Sieć przemysłowa Genius Rew. 1.1

INSTRUKCJA LABORATORYJNA (PSK, KSR, SP, IP) Sieć przemysłowa Genius Rew. 1.1 INSTYTUT INFORMATYKI ZESPÓŁ PRZEMYSŁOWYCH ZASTOSOWAŃ INFORMATYKI GLIWICE 2007

Spis treści 1. Wstęp... 3 2. Sieć Genius...4 2.1 Magistrala komunikacyjna... 4 2.2 Dostęp do medium komunikacyjnego...5 2.3 Transmisja danych... 5 3. Zależności czasowe...6 3.1 Długość cyklu sieci Genius...6 3.2 Czas odpowiedzi systemu na wymuszenie...6 4. Konfiguracja sieci Genius... 8 5. Literatura...10 Instrukcja nie stanowi materiału komercyjnego i służy wyłącznie do prowadzenia zajęć dydaktycznych. Wykorzystywanie instrukcji do celów komercyjnych stanowi naruszenie prawa. Informacje zawarte w instrukcji mogą ulec zmianie wraz z rozwojem opisywanych zagadnień. Materiał opracowany na podstawie literatury tematycznej, prac studenckich oraz materiałów ogólnie dostępnych. 2

1. Wstęp W systemach czasu rzeczywistego stosowanych w przemyśle niejednokrotnie występuje terytorialne rozproszenie mocy obliczeniowej. W efekcie powstaje system rozproszony, który można schematycznie przestawić jako szereg węzłów połączonych ze sobą magistralą komunikacyjną (Rys. 1) Aplikacja Koprocesor sieci Protokół Aplikacja Koprocesor sieci Protokół Aplikacja Koprocesor sieci Protokół Stacja SCADA Rys. 1. Rozproszony system czasu rzeczywistego W przedstawionym modelu węzły systemu są zbudowane z trzech elementów: aplikacji realizującej program aplikacyjny, koprocesora sieci odpowiedzialnego za wymianę danych pomiędzy poszczególnymi węzłami systemu, protokołu komunikacyjnego, w oparciu o który jest realizowany proces komunikacji. Zasadnicza cechą wyróżniającą rozproszone systemy czasu rzeczywistego od innych systemów rozproszonych jest determinizm czasowy sieci komunikacyjnej. Oznacza to, iż jest możliwe wyznaczenie dla każdego z abonentów sieci komunikacyjnej maksymalnego czasu dostępu do medium komunikacyjnego. Ze względu na rodzaj zastosowanego mechanizmu zapewniającego wspomniany determinizm, sieci przemysłowe można podzielić na trzy podstawowe grupy: sieci typu Master-Slave sieci typu Producend-Dystrybutor-Kondument (PDK ) sieci z żetonem (typu Token) Przykładem sieci z żetonem jest sieć Genius. Pozwala ona nie tylko realizowanie zdeterminowanego czasowo procesu komunikacji, ale również na budowanie zaawansowanych systemów z redundancją jednostek centralnych, koprocesorów sieci oraz magistrali komunikacyjnej. 3

