STUDIA INFORM ATIC A

STUDIA INFORM ATIC A Formerly: Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria INFORMATYKA Quarterly Volume 23, Number 1 (47) Andrzej KWIECIEŃ ANALIZA PRZEPŁYW U INFORM ACJI W KOM PUTEROW YCH SIECIACH PRZEM YSŁOW YCH Silesian University of Technology Press Gliwice 2002

i M 9 i y O Ł STUDIA INF ORM ATIC A Formerly: Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria INFORMATYKA Quarterly Volume 23, Number 1 (47) Andrzej KWIECIEŃ ANALIZA PRZEPŁYW U INFORMACJI W KOMPUTEROW YCH SIECIACH PRZEMYSŁOW YCH Silesian University of Technology Press Gliwice 2002

STUDIA INFORMATICA Volume 23, Number 1 (47) Formerly: Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria INFORMA TYKA Editor in Chief Dr. Marcin SKOWRONEK Silesian University o f Technology G liw ice, Poland Editorial Board Dr. Mauro CISLAGHI Project Automation M onza, Italy Prof. Bernard COURTOIS Lab. TIMA Grenoble, France Prof. Tadeusz CZACHÖRSKI Silesian University o f Technology Gliwice, Poland Prof. Jean-Michel FOURNEAU Université de Versailles - St. Quentin Versailles, France Prof. Jurij KOROSTIL IPME N A N Ukraina Kiev, Ukraine Dr. George P. KOWALCZYK Networks Integrators Associates, President Parkland, U SA Prof. Peter NEUMANN Otto-von-Guericke Universität Barleben, Germany Prof. Olgierd A. PALUSINSKI University o f Arizona Tucson, USA Copyright by Silesian University o f Technology Press, Gliwice 2002 PL ISSN 0208-7286 Printed in Poland ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ OPINIODAW CY: Dr hab. inż. Zbigniew Huzar, Prof. nadzw. Politechniki Wrocławskiej Dr hab. inż. Henryk Zygmunt, Prof. Akademii Górniczo-Hutniczej KOLEGIUM REDAKCYJNE REDAK TO R NACZELN Y - Prof. dr hab. Zygmunt K leszczewski REDAK TO R DZIA ŁU - D r inż. Marcin Skowronek SEKRETARZ REDAKCJI - Mgr Elżbieta Leśko REDAKCJA Mgr Roma Łoś Prof. Svetlana V. PROKOPCHINA Scientific Research Institute BITIS Sankt-Petersburg, Russia Prof. Karl REISS Universität Karlsruhe Karlsruhe, Germany Prof. Jean-Marc TOULOTTE Université des Sciences et Technologies de Lille Villeneuve d'ascq, France Prof. Sarma B. K. VRUDHULA University o f Arizona Tucson, U SA Prof. Hamid VAKILZADIAN University of Nebraska-Lincoln Lincoln, U SA Prof. Adam WOLISZ Technical University of Berlin Berlin, Germany Dr. Lech ZNAMIROWSKI Silesian University o f Technology Gliwice, Poland SPIS TREŚCI 1. W s t ę p...i... 9 1.1. C el p racy... 14 2. S iecio w e, p rz e m y s ło w e sy s te m y r o z p ro s z o n e c z a su rz e c z y w iste g o - c ech y i w y m a g a n ia... 16 2.1. P ro b le m y p ro jek to w a n ia ro z p ro szo n y c h sy ste m ó w c zasu rzeczy w istego... 19 2.2. P rz e m y sło w e ro z p ro szo n e sy stem y c zasu rz e c z y w is te g o... 20 2.3. W ęzeł sy ste m u... 22 2.4. P ro to k ó ł k o m u n ik a c y jn y... 23 2.5. S ta cja o p e ra to rsk a... 24 2.6. P o d s u m o w a n ie... 25 3. R o z p ro s z o n y sy s te m s te r o w a n ia... 28 3.1. S te ro w n ik sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln y ja k o p o d staw o w y e lem en t u k ład u s te r o w a n ia... 35 3.2. K o p ro c e so r s i e c i... 37 3.3. P ro to k o ły d o stę p u do łąc za sto so w an e w sieciach p rz e m y s ło w y c h... 41 4. S ie ci o d o s tę p ie ty p u T O K E N - B U S... 42 4.1. O p is w y m ian y in f o r m a c ji... 43 4.2. P o w staw an ie d ziu r w s i e c i... 44 4.3. K o n tro la c zasu n a d a w a n ia... 47 4.4. C y k l sieci a cykl w y m ian y in fo rm acji... 49 4.5. O k re ślen ie c zasu trw a n ia c y k lu sieci... 50 4.6. M a k sy m a ln y czas w y m ian y ż e t o n u... 50 4.7. P rz y p a d e k sieci z d ziu ram i... 53 4.8. M ak sy m a ln y czas trw a n ia c y k lu sieci z tra n s m isją d an y ch u ż y tk o w y c h 54 4.9. B u fo ro w a n ie tran sm isji... 60 4.1 0. S p raw n o ść sieci i je j p rz ep u sto w o ść u ż y te c z n a... 61 4.11. P o p ra w a p a ram etró w c zaso w y c h w y m ia n... 63 5. S ieci o d o s tę p ie M A S T E R -S L A V E... 67 5.1. P rz y g o to w a n ie scen ariu sz a w y m ian i o p is w y m ian y in fo rm acji... 68 5.2. P o w staw an ie d ziu r w s i e c i... 70 5.3. P a ra m e try z a cja w y m ian... 72 5.4. Z ja w isk a z achodzące n a sty k u k o p ro c e s o r^ je d n o stk a cen traln a... 74 5.5. O k re ślen ie c zasu trw a n ia c y k lu sieci... 78 5.6. S p raw n o ść sieci i je j p rz ep u sto w o ść u ż y te c z n a... 85 5.7. P o p ra w a p a ra m e tró w c zaso w y c h w y m ian... 87 6. S ieci o d o s tę p ie P r o d u c e n t - D y s t r y b u t o r - K o n s u m e n t... 89 6.1. M o d el ty p u P R O D U C E N T - D Y S T R Y B U T O R - K O N S U M E N T... 90 6.2. Z asad a d z ia łan ia sieci w y k o rzy stu jącej p ro to k ó ł P D K... i... 91 6.3. S tru k tu ra z m ie n n y ch... 95 6.4. T ra n sak c ja w y m ian y p e rio d y c z n e j... 97 REDAKCJA TECHNICZNA Alicja Nowacka

4 A. K w iecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 5 6.5. Ż ą d a n ie a p erio d y cznej tran sak c ji zm iennej...i... 98 6.6. Ż ąd a n ie tra n sm isji k o m u n ik a tó w... 99 6.7. A n a liz a p a ra m e tró w c z a so w y c h z w iązan y c h z p ro to k o łe m sieci F I P 101 6.8. A n a liz a c za so w a p ra cy p ro to k o łu... 103 6.8.1. A n a liz a sta ty c zn a...... 104 6.8.2. A n a liz a d y n a m ic z n a... 106 6.9. A n a liz a b ito w a tr a n s a k c ji... 114 6.9.1. B ito w a re p re z e n ta c ja r a m e k... 114 6.9.2. T ra n sak c ja p e r io d y c z n a... 115 6.9.3. T ra n sak c ja a p e r io d y c z n a... 116 6.10. P o d su m o w a n ie an alizy i k o n tro la re aliz o w a ln o śc i w y m ia n... 116 6.11. P o p ra w a p a ra m e tró w c za so w y c h w y m ian w sieci ty p u F IP... 119 6.12. O c en a w y d a jn o śc i i sp ra w n o ści sieci F I P... 124 6.13. P o d su m o w a n ie... 129 7. P o p r a w a p a r a m e tr ó w p r a c y sie ci p rz e m y sło w y c h z c y k lic z n y m i tr a n s a k c ja m i w y m ia n y i n f o r m a c j i... 131 7.1. M a k ro cy k l w y m ian y in f o r m a c ji... 132 7.2. D o b ó r p a ra m e tró w m ak ro c y k lu... 136 7.3. M e to d y b u d o w y i o p ty m a liz acji m ak ro c y k li... 138 7.3.1. M e to d y a lg o ry tm ic z n e... 139 7.3.2. M e to d a o p a rta n a sztu cznej in te lig e n c ji... 142 7.4. R e a liz a c ja p ra k ty c z n a a lg o ry tm ó w i w n io sk i... 146 8. M e to d a k la s y fik a c ji p ro to k o łó w k o m u n ik a c y jn y c h w sie c ia c h p rz e m y s ło w y c h... 148 8.1. K la sy fik a c ja sieci... 153 8.2. K ry te ria d o b o m... 155 8.3. D o b ó r ro z w ią z a n ia... 155 8.4. P o d su m o w an ie... 157 9. M e to d y in te g r a c ji sieci p rz e m y sło w y c h n a jn iż s z e g o p o z io m u... 158 9.1. In te g ra c ja sieci n a p o z io m ie I... 159 9.2. In teg ra cja sieci n a p o z io m ie II... 162 9.3. In teg ra cja sie ci n a p o z io m ie I I I... 164 9.4. P rz y k ła d in te g racji... 164 9.5. P o d su m o w a n ie... 169 10. Z a s to s o w a n ie p r o to k o łu T C P /I P w sie c ia c h p rz e m y sło w y c h n a jn iż sz e g o p o z i o m u... 171 10.1. P ro to k ó ł T C P /IP w sie ciach p r z e m y s ło w y c h... 172 10.2. W p ły w a rch ite k tu ry sy ste m u n a p a ram etry sieci p rz e m y sło w y c h n a jn iż sze g o p o z io m u... 174 10.3. P o d su m o w a n ie... 181 11. P r z e g lą d r o z w ią z a ń sieci p rz e m y s ło w y c h... 184 11.1. S ieć M o d b u s... 185 11.2. S ieć G e n iu s/n -8 0... 185 11.3. S ieć L o n W o r k s... 186 11.4. S ieć C A N (C o n tro lle r A re a N e tw o r k )... 186 11.5. S ieć S D S (S m a rt D istrib u te d S y s te m )... 187 11.6. S ieć D e v ic e N e t... 187 11.7. S ieć H A R T... 188 11.8. S ieć F IP / W o r ld F I P... 188 11.9. S ieć P r o f ib u s - P D... 189 11.10. S ieć In tr e r b u s - S... 190 11.11. S ieć F ie ld b u s F o u n d a tio n H 1, H 2... 190 11.12. S ieć F ie ld b u s F o u n d a tio n H S E - H ig h S peed E th e r n e t... 190 11.13. S ieć C o n tr o ln e t... 191 11.14. S ieć A S - I... 191 11.15. S ieć P - N e t... 191 11.16. P re z en tacja p a ram etró w sieci p rz e m y s ło w y c h... 191 11.17. A n a liz a c za só w tran sm isji d a n y c h... :... 197 11.18. K ie ru n k i ro z w o ju sieci p rz e m y s ło w y c h... 203 11.19. S ta n p ra c n o rm a liz a c y jn y c h... 204 12. Wnioski końcowe... 205 13. Skorowidz najczęściej używanych określeń i symboli... 210 Literatura... 215 Streszczenia... 226

