Projektowanie wymiany danych na przykładzie małego systemu sterowania i wizualizacji

Przedstawione zostały niektóre problemy związane z projektowaniem systemu sterowania rozproszonego, takie jak: synchronizacja węzłów sterujących systemu, konfiguracja logicznych kanałów komunikacyjnych oraz zdefiniowanie założeń harmonogramu wymiany danych dla potrzeb sterowania i wizualizacji. Pokazano przykładowe zmienne, istotne dla funkcjonowania systemu, wymieniane pomiędzy poszczególnymi węzłami. Zadanie projektowe zostało zilustrowane implementacją aplikacji sterowania, monitorowania i nadzoru w środowisku sterowników PLC Simatic S 7-200 [2], połączonych w segment sieci ethernetowej z wykorzystaniem przełącznika sieciowego oraz interfejsu RS-485 z protokołem Siemensa PPI/MPI do komunikacji nadrzędnego węzła sterującego z panelem dotykowym Magelis XBTG 5330 [3]. Topologia sytemu jest uzależniona jest w znacznym stopniu od możliwości dostępnych urządzeń komunikacji sieciowej i ich oprogramowania. Aplikacja miniSCADA w monitorze, pracująca pod systemem Vijeo Designer Runtime (ver. 4.6.0.3.3623) pozwala realizować wybrane funkcje takie jak: synchronizacja sterowników do pracy automatycznej, realizacja zadania bezkolizyjnego przejazdu przez ciąg trzech skrzyżowań tzw. „zielona fala”, sterowanie w trybie zgłoszeniowym, sterowanie w godzinach nocnych, sterowanie ręczne, diagnostyka pakietów wymiany danych. Zaprojektowany system zrealizowano w laboratorium automatyki przemysłowej Instytutu Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej.

Funkcjonalność sytemu rozproszonego jest określona poprzez architekturę systemu, w tym liczbę węzłów, ich interfejsy komunikacyjne, wykorzystywane protokoły komunikacyjne oraz rodzaj i charakter transmitowanej informacji. Szczególne znaczenie w funkcjonowaniu systemów rozproszonych mają długości komunikatów oraz ich wzajemne uwarunkowania czasowe, zwłaszcza w systemach czasu rzeczywistego [1]. Typowe zadania takie jak: pomiary, przetwarzanie danych i sterowanie muszą być uzupełnione o funkcje wytwarzania, rozdziału, transmisji i gromadzenia danych. Istotną rolę odgrywają ograniczenia wynikające z zastosowanego sprzętu i oprogramowania narzędziowego, nierzadko różnych generacji, pochodzących od różnych firm. Projektant w wielu przypadkach musi dostosować projekt do funkcjonujących już urządzeń, zebranych na zasadzie dołączenia różnych typów sprzętu lub podsystemów, wtedy głównym celem jest integracja funkcjonalna.

Architektura systemu

System rozproszony składa się z co najmniej kilku węzłów realizujących funkcje nadawania i odbioru danych z wykorzystaniem interfejsów komunikacyjnych typu punkt-punkt lub punkt-wielopunkt z wykorzystaniem różnorodnych protokołów sieciowych. Węzły te realizują zwykle podstawowe zadania dedykowane takie jak:

• dokonywanie pomiarów (czujniki lub przetworniki pomiarowe)
• przetwarzanie danych liczbowych na wielości fizyczne (organy wykonawcze)
• realizacja algorytmów sterowania (regulatory)
• koncentratory danych (archiwizacja)
• wizualizacja.

Wiele różnych zadań może być zintegrowanych w jednym węźle lub mogą one być właściwością jedyną danego węzła. W zależności od topologii sytemu zmieniają się charakterystyki czasowe wykorzystania poszczególnych rodzajów interfejsów komunikacyjnych oraz ich dostępności dla transferu poszczególnych komunikatów. Do wymiany danych w różnym stopniu można wykorzystywać wewnętrzne magistrale systemowe. W konsekwencji zadania realizowane przez poszczególne węzły mogą być spowalniane lub ulegać degradacji w wypadku wystąpienia znaczących opóźnień lub zagubienia komunikatów.

Topologia systemu rozproszonego składa się z węzłów S1, S2 i S3 zbudowanych ze sterowników Simatic S7-200, wyposażonych w interfejs sieciowy typu Ethernet CP 243-1 oraz połączonych za pomocą wejść/wyjść z makietami sygnalizacji świetlnej i czujników zgłoszeń pieszych na skrzyżowaniu dróg (rys. 1). Węzeł S1 pełni funkcję koncentratora danych transmitowanych interfejsem RS-485 z wykorzystaniem protokołu PPI/MPI do węzła zrealizowanego z wykorzystaniem monitora dotykowego. Niemożliwa jest bowiem komunikacja poprzez interfejs ethernetowy i protokół TCP/IP ze sterownikami Simatic S200. Komputery K1 i K2 pełnią funkcje programatorów i są wykorzystywane jedynie do załadowania aplikacji do monitora i sterowników PLC.

Urządzenia realizujące zadania w sieci należą do kategorii, takich jak urządzenia pomiarowe dostarczające telegramy zawierające wartość mierzonej wielkości w formacie binarnym lub zmiennoprzecinkowym. Urządzenia pełniące funkcje organów wykonawczych odbierają telegramy zawierające wartość ustawianej wielkości fizycznej w postaci kodu binarnego lub zmiennoprzecinkowego, albo wartość logiczną rozumianą jako rozkaz typu załącz/wyłącz. Bardziej zaawansowane technologicznie są węzły typu Programmable Logic Controller lub Programmable Automation Controller wyposażone w urządzenia wejścia/wyjścia, interfejs komunikacyjny oraz system operacyjny koordynujący wykonywanie zadań, obsługę interfejsów oraz obsługę błędów.

