Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC

Transkrypt

1 AUTOMATYKA 2005 Tom 9 Zeszyt 1 2 Iwona Oprzêdkiewicz Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC 1. Wprowadzenie Systemy sterowania wykorzystuj¹ce sterowniki PLC w przemyœle stosowane s¹ od wielu lat. Nie mog¹ byæ one jednak stosowane do sterowania wszystkimi rodzajami procesów [1, 6]. G³ównymi ograniczeniami s¹ tutaj zbyt ma³e mo liwoœci obliczeniowe sterownika oraz za ma³a szybkoœæ dzia³ania jednostki centralnej sterownika do sterowania procesami wymagaj¹cymi pracy w czasie rzeczywistym. Dlatego istotne z punktu widzenia pracy w systemach czasu rzeczywistego jest opracowanie optymalnego czasowo oprogramowania, czyli takiego, które cechuje siê maksymalnym skróceniem czasu cyklu bez utraty w³aœciwoœci funkcyjnych. Na d³ugoœæ tego czasu, obok typu sterownika, ma g³ównie wp³yw z³o onoœæ programu u ytkownika oraz szybkoœæ obs³ugi urz¹dzeñ peryferyjnych. Tworz¹c program spe³niaj¹cy wymagania czasu rzeczywistego, nale y zwróciæ uwagê na liczbê i rodzaj u ytych instrukcji. W pracy zaprezentowano procedury testuj¹ce spe³nienie zadañ czasu rzeczywistego podczas realizacji typowych zadañ sterowania. Doœwiadczalnie wyznaczone czasy cyklów porównano z oszacowaniami wykonanymi na podstawie informacji udostêpnianych przez producenta testowanych sterowników. 2. Podstawowe zagadnienia zwi¹zane z czasem rzeczywistym w systemach PLC Czas cyklu i czas odpowiedzi [1, 2], to podstawowe pojêcia, które nale y zdefiniowaæ przed analiz¹ zagadnieñ zwi¹zanych ze spe³nieniem wymagañ czasu rzeczywistego sterowników PLC. Czas cyklu T c to czas, który up³ywa podczas jednego cyklu programu (rys. 1). Na jego d³ugoœæ wp³ywaj¹: ustawienia systemowe i sprawdzenie magistrali wejœæ/wyjœæ, pamiêci, autotest CPU itp. (czas sta³y dla danego typu sterownika); * Katedra Automatyzacji Procesów AGH Kraków 169

2 170 Iwona Oprzêdkiewicz obs³uga danych wejœciowych i wyjœciowych (dla danego typu sterownika sta³a); czas wykonywania programu u ytkownika (wartoœæ zmienna); obs³uga urz¹dzeñ peryferyjnych. Obs³uga danych wejœciowych Przerwania Ustawienia i sprawdzenia systemowe Wykonanie programu u ytkownika Obs³uga danych wyjœciowych Czas cyklu T c Komunikacja systemowa Diagnostyka Rys. 1. Etapy cyklu sterownika OpóŸnienie wejœæ Obs³uga danych wejœciowych Ustawienia i sprawdzenia systemowe Wykonanie programu u ytkownika Czas odpowiedzi T omin Obs³uga danych wyjœciowych OpóŸnienie wyjœæ Rys. 2. Minimalny czas odpowiedzi T omin

3 Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC 171 Czas odpowiedzi T o to czas pomiêdzy zmian¹ stanu wejœcia a zmian¹ stanu na wyjœciu. Jego d³ugoœæ zale y od czasu cyklu oraz opóÿnieñ zwi¹zanych z wejœciami i wyjœciami. W zwi¹zku z faktem, e odczyt sygna³u wejœciowego mo e nast¹piæ na pocz¹tku lub na koñcu cyklu, uzasadnione jest wprowadzenie pojêæ minimalnego T omin i maksymalnego T omax czasu odpowiedzi. Z minimalnym czasem odpowiedzi (rys. 2) mamy do czynienia wtedy, gdy zmiana sygna³u wejœciowego nast¹pi odpowiednio wczeœnie przed obs³ug¹ wejœæ i wyjœæ, je eli natomiast czas miêdzy wyst¹pieniem sygna³u wejœciowego a obs³ug¹ wejœæ i wyjœæ bêdzie mniejszy ni czas opóÿnienia (za³¹czania) sygna³u wejœcia wtedy odczyt sygna³u wejœciowego nast¹pi dopiero na pocz¹tku nastêpnego cyklu, co spowoduje wyd³u enie czasu odpowiedzi o jeden cykl. W takim wypadku czas odpowiedzi bêdzie maksymalny (rys. 3). OpóŸnienie wejœæ Obs³uga danych wejœciowych Ustawienia i sprawdzenia systemowe Wykonanie programu u ytkownika Obs³uga danych wyjœciowych Diagnostyka Czas odpowiedzi T omax Obs³uga danych wejœciowych Ustawienia i sprawdzenia systemowe Wykonanie programu u ytkownika Obs³uga danych wyjœciowych OpóŸnienie wyjœæ Rys. 3. Maksymalny czas odpowiedzi T omax