A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 7 CONTENTS 1. I n t r o d u c t i o n... 9 1.1. T h e w o rk obj e ctiv es... 14 2. T h e in d u s tr ia l d is tr ib u te d r e a l tim e s y s te m s -fe a tu re s a n d r e q u i r e m e n t s 16 2.1. T h e p ro b le m s o f d istrib u te d re al tim e sy ste m s d e sig n in g..!... 19 2.2. T h e in d u stria l d istrib u te d re al tim e s y s te m s... 20 2.3. T h e sy ste m 's n o d e... 22 2.4. T h e c o m m u n ic a tio n p ro to c o l... 23 2.5. T h e o p e ra to r s ta tio n... 24 2.6. S u m m ary... 25 3. T h e d is tr ib u te d c o n tr o l sy s te m... 28 3.1. T h e p ro g ra m m a b le lo g ic c o n tro ller as m a in ele m en t o f co n tro l s y s te m 35 3.2. T h e n e tw o rk c o p ro ce sso r... 37 3.3. T h e a cc ess n e tw o rk p ro to co ls a p p lie d in in d u strial n e tw o r k s... 41 4. T h e n e tw o r k s w ith T O K E N B U S p r o to c o l... 42 4.1. D e sc rip tio n o f d a ta e x c h a n g e... 43 4.2. T h e "g aps" n e tw o rk fo rm a tio n...:... 44 4.3. T h e tim e tra n sm issio n c h e c k in g... 47 4.4. T h e n e tw o rk c y cle a n d c y cle o f ex ch a n g e d a t a... 49 4.5. D e fin itio n o f n e tw o rk c y cle tim e... 50 4.6. T h e m a x im u m o f to k e n e x ch a n g e t i m e... 50 4.7. T h e case o f n e tw o rk yvith " g a p s "... 53 4.8. T h e m a x im u m o f cy cle tim e n e tw o rk w ith u sefu l d a ta tr a n s m is s io n... 54 4.9. T h e tra n sm issio n b u f f e r in g... 60 4.10. T h e n e tw o rk e ffic ie n c y a n d u se fu l flo w cap acity... 61 4.1 1. C o rre c tio n o f e x ch a n g es p a ram ete rs... 63 5. T h e n e tw o r k s w ith M A S T E R -S L A V E p ro to c o ls... 67 5.1. P re p a rin g o f ex ch a n g e scenario a n d ex ch a n g e d a ta d e sc rip tio n... 68 5.2. T h e "g aps" n e tw o rk f o r m a tio n... 70 5.3. T h e e x ch a n g es p a ra m e te risatio n... 72 5.4. T h e p h e n o m e n a o n "c o p ro cesso r-centra l u n it" b o r d e r... 74 5.5. D e fin itio n o f n e tw o rk c y cle tim e... 78 5.6. T h e n e tw o rk e ffic ie n c y a n d u se fu l flo w c ap a city... 85 5.7. C o rre c tio n o f e x ch a n g es p a ram ete rs... 87 6. T h e n e tw o r k s w ith P r o d u c e r - D is tr ib u to r - C o n s u m e r p r o t o c o l... 89 6.1. T h e P ro d u c e r-d istrib u to r-c o n su m e r m o d e l... 90 6.2. T h e p rin cip le o f o p e ra tio n n e tw o rk w ith P D C p r o to c o l... 91 6.3. T h e d a ta s t r u c tu r e... 95 6.4. T h e tra n sactio n o f p e rio d ic a l e x c h a n g e... 97 6.5. T h e re q u e st o f a p erio d ic a l v a ria b le tr a n s m is s io n... 98 6.6. T h e re q u e st o f m essa g e tra n s m is s io n... 99 6.7. T h e a n a ly sis o f tim e p a ram ete rs c o n n ec te d w ith F IP p ro to co l... 101 6.8. T h e tim e a n aly sis o f p ro to co l w o r k... 103 6.8.1. T h e static a n aly sis... 104 6.8.2. T h e d y n a m ic a n a l y s i s... 106 6.9. T h e b it a n aly sis... 114 6.9.1. T h e b it fram e re p re se n tatio n... 114 6.9.2. T h e p e rio d ic tr a n s a c tio n... 115 6.9.3. T h e ap erio d ic tr a n s a c tio n... 116 6.10. A n a ly sis su m m ary and realiz a b ility c h e c k in g... 116 6.11. C o rre c tio n o f e x ch a n g es tim e p a ram ete rs in F IP n e tw o r k... 119 6.12. A sse ssm e n t o f F IP n e tw o rk n e tw o rk e fficiency and flo w cap acity... 124 6.13. S u m m ary... 129 7. C o r r e c tio n o f in d u s tr ia l n e tw o rk s p a r a m e te r s w ith c y clical d a ta e x c h a n g e tra n s a c tio n... 131 7.1. T h e m acro cy c le o f d a ta e x c h a n g e... 132 7.2. T h e c h o ice o f m acro cy c le p a r a m e te r s... 136 7.3. T h e m eth o d s o f m ic ro cy c le b u ild in g and o p tim is a tio n... 138 7.3.1. T h e alg o rith m ica l m e th o d s... 139 7.3.2. T h e m e th o d b a se d o n artificial in tellig en ce... 142 7.4. T h e p ra c tic a l re a lisatio n a n d c o n c lu s io n... 146 8. T h e m e th o d o f c o m m u n ic a tio n p ro to c o ls c la ssific a tio n in th e in d u s tr ia l n e t w o r k s... 148 8.1. T h e n e tw o rk c la ssifica tio n... 153 8.2. T h e c rite ria o f c h o ic e... 155 8.3. T h e so lu tio n c h o ice... 155 8.4. S u m m ary... 157 9. T h e m e th o d s o f lo w e st lev el in d u s tr ia l n e tw o rk s... 158 9.1. In teg ra tio n o n I lev el... 159 9.2. In teg ra tio n o n II l e v e l... 162 9.3. In teg ra tio n o n III l e v e l... 164 9.4. A n e x am p le o f in te g r a tio n... 164 9.5. S u m m ary... 169 10. T h e T C P /I P p ro to c o l a p p ly in g in in d u s tr ia l n e t w o r k s... 171 10.1. T h e T C P /IP p ro to co l in in d u strial n etw o rk s... 172 10.2. T h e sy ste m arch ite c tu re in flu en ce o n lo w e st level n etw o rk s p a ram ete rs... 174 10.3. S u m m ary... 181 11. T h e so lu tio n re v ie w... 184 11.1. T h e M o d b u s n e tw o rk... 185 11.2. T h e G e n iu s/n -8 0 n e tw o r k... 185 11.3. T h e L o n W o rk s n e tw o rk... 186 11.4. T h e C A N (C o n tro lle r A re a N e tw o rk ) n e tw o rk... 186 11.5. T h e SD S (S m a rt D istrib u te d S y stem ) n etw o rk...... 187 11.6. T h e D e v ice N e t n e tw o rk... 187 11.7. T h e H A R T n e tw o r k... 188 11.8. T h e F IP / W o rld F IP n e tw o r k... 188 11.9. T h e P ro fib u s-p D n e tw o r k... 189 11.10. T h e In trerb u s-s n e tw o r k... 190 11.11. T h e F ie ld b u s F o u n d a tio n H I, H 2 n e tw o r k... 190 11.12. T h e F ie ld b u s F o u n d a tio n H S E - H ig h S p eed E th ern et... 190 11.13. T h e C o n tro ln et n e tw o r k... 191 11.14. T h e A S -I n e tw o r k... 191

8 A. K w iecień 11.15. T h e P -N e t n e tw o rk...*... 191 11.16. T h e p re se n ta tio n o f in d u stria l n e tw o rk s p a ra m e te rs... 191 11.17. T h e a n a ly sis o f d a ta tra n sm issio n... 197 11.18. T h e tre n d s o f in d u stria l n e tw o rk s p ro g ress... 203 11.19. T h e sta te o f sta n d a rd isa tio n w o r k s... 204 12. The final conclusions... 205 13. The index of most frequently used definitions and symbols... 210 Bibliography... 215 Summary... 226 1. WSTĘP S zybki ro zw ó j technolo g ii e lektro n o w ej sp rz y ja p o w staw aniu u rz ąd z eń k o m p u tero w y ch 0 d u ż y m sto p n iu niezaw o d n o ści. Z ja w isk o to sp o w o d o w ało i p o w o d u je coraz szersze sto so w an ie śro d k ó w, n arzędzi i m eto d in fo rm a ty cznych w w ielu g a łęziach przem y słu. Z jed n e j stro n y zachęca to tec h n o lo g ó w do sto so w an ia techniki k o m p u tero w ej w p ro cesach reg ulacji i sterow ania, z drugiej zaś w y m u sz a szukanie now ych rozw iązań sprzętow ych 1 p ro g ram o w y c h, k tó re by, w z adow alający sp o só b, w y k o rzystały rozw ój technolo g ii. In n y m i sło w y, c o raz w iększe w y m a g an ia, sta w ian e p rz ez pro cesy technolo g iczn e, zm u szają do o p ra co w y w an ia n o w y ch ro zw iązań lu b o p ty m alizacji ju ż istniejących. S to so w an ie tech n ik i k o m p u tero w ej w realizacji sy stem ó w ste ro w an ia i regulacji to zło żony p ro c es ew o lu cy jn y. L ata 60. i 70. b ieżącego stu lec ia - to rozw ój i sto sow anie k o n cep cji scentralizow aneg o sy stem u ste ro w an ia i regulacji, w K tórym g łó w n ą ro lę pełnił pojed y n czy k o m p u te r (rys. 1). W y p o sażo n y w sp ecjalizow ane u k ład y w e jścia/w y jścia, binarne i an alo g o w e p o b ierał dane z całeg o o b ie k tu i sam o d zieln ie n a n ieg o oddziały w ał. D o b ry m p rz y k ła d em tak iego k o m p u te ra b y ły n a p rzykład m in ik o m p u te ry serii P D P -1 1 firm y D E C, a w P o lsce m aszy n a c y fro w a ro d zin y O D R A 1300 (O D R A 1 3 1 0, O D R A 1325). B y ła o n a w y p o sażona w pełni a u to n o m iczny k anał tran sm isji d an y ch z o b iek tu tech n o lo g iczn ego. K an ał ten, noszący m iano k a n ału p rz em y sło w e g o, o b słu g iw any z p o z io m u sy stem u o p e rac y jn e g o (egzekuto ra) e k strak o d am i ty p u PE R J [107], u m o żliw iał bard zo szy b k i i niezaw o d n y d o stęp do d anych p o m ia ro w y c h i o b iek to w y c h stan ó w b in arn y c h. W raz z ro sn ą cą lic z b ą zad ań i w y m o g am i czasu rz eczy w iste g o p o jaw iły się d w a k lu cz o w e pro b lem y : d o b o ru u k ład u p rzerw ań, sy stem u operacyjnego czasu rzeczyw isteg o. S y stem p rzerw ań, k tó reg o p o d sta w o w y m zad aniem było p rzy jm o w an ie i stero w an ie o b słu g ą zd arz eń o b iek to w y ch, stał się n iew y d o ln y, g d y ż p o jaw ienie się n a p rz y k ła d tak zw anej law in y zd arzeń p o w o d o w ało, że re aliz a cja p ro g ram ó w o b słu g i ju ż o d eb ran y ch p rzerw ań b y ła w strzy m y w a n a p rz ez k o lejn o n adch o d zące i sy stem o p e rac y jn y nie był w s ta n ie ' re aliz o w a ć żad n y ch in n y ch z adań, p o n a d p rzek azy w an ie ste ro w an ia do kolejn o w y w o ły w a n y c h p ro g ram ó w o b słu g i p rzerw ań. Z jaw isk o to n o siło m iano m ig o tan ia p rz erw a ń [170].

10 A. K w iecień Z atem re aliz a cja c y k lu p ę tli p ro g ra m u sy ste m u o p e racy jn e g o, c elem z ap e w n ien ia stałej je g o w a rto ści, m u sia ła z o stać p o d z ie lo n a n a d w a e tapy [1 7,1 4 2,1 4 3 ]: e ta p 1 zw iązan y z p o b ra n ie m p o m ia ró w z o b iek tu, f iltra c ją o b lic z en iam i stero w an ia i a k tu a liz a c ją w y jść ste ru ją c y c h o b iek te m (ang. Foreground), e ta p 2 zw iązan y z re a liz a c ją je d n e g o p ro g ra m u in te rak c y jn eg o (ang. Background). P rz y k ła d e m ta k ie g o sy ste m u o p e rac y jn e g o m o że b y ć ch o ćb y sy ste m R S X -1 1 k o m p u te ró w P D P -11 lu b te ż sy ste m R T -11 d la k o m p u te ra M E R A -6 0. [43, 1]. P rzy tak im p o d z ia le c z a su p ra cy sy ste m u o p e ra c y jn e g o p o w sta je p ro b lem, ile c zasu p rz ez n ac zy ć na re aliz a cję e ta p u 1, a ile n a re aliz a cję e ta p u 2. MONITOR KOMPUTER DANE Z OBIEKTU KANAŁ PRZEMYSŁOWY Rys. 1. Scentralizowany system sterowania Fig. 1. Centralised control system d la STEROWANIE I REGULACJA W sy ste m a c h sc e n tra liz o w a n y ch, w y k o rz y stu ją c y c h p o jed y n c ze kom p u te ry, w y stępow ały o g ra n ic z e n ia ich sto so w aln o śc i. O g ra n ic z e n ia sto so w aln o śc i o d d o łu d o ty c z y ły m ały c h o b ie k tó w lu b p ro sty ch te c h n o lo g ii, g d z ie w y s o k a c en a k o m p u te ra b y ła b a rie rą je g o sto so w an ia. O g ra n ic z e n ia sto so w aln o śc i o d g ó ry n a to m iast b y ły zw iązan e ze w z ro stem liczby o b słu g iw a n y c h w e jść /w y jść i sta le ro sn ą cy m sto p n iem z ło żoności a lg o ry tm ó w stero w an ia A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 11 i re g u lacji. P o w o d o w a ło to p o w sta n ie w ielu n e g aty w n y c h zjaw isk, z k tó ry c h n ajw aż n ie jsz y m i b y ły : stale ro sn ą cy sto p ień zło ż o n o śc i o p ro g ram o w an ia p o w o d u ją cy w z ro st czasu realizacji, a tak że w z ro st k o sz tó w zw iązan y c h z je g o u ru ch o m ien iem n a o b iek cie, tru d n o śc i w re aliz a cji sy ste m u i o b słu d ze p rzerw ań, sp o w o d o w an e w zro stem liczby k o n ie c z n y c h d o o b słu g i p rz erw a ń p o ch o d zący c h z o b iek tu (p o w staw anie, o p isy w anego ju ż, z ja w isk a ta k zw an e g o m ig o tan ia p rzerw ań), sp adek p rz ep u sto w o ści i n iezaw o d n o śc i całeg o sy stem u, co w k o n sek w en cji pro w adziło do n ied o c h o w a n ia w a ru n k ó w czaso w y ch. D ru g im e ta p em e w o lu cji sy ste m ó w k o m p u te ro w y c h sto so w an y c h w p rz em y śle, b ędącym p rz ejaw em ten d e n cji ro z w o jo w y ch ze stro n y e lektro n ik i i in fo rm aty k i, z m ierzający ch do szersze g o w y k o rz y sty w a n ia k o m p u te ró w w p rz em y śle, b y ło p o w sta n ie sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln eg o ste ro w n ik a p rz em y sło w e g o P L C (ang. Programmable Logic Controller), k tó ry b y ł n icz y m in n y m ja k sp ecja liz o w a n y m k o m p u terem, fab ry czn ie p rz y sto so w a n y m do akw izy c ji sy g n a łó w b in arn y c h i a n alo g o w y c h p o ch o d zący c h z o b iek tu. S to su n k o w o n isk a c en a p o łą c z o n a z d u ż ą n ie z a w o d n o śc ią i efek ty w n y m i n arzędziam i p ro g ram o w ania sp o w o d o w a ła p rz esu n ię cie się d o ln ej, w sp o m n ian ej ju ż, g ranicy sto so w aln o ści k o m putera. P o z y ty w n e re zu lta ty w y k o rz y sty w a n ia P L C sp o w o d o w ały ró w n ie ż z d rugiej strony stały w z ro st liczby w e jść /w y jść, k tó re m u siały b y ć o b słu żone p rz ez to u rząd zen ie. P ro w ad ziło to w p rostej linii do p o w sta w a n ia zło ż o n y ch, p o jed y n c zy c h u k ład ó w stero w an ia, k tó re zaczęły, tak ja k w p rz y p a d k u c en traln e g o k o m p u tera, n o sić zn am io n a sy ste m ó w scentralizow anych z w szy stk im i te g o u jem n y m i k o n sekw encjam i. S tały w zro st liczby w ejść/w y jść b y ł efek tem p rz e k a z y w a n ia sy ste m o m k o m p u te ro w y m realizacji coraz bard ziej sk o m p lik o w an y ch a lg o ry tm ó w technolo g ic zn y c h. D alszy rozw ój w ty m k ieru n k u k o m p u te ro w y c h sy stem ó w ste ro w an ia z n ó w stał się n iem o ż liw y, ze w z g lęd u n a m a le ją c ą n iezaw o d n o ść całeg o układ u i w zro st zło ż o n o śc i o p ro g ram o w a n ia, k tó re w y m a g ało c o raz to w iększych m ocy o b liczen io w y ch. D o d a tk o w y m e fek tem p ro jek to w a n ia ta k d u ż y ch sy ste m ó w b y ł zn aczn y w zro st k o sztó w realizacji i k o lejn y sp a d e k n iezaw o d n o śc i, zw iązan y z o k ablo w an iem o b iek tu. S u m ary czna d łu g o ść k a b li d o p ro w a d z a ją c y c h sy g n ały z o b iek tu i w y p ro w ad z ają cy c h efek ty pracy k o m p u te ra d o o b iek tu zac zęła b y ć lic z o n a w d ziesiątk ach, a n a w et setk ach kilo m etró w. P o d su m u jm y z atem, w p ro w ad z en ie ste ro w n ik a sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln eg o zw ięk szy ło zak res w y k o rz y sty w a n ia k o m p u te ra, co o b jaw iło się p rz ez zn aczn e p rzesu n ięcie dolnej g ra n ic y je g o sto so w aln o śc i, ale w n iew ie lk im sto p n iu p rzesu n ęło g ranicę górn ą. C iąg le m ie liśm y d o c z y n ie n ia z sy ste m em scen tralizo w an y m, a to ju ż m o g ło zah am o w ać sto sow anie in fo rm a ty k i w p rz em y śle. P rz y sz ła zatem p o ra na p o szukiw anie z m ian stru k tu raln y ch w p rz e m y sło w y c h, in fo rm a ty cz n y ch sy ste m ach stero w an ia. W su k u rs ty m p o szukiw anio m