Zmienne systemowe i ich alokacja

Na początku etapu projektowania istotne jest zdefiniowanie zmiennych systemowych oraz ich alokacji w odpowiednich obszarach pamięci węzłów sieci. Szczególną rolę odgrywają te zmienne, które transmitowane są poprzez interfejsy sieciowe w formie telegramów zawierających komunikaty oraz zmienne systemowe. Wymieniane są one cyklicznie lub asynchronicznie, w przypadku kiedy generowane są sporadycznie. Nowoczesne protokoły wykorzystują mechanizm arbitra magistrali do realizacji sekwencji cykli w makrocyklach pozwalając zaprojektować ruch asynchroniczny możliwie równomierny w czasie [5]. W tab. 1. pokazano wybrane zmienne systemowe wykorzystywane w sterowniku S1, koordynującym wymianę danych w całym systemie. Zmienne systemowe zostały nazwane zgodnie z zaleceniami tzw. notacji węgierskiej.

W systemach prostszych opracowanie harmonogramu wymiany komunikatów oraz określenie okresów ich generowania, a także alokacji buforów wymiany danych dokonywane jest przez projektanta systemu.

Konfigurowanie kanałów ethernetowych zrealizowano za pomocą programu MicroWIN Ethernet Wizard. Kanał wykorzystujący protokół MPI/PPI skonfigurowano programem Vijeo Designer (Magelis), natomiast od strony sterownika S1 zdefiniowano port komunikacyjny 0. Do komunikacji wykorzystano infrastrukturę sieci LAN w laboratorium automatyki przemysłowej z przełącznikiem ethernetowym [6].

Na rys. 2. pokazano mechanizmy wymiany danych między węzłami sieci oparte na schemacie klient-serwer.

Aplikacje sterowania

Aplikacje sterowania zrealizowane zostały w językach programowania dostępnych w oprogramowaniu Step7 MicroWIN, Vijeo Designer oraz skryptów Javy. Rolę zarządcy sytemu pełni aplikacja w węźle monitora dotykowego. Poszczególne zadania sterowania zostały zaprojektowane z wykorzystaniem diagramów stanów. Zależności czasowe zaprojektowano na podstawie diagramów harmonogramowania. Najważniejsze zadania systemu to synchronizacja, sterowanie ruchem ulicznym na ciągu trzech skrzyżowań, oraz funkcje systemu SCADA.

Synchronizacja węzłów po załączeniu napięcia w systemach rozproszonych wymaga rozesłania telegramów zawierających znaczniki czasu w celu ustalenia jednolitego czasu w całym systemie. W zależności od typu i architektury zastosowanych sterowników, mogą one być wyposażone w moduły czasu rzeczywistego, bądź należy zastosować indywidualną obsługę czasu systemowego. W wielu przypadkach należy po komendzie synchronizacji doprowadzić algorytmy lokalne do osiągnięcia zdefiniowanych wcześniej stanów startowych, będących stanami gotowości do załączenia algorytmu rozproszonego. W przykładowym systemie sterowania (rys. 3) synchronizacja węzłów polega na zainicjowaniu procedur sterowania w sterownikach PLC oraz monitorze dotykowym. Potwierdzenia o osiągnięciu przez wszystkie węzły stanu gotowości dostarczane są do centralnego węzła sieci, jakim jest minisystem SCADA pracujący w trybie operatorskim lub inżynierskim.

Obsługa awarii w systemie wymaga wdrożenia algorytmów lokalnych prowadzących do bezpiecznego doprowadzenia zadań do stanu początkowego lub całkowitego wyłączenia.

Testowanie systemu transmisji w sieci Ethernet przeprowadzono wykorzystując program wireshark [7] pozwalający prześledzić ruch w sieci. Wykorzystano w tym celu jeden z portów programowalnego przełącznika sieciowego z agregacją ruchu z portów pozostałych.

Podsumowanie

Projektowanie systemów rozproszonych wymaga starannego zaprogramowania wymiany danych pomiędzy węzłami w sieci. Dotyczy to częstości transmisji wybranych zmiennych systemowych, ich alokacji w pamięci węzłów, wyboru protokołów transmisji, a także narzędzi do programowania i testowania transmisji i funkcjonowania całego systemu.

Bibliografia

1. Sacha K.: Systemy czasu rzeczywistego. Wydawnictwo: OWPW 2006.
2. www.automation.siemens.com
3. www.schneider-electric.pl
4. Świerc T.: Wizualizacja rozproszonego procesu z wykorzystaniem monitora dotykowego. Politechnika Opolska 2010, praca dyplomowa pod kierunkiem J. Wrzuszczaka.
5. Grega W.: Metody i algorytmy sterowania cyfrowego w układach scentralizowanych i rozproszonych. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2004.
6. Wrzuszczak J., Grandek K.: Sieci komputerowe w rozproszonych systemach automatyki. PAK, 10/2006 s. 22–24.
7. www.wireshark.org

dr inż. Janusz Wrzuszczak

W roku 1998 uzyskał stopień doktora nauk technicznych. Pracuje jako adiunkt na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. Jest autorem lub współautorem kilkudziesięciu publikacji naukowych. Zainteresowania naukowe to teoria sterowania, automatyzacja procesów przemysłowych, identyfikacja systemów, systemy rozproszone.