4 172 Iwona Oprzêdkiewicz 3. Teoretyczne oszacowanie czasu cyklu i odpowiedzi Szacowanie czasu cyklu i odpowiedzi mo na zrealizowaæ w oparciu o dane dostarczone przez producenta konkretnego typu sterownika. Bêdzie to oczywiœcie oszacowanie dla najmniej korzystnej sytuacji, czyli rzeczywiste pomiary konkretnych czasów powinny byæ krótsze od wartoœci obliczonej [3, 6]. Czas odpowiedzi T o waha siê pomiêdzy wartoœci¹ minimaln¹ T omin i maksymaln¹ T omax, czyli: T omin < T o < T omax (1) T omin =T R +T os +T u +T w +T Di +T Do +T t (2) T omax =2T R +2T os +2T u +2T w +T Di +T Do +T t +2T DP (3) gdzie: T R, T w czas odczytu i zapisu odpowiednio wejœæ i wyjœæ, T u czas wykonania programu u ytkownika, T os czas wykonania systemu operacyjnego sterownika, T Di, T Do czas opóÿnienia zwi¹zanego z odczytem/zapisem wejœæ/wyjœæ, T t czas wykonania siê timerów u ytych w programie, czas komunikacji z sieci¹. T DP Czas cyklu równie nie jest wartoœci¹ sta³¹, lecz zale y np. od liczby i rodzaju przerwañ oraz szybkoœci komunikacji systemowej. Szacuj¹c jego wartoœæ nale y uwzglêdniæ T c = T R +T os +T u +T w +T Di +T Do +T t +T DP (4) W zaproponowanych wzorach nie uwzglêdniono czasu przeznaczonego na diagnostykê, gdy jest on pomijalnie ma³y w stosunku do pozosta³ych czasów. 4. Procedury testuj¹ce spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego podczas realizacji typowych zadañ sterowania Badania doœwiadczalne zosta³y wykonane na sterownikach PLC SIEMENS SIMATIC S7-300 z jednostkami centralnymi: 312 IFM oraz 315. Na ka dej z tych jednostek uruchomiono procedury testowe realizuj¹ce nastêpuj¹ce typowe zadania sterowania: sterowanie logiczne (procedura P1), sterowanie ci¹g³e z wykorzystaniem algorytmu PID (procedura P2), sterowanie z zakresu robotyki (zagadnienie kinematyki prostej) (procedura P3).

