterministe de acces la mediul de comunicatie Modele de comunicatie: master-slave, pooling Protocol simplu la nodurile slave, complex la nodul master Nivel ridicat de fiabilitate si siguranta

Exemple (implementari practice): CAN – Contol Area Network Dezvoltat pentru industria automobilistica – masini de curse, camioane, autovehicole Retea de tip magistrala seriala, dimensiuni mici (50m, 200m) Protocol de acces la mediu de transmisie CSMA/BA, Fiecare tip de mesaj are un nivel propriu de prioritate se poate evalua analitic timpul maxim de intarziere a mesajelor Interbus-S Arhitectura de tip inel, Controlal de la un nod central ASi - Actuator Sensor Interface Retea de tip magistrala Acces prin metoda master-slave Mesaje foarte scurte (4 biti utili) Reconfigurarea automata in caz de defect

Retele de teren (fieldbus) Utilizate pentru controlul unor procese de complexitate medie Protocol relativ complex care implica prezenta unei anumite “inteligente” la nivelul fiecarui nod de retea (calculatoare de proces, PLCuri, regulatoare, etc.) caracteristici: Timp de raspuns mediu, predefinit (10-100ms) Mesaje scurte si medii (100-250 octeti) Protocol complex care asigura mecanisme bune de detectie si mascare a erorilor Mecanisme de acces la retea de tip multimaster

Exemple: Profibus WorldFIP Protocol „nemtesc” (Siemens principalul promotor) Magistrala de tip token-passing – inel logic intre nodurile master Mai multe variante: FMS, DP, PA Folosit in multe tipuri de aplicatii WorldFIP Protocol „francez” Retea de tip inel, control centralizat Mesajele periodice sunt transmise cu prioritate Pentru garantarea timpului de transmisie se foloseste un planificator de mesaje

Exemple: P-Net Protocol „danez” Mecanism de acces la retea - TDMA – Time Division Multiple Access Token virtual Foarte stabil, cu bune caracteristici de transmisie DeviceNet, CANOpen Retele de teren dezvoltate pe infrastructura CAN Mecanisme foarte bune de acces la dispozitive si parametri de proces (acces simbolic) Fieldbus Foundation (FF) Protocol american Retea de tip magistrala

Retele celulare Exemple: MAP – Manufacturing Automation Protocol (GM) Retele pentru interconecatrea celulelor flexibile de fabricatie Seamana cu retelele locale de calculatoare Caracteristici: Timp garantat de transmisie Comportament determinist Mesajele au structura complexa (similar cu Ethernet) Nodurile retelei sunt calculatoare de proces Exemple: MAP – Manufacturing Automation Protocol (GM) TOP - (Boeing)

Protocolul Ethernet in controlul industrial De ce Ethernet in industrie: Cel mai raspindit protocol pentru retele locale de calculatoare Interfete foarte ieftine Compatibilitate cu sistemul informatic al unei intreprinderi Probleme: Nu este un protocol determinist (CSMA) Nu se poate garanta timpul de transmisie Nu se poate garanta transmisia sigura a unui mesaj Solutii: Transmisia la frecvente de 100HHz/1GHz evita aparitia coliziunilor Determinismul se asigura prin suprapunerea unui mecanism determinist de acces la mediul de transmisie peste protocolul clasic Ethernet (ex: Modbus peste Ethernet, acces master-slave, etc.)

Sisteme distribuite bazate pe servicii Scopul: Reducerea complexitati sistemelor distribuite de control Metoda propusa (in cadrul proiectului NetControl): Dezvoltarea unui set de servicii de nivel intermediar (middleware) care sa satisfaca necesitatile de comunicatie si sincronizare ale unui sistem de control Serviciul de comunicatie – mai mult decat un mijloc de comunicatie Un serviciu este implementat prin mai multe servere distribuite

Concluzii Proiectarea Sistemelor distribuite de control moderne implica utilizarea unor modele, tehnici si instrumente adecvate de comunicatie, adatpate cerintelor specifice din mediul industrial

Concluzii: Trebuie acordata o mai mare atentie mijloacelor de comunicatie utilizate in sistemele de control Retelele industriale de comunicatii sunt o componenta necesara intr-un sistem modern de control Sunt necesare metode si tehnici speciale de garantare a caracteristicilor critice de comunicatie (ex: timp de transmisie, timp de reactie, fiabilitate, toleranta la defecte, etc.) Este necesara unificarea standardelor de comunicatie pentru a asigura interoperabilitatea unei game largi de echipamente de control Utilizarea tehnologiilor WEB in controlul industrial – o provocare interesanta

Anexa: Realizari in domeniul retelelor industriale Proiectarea si implementarea unei interfete Master pentru o retea ASi (hard-soft) Instrument de modelare si simulare a comportamentului retelelor industriale prin Retele Petri Temporale Model de sistem distribuit de control bazat pe servicii Planificarea comunicatiei in sistemele distribuite de control Utilizarea retelelor industriale pentru asigurarea trasabilitatii in industria alimentara (faza incipienta)

Proiectarea unei interfete pentru o retea de tip ASi Caracteristicile retelei ASi : Retea pentru senzori si elemente de executie Restrictii de timp foarte stricte (10-20 μs) Mecanisme complexe de identificare si configurare automata a nodurilor de retea Mai multe servicii de comunicatie se desfasoara in paralel Achizitie si transmisie periodaica de date Identificarea si configurarea automata a nodurilor de retea Detectie si corectia erorilor

Modelul arhitectural al interfetei Aplicatia de control Interfata utilizator Nivelul 3 Functii de acces Calculator gazda Interfata utilizator Memorie partajata Bucla principala Procesare comenzi Nivelul 2 Rutine de intrerupere Controlul accesului la retea Controlor de Rutina de timp comunicatie Controlor de acces Transmisie/receptie Controlorul de retea Driver de comunicatie Nivelul 1 Transmisie mesaj Circuit de adaptare Reteaua industriala

Implementarea interfetei ASi Aspecte de implementare: Tehnici speciale de executie a programului, pentru garantarea cerintelor de timp-real Executie paralela (sistem multiprocesor: 2 microcontroloare si un procesor ) Executie foreground-background Prioritati dinamice Programare in limbaj de asamblare Interfata s-a realizat pentru Univ. din Munchen Experimentele au demonstrat respectarea restrictiilor de timp