12 A. K w iecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 13 p rz y szedł ro zw ó j sieci k o m p u te ro w y c h, a p rz ed e w szy stk im w z ro st ich n iezaw o d n o ści. Jest to k o lejn y etap e w o lu cji. S ieci k o m p u te ro w e sp o w o d o w ały p o w sta n ie i law in o w y rozw ój stru k tu r z d ec en tra lizo w an y c h, n a z y w a n y c h ró w n ie ż ro z p ro szo n y m i (ry s. 2 ) MSP2 silnik SMART ACTUATOR STACJA OPERATORSKA i 1 STACJA OPERATORSKA ph y/ SMART SENSOR" MAGISTRALA KOMUNIKACYJNA zawory V SMART SENSOR OBIEKT OBIEKT OBIEKT I F I j j S...i...11. n OBIEKT STACJA OPERATORSKA Rys. 3. System sterowania w ykorzystujący inteligentne m oduły sprzętowoprogram owe Fig. 3. The remote software-hardware m odules in control system Rys. 2. Zdecentralizow ana struktura system u sterowania Fig. 2. The structure o f distributed control system S p e c ja liz acja d o ty cz y re aliz a cji w ą sk ic h zad ań tech n o lo g iczn y ch. R o zw iązan ie to p o z w a la n a ro z b ic ie p ro c e su ste ro w an ia n a w ie le elem en tó w. P rzez to, że k ażd y z elem en tó w realizuje b a rd zo n iew ie le, ściśle o k re ślo n y ch, fu n k cji (b rak zło ż o n y ch pro g ram ó w, W sy ste m a c h ty c h z ad a n ia zo stały p o d z ie lo n e p o m ię d z y p o je d y n c z e k o m p u te ry - ste ro w n ik i sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln e. D zięk i te m u zn ik n ą ł cały szereg w ad sy ste m u scentra liz o w a n eg o, a le p o jaw iła się k o n ieczn o ść z a sto so w a n ia sy ste m u k o m u n ik a c ji, w y n ik a ją c a ch o ćb y ze z d aln eg o ste ro w an ia i m o n ito ro w a n ia o b iek tu. R ó w n o le g le z ro z w o jem sy ste m ó w z d ecen tra lizo w an y c h, b a zu jąc y c h n a sieciach k o m p u te ro w y c h i P L C, ro z w ija ją się sy ste m y ty p u L O N (ang. Local Operating Network), b a zu jąc e n a sz y b k ic h sie ciac h lo k aln y c h, a w m ie jsc e P L C sto su jące in te lig en tn e, w y so ce sp e c ja liz o w a n e, m o d u ły sp rz ę to w o -p ro g ra m o w e (ry s. 3) [ 8 1,1 2 9,1 9, 6 6,4 5 ]. w y d łu ż a ją c y c h czas re ak c ji), m o żn a tw o rz y ć b ard zo szybkie sy stem y stero w an ia. A le i tu, tak ja k w sy ste m ac h z d ecen tra lizo w an y c h, b a zu jących n a P L C, w y m a g an y je s t sp raw ny i n iezaw o d n y sy ste m k o m u n ik acy jn y. W sz y stk o to, o c z y m b y ła do tej p o ry m o w a, w p o łąc ze n iu z ro z w o jem sieci k o m p u te ro w y c h, w z ro stem ich n iezaw o d n o ści, sp o w o d o w ało law in o w y ro zw ój tak zw an y ch sy ste m ó w ro z p ro szo n y c h [6, 157]. Ic h sto so w an ie ro zw iązało w iele p ro b lem ó w, ale i tu n a p o ty k a się n a szereg b arier, k tó re z m u szają do szukania ro zw iązań stru k tu raln y ch i o d p o w ie d n ie g o sp o so b u p ro jek to w a n ia in fo rm aty czn y ch sy ste m ó w stero w an ia. P o d staw o w y m ic h p a ram etre m je s t czas reak cji n a zm ian y zachodzące n a o b iek cie. C zas ten je s t w y p a d k o w ą c z a só w re ak c ji p o jed y n c zy c h je g o elem en tó w, n a k tó ry m a w p ły w sp raw n o ść k o m u n ik a c ji i sz y b k o ść w y m ian y in fo rm acji. S zybkość w y m ian y in fo rm acji, m ierzo n a w w a rto ścia ch b e zw z g lęd n y c h, n ie ty lk o p o w in n a b y ć ja k n ajw iększa, ale p o w in n o się z a g w a ra n to w ać je j m in im a ln ą n iep rz ek ra cz a ln ą w arto ść. G w ara n to w an y, zdeterm in o w any

14 A. K w iecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 15 w czasie c zas re ak c ji p o je d y n c z e g o e le m en tu sy ste m u ro z p ro szo n e g o d aje b o w ie m p ew n o ść p raw id ło w ej p ra cy c ałeg o sy ste m u. T a k w ię c z d eterm in o w a n y czas reak cji o b o k n iezaw o d n o ści, u m ie jętn o śc i p o d n o sz e n ia się z u p a d k ó w i re k o n fig u ro w a ln o ść to p o d sta w o w e cechy w y ró ż n iające sy ste m y k o m u n ik a c y jn e (sie cio w e ) sto so w an e w p rz em y śle, k tó re n o sz ą n azw ę k o m p u te ro w y c h sieci p rz e m y sło w y c h [122]. 1.1. Cel pracy w trak cie u ru c h a m ia n ia sy ste m u n a o b iek cie, i nie m a ju ż czasu n a k o lejn e, żm u d n e an alizo w anie p rz e p ły w u in fo rm acji. P ro p o n o w an a m e to d a i n arzę d zia in fo rm a ty cz n e, p o w stałe n a jej p o d staw ie, p o z w a la ją n a k o n stru o w a n ie sieci p rz em y sło w y c h o d e te rm in isty cznych p ro to k o łach d o stę p u do m ed iu m. Z atem zak re s je j w y k o rz y sty w a n ia je s t ściśle zw iązan y ze sto so w a n y m i ty p a m i p ro to k o łó w. A u to r n ie zn alazł, co n ie znaczy, że nie is tn ie ją ani p o zycji lite ratu ro w y c h, ani p ro d u k tó w in fo rm a ty cz n y ch, cechują c y ch się p o d o b n y m p o d ejściem do p re zen to w an y c h z ag a d n ie ń i ro z w iązują c y ch sy g n a liz o w a n ą g ru p ę p ro b lem ó w. P o d sta w o w y m, n ajb ard ziej o g ó ln y m, c elem p ra cy je s t o p ra co w a n ie m eto d y p ro je k to w a n ia sy ste m ó w k o m u n ik a c y jn y c h, w y k o rz y sty w a n y ch w ro z p ro szo n y c h sy stem ach c zasu rz e c z y w iste g o i m a ją c y c h zasto so w an ie w p rz em y śle. G łó w n y m c elem m eto d y je s t ta k ie ilo ścio w e o k re śle n ie z ja w isk z ac h o d z ą c y c h n a p o z io m ie sie ci k o m p u te ro w e j, aby m o ż n a b y ło o p ra co w a ć n a rzędzie p ro g ram o w e, u m o żliw iając e s z y b k ą w e ry fik a c ję p ro jek tu sy ste m u k o m u n ik a c y jn e g o i u łatw ia ją ce je g o re k o n fig u ro w a ln o ść n a o b iek c ie, p o d c zas je g o u ru c h am ia n ia. A b y te n cel o sią g n ąć, n ależy : o k reślić ro d z aje p ro to k o łó w, k tó re s ą p rz y d a tn e z p u n k tu w id z en ia sy ste m ó w czasu rz eczy w iste g o, z d efin io w ać m o d el sy ste m u i je g o w ęzła, o k re ślić ilo ścio w o i ja k o ś c io w o z ja w isk a zac h o d zą ce w w ę zła ch sy ste m u, z d efin io w ać g ru p ę w ie lk o ści, n ie sto su ją c ż a d n y c h u p ro sz cz e ń i p rz y b liżeń, i o k reślić ich w p ły w n a w y d o ln o ść sy ste m u k o m u n ik a c y jn e g o, p rzy c zy m lic z b a o k re ślo n y c h p a ra m e tró w p o w in n a p o z w o lić n a ja k n a jw ię k sz e u o g ó ln ien ie. D zięk i te m u b ę d zie m o ż n a a n alizo w a ć lic z n ą g ru p ę ro z w iązań firm o w y ch, ró ż n ią c y c h się m iędzy s o b ą w szczeg ó ła c h, ale z g o d n y c h z p o d sta w o w y m i c ech am i p ro to k o łó w sieci p rz e m y sło w y c h b ra n y c h p o d u w a g ę, p rz ep ro w a d z ić a n a liz ę c z a so w ą p rz e p ły w u in fo rm a cji, a w ty m o k re ślić ilo ścio w o czas trw a n ia c y k lu sieci, sp ra w n o ść i p rz ep u sto w o ść u ż y te c z n ą z ap ro p o n o w a ć sp o só b k la sy fik a c ji p ro to k o łó w k o m u n ik a c y jn y c h u łatw ia ją cy ich w ła śc iw y d o b ó r, o k re ślić in n e źró d ła o p ó ź n ie ń i p o d a ć m eto d y ich e lim in acji. O ry g in a ln o ść m e to d y p o le g a n a ty m, że u m o ż liw ia o n a n ie ty lk o w ła śc iw ie k o n fig u ro w ać sieci, g w a ran tu jąc sp e łn ie n ie w y m a g a ń sy ste m u czasu rz eczy w iste g o, ale ró w n ie ż p o z w ala na d u ż ą e la sty c z n o ść w p ro jek to w a n iu. O p isu ją c b o w ie m ilo ścio w o z ja w isk a zac h o d zą ce w w ę źle sieci, p o z w a la p ro je k ta n to w i n a p a ra m e try z a c ję o d p o w ia d a ją c ą w y m a g a n io m tech n o lo g ii i p ro c e su p rz e m y sło w e g o. P o n a d to, u m o ż liw ia o p ra co w a n ie n a rzę d zia in fo rm a ty cz n eg o, d z ię k i k tó re m u m o ż n a p rz y sp ie szy ć p ro c es p ro je k to w a n ia i p o p ra w iać param etry p racy sieci. M a to sz c zeg ó ln ie zn aczenie w te d y, g d y istn ie je k o n ieczn o ść z m iany istn ie jąceg o p ro jek tu