5 Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC 173 Sterowanie logiczne zrealizowano w procedurze obs³uguj¹cej zadajnik cyfrowy (thumbwheel switch) [1]. Umo liwia on wprowadzanie do sterownika cyfry w zale noœci od liczby segmentów zadajnika. Aby odczytaæ wartoœci z zadajnika, konieczne by³o napisanie procedury z krocz¹c¹ jedynk¹, która umo liwi³a odczytanie kolejnych wyjœæ. Do testów algorytmu regulacji ci¹g³ej wykorzystano typowy uk³ad regulacji (sterowanie w uk³adzie zamkniêtym) z regulatorem PID w g³ównej linii regulacji. Proste zagadnienie kinematyki jest to zadanie statyczno-geometryczne polegaj¹ce na obliczaniu pozycji i orientacji cz³onu roboczego manipulatora. Maj¹c dane wszystkie wspó³rzêdne konfiguracyjne, nale y obliczyæ pozycjê danego punktu zwi¹zanego z robotem wzglêdem globalnego uk³adu wspó³rzêdnych. Z punktu widzenia sterowania jest to problem wymagaj¹cy wielokrotnego wykorzystania czasoch³onnych funkcji trygonometrycznych. 5. Wyniki badañ doœwiadczalnych Przeprowadzone badania mia³y na celu oszacowanie czasów cyklów w poszczególnych procedurach sterowania w oparciu o dane udostêpnione przez producenta sterowników SIEMENS [2], a nastêpnie zweryfikowanie ich podczas rzeczywistego sterowania. Do wyznaczenia oszacowañ wykorzystano wzór (4). Po wstêpnych oszacowaniach okaza³o siê, e decyduj¹cy wp³yw na d³ugoœæ czasu cyklu ma z³o onoœæ (rodzaj i liczba u ytych instrukcji) procedury steruj¹cej. Suma czasów: T os (czas wykonania systemu operacyjnego sterownika), T R, T w (czas odczytu i zapisu odpowiednio wejœæ i wyjœæ), T Di, T Do (czas opóÿnienia zwi¹zanego z odczytem/zapisem wejœæ/wyjœæ) oraz T DP (czas komunikacji z sieci¹) w obu u ytych sterownikach wynosi³a oko³o 2 ms. Czasy wykonania pojedynczych instrukcji s¹ na tyle krótkie, e dla umo liwienia ich odczytu zdecydowano siê na pomiar czasu cyklu dla tysi¹ckrotnego wykonania danej procedury w pêtli. Rysunki 4 6 przedstawiaj¹ histogramy wyst¹pieñ poszczególnych czasów cyklów, przy czym czasy cyklów mierzono z dok³adnoœci¹ do 10 ms, natomiast tabela 1 zawiera oszacowania maksymalnych czasów cyklu dla analizowanych procedur na podstawie danych dotycz¹cych czasów wykonania poszczególnych instrukcji, podanych przez producenta sprzêtu [4]. Tabela 1 Oszacowanie maksymalnych czasów cyklów dla procedur testuj¹cych typowe zadania sterowania P1, P2, P3 P1 P2 P3 312 IFM ok. 200 ms ok ms ok ms 315 ok.100 ms ok ms ok ms Czasy cyklów wyznaczone w wyniku badañ doœwiadczalnych okaza³y siê znacznie krótsze ni wynika³oby to z teoretycznych oszacowañ. Wyniki przedstawiono na rysunkach 4 6.

6 174 Iwona Oprzêdkiewicz Œrednia liczba wyst¹pieñ Czas y cyklu [m s] 312 IFM 315 Œrednia liczba wyst¹pieñ Czas cyk lu [ms ] 312 IFM 315 Rys. 5. Œrednia liczba wyst¹pieñ poszcze- gólnych czasów cyklów dla procedury P2 Rys. 4. Œrednia liczba wyst¹pieñ poszczególnych czasów cyklów dla procedury P1 Œrednia liczba wyst¹pieñ Czas cyklu [m s] 312 IFM 315 Rys. 6. Œrednia liczba wyst¹pieñ poszczególnych czasów cyklów dla procedury P3 6. Wnioski Przeprowadzone badania œwiadcz¹ o tym, e teoretyczne oszacowanie czasu cyklu mo na traktowaæ jako maksymalny mo liwy czas cyklu. W praktyce, rzeczywiste czasy cyklów najczêœciej s¹ kilka, a nawet kilkunastokrotnie krótsze. Wynika to prawdopodobnie z faktu, e producent podaje najd³u szy mo liwy czas wykonania danej operacji. Na podstawie zamieszczonych histogramów mo na zaobserwowaæ, e stosuj¹c jednostkê CPU 315 mo na znacz¹co skróciæ czasy cyklów (w stosunku do jednostki 312 IFM) w procedurach opartych na sterowaniu logicznym (rys. 4). Czasy cyklów w procedurach realizuj¹cych sterowanie ci¹g³e oraz proste zadanie kinematyki s¹ zbli one i to zarówno w oszacowaniach teoretycznych jak i wyznaczonych doœwiadczalnie. Literatura [1] Kwaœniewski J.: Programowalne sterowniki przemys³owe w systemach sterowania. Kraków, 1999 [2] Siemens. Simatic S7-300 Programmable Controller. Manual. Edition 03/99. Installation and Hardware

7 Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC 175 [3] Tadeusiewicz R. i in.: Modelowanie komputerowe i obliczenia wspó³czesnych uk³adów automatyzacji. Kraków, UWND AGH 2004, ISBN [4] Siemens. Simatic S7-300 Programmable Controller. Instruction List [5] Berger H.: Automating with STEP7 in STL and SCL. SIMATIC S7-300/400. Programmable Controllers. Publicis MCD Corporate Publishing, 2001 [6] Oprzêdkiewicz K.: Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w œrodowisku sprzêtowo-programowym soft PLC podczas realizacji predykatora Smitha. Instytut Matematyki i Informatyki, Politechnika Czêstochowska, Informatyka teoretyczna i stosowana, r. 4, nr 7, 2004

8 176 Iwona Oprzêdkiewicz