2. Sieć Genius 2.1 Magistrala komunikacyjna Na magistralę komunikacyjną sieci Genius składa się para skręconych przewodów w ekranie. 1 Oba końce magistrali komunikacyjnej powinny być zakończone rezystorem terminującym dobranym odpowiednio do zastosowanego kabla (przeważnie 75Ω 150Ω). Do sieci Genius może zostać podłączonych do 32 urządzeń. Sieć może pracować z jedną z czterech prędkości transmisji: 153,5 kb/s std 153,6 kb/s std 76,8 kb/s 38,4 kb/s 2 Maksymalna długość magistrali komunikacyjnej jest zależna od właściwości elektrycznych zastosowanego kabla komunikacyjnego. Określa się ją na około 600 metrów dla prędkości pracy magistrali 152,6 kb/s oraz na 2200 metrów dla 38,4 kb/s. Kształt sygnału na magistrali komunikacyjnej jest uzależniony od impedancji zastosowanego kabla oraz od odległości od urządzenia transmitującego dane (zniekształcenia sygnału). W sieci Genius logicznemu 0 odpowiadają trzy impulsy zmiennoprądowe zaś logicznej 1 brak impulsów. Kształt sygnału cyfrowego przestawia Rys. 2. W efekcie takiego sposobu kodowania częstotliwość pracy magistrali jest trzy razy większa od prędkości transmisji (dla 153,6 kb/s jest to 460,8KHz). Rys. 2 Kształt sygnału cyfrowego w sieci Genius Każdy znak przesyłany z użyciem sieci Genius składa się z 11 bitów z czego dwa skrajne to bity startu (zawsze o wartości logicznej 0 ) oraz stopu (zawsze 1 ). Drugi bit każdego ze znaków to bit kontrolny, który bezpośrednio poprzedza 8 bitów danych. Nie występują przerwy pomiędzy kolejno wysyłanymi znakami. Pojedyncza ramka składa się ze znaku startu, pola danych oraz znaku stopu. Znak startu zawiera adres urządzenia, do którego jest kierowana ramka lub adres rozgłoszeniowy. Na znak stopu składa się suma kontrolna CRC-6. Pole danych zawiera zawsze co najmniej jeden znak. W przypadku, gdy dane przeznaczone do transmisji nie mogą zostać umieszczone w jednym polu danych (w jednej ramce) ze względu na jego ograniczony rozmiar, konieczne jest podzielenie takiego bloku danych na szereg ramek. W takiej sytuacji w polu danych pierwszej oraz ostatniej ramki takiego szeregu ramek są umieszczane dodatkowe znaczniki wskazujące początek oraz koniec bloku danych. 1 Jest również możliwa budowa magistrali komunikacyjnej w oparciu o kable światłowodowe. Jednak do tego celu konieczne jest zastosowanie odpowiednich modemów komunikacyjnych. 2 Sieć pracująca z częstotliwością 38,4 kb/s może obsłużyć maksymalnie 16 abonentów. 4

2.2 Dostęp do medium komunikacyjnego Jak już zostało powiedziane we wstępie sieć Genius jest siecią z żetonem. Żeton ten jest przekazywany kolejno od abonenta o adresie SBA0 (ang. Serial Bus Address) do abonenta o adresie SBA31. Gdy urządzenie SBA 31 zakończy nadawanie, żeton wraca do abonenta SBA0 i tym samym następuje rozpoczęcie kolejnego cyklu pracy sieci. Abonentem SBA31 musi być zawsze kontroler sieci Genius - tzw. GBC (ang. Genius Bus Kontroler). W sieci może pracować więcej niż jeden kontroler GBC. Proces przekazania żetonu rozpoczyna się w chwili wysłania przez abonenta aktualnie posiadającego żeton informacji o zakończeniu nadawania (sign-off message). Każdy z abonentów sieci po otrzymaniu takiej ramki rozpoczyna odliczanie czasu opóźnienia nadawania. Dany abonent rozpoczyna nadawanie w chwili upłynięcia tego czasu opóźnienia pod warunkiem, że żadne inne urządzenie nie rozpoczęło nadawania. Wielkość odliczanego czasu opóźnienia jest równa iloczynowi pewnej stałej czasowej (zależnej od częstotliwości pracy magistrali) oraz różnicy pomiędzy adresami abonenta wyznaczającego wielkość opóźnienia czasowego i abonenta, który wysłał ramkę sign-off. Przykładowo dla prędkości pracy magistrali równej 153,6 kb/std oraz sieci złożonej z trzech abonentów SBA11, SBA21 oraz kontrolera GBC, po zakończeniu nadawania przez urządzenie SBA11 (po wysłaniu komunikatu sign-off message ), czas opóźnienia wyliczony przez poszczególne pozostałe urządzenia to: dla SBA 21 k * (21-11) = 0,025ms * 10 = 0,25ms, dla GBC k * (31-11) = 0,025ms * 10 = 0,5ms Zatem abonent SBA21 rozpocznie nadawanie po upływie czasu 0,25ms od odebrania ramki zakończenia transmisji od SBA11. Kontroler GBC będzie natomiast odliczał czas opóźnienia równy 0,5ms jednakże zanim on upłynie zostanie wykryta aktywność urządzenia SBA21 przez co odliczanie zostanie zatrzymane, aż do zakończenia nadawania przez urządzenie SBA21. Opisany powyżej sposób przekazania żetonu (w tym przypadku tzw. ukrytego lub wirtualnego żetonu) zapewnia, że podłączanie lub odłączanie urządzeń do/z sieci Genius nie zakłóca pracy innych urządzeń z tej sieci korzystających. Należy jednakże zauważyć, iż fizyczna zmiana konfiguracji sieci powoduje wydłużenie czasu trwania cyklu sieci spowodowane koniecznością wysyłania dodatkowych ramek serwisowych przez podłączane urządzenia. W szczególnym przypadku może doprowadzić do naruszenia ograniczeń czasowych określonych dla danego systemu. 2.3 Transmisja danych Sieci Genius może być używana między innymi do komunikacji kontrolera GBC (będącego modułem koprocesora komunikacyjnego sterownika PLC) ze zdalnymi stacjami wejść/wyjść. Otrzymywane z tych stacji dane wejściowe (%I oraz %AI) są wysyłane w każdym cyklu sieci z użyciem ramki rozgłoszenia do wszystkich znajdujących się w sieci urządzeń (w szczególności koprocesorów GBC). Wyjścia (%Q oraz %AQ) są transmitowane przed moduły kontrolerów do odpowiednich stacji wejść/wyjść. Jedna stacja wejść/wyjść może wymieniać z kontrolerami GBC maksymalnie 256 bajtów danych (128 bajtów wejściowych oraz 128 bajtów wyjściowych, czyli 64 do wartości analogowych oraz do 1024 wartości dyskretnych) Oprócz transmisji danych dotyczących stanu wejść/wyjść, w sieci Genius jest również możliwe wysyłanie datagramów (maksymalnie 128 bajtów danych). Są one wysyłane automatycznie, bądź programowo i mogą służyć między innymi do diagnostyki bądź też zdalnej konfiguracji abonentów pracujących w sieci. Ponadto wykorzystanie mechanizmu Global Data umożliwia transmisję w każdym cyklu sieci dowolnych danych z użyciem ramki rozgłoszenia (maksymalna ilość danych wysyłanych przez jednego abonenta to 128 bajtów). Do realizacji tego typu wymiany danych jest wymagana jedynie poprawna konfiguracja modułów GBC nie ma konieczności tworzenia dodatkowego kodu w programie aplikacyjnym do jego obsługi. 5