A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 17 S y ste m y ty p u S IM P - w k tó ry c h sp rzęt je s t z m u ltip lik o w a n y, ale w y stępuje scentralizow an e stero w anie, S y stem y ty p u M IM D - w k tó ry c h sp rzęt je s t scen tralizo w an y, a ro zpro szo n e je s t stero w an ie. 2. SIECIOWE, PRZEMYSŁOWE SYSTEMY ROZPROSZONE CZASU RZECZYWISTEGO - CECHY I WYMAGANIA S tale w zrasta jąca n iezaw o d n o ść i m oc o b lic z en io w a sy ste m ó w k o m p u te ro w y c h sk łania d o szerszego ich sto so w an ia w p rz em y śle. S y stem y k o m p u te ro w e re a liz u ją b ard zo o d p o w ie d z ialn e zad ania, a w sp ó łc z e sn a technolo g ia staw ia c o raz p o w a żn ie jsze w y m agan ia, zw iązan e p rzed e w szy stk im z g w a ran to w a n y m i n iep rzek raczaln y m czase m realizacji p o jed y n czego c y k lu ste ro w an ia b ą d ź re g u la cji. T o w łaśn ie zm u sza do p rz ep ro w a d z an ia b ard zo szczegóło w ej analizy m o żliw o śc i sy ste m u in fo rm aty czneg o. T y m bard ziej że ow e sy ste m y, z p u n k tu w id z e n ia in fo rm a ty k i, s ą k lasy cz n y m i sy stem am i ro z p ro szo n y m i czasu rzeczy w istego, sto su ją cy m i sieć k o m p u te ro w ą ja k o p o d staw o w e m ed iu m w szelk iego ro d zaju w y m ian info rm acji. P o ję cie sy ste m ro zp ro szo n y czasu rzec zy w iste g o zaw iera w sobie d w a elem en ty [156]: sy stem ro zproszon y, sy stem c zasu rz eczy w isteg o. S y ste m ro z p ro szo n y ch ara k te ry zu je się ty m, że w iele p ro c e só w je s t realiz o w a n y c h na w ie lu p ro c eso ra c h. M o że te m u to w a rzy sz y ć, a czkolw iek nie m u si, ro zpro szenie tery to rialn e, k tó re je s t ta k ty p o w e d la o b ie k tó w p rz em y sło w y c h, z arz ąd z an y c h i ste ro w an y c h za p o m o c ą k o m p u te ró w. P ro c e sy ro z p ro szo n e s ą k o o rd y n o w ane p rzez g ru p ę w e w n ę trz n y c h d la w ęzła p ro c e só w k o m u n ik a c y jn y c h i sy n ch ro n izacy jn y ch. K o rz y śc i w y n ik a ją ce ze sto so w an ia sy ste m ó w ro z p ro szo n y c h s ą n astęp u jące: - zw ięk szo n a m o c o b lic z en io w a w y n ik a ją ca ze sto so w an ia p rzetw arzan ia ró w n o ległego, - zw ięk szo n a n iezaw o d n o ść, istn ieje b o w iem m o żliw o ść tak ieg o z ap ro jek to w ania sy stem u, ab y w chw ili a w arii fu n k c je n ie d ziałająceg o e le m en tu (w ęzła) sy ste m u zostały p rzejęte p rz ez in n e - d z iałające, - zw ięk szo n a a d ap tac y jn o ść (rek o n fig u ro w aln o ść) d zięki m o żliw o ścio m m o d y fik acji p ro g ra m ó w i łatw e m u p o d ziało w i zasobów. W p ełn i ro z p ro szo n y m sy ste m em n azy w am y tak i, w k tó ry m stero w an ie, sp rzęt (ang. hardware) i d ane s ą ro zpro szo n e. Istn ie ją b o w ie m sy ste m y, k tó re n ie w p ełn i s ą ro z p ro szo n e. D o n ic h zalicz y ć n ależy [156]: S y ste m y ro z p ro szo n e m o żn a p o d z ie lić ró w n ie ż na: h e te ro g en ic zn e lu b h o m o g en iczn e, a te zaś na: scentra liz o w a n e (np. M A S T E R -S L A V E, K L IE N T -S E R V E R ), z d ecen tra lizo w an e, w k tó ry c h w ęzły sy ste m u s ą auto n o m iczne. M o ż n a z atem d o k o n y w a ć c o ra z to in n y c h k lasy fik a cji, ale w sp ó ln ą c e c h ą lu b te n d e n c ją o b o w ią z u ją c ą p rz y p ro je k to w a n iu ty c h sy ste m ó w je s t d ą żn o ść do sto so w an ia sieci k o m p u tero w ej w c e lu tw o rz e n ia g ru p stacji ro b o c zy c h i k o m u n ik a c ji m ięd zy p ro ceso w ej. S y s te m c z a s u rz e c z y w is te g o c h ara k te ry zu je się siln y m i o g raniczeniam i czaso w y m i (ang. timing constraints"). C zas ja k o p a ra m e tr staje się w ty c h sy ste m ach w ie lk o ścią k ry ty czn ą. T y p o w e sy ste m y c zasu rzec zy w iste g o z a w ie ra ją p o d sy ste m y k o n tro lu jąco -steru jące, do k tó ry c h z a licza się n a p rz y k ła d sp e cjalizow ane k o n tro lery k o m p u tero w e, a tak że p o d sy ste m y k o n tro lo w an e i ste ro w an e (n a p rz y k ła d w a rstw a fizy c zn a o b iek tu ); O b ie g ru p y p o d sy ste m ó w p o d le g a ją silnej in terak cji, k tó rą m o żn a o p isać trzem a operacjam i [2, 6, 24, 27]: - z b ieran ie d a n y c h z w a rstw y fizycznej o b iek tu (ang. sampling ), - n a ty c h m ia sto w e p rz etw a rzan ie zeb ra n y ch d a n y ch i e w en tu aln e u ru ch am ian ie p ro cesó w o b lic z en io w y c h (a lg o ry tm ó w ) (ang. processing"), - o d p o w ie d ź sy ste m u sk ie ro w an a d o o b iek tu w arstw y fizy czn ej, b ę d ąc a w y n ik iem d ziałan ia w a rstw y obliczeniow ej (ang. responding ). W y m ie n io n e trzy o p e racje, co ró w n ie ż chara k te ry zu je sy stem czasu rzeczy w istego, m u sz ą z ak o ń c zy ć się w o k re ślo n y m, w y sp ec y fik o w an y m czasie. S y stem y c zasu rz ec zy w iste g o m o żn a p o d zielić n a d w ie g ru p y : - sy ste m y, w k tó ry c h to le ru je się p rz ek ra cz an ie o g ra n ic ze ń cza so w y c h (ang. soft real-time systems "), - sy ste m y, w k tó ry c h to le ro w a n ie p rz ek ra cz an ia o g raniczeń cza so w y c h alb o n ie je s t d o p u sz c za ln e, alb o d o p u szcza się je, ale w w y ją tk o w y ch p rzypad k ach, lub o g raniczo n y m zak resie (ang. hard real-time systems ) [22]. W sy ste m ach, w k tó ry c h d o p u sz c za się p rzek raczan ie o g ra n ic ze ń c zaso w y ch, n ie p o ciąg a to z a so b ą z n a c z n y c h k o n se k w e n cji. S y ste m p ra cu je p o p ra w n ie n a w et przy p rz ek ro c ze n iu o g raniczeń. P rz e k ro c z en ie o g ra n ic zeń n ie m o że je d n a k w y stą p ić w sp o só b d rasty czny.

18 A. K w iecień T y p o w e p rz y k ła d y tak ic h sy ste m ó w to: sy ste m z d a ln e g o d o stę p u do d a n y ch, sy ste m re z e rw a c ji b iletó w, sy ste m b a n k o m a tó w. W sy ste m ac h b e z to le ran c ji łam a n ia o g ra n ic zeń ich p rz ek ro c ze n ie g ro zi znaczn y m i k o n se k w e n cja m i. T y p o w y m i tak im i sy ste m am i są: sy ste m y, o d p o p ra w n o śc i d z ia łan ia k tó ry c h zależy n a p rz y k ła d lu d zk ie życie, sy ste m y k o n tro li ru c h u lo tn iczego, sy ste m y ste ro w an ia i re g u la cji w ię k sz o ścią p ro c e só w p rz em y sło w y c h, sy ste m y m o n ito ro w a n ia p a cjen tó w, sy ste m y z k ry ty cz n y m c zase m re ak c ji, sy ste m y ste ro w an ia p ra c ą ro b o tó w, sy ste m y tele fo n ii. Ja k ju ż w s p o m n ia n o, w sy ste m a c h c z a su rz ec zy w iste g o p o jęcie c zasu je s t n iezw y k le w ażn e. W y stęp u je o n w c z te re c h asp ektach : - d o stę p u d o z eg ara, - o p ó ź n ie n ia p rz etw a rzania, - d etek cji p rz ek ro c ze ń, p rz e te rm in o w a n ia (ang. tim e-ouf'), - sp e c y fik a cji o g ra n ic z e ń c z a so w y c h i o k re ślen ia c zasu reak cji. D o stę p do z e g a ra m o że b y ć a b so lu tn y p rz ez d o stęp d o z eg a ra c zasu rzec zy w iste g o albo p o śre d n i p rz e z p o m ia r, lu b d e te k cję czasu w y k o n y w a n ia p ętli. D o stęp m o że b y ć ró w n ież zw iązan y z sy n c h ro n iz a c ją z eg a ró w w w ę zła ch sy stem u. Je st to n iezw y k le tru d n y i ty p o w y p ro b le m p rz e m y sło w y c h sy ste m ó w ro z p ro szo n y c h czasu rz ec zy w iste g o, g d zie m u si być b rany p o d u w a g ę tak zw an y n ajg o rszy p rz y p a d e k [88] i w szelk ie o p e racje m u sz ą b y ć o d n iesio n e do zeg a ra n a jw o ln ie jsz e g o. Z d o ln o ść o p ó ź n ia n ia p rz e tw a rz a n ia je s t z w iązan a z z ag a d n ie n iem k o lejk o w ania. M eto d a k o le jk o w a n ia e lim in u je b o w ie m ta k zw an e stany zb ędneg o o c zek iw an ia (ang. busy wait ). P ro c e s m o że sk ie ro w ać zad a n ie do k o lejk i, k tó re b ę d zie w y k o n a n e później ju ż ja k o z d arz en ie, z a m ia st g e n ero w a ć sztu czne o p ó ź n ie n ie w p o sta ci sta n ó w busy w ait. D e te k c ja ta k z w a n y c h tim e-out"-ów d o ty cz y zd o ln o ści p ro c esu do rejestracji b raku p o ja w ie n ia się z d arz en ia i w k o n se k w e n cji d o zn ieczula n ia się n a p o jaw ien ie się o k re ślo n e g o zdarzen ia. S p e c y fik a c ja o g ra n ic z e ń c z a so w y c h je s t zw iązan a z re sp ek to w a n iem o g ra n ic zeń c zaso w y c h, n a rz u c a n y c h p rz e z w a rstw ę fiz y c z n ą o b iek tu. Je st to zw iązan e z m in im aln y m i m a k sy m aln y m czasem re alizacji pętli p ro g ram u (ang. deadline specificatiori ). A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 19 2.1. Problemy projektowania rozproszonych systemów czasu rzeczywistego P o d sta w o w e p ro b lem y p ro jek to w a n ia i późniejszej realizacji sy ste m ó w czasu rz ec zy w isteg o s ą zw iązan e z ich p o d sta w o w y m i w łaściw o ściam i, do k tó ry ch m o żem y zaliczyć: - d z ia łan ie w sp o só b c ią g ły w b ard zo tru d n y c h w aru n k ach, - o stre o g ra n ic z e n ia c zaso w e, - in te rak c ję p o m ię d z y p ro cesam i asy n c h ro n ic zn y m i, - p rz e w id y w a ln o ść o p ó ź n ie ń i w a ru n k i tak z w an ego w y śc ig u, - n ieo k re ślo n o ść i b ra k p o w ta rza ln o ści (cykliczności) zachow ań, - g lo b aln o ść z e g a ra i stanu o b iek tu, - w ie lo w ątk o w o ść in te rak c ji p ro cesó w. W iększość ro z p ro szo n y c h sy ste m ó w czasu rzeczy w isteg o, a w ty m ró w n ież sy stem ó w ste ro w an ia i m o n ito ro w a n ia p ro c e só w p rz em y sło w y c h [5], m u si p ra co w a ć ciągle i z achow y w a ć in te rak c ję ze ste ro w an y m o b iek tem. M ó w iąc o tru d n y c h w aru n k ach, należy m ie ć n a m y śli p rzed e w szy stk im szereg w z aje m n y c h zależności c zaso w y c h p o m iędzy p ro c esa m i w e w n ę trz n y m i. Z ależ n o śc i te o b ja w ia ją się w sp o só b w y ją tk o w o n iebezp ieczny i d o k u cz liw y w c h w ila ch sta n ó w n ieu sta lo n y ch o b iek tu, co p o w o d u je szereg w y w o łań zad ań, k tó re s ą ze s o b ą p o w ią zane k o le jn o śc ią i czasem ich realizacji. M a to n a p rzykład m ie jsc e w c h w ila c h p o jaw ia n ia się ta k zw anej obiekto w ej law in y zdarzeń. T ru d n e w aru n k i p racy d o ty c z ą ró w n ie ż, co m a m iejsce w z asto so w an iach p rz em y sło w y c h, w aru n k ó w śro d o w isk o w y c h i k lim a ty c zn y c h, w k tó ry c h sp rzęt in fo rm aty czny m a praco w ać. O stre o g ra n ic z e n ia c zaso w e w p ły w a ją n a p o p raw n o ść w y k o n y w an ia zad ań przez ro z p ro szo n e sy ste m y c zasu rz eczy w isteg o. P o p raw n o ść p racy je s t o k reślo n a n ie ty lk o przez liczbę i sz y b k o ść p ro c e so ró w ste ru ją cy c h p o d w a rstw a m i całeg o sy stem u, ale tak że p rzez o g ra n ic ze n ia c za so w e n arzu cone p rz e z czas o b słu g i o b iek tu (o to czenia). R o z p ro sz o n e sy ste m y c z a su rzec zy w iste g o s ą p ro jek to w an e do in terak cji z w a rstw ą f iz y c z n ą a p ro c eso ry ty c h sy ste m ó w s ą ro z p ro szo n e tery to rialn ie. P ro cesy asy n ch ro n iczn e, n a p rz y k ła d te, k tó re s ą z lo k alizo w an e w w ę zła ch sy stem u, a s ą o d p o w iedzialn e za dajm y n a to re aliz a cję a lg o ry tm ó w ste ro w an ia, z a w ie ra ją w e w n ętrzne sy stem y ro zpro szo n e czasu rz ec zy w iste g o. O n e i z ew n ętrzn e p ro c esy fizy czn e k o m u n ik u ją się p o m iędzy so b ą poprzez w y m ian ę k o m u n ik a tó w. S e k w encje zd arzeń w p ro c esa c h a sy n c h ro n ic zn y c h s ą tru d n e do p rz ew id z en ia i często p rz y ję te z ało żenia n a etapie p ro jek to w a n ia s ą n aru szane w czasie d ziałan ia. Z p o w o d u tru d n eg o do p rz ew id z en ia n a tę że n ia ru c h u w sieci k o m u n ik acyjn ej i d y stansu p o m iędzy d w o m a w ęzłam i k o m u n ik a c y jn y m i sy ste m u o p ó źn ien ia w n o szo n e p rzez k o m u n i k ację m ię d z y p ro c e so ro w ą s ą n iep rz ew id y w aln e, ale nie m o żn a ich p o m in ąć. Stąd k o n ieczn o ść sto so w an ia do an alizy m eto d y n ajg o rszego p rz y p a d k u [88]. D o d atk o w o, m o że w y stą

