Retele induatriale de comunicatii (continuare)

1. Retele induatriale de comunicatii(continuare) Curs Informatica industriala

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

3. 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.)

4. Retele industriale de comunicatii

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

6. 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 reactiescazut( 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

7. 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

8. 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

9. Exemple: • Profibus • 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

10. 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

11. Retele celulare • 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)

12. 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.)

13. 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

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

15. 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

16. 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)

17. 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

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

19. 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