3. Zależności czasowe 3.1 Długość cyklu sieci Genius Jak już zostało wspomniane cyklowi pracy sieci Genius odpowiada obieg żetonu przez wszystkich abonentów sieci (Rys. 3). Do przeprowadzenia analizy czasowej systemu czasu rzeczywistego konieczna jest znajomość długości czasu trwania tego cyklu sieci. Rys. 3 Cykl pracy sieci Genius (Token Path) Długość cyklu sieci jest zależna od kilku czynników: 1. Częstotliwości pracy magistrali komunikacyjnej. 2. Czasu potrzebnego na realizację zdań komunikacyjnych (transmisję danych) przez wszystkich abonentów sieci. 3. Czasu potrzebnego na przekazanie żetonu pomiędzy poszczególnymi abonentami (narzut czasowy wnoszony przez wolne adresy sieciowe). 4. Komunikatów wysyłanych z użyciem sieci (datagramy, Global Data). 5. Czasu potrzebnego na logowanie urządzeń do sieci Genius (istotne tylko podczas uruchomienia sieci oraz podczas podłączania do niej dodatkowych urządzeń). Należy przy tym zauważyć, iż czynniki 2-5 są oczywiście uzależnione od wybranej prędkości transmisji. 3.2 Czas odpowiedzi systemu na wymuszenie Jednym z podstawowych parametrów systemów czasu rzeczywistego jest czas odpowiedzi na wymuszenie. Przez wymuszenie jest tutaj rozumiana zmiana wartości wektora wejść systemu (zmiana stanu obiektu sterowania objawiająca się zmianą stanu wejść cyfrowych czy też analogowych). Czas odpowiedzi jest to natomiast maksymalny czas, w którym system sterowania jest w stanie zareagować na zmianę wektora wejściowego (poprzez na przykład wysterowanie któregoś z wyjść cyfrowych). Rys. 4 Czas odpowiedzi w systemie rozproszonym 6