20 A. K w iecień p ić zja w isk o w y śc ig u, g d y d w a p ro c e sy d z ie lą się ty m i -sam ym i zaso b am i. T a k w ięc se k w e n cje z d a rz e ń sp e c y fik o w a n e n a e tapie p ro jek to w a n ia, a słu żące sy n c h ro n izacji p o d - p ro c e só w m o g ą się z m ien iać p o d c za s n o rm aln ej p ra cy sy stem u. Z p o w o d u tru d n o śc i p rz e w id y w a n ia o p ó ź n ie ń k o m u n ik a c y jn y c h i w a ru n k ó w w y śc ig u p o m ię d z y p ro c e sa m i [14] i p ro c eso ra m i, zachow a n ie sy ste m ó w ro z p ro szo n y c h czasu rz e c z y w iste g o m o ż e b y ć n ieo k re ślo n e. M o ż e b y ć b o w ie m tak, że p o n o w n e w y k o n a n ie teg o sa m eg o p ro g ra m u, z ty m i sa m y m i stanam i w ejść, n iek o n ie cz n ie m u si p ro d u k o w a ć te sam e rezu ltaty. K a żd y p ro c e so r sy ste m u m a w ła sn y z e g a r d ziałający n iez ale żn ie o d z eg a ró w in n y ch p ro c eso ró w. Je st n ie z w y k le tru d n o o k re ślić p re c y z y jn ie czas g lo b aln y, k tó ry je s t n iezbęd n y d la o k re śle n ia w ła śc iw y c h sta n ó w g lo b a ln y c h i w p ro c e sie d iag n o z o w a n ia i m o n ito ro w a n ia p ra cy c ałeg o sy ste m u. W p rz e c iw ie ń stw ie do p ro g ra m ó w se k w e n c y jn y c h, m a ją c y c h p o je d y n c z y m ech an izm ste ro w an ia, sy ste m y ro z p ro szo n e c zasu rz ec zy w iste g o c e c h u ją w ie lo k ro tn ie p rzep lata ją ce się sek w en cje (p rz e p lo ty ) ste ro w an ia. T ak ż e o w e sek w en cje (p rzeplo ty ) ste ro w an ia s ą sw o b o d n ie lu b ry g o ry sty c z n ie p o w ią za n e z p ro to k o ła m i k o m u n ik a c y jn y m i. O d b y w a się to alb o za p o śre d n ic tw e m p a m ię ci, alb o z a p o m o c ą k o m u n ik a tó w. D o d a tk o w o, istn ie n ie w ielo w ątk o - w o ści je s t u tru d n ie n ie m p rz y an alizie i m o n ito ro w a n iu p ra cy sy stem u. P o d su m o w u ją c, sy ste m y ro z p ro szo n e c z a su rz ec zy w iste g o o d ró ż n ia ją się zasad n icz o od in n y ch sy ste m ó w. P o d sta w o w y m i w y ró ż n ik am i s ą o g ra n ic zen ia czaso w e. N ajb ard ziej isto tn e z ag a d n ie n ie, n ie z w y k le w a żn e p rz y a n alizie i śle d zeniu p ra cy sy ste m u, to z n alez ien ie m iejsc je g o p ra cy, g d z ie n ie s ą re sp ek to w a n e o g ra n ic ze n ia czaso w e. K o m u n ik acja m iędzy p ro c e so ro w a (p o m ię d zy p ro c eso ra m i w ę z łó w sy ste m u ) i m ię d z y p ro c e so w a (m iędzy p ro c esa m i w ęzła sieci lu b m ię d z y d w o m a p ro c esa m i ró ż n y c h w ę złó w ) to n ajw aż n ie jsz e ź ró d ła n ieresp ek to - w a n ia zależnośc i c zaso w y c h. 2.2. Przemysłowe rozproszone systemy czasu rzeczywistego Jak p o w szech n ie w ia d o m o, p o d sta w o w y m e le m en tem p rz em y sło w e g o sy ste m u ste ro w an ia je s t k o m p u te r p rz e m y sło w y lu b je g o o d m iana, ja k ą je s t ste ro w n ik sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln y (P L C ), alb o sp e c ja liz o w a n e u rz ąd z en ie m ik ro p ro c eso ro w e w y p o sażo n e w k o p ro c e so r k o m u n ik a c y jn y. R o z p ro sz en ie sy ste m u u z y sk u je się w sp o só b n a tu ra ln y, bo o ty m d e cy d u je o b iek t p rz e m y sło w y, w k tó ry m d a się w y o d rę b n ić te ry to ria ln ie o d d zielo n e p ro c e sy te c h n o lo g ic z n e, k tó re b ę d ą ste ro w an e n iez ale żn ie i w d u ż y m sto p n iu auto n o m icznie p rz e z w ę zły sy ste m u k o m p u te ro w e g o. W ęzłem sy ste m u k o m p u te ro w e g o je s t zazw y czaj p o je d y n c z y ste ro w n ik (P L C ) lu b ich g ru p a. D la te g o cały sy ste m staje się n a ty c h m ia st ro z p ro szo n y m sy ste m e m w se n sie in fo rm a ty c z n y m, g d y ż n a stęp u je tutaj ro zpro szenie zaró w n o p ro c eso ró w, ja k i z a so b ó w i stero w an ia. O p ró c z k o m p u te ró w p rz e m y sło w y c h czy A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 21 stero w n ik ó w P L C w y s tę p u ją w tak im sy stem ie stacje ro b o cze lu b in ży n ie rsk ie, k tó ry ch zadaniem je s t ta k w iz u alizacja p ro c esu p rz em y sło w ego, m o n ito ro w a n ie je g o p racy, arch iw iza c ja zd arz eń i a la rm ó w, ja k i g e n ero w anie ro z k az ó w k iero w an y c h do o b iek tu p rz em y sło w e g o. W y m a g a n ia tec h n o lo g ii id ą w k ieru n k u n ie ty lk o p re cy z y jn e g o, w sensie jak o ścio w y m, ste ro w an ia zw iązan eg o z p o p ra w n y m re alizow aniem a lg o ry tm ó w n u m ery czn y ch, ale ró w n ie ż w k ie ru n k u n arzu c an ia b ard zo o stry c h o g ra n ic ze ń c zaso w y ch. A w ięc nie ch o d zi ty lk o o to, ab y zo stały p o p ra w n ie w y liczo n e n o w e w arto ści w ekto ra stanu o b iek tu, ale i o to, aby stało się to w n iep rz ek ra cz a ln y m, z ad a n y m in terw ale czasu. Jaw i się n am zatem ju ż nie ty lk o p rz em y sło w y ro zpro szo n y sy stem stero w an ia, ale ró w n ież ro zpro szo n y sy stem stero w an ia c zasu rz eczy w isteg o. P rz e p ro w ad z a ją c an alizę p racy tak ie g o sy stem u, m a ją c ą n a c elu m iędzy in n y m i p raw id ło w e je g o zap ro jek to w a n ie, n ależy d o k o n ać p o d z ia łu n a elem en tarn e sk ładnik i, do k tó ry ch m o żn a z aliczy ć (ry s. 4): w ęzeł sy ste m u, w sk ład k tó reg o w ch o d zi k o m p u te r p rz em y sło w y (lu b P L C ), sy ste m k o m u n ik a c y jn y, k tó reg o e le m en tem je s t p ro to k ó ł k o m u n ik a c y jn y, stację o p e ra to rsk ą z sy ste m em w iz u alizacy jn y m zb u d o w an y m n a b azie sy ste m u o p eracyjn ego czasu rzeczy w isteg o. W je d n y m b lo k u u m ieszczo n o (ry s.4 ) aplik ację, k o p ro c eso r sieci i p ro to k ó ł, co b y ć m oże ro b i w ra żenie p e w n e g o ch ao su, g d y ż s ą to w sensie m ate ria ln y m elem en ty n iep o ró w n y w aln e, ale zab ieg te n je s t c elo w y, p o n ie w a ż k ażd y z o w y c h ele m en tó w m a p e w n e cechy, k tó re w b ard zo isto tn y sp o só b n a siebie w p ły w a ją, a w sp ó ln ą p ła szczy z n ą je s t czas realizacji ty p o w y c h d la k a żd e g o z n ich zadań. K a żd y z w y m ie n io n y c h e le m en tó w z achow u je znaczn e m o żliw o ści p racy auto n o m icznej, ale sta n o w ią o n e sk ła d n ik i sy ste m u ro z p ro szo n e g o i m u sz ą sp ełn iać te sam e w y m agan ia, o k tó ry c h b y ła m o w a w p o p rz ed n ich ro zdziałach. P ro jektu jąc p rz em y sło w y, ro zproszony sy ste m c zasu rz ec zy w iste g o, n a le ży k ażd y z w y m ien io n y c h ele m en tó w p o d d ać niezależnej analizie, zm ierzającej do o k re ślen ia g lo b aln eg o p a ram etru, k tó ry m n iech b ędzie tak zw any g ran iczn y c zas Tc re ak c ji całeg o sy ste m u n a d o w o ln e zdarzen ie, k tó re m o że w y stą p ić n a o b iek cie. O k re ślen ie w arto ści To p o słu ży ty m sa m y m do o k reślen ia g ranic sto so w aln o ści całeg o sy stem u.

2 2 A. K w iecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 23 po zw ala tw o rz y ć o p ro g ram o w a n ie w sp o só b o p ty m aln y, to znaczy m in im alizo w ać czas realizacji p ro g ra m u p rz y jed n o c zesn e j m in im alizacji zajęto ści p a m ięci. C zas c y k lu realizacji p ro g ram u m a d e cy d u jąc y w p ły w n a sp ra w n ą k o m u n ik ację. S tero w n ik, a ty m sam y m w ęzeł sy stem u k o m u n ik u je się z in n y m i w ę d a m i za p o średnictw em k o p ro c eso ra sieci. K o p ro ceso r n ato m iast m a d o stę p do z aso b ó w m acierzystej je d n o stk i cen traln ej ty lk o ra z n a je d e n cykl realizacji p ętli p ro g ram u. Z atem, im d łu ższy je s t c y k l p o jed y n czej realizacji p ro g ram u sy stem o w ego (a p lik a c ja je s t sy ste m em o p e racyjn y m c zasu rzeczy w istego), ty m rzadziej k o p ro ceso r m o że k o n tak to w a ć się z zaso b am i i ty m później je s t w stan ie w y em ito w ać niezbędne dane. N a g ra n ic y k o p ro c eso r-je d n o stk a c en traln a w ę d a sy ste m u zach o d zi w ie le zjaw isk, k tó ry ch p o z n an ie je s t n iez b ęd n e d o p rz ep ro w a d z en ia p raw id ło w ej an alizy p racy sy stem u. Z jaw isk a te, j a k ch o ćb y p rz etw a rzanie ram k i czy g e n era cja su m y k o n tro ln ej, nie ty lk o należy znać, ale ró w n ie ż n a le ży p re c y z y jn ie o k reślić ich czas trw an ia. W p ły w a to, ja k łatw o się d o m y ślić, w sp o só b zn aczący n a sp raw n o ść sy ste m u k o m u n ik acyjn ego. B ę d zie o ty m m o w a w n astęp n y c h ro z d ziała ch pracy. 2.4. Protokół komunikacyjny 2.3. Węzeł systemu Rys. 4. M odel rozproszonego system u przem ysłow ego Fig. 4. The m odel o f distributed industry system Ja k ju ż w sp o m n ia n o, w ę złe m sy ste m u je s t ste ro w n ik p rz em y sło w y (P L C ) lub g ru p a ste ro w n ik ó w. R o lą ste ro w n ik a je s t re aliz a cja p ro g ra m u re zy d u jąceg o w je g o p am ięci o p e racyjn e j. P ro g ra m je s t zak o d o w a n y m, n u m ery c zn y m a lg o ry tm em stero w an ia. P ro g ra m o w a n ie ste ro w n ik a je s t n icz y m in n y m ja k tw o rz en iem m ałe g o sy ste m u o p e rac y jn e g o c zasu rz e c z y w iste g o, k tó reg o p o d sta w o w ą c e c h ą je s t cy k lic zn o ść realizacji. P rzy tw o rzen iu o p ro g ra m o w a n ia n a le ży k iero w ać się ty m i sam y m i k ry teriam i co p rzy tw o rz en iu d u ży ch sy ste m ó w o p e ra c y jn y c h c zasu rz eczy w iste g o. S z c ze g ó ln ą u w agę n a le ży zw racać n a czas realiz a cji p o d sta w o w e j p ę tli p ro g ra m u [122, 3]. Je st to czas, k tó ry u p ły w a od chw ili p o b rania w e k to ra sta n u o b iek tu do c h w ili w y sta w ie n ia je g o n o w ej w arto ści n a w y jśc iu w ęzła (p rzesła n ie n o w ej je g o w a rto ści d o ste ro w an e g o o b iek tu ). C zas trw a n ia p ętli zależy w p ro st p ro p o rc jo n a ln ie o d c z a su realiz a cji ap lik a cji (p a trz ry s.1 0 ). T o z n ó w je s t zależne od zło ż o n o śc i a lg o ry tm ó w, k tó re m a ją b y ć a p lik o w a n e i o d u m ie jętn o śc i p ro g ram isty, k tó reg o ro lę tru d n o p rz ec en ić. D o sk o n ała zn ajo m o ść p a ra m e tró w ste ro w n ik a i je g o arch itektu ry P ro to k ó ł k o m u n ik a c y jn y je s t k o lejn y m e lem en tem ro zpro szo n ego sy ste m u czasu rzeczy w istego. A b y sp ełn ić w aru n k i sy ste m u czasu rzeczy w istego, m u si to b y ć p ro to k ó ł o zd eterm in o w a n y m w czasie d o stępie. N a leży p rz ez to ro zum ieć, że p ro to k ó ł g w aran tu je k a żd e m u u c ze stn ik o w i p ro c e su w y m ian y in fo rm acji m o żliw o ść em isji i o d b io ru d an y ch w n iep rz ek ra czaln y m, g w a ra n to w a n y m i z n an y m czasie. N ie o znacza to b y n ajm n iej, że p a ram etr ten je s t c e c h ą p ro to k o łu. T o d o p iero an aliza p rz ep ły w u d an y ch w sy stem ie da o d p o w ied ź, ile te n czas w y n o si, a p ro to k ó ł zap ew n i je d y n ie, że n ie zo stan ie on przek ro czo n y. T o, że sieć je s t w stanie p rz esła ć o k re ślo n ą ilo ść in fo rm acji w p e w n y m czasie, któ reg o w ie lk o ść zależy ch o ćb y o d p a ram etró w tran sm isji, tak ich ja k p rędkość czy d łu g o ść blo k u d an y ch, n ie d e te rm in u je sp raw n o ści k o m u n ik acji. N ie n ależy ró w n ie ż ro zpatry w ać p ro to k o łu k o m u n ik a c y jn e g o w o d e rw an iu od k o p ro c eso ra sieci. T u, p o d o b n ie ja k w w ęźle sy stem u, zach o d zi w ie le zja w isk, k tó re b ę d ą w p ły w a ć n a czas w y m ian y info rm acji. W ażne je s t, aby zn ać b u d o w ę k o p ro c e so ra i je g o w szy stk ie p a ram etry czaso w e o raz p e w n e cechy k o n stru k cyjn e, ja k ch o ćb y liczbę b u fo ró w do tran sm isji i odbioru. W sp ó łcześn ie istn ieje k ilk a p o w szech n ie zn an y ch i akce p to w an y c h p ro to k o łó w o z d e term in o w a n y m w czasie d o stęp ie do m ed iu m. D o n ic h n ależy zalicz y ć p ro to k o ły z k rąż ąc y m ż eto n em ty p u M a ster-s la v e czy P ro d u cen t-d y stry b u to r-k o n su m e n t. N a m arg in esie tej in fo rm acji n ależy p am ię ta ć, że n a w y b ó r p ro to k o łu b ęd zie m iał w p ły w nie ty lk o d e te rm in izm c zaso w y, ale ró w n ie ż rodzaj ap lik acji. B ę d ą b o w ie m ro zw iązan ia

24 A. K wiecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 25 sz y b sze ja k i w o ln ie jsze, do k tó ry c h n a le ży d o b ra ć o d p o w ie d n ią sieć, b ę d ą c ą n a jta ń szy m ro z w iąz an ie m, ale sp e łn ia ją c y m w sze lk ie w y m a g a n ia czaso w e. 2.5. Stacja operatorska S ta cję o p e ra to rsk ą n a le ży ro z p atry w a ć w d w ó c h k o n tek stach. P ie rw sz y m z n ich je s t p o jęc ie stacji ja k o w ę zła sy ste m u. P rzy tak im p o d e jściu p o z o sta ją w m o cy w szy stk ie u w agi z a m iesz c zo n e w p o p rz e d n ic h d w ó c h p o d ro z d ziała ch. W y o d ręb n iają c w niej m o d u ł k o m u n i k a cji, n a le ży d o k o n a ć an alizy czaso w ej zw iązan ej z p ro c ese m o d b io ru ja k i n adaw ania. T aki p o d p ro c e s trz e b a p o trak to w a ć, z lo g ic z n eg o p u n k tu w id zen ia, ja k o k o p ro c eso r sieci i w n ik n ą ć w je g o b u d o w ę, aby znaleźć o d p o w ie d ź n a m n iej w ięcej tak ie sam e p y tan ia, ja k ie p o w s ta ją p rzy a n a liz o w a n iu k la sy c z n e g o k o p ro c eso ra. A w ięc n a le ży o b lic z y ć n astęp u jące czasy: c zas d e te k cji ram k i, c zas a n alizy o d eb ran ej ram k i d anych, czas p rz e tw a rz a n ia ra m k i p rz e z o d p o w ie d n ią w a rstw ę o p ro g ram o w a n ia, c zas d o stę p u do w arstw y ap lik acji, c zas o b lic z a n ia cykliczn ej su m y k o n tro ln ej, czas p rz y g o to w a n ia ram k i d o tran sm isji, u w z g lęd n iają cy c zas o c zek iw an ia n a d o stęp do p a m ię c i m acierz y stej je d n o s tk i c en traln ej, czas z a p e łn ie n ia b u fo ró w n ad aw czy ch. D ru g ie z ag a d n ie n ie, p o d k ą te m k tó reg o n a le ży ro z p atry w a ć sta cję o p erato rsk ą, to stacja ja k o je d n o p ro c e s o ro w y sy ste m c zasu rz eczy w iste g o, b ę d ąc y a p lik a c ją z re a liz o w a n ą n a b azie sy ste m u o p e racy jn e g o c z a su rz eczy w isteg o. P rz y tw o rz en iu takiej ap lik a cji n apoty k am y na w ie le ty c h sa m y c h p ro b le m ó w z w iąz an y c h z p o p ra w n y m p ro jek to w a n ie m sy ste m ó w czasu rz e c z y w iste g o, o k tó ry c h b y ła ju ż m o w a. S tacja o p e rato rsk a c h ara k te ry zu je się ty m, że sk łada się z sz e re g u p ro c e só w, k tó re w z aje m n ie m u sz ą w sp ó łg ra ć, m ając d o stę p d o ty c h sa m y ch z aso b ó w, k o m u n ik o w a ć się m ię d z y s o b ą z a p o m o c ą p a m ięci, w y k lu c za ć się i b lo k o w ać w p rz y p a d k a c h k o n flik tó w, p rz ek a zy w ać ste ro w an ie p o m ię d z y sobą, a w szy stk o to m u si sp ełn iać w y m a g a n ia sy ste m u c zasu rz ec zy w iste g o. N ie b e z z n aczen ia je s t ró w n ie ż w sp ó łp ra ca z p la tfo rm ą sy ste m u o p e rac y jn e g o [3 6,2 6 ]. N ie z w y k le w a ż n y m p ro b le m e m je s t tw o rz en ie k o n k retn ej a p lik acji u żytk o w ej stacji w iz u alizacy jn ej (o p e ra to rsk iej) za p o m o c ą sy ste m u w izu alizacy jn eg o, o k tó ry m b y ła m o w a p o w y ż e j, a k tó ry, ja k p a m ię ta m y, je s t sy ste m em c zasu rz eczy w isteg o. P o ja w ia ją się zatem p ro b le m y z sy n c h ro n iz o w a n ia a p lik acji z re sz tą sy ste m u ro zp ro szo n e g o, w ła śc iw eg o o b c ią żan ia sy ste m u w iz u a liz a c y jn e g o, w łaściw ej k o in cy d e n cji w y w o ły w a n ia sp e c ja liz o w a n y ch p ro c e d u r (ang. users program s"), d o p u szczaln ej liczby o b iek tó w g ra fic zn y c h i ich ew en tu al n ego o d św ie ż an ia i an im o w a n ia. W sz y stk o to razem p o w o d u je, że z ap ro jek to w anie aplikacji w izualizacy jn ej n ie je s t b a n aln e i w y m a g a w n ik liw ej an alizy i zn aczn ej w ied zy in fo rm a ty cz nej. 2.6. Podsumowanie R e asu m u ją c, w św ietle teg o co ju ż zostało p o w iedzian e, w sp ó łczesn e sy stem y k o m p u tero w e sto so w an e w p rz em y śle, p ro jek to w a n e z m y ś lą o stero w an iu i m o n ito ro w aniu p ro c esó w p rz e m y sło w y c h s ą k la sy c z n y m i, z p u n k tu w id z en ia in fo rm aty k i, ro zpro szo n y m i sy stem am i c zasu rz eczy w iste g o (ang. DRTS - Distribiuted R eal Time System) [156]. M am y tu b o w ie m do c zy n ien ia zaró w n o z ro z p ro szen iem m o cy o b liczen io w ej i z aso b ó w pam ięci, ja k i z ro z p ro sze n iem tery to rialn y m. P o n a d to czas je s t p aram etrem k ry ty cznym, a k o m u n ik a c ja m ięd zy w ę zła m i (p o d p ro cesa m i) o d b y w a się za p o śre d n ictw e m sieci k o m p u tero w ej. N a to m ia st tw o rz en ie o p ro g ra m o w a n ia a p lik a cy jn eg o, re zydującego w w ę zła ch sy ste m u je s t n iczym in n y m ja k b u d o w ą w ie lu lo k aln y c h sy ste m ó w czasu rzeczy w istego. P o d staw o w e p y tan ie, ja k ie ro d zi się w c h w ili tw o rz en ia tak ie g o sy stem u, to, czy sy ste m ó w sp ełni w y m a g ania d o ty czące g w a ran to w a n e g o c zasu realizacji w szy stk ic h zad ań p o sta w io n y ch przez p ro ces tec h n o lo g ic zn y, p rz y je d n o c z e sn y m z ap e w n ien iu je g o n iezaw o d n ej p racy. W n in iejszej p ra cy z ap ro p o n o w ano, o ry g in a ln ą zd an iem auto ra, m eto d ę analizy p rzep ły w u d a n y c h w p rz e m y sło w y c h sy ste m ach ro z p ro szo n y c h czasu rzeczy w istego, w y k o rz y stu jąc y ch p rz e m y sło w e sieci k o m p u tero w e. O p arta je s t o n a n a z ap ro p o n o w anym m o d elu, k tó ry p re c y c z y jn ie o k re śla w szy stk ie z jaw isk a n a p łaszczy ź n ie czasow ej, z achodzące n a sty k u sieć-k o p ro ceso r-a p łik a cja w w ęźle. Je st to o w szem p o d ejście a n ality czn e, ale b e z sto so w an ia ż a d n y c h u p ro szczeń. W y d aje się ró w n ież, że je s t o n a dość u n iw ersaln a, g d y ż n ie o g ra n ic za się do k o n k re tn y c h ro zw iązań firm o w y ch, a o p iera się n a o g ó ln y m o p isie p ro to k o łó w d e te rm in isty cznych. D aje w ięc m o żliw o ści p o ten cjaln em u p ro jek tan to w i z asto so w an ia jej do szero k iej g am y ro zw iązań k o m erc y jn y c h d zięki tem u, że o p isu je ilo ścio w o w szy stk ie z ja w isk a z achodzące w czasie. M e to d a ta n ie o g ra n ic za się je d y n ie do analizy p rz ep ły w u d a n y ch w sieciach, ale w sk azuje in n e ź ró d ła o p ó źn ień, trak tu jąc w ę ze ł sieci ja k o z b ió r trzech, ściśle ze so b ą p o w ią zanych, elem en tó w : - o p ro g ram o w a n ie b ę d ące sy ste m em czasu rzec zy w iste g o re zy d u jące w jed n o stc e cen traln ej ste ro w n ik a sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln eg o (P L C ), - k o p ro c eso r k o m u n ik a c y jn y i p ro c esy w n im zachodzące, - p ro to k ó ł k o m u n ik a c y jn y. W y n ik ie m tej analizy je s t nie ty lk o ilo ścio w e o k reślen ie o p ó źn ień i w y liczen ie m ak sy m a ln y ch c z a só w w y m ian y in fo rm acji w sy stem ie (m eto d a najg o rszeg o p rz y p ad k u - [88]), ale w sk azan ie sp o so b ó w p o lep szen ia p a ram etró w c zaso w y c h całeg o sy stem u. W

26 A. K w iecień lite ratu rze sp o ty k a się o p isy w ie lu m eto d analizy p rz ep ły w u in fo rm acji w sieciach k o m p u te ro w y c h. S ą to m eto d y b ą d ź anality c zn e, o p a rte n a p e w n y c h u p ro szczo n y ch m o d e la c h [38, 39, 74, 4 9, 8, 11, 2 3 ], b ą d ź m eto d y sy m u lacy jn e [151, 49]. N iestety, w y m a g a n ia sy ste m u c z a su rz ec zy w iste g o, w k tó ry c h czas je s t p a ram etre m k ry ty cz n y m, nie p o z w a la ją p o słu g iw a ć się m eto d a m i p rz y b liż o n y m i, w o k re ślan iu p a ram etró w cza so w y c h p rz e m y sło w e g o sy ste m u ro z p ro szo n e g o. O w szem, n a w stę p n y m e tapie p ro jek to w a n ia sy ste m u, szczeg ó ln ie w te d y g d y je s t o n b ard zo ro z b u d o w an y p o d w z g lęd e m zaró w n o liczby w ę z łó w, j a k i ilo ści p rz esy ła n ej i liczonej w b ita c h in fo rm acji, m o żn a je w y k o rz y stać, ale je d y n ie w c e lu o k re śle n ia p e w n y c h w a ru n k ó w b rz eg o w y c h, d o ty c z ą c y c h c zasó w realizacji tra n sfe ru d a n y ch. W k o ń c o w ej fazie p ro je k to w a n ia i ta k trzeba p o słu ż y ć się m eto d am i b ard ziej d o k ła d n y m i, b o w ie m o b ie w sp o m n ia n e g ru p y m eto d p rz y b liż o n y c h nie o d p o w ia d ają p re c y z y jn ie n a p y ta n ie, czy sieć, a tak że cały sy ste m stero w an ia, s ą w stan ie o b słu żyć z ja w isk a z w iązan e c h o ćb y z ta k z w a n ą la w in ą z d arz eń o b iek to w y ch. I n ie ch o d zi tu o o d p o w ie d ź o b a rc z o n ą p e w n y m b łęd e m, p rzy p e w n y m p o z io m ie u fn o ści, lecz o a b so lu tn ą g w a ran c ję re aliz a cji o b słu g i i arch iw izacji zd arz eń w n iep rz ek ra czaln y m, z ad a n y m p rzed ziale czasu. W tra k c ie re aliz a cji n in iejszej p ra c y n ie sp o tk a n o (co n ie z n aczy, że n ie istn ieją) p o z y c ji lite ra tu ro w y c h tra k tu ją c y c h p ro b le m d e te rm in izm u cza so w e g o i p ro jek to w a n ia p rz e m y sło w y c h sy ste m ó w ro z p ro szo n y c h c z a su rz eczy w iste g o w p re zen to w an y m ujęciu. P ro je k ta n t w sp ó łc z e sn y c h ro z p ro szo n y c h, k o m p u te ro w y c h sy ste m ó w ste ro w an ia m usi b o w ie m z n aleź ć o d p o w ie d ź n a p y ta n ie, ja k p o g o d z ić w y m a g a n ia p ro c e su tec h n o lo g ic zn e g o, a k tu a ln e m o żliw o śc i sp rz ętu i o p ro g ra m o w a n ia o ra z o g ra n ic zo n e śro d k i fin an so w e, aby stw o rz y ć n iez aw o d n ą, e fe k ty w n ą i rek o n fig u ro w a ln ą, k o m p u te ro w ą sieć p rzem y sło w ą. N in ie jsz a p ra c a p o św ię c o n a je s t z ag a d n ie n io m z w iązan y m z a n a liz ą p rz e p ły w u d an y ch w p rz e m y sło w y c h sy ste m a c h ro z p ro szo n y c h, w y k o rz y stu ją c y c h p rz em y sło w e sieci k o m p u te ro w e i p o w in n a, c h o ć w częśc i, u łatw ić o d p o w ie d ź n a to p y tan ie. Jest to ty m isto tn ie jsze, że n ieste ty z asto so w an ie sy ste m ó w in fo rm a ty c z n y c h w p rz e m y śle d o stero w an ia i re g u la c ji n ie p o z w a la p o p a ść p ro je k ta n to m w ru ty n ę, g d y ż to p rzed e w szy stk im rodzaj A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 27 sfo rm a lizo w ać i p rz y g o to w a ć do n a le ży te g o testo w an ia [156, 157]. T esto w an ie sy stem u nie m o że n a to m iast m ie ć m ie jsc a n a o b iek cie p rz em y sło w y m, g d y ż, z p ra k ty c zn e g o p u n k tu w id zen ia, je s t to n ierealn e. T y m b ardziej należy p rz y w iąz y w a ć d u że znaczenie do analizy p rz e p ły w u in fo rm a cji w sy ste m ie n a e tapie je g o p ro jek to w ania. N a le ż y p o d k reślić p o n adto, co b y ło ju ż p o ru sz an e w p o d ro z d ziale 1.1., że p ro p o n o w a n a m eto d a p o z w ala stw o rzyć n arzędzie in fo rm a ty czne, w sp o m a g a ją ce zaró w n o p ro ces p ro jek to w ania, ja k i ró w n ież u ru c h a m ia n ia sy ste m u n a o b iek c ie p rz em y sło w y m. p ro c e su te c h n o lo g ic z n e g o n a rz u c a sp o só b tw o rz e n ia o p ro g ram o w a n ia re zy d u jącego w w ę zła ch sy ste m u. S ło w o n ie ste ty o z n acza m niej w ięcej ty le, że n ie m a d w ó ch abso lu tn ie id en ty c z n y c h p ro c e só w te c h n o lo g ic z n y c h i n ie d a się stw o rz y ć an i id en ty c zn e g o o p ro g ram o w a n ia ste ru ją ce g o p ro c ese m, an i id en ty c zn e g o o p ro g ram o w a n ia stacji o p erato rsk iej, ani w re sz cie id e n ty c z n e g o o p ro g ra m o w a n ia k o m u n ik a c y jn e g o ste ru ją ce g o p rz ep ły w e m in fo rm a cji. Z a k a ż d y m ra zem p ro c es tw o rz e n ia sy ste m u m u si ro zpocząć się je g o a n a liz ą czaso w ą. N ie m o żn a z atem stw o rz y ć sz ty w n y c h m eto d p ro jek to w a n ia, k tó re m ia ły b y z asto so w an ia w k a ż d y m p rz y p ad k u. M o ż n a je d y n ie zb u d o w ać o g ó ln y m o d el w ęzła sy stem u ; p rz ed sta w ić i starać się o p isa ć w sp o só b fo rm aln y w szy stk ie z ja w isk a w n im z achodzące, a szczególn ie te n a sty k u a p lik a c ja -k o p ro c e so r-p ro to k ó ł k o m u n ik a c y jn y, tak aby p ro c es p ro jek to w an ia

A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 29 SK : Sieć komputerowa JZ : Jednostka zarządzająca 3. ROZPROSZONY SYSTEM STEROWANIA Jak w sp o m n ia n o n a w stę p ie, z aistn iała k o n ieczn o ść sto so w an ia sy ste m ó w ro zp ro szo n y ch. Z arządzanie S K : Stacja kontrolna SK N: Stacja kontrolnonadzorcza Interfejs użytkownika W ro z d ziale 2 o k re ślo n o p o jęcie sy ste m ro z p ro szo n y. P rzy p o m n ijm y je d y n ie, że g d y b y p o d zielić, z p u n k tu w id z en ia technolo g ii, cały p ro ces, k tó ry m a b y ć stero w an y o raz m o n ito ro w a n y, n a p o d p ro c esy, k tó re m o żn a trak to w ać w d u żym zak resie a u to n o m icznie, i p rz y d zielić d la k a żd e g o z n ich a u to n o m iczny stero w n ik sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln y o ra z g d y b y ó w p o d ział lo g iczny p o k ry w a ł się z p o d ziałem tery to rialn y m o b iek tu, to u z y sk a lib y śm y k lasy cz n y sy ste m ro zpro szo n y. N a rys. 5 p rz edstaw io n o h ie ra rc h ic z n ą stru k tu rę d u żego, w sp ó łczesn eg o sy ste m u in fo rm a ty cz n eg o, zarząd zającego p ro c ese m technolo g iczn y m. W y ró żn io n o n a n im k ilk a w arstw. O d w arstw y a u to m aty zacji p ro c e su p rz e z sieci k o m u n ik acyjn e i in terfejs u ż y tk o w n ik a po w arstw ę zarząd zan ia p ro d u k cją. W arstw a auto m a ty z ac ji p ro c esu sk u p ia w so b ie ró żneg o ro d zaju sp rzęt in fo rm a ty cz n y, k tó reg o c elem je s t zb ieran ie in fo rm acji o p ro c esie i b ezp o średnie nim stero w an ie. S to so w an y w tej w a rstw ie sp rzęt to [3]: - m ik ro k o m p u tery, - ste ro w n ik i sw o b o d n ie p ro g ram o w aln e, - u rz ąd z en ia zdalnej tran sm isji (w ty m ró w n ie ż ty p u sm a rt-a ctu a to rs i sm artsenso rs ), - w ie lo fu n k c y jn e k o n tro lery o ra z lo k aln e sta cje ro b ocze. C h a rak ter p ro c esu tec h n o lo g ic zn e g o w y m u sz a n ie ty lk o ty p sp rzętu, k tó ry będ zie w y k o rz y stan y, ale ró w n ie ż ro d zaje sieci k o m u n ik a c y jn y c h, co ró w n ie ż ilu stru je ry s. 5. T u b o w ie m sk u p ia się z d e c y d o w a n a w ię k sz o ść p ro b lem ó w zw iązan y ch z zap e w n ien ie m g w a ran to w a n e g o c zasu d o stęp u do m ed iu m tran sm isy jn e g o d la k ażd ego u c zestn ik a p ro c esu k o m u n ik a c y jn e g o. T a w łaśn ie w arstw a, z p u n k tu w id zen ia tem aty k i nin iejszej p ra cy, je s t najbardziej in teresująca. Rys. 5. Hierarchiczna struktura system u zdecentralizowanego Fig. 5. The structure o f hierarchical distributed system LAN: Sieć lokalna SLN : Podsieć lokalna S R : Sieć rozległa U L : Urządzenie łączące Micro-Z: Zdalne we./wy. Sieci kom unikacyjne LSR : Lokalna stacja robocza PLC: Sterownik swobodnie programowalny M K : Mikrokomputer Ex : Urządzenia rozszerzeń KW F: Kontroler wielofunkcyjny RI/O : Zdalne wejścia, wyjścia Automatyzacja procesu N a ry s. 6 p rz ed sta w io n o istn ie ją c ą i z realiz o w a n ą p rzy w sp ó łu d ziale a u to ra (w zakresie analizy i o p ro g ram o w a n ia k o m u n ik a c ji p o m iędzy ab o n en tam i sieci) in stalację stero w an ia i w iz u aliza cji p ra cy stacji p rz y g o to w an ia i d e m in eralizacji w o d y n a p o trzeby E lektro w n i T R E B O V IC E w C z echach [145]. Je st to sy ste m ro z le g ły, w sk ład k tó reg o w ch o d zi p ięć stacji o b iek to w y c h (siedem ste ro w n ik ó w p rz e m y sło w y c h ) o ra z d w ie stacje w izu alizacy jn e (stacja in ży n iersk a i stacja o p e rato rsk a z sy ste m am i w iz u aliza cy jn y m i P 1 2 0 0 ). W szystk ie stacje ab o n en ckie zostały p o łąc zo n e s ie c ią N IO (p ro to k ó ł T O K E N -B U S ), której d łu g o ść p rz ek ro c zy ła 1 2 0 0 m. K ażd y z p ro c e só w m a tu w łasn y p o d sy ste m stero w an ia, zrealizow any z zasto so w an iem sw o b o d n ie p ro g ra m o w a ln e g o ste ro w n ik a lu b stero w n ik ó w, k tó ry je s t jed n o c ześn ie ab o n en tem sieci k o m p u te ro w e j. W zak re sie p o d sy ste m u realizow any je s t alg o ry tm sterow ania. P o d sy stem ta k i je s t d a leko sa m o w y sta rczaln y, je ś li ch o d zi o dane n iezbęd n e do realizacji

30 A. K w iecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 31 a lg o ry tm u, ale ż ąd a ró w n ie ż p e w n y c h d a n y ch, k tó re p o w s ta ją p o z a n im (n a p rz y k ła d p o m iary a n alo g o w e w ie lk o ści fiz y k a ln y c h ). In n y m p ro b lem em b y ło tu u ru c h am ia n ie p ro c e só w ste ro w a n ia lu b p o d p ro g ra m ó w ste ro w a n ia se k w e n cy jn e g o o ra z w iz u alizacja z d arz eń zachodząc y c h n a o b iek c ie. Z re a liz o w a n o te fu n k c je d zięki z asto so w an iu stacji o p e rato rsk ich i in ż y n iersk ic h, sk ą d p rz e sy ła n e s ą ro zkazy ste ro w an ia d la k a żd e g o z p o d o b iek tó w. O czy w iście d zięki n im m o żn a m o n ito ro w a ć cały p ro c es technolo g ic zn y. B e z w z g lę d u z atem n a sto p ień a u to n o m icznośc i p o d sy ste m ó w istn ie je k o n ieczn o ść ich p o łą c z e n ia z a p o m o c ą sy ste m u k o m u n ik a c y jn e g o. R e alizu je się to n ajczęściej p rz ez w y p o sażen ie ste ro w n ik a o b iek to w e g o w auto n o m icz n y k o p ro c eso r k o m u n ik a c y jn y, k tó reg o celem je s t re a liz a c ja ż ą d a ń tran sm isji, p o c h o d z ą c y c h o d m ac ierz y stej je d n o stk i c en traln ej, ja k ró w n ie ż re aliz a cja ż ąd a ń tra n sm isji z d aln y ch, k tó ry c h ź ró d łem s ą in n e stacje o b iek to w e, b io rące udzia ł w p ro c e sie w y m ia n y in fo rm acji. S y ste m o b słu g u je p o n a d 4 0 0 0 w e jść / w y jść b in a rn y c h o ra z k ilk a se t p o m ia ró w a n a lo g o w y c h w ra z z p ro g ram o w y m i re g u la to ra m i PID. P rzy ta k dużej lic z b ie d a n y c h (p o n a d 2 0 0 o b ra zó w g ra fic zn y c h w iz u alizu jąc y ch m iędzy in n y m i 4 0 0 0 sta n ó w b in a rn y c h o b ie k tu i k ilk a se t w arto ści a n alo g o w y c h ) i ż ąd a n ia c h c zęsty ch w y m ia n in fo rm a cji, sy ste m k o m u n ik a c y jn y stał się n iew y d o ln y. I ta w łaśn ie a p lik a cja o raz w y stę p u jąc e w niej p ro b lem y zw iązan e z p ro c ese m k o m u n ik a c y jn y m sk ło n iły do szerszego zajęc ia się p ro b le m a ty k ą an alizy p rz e p ły w u in fo rm a cji w p rz e m y sło w y c h sie ciach k o m p u te ro w y c h. B e z p rz e p ro w a d z e n ia b a rd zo w n ik liw ej analizy p ra cy sieci n ie b y ło b y m o żliw e u ru c h o m ien ie a u to m a ty c z n e g o p ro c e su ste ro w an ia sta c ją p rz y g o to w a n ia w o d y d la elektrow ni. N a rys. 7 n a to m iast, d la p o ró w n a n ia i za z g o d ą firm y C E G E L E C, p rz ed sta w io n o stru k tu rę sy ste m u ste ro w an ia b lo k ie m e n e rg e ty c z n y m o m o cy 2 0 0 M W. I tu m o ż n a w y o d rę b n ić w a rstw ę a u to m a ty z a c ji z z asto so w an y m i sie ciam i o z d eterm in o w a n y m w czasie d o stę p ie do łąc za (se g m en ty sz y b k ic h sieci F IP p o łąc zo n e z lo k a ln ą s ie c ią o d o stęp ie T O K E N - B U S ) o ra z w a rstw ę sie ci k o m u n ik a c y jn y c h, g d z ie d e te rm in izm n ie je s t w y m a g an y (sieć E T H E R N E T ). N a ty m ry su n k u elem en ty C IS 30 o z n a c z a ją u rz ąd z en ia p o śre d n icz ąc e p o m ię d z y d w ie m a częśc ia m i sy ste m u k o m u n ik a c y jn e g o (in te g rac ja sieci): s ie c ią o z d eterm in o w a n y m d o stę p ie (S Y C O W A Y F 9 0 0 D U A L ) i sie c ią E T H E R N E T. U rz ąd z e n ia C 3 7 0 s ą k o n c en trato ra m i d a n y c h (s ą to stero w n ik i P L C ), k tó re u m o ż liw ia ją in tegrację lo k aln y c h sieci F IP z w e w n ę trz n ą s ie c ią o b iek to w ą. Rys. 6. Schemat układu sterowania instalacją demineraiizacji wody w Elektrowni Trzebovice Czechy Fig. 6. The structure of control system for water treatment station in Power Plant Trzebovice - Czech Republic

Analiza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych 33 Warstwy OSI Abonenci Stacje nadzorcze i sterowniki swobodnie program owalne 7, 6, 5, 4, 3 APLIKACJI PREZENTACJI SESJI TRANSPORTOWA SIECI JEDNOSTKA CENTRALNA (JC) ' r Rys. 7. Rozproszony system sterowania blokiem energetycznym 2 x 200M W Fig. 7. The distributed control system of power units 2 x 200M W ET ŁĄCZENIA FIZYCZNA WYKORZYSTYWANE MEDIUM 2 przewody lub 4 przewody Zc = 600 [ 2]------------------ podwójna lub potrójna skrętka Zc = 120 [G] kabel koncentryczny Zc = 50 [ 2] R35 R37 R38a R38b MEDIUM MODEM FSK V2I V23 MODUŁ SIECIOWY LUB PROCESOR KOMUNIKACYJNY VII MODEM BB RS422 RS485 RS485 TRANSLATOR SYGNAŁU 20mA pętla prądowa V24-V28 RS232C FSK BB BB (od 50 do 1200 bps) (od 4800 do 19200 bps) (od 50 do 400 bps) (10Mbps) N X TRANSMISJA ZA POMOCĄ MEDIUM kabel światłowodowy Rys. 8. W arstwowa budowa sieci przem ysłowych Fig. 8. The layers o f industrial networks T a k w ięc, ja k w id ać, w ste ro w an iu i zarząd zan iu p ro cesam i tec h n o lo g ic zn y m i sto su je się ró żneg o ro d z aju sieci k o m p u tero w e. P o w staje p y tan ie, czy sieci te re sp e k tu ją w arstw o w y m o d el sieci O S I/IS O. O d p o w ie d ź je s t p o z y ty w n a, co ilu stru je ry s. 8 [3].