O ile w systemie zbudowanym z pojedynczego sterownika PLC czas odpowiedzi systemu stanowi dwukrotność długości czasu trwania cyklu sterownika, to w przypadku systemów rozproszonych ma on bardziej złożoną postać. Wynika to z faktu, iż na wielkość tego czasu ma wpływ szereg innych parametrów takich, jak czas cyklu sterownika, czas cyklu magistrali komunikacyjnej, czas cyklu stacji wejść/wyjść i inne (Rys. 4). Więcej na ten temat można znaleźć w [1] Chapter 9 timing Considerations. Należy zauważyć, że w systemie opartym o sieć Genius czas odpowiedzi jest równy czasowi trwania transmisji danych ze sterownika PLC do zdalnej stacji wejść/wyjść (I/O Block) i z powrotem. Można to wykorzystać do eksperymentalnego pomiaru tego czasu bez konieczności używania dodatkowych urządzeń, jak oscyloskop. 7

4. Konfiguracja sieci Genius Do konfiguracji sieci Genius używa się oprogramowania narzędziowego Cimplicity Machine Edition służącego również do programowania sterowników PLC. W systemach bez redundancji do poprawnego działania sieci komunikacyjnej wystarczające jest odpowiednie skonfigurowanie koprocesorów GBC w niej pracujących. Nie ma w takim wypadku konieczności programowania pozostałych abonentów sieci takich jak zdalne stacje wejść/wyjść zbudowane w oparciu o moduły interfejsu sieciowego NIU [2]. W systemach bardziej złożonych takich, jak system z redundancją jednostek centralnych, może zajść również potrzeba konfiguracji wspomnianych stacji zdalnych. W celu skonfigurowania kontrolera GBC oraz sieci Genius należy w projekcie sterownika PLC, w którym jest zabudowany moduł GBC, dodać w konfiguracji (w drzewku Nawigatora) odpowiednie urządzenie sprzętowe w odpowiednim slocie. Można do tego celu użyć menu kontekstowego oraz funkcji Add Module... (Rys 5.). Rys. 5 Dodanie modułu koprocesora sieci Genius. Po dodaniu modułu kontrolera GBC zostanie wyświetlona jego konfiguracja. W drzewku Nawigatora natomiast będzie możliwe skonfigurowanie sieci Genius. Początkowo sieć ta będzie składała się jedynie z urządzenia SBA31 (kontrolera GBC) (Rys 6). Rys. 6 Początkowa konfiguracja sieci Genius 8

W celu dodania nowego abonenta sieci Genius należy z menu kontekstowego modułu GBC wybrać pozycję Add Genius Device..., określić adres sieciowy SBA nowego abonenta, a następnie wybrać odpowiednie urządzenie (zgodnie z typem dodawanego urządzenia). (Rys. 7) Rys. 7 Dodawanie nowego abonenta sieci Genius Po dodaniu nowego abonenta automatycznie zostanie wyświetlona jego domyślna konfiguracja. Jest możliwe dodanie do 31 abonentów sieci Genius (nie licząc modułu kontrolera sieci GBC). W celu uruchomienia systemu konieczne jest połączenie się z programowanym sterownikiem PLC oraz przesłanie projektu (konfiguracji oraz programu) do programowanego urządzenia. 9

5. Literatura [1] Genius I/O System and Communications, GE Fanuc Automation, Programmable Control Products, November 1994, nr dokumentu: GEK-90486f (w szczególności rozdzialy 1, 2 oraz 9) [2] VersaMax System Genius Network Interface Unit, GE Fanuc Automation, Programmable Control Products, November 2000, nr dokumentu: GFK-1535a (w szczególności rozdział 3 oraz Appendix B) [3] Series 90-70 Genius Bus Controller, GE Fanuc Automation, Programmable Control Products, July 2003, nr dokumentu: GFK-2017 (w szczególności rozdział 1) 10

Notatki Tytuł: Sieć Genius Temat: Opis ogólny Utworzono: 01/03/2007 09:47:00 JS Wydrukowano: 2007/3/1 15:33:00 A3/P3 Nazwa pliku: instrukcja_genius_v1.odt 13487/1828/11 Wersja: 1 11