34 A. K w iecień A naliza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych W arstw y : fiz y c z n a i łą c z e n ia s ą re aliz o w a n e p rz e z k o p ro c eso ry lu b sp ecjalizow ane m o d u ły k o m u n ik a c y jn e. N a to m ia st p o z o sta łe w a rstw y s ą re aliz o w a n e p rz ez jed n o stk i cen traln e, w sp ó łp ra c u ją c e z k o p ro c eso ra m i sieci. R ealizacja w y ż sz y c h w a rstw o d b y w a się zazw y c zaj n a d ro d z e p ro g ram o w e j. Z a sto so w a n ie sy ste m u ro z p ro szo n e g o p rz y n o si w iele k o rzy ści. P ie rw sz a z n ich to re d u k c ja liczby p o łą c z e ń k a b lo w y c h o ra z ich g lo b aln ej d łu g o ści. D zięk i tem u cały sy stem je s t b ard ziej n ie z a w o d n y. D e c e n tra liz a c ja z ad a ń ró w n ie ż c zy n i sy ste m bard ziej n iez aw o d n y m. P o d p ro c e sy m o g ą re aliz o w a ć au to n o m iczn e a lg o ry tm y nie ty lk o stero w an ia, ale ró w n ie ż z ab e zp ie czeń, b lo k ad itp. Is to tn ą z a le tą je s t ró w n ie ż u p ro szczen ie i p rz y sp ieszenie p ro c e su tw o rz e n ia o p ro g ra m o w a n ia ap lik a cy jn eg o. P ro g ra m y d la p o sz c zeg ó ln y c h stacji o b ie k to w y c h s ą k ró tsz e, sz y b c ie j się realiz u ją, a p rz e z to s ą źró d łe m m n iejszej liczby b łęd ó w, co w k o n se k w e n cji p rz y sp ie sza p ro c e s u ru c h a m ia n ia o p ro g ram o w a n ia i p o w o d u je ró w n ie ż w z ro st n ie z a w o d n o śc i c a łe g o sy ste m u. A le sy ste m ro zp ro szo n y w y m a g a stw o rz en ia sp ra w n e g o sy ste m u k o m u n ik a c y jn e g o, k tó reg o z ad a n ie m je st: - w y m ia n a d a n y c h p o m ię d z y p o d p ro c esa m i, - w y m ia n a d a n y c h n ie z b ę d n y c h d o w iz u aliza cji sta n u p ro c e su (n adzó r), - w y m ia n a i b e zp ieczeń stw o tra n sm isji d a n y c h o ch ara k te rze ro z k az ó w w y d a w a n y c h z d alnie, - a rch iw iza c ja, a la rm o w an ie i m o n ito ro w a n ie c ałeg o p ro cesu. T a k p o sta w io n e z ad a n ia, p rz e d sy ste m em tran sm isji, w ro z p ro szo n y m sy stem ie ste ro w a n ia w y m a g a ją sie ci k o m p u te ro w y c h o o k re ślo n y c h c echach o ra z ze w z g lęd u n a z n a c z n ą liczb ę tra n s m ito w a n y c h d a n y c h p o trz e b u ją ró w n ie ż p rz ep ro w a d z en ia an alizy czaso w ej c y k lu ich w y m ia n y. A b y d o k o n a ć tak iej a n alizy, n a le ży zad ać p y tan ie, k tó re z e le m en tó w sp rzęto w y ch b ą d ź p ro g ra m o w y c h w n o s z ą o p ó ź n ie n ia do p ro c e su k o m u n ik a c ji i ja k n a le ży j e u w zg lęd n iać. I stn ie ją trzy p o d sta w o w e ź ró d ła ty c h o p ó ź n ie ń, d o k tó ry c h n a le ży z aliczyć (ry s. 9): ste ro w n ik sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln y w ra z z re aliz o w a n y m p rz e z n ieg o p ro g ram em (ap lik acja), k o p ro c e so r sieci, p ro to k ó ł tran sm isji. Rys. 9. M odel węzła sieci Fig. 9. The m odel o f netw ork s node APLIKACJA: SYSTEM OPERACYJNY CZASU RZECZYWISTEGO KOPROCESOR- SZYBKA WYMIANA DANYCH- JC- SIEĆ PROTOKÓŁ- ZDETERMINOWANY DOSTĘP DO MEDIUM Ź ró d ła te sta n o w ią, w m y śl in fo rm a cji z aw a rty ch w ro zdziale 2, p o d sta w o w e elem en ty m o d e lu w ęzła sy ste m u ro z p ro szo n e g o c zasu rzeczy w istego. I w takiej w łaśn ie k o lejn o ści z o stan ą p o d d ane a n alizie czaso w ej. 3.1. Sterownik swobodnie programowalny jako podstawowy element układu sterowania Jak d o tąd, n ajb ard ziej p o w sze ch n y m u rz ąd z en ie m p ro g ram o w a ln y m, sto so w an y m w p ro c esa c h ste ro w an ia i re g u la cji frag m e n tó w lu b c ały ch p ro c esó w p rz em y sło w y c h, je s t sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln y ste ro w n ik p rz em y sło w y (P L C ). Z e w zg lęd u na rodzaj o p ro g ram o w a n ia, ja k i re aliz o w a n e fu n k cje (a u to m atu sekw ency jn ego lu b k o m b in acyjn ego stero w an ia) je s t ró w n ie ż n a zy w a n y auto m atem. T o o k reślen ie b ęd zie się w ielo k ro tn ie p o jaw ia ło w n in iejszej p racy zam ien n ie z P L C, ale zaw sze d o ty czyć b ęd zie sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln eg o, lo g ic z n eg o stero w n ik a p rzem y sło w ego. P rz e d m io tem n in ie jsz eg o ro z d ziału n ie je s t stero w n ik ja k o tak i, ale je g o try b p racy. T ry b p racy b o w ie m m a zasad n icz y w p ły w n a czas p rzetw arzania i d o stępność in fo rm acji, które m a ją b y ć p rz ed m io te m tra n sfe ru do sy ste m u ro zpro szo n ego. R ealizacja p ro g ram u w czasie rz e c z y w isty m w y m a g a, aby ó w p ro g ram b y ł w y k o n y w an y cy k liczn ie. C zas trw a n ia cyklu realizacji p ro g ra m u je s t w a żn y m czy n n ik iem, k tó ry n ależy o m ó w ić. C y k lic z n ą p racę ste ro w n ik a p rz e d sta w ia rys. 10. PLC I APLIKACJA KOPROCESOR PROTOKÓŁ... y I

36 A. K w iecień Analiza przepływ u inform acji w kom puterow ych sieciach przem ysłow ych T E S T Z A SIL A N IA 1 TIiS T PAN1IĘCI T E ST KONFIG URACJI I Z A SIL A N IA M O D U ŁÓ W 1 T y AK W IZY C JA I I I I W EJŚĆ T 1 ' " i PR O G RAM 1 UŻYTKOW Y ^ ' O B SŁ U G A KOPR O C ESO R Ó W 1 a k t u a l i z a c j a! W YJŚĆ T A P Rys. 10. Podstaw ow y cykl'pracy sterow nika jednoprocesorow ego Fig. 10. The w ork cycle o f single processor PLC N a ry s. 10 p rz ed sta w io n o p o d sta w o w e czy n n o ści re aliz o w a n e w je d n y m c y k lu p racy. K a ż d a z n ic h w n o si sw ój u d z ia ł c zaso w y w całk o w ity czas trw a n ia cyklu. W ielk o ści: To - czas te s tu k o n fig u ra c ji i n a p ię ć zasilają cy c h, T i - c zas a k w iz y c ji w e jść - p rz ep isa n ie fiz y c z n y c h sta n ó w w e jść do p a m ięci, T 2 - c zas a k ty w iz a c ji w y jś ć - p rz e p isa n ie zaw a rto śc i p a m ię c i ste ro w n ik a n a fizy c zn e w y jśc ia, s ą sta łe d la d anej k o n fig u ra c ji i ła tw o m ierzaln e. N a to m ia st c z a s TAp d o ty czy realizacji p ro g ra m u u ż y tk o w n ik a (a p lik acja) i je s t z m ienny, a je g o p re cy z y jn e z m ie rz e n ie n ie je s t łatw e. N ie c o in ac ze j w y g lą d a p ro b le m o b słu g i k o p ro ceso ró w. Z ależy o n p rz ed e w szy stk im o d ic h lic z b y i ro d z aju. In aczej n a c y k l a u to m a tu w p ły w a o b słu g a k o p ro c e so ra sieci, a inaczej n a p rz y k ła d o b słu g a k o p ro c e so ra d o o b lic z eń n u m ery c zn y c h, je ś li tak o w y został z ain stalo w a n y. T a k czy inaczej czas p o jed y n c zeg o c y k lu a u to m a tu je s t su m ą p ięciu w ielk o ści: TA= T, + T, + T + TK+ T2 i n ie je s t stały. T k T 2 Istn ie ją m echan iz m y p o z w ala ją c e n a p o m ia r k ażd ego c y k lu au to m a tu (p ro g ram u realizow anego w stero w n ik u ). M o ż n a p o n adto, w n iek tó ry ch ro zw iązan iach, zad eklaro w ać czas trw a n ia c y k lu, a k ażd e je g o p rzek ro czenie b ęd zie sy g n alizow ane. P o zw o li to n a etapie testo w an ia n a o sz a co w a n ie m aksy m aln ej je g o w ielk o ści. N ajw ięk szy w p ły w n a w ielk o ść T\ m a w ielk o ść 7> d o ty c z ą c a c z a su realizacji p ro g ram u a p lik acy jn eg o. Je st to o czy w iste, ale bard zo w a żn e, g d y ż j a k się p ó źniej o k aże, b ę d zie to e lem en t, k tó reg o m o d y fik a cja lu b o p ty m alizacja b ę d zie źró d łe m zw ięk sze n ia sp raw n o ści sy ste m u k o m u n ik acyjn ego. Jak w y n ik a z rys. 10, o b słu g a k o p ro c eso ra sieci je s t e lem en tem cyklu. K o p ro ceso r sieci bow iem m a d o stęp do p a m ię ci ste ro w n ik a ty lk o ra z n a je d e n cy k l je g o p ra cy (n a o k res czasu 7*). P am ięć ste ro w n ik a je s t d la k o p ro c eso ra źró d łe m in fo rm acji, k tó re m a ją b y ć tran sm ito w an e, ale je s t ró w n ie ż m ie jsc em p rz ezn aczen ia d la in fo rm acji o d e b ran y c h z sieci k o m p u tero w ej. Tak więc długość cyklu automatu (sterownika) wpływa bezpośrednio na sprawność wymiany informacji pomiędzy sterownikiem a koprocesorem sieci, a w konsekwencji wpływa na czas wymiany informacji w całej sieci. 3.2. Koprocesor sieci S te ro w n ik sw o b o d n ie p ro g ram o w a ln y b ęd ący e le m en tem sy ste m u ro zpro szo n ego (ab o n en tem sie ci) z w y k le w y p o saż o n y je s t w k o p ro c eso r sieci. K o p ro ceso r je s t n iezależn y od m acierzystej je d n o stk i centralnej w sen sie realizacji w y m iany inform acji p rzez sieć. N a rys. 11 p rz ed sta w io n o o g ó ln y, u p ro sz cz o n y schem at lo g iczny kopro ceso ra. Z ad a n ie m k o p ro c e so ra jest: - n a p o d sta w ie tre ści ro z k az ó w o trz y m y w a n y c h z m acierzystej jed n o stk i centralnej (B u fo r w y m ian y sta tu su - D e k o d er adresu ) sk o p io w ać żąd ane o b szary p am ięci (B ufory n a d aw cze), u tw o rz y ć d ane w p o staci tak z w an y ch ram ek transm isy jn y ch i w o d p o w ie d n im m o m e n c ie j e w y tra n sm ito w a ć z a p o m o c ą n a d ajn ik a (U A R T ), - p rz y ją ć in fo rm a cje d o c ie rają ce siecią, zd ek o d o w ać ich p rzeznaczenie, ew en tu aln ie p rz ep isa ć do B u fo ra o d b io rcz eg o i w o d p o w ied n im m o m encie p rzep isać do p am ięci m acierzystej je d n o s tk i cen traln ej. O b ie g ru p y c z y n n o ści, k tó re m a w y k o n a ć k o p ro ceso r, s ą zazw y czaj realizow ane n iezależn ie. O z n acza to, że m acierz y sta je d n o s tk a c entraln a nie w y sy ła ro z k az ó w tran sm isji w sp o só b z sy n c h ro n iz o w a n y z p ra c ą sieci. T o sam o d o ty czy p ro c esu odbio ru. N ie zale ż n o ść p racy k o p ro c eso ra je s t źró d łe m p o w sta w a n ia z n aczn y ch o b ciążeń sieci. S p ró b u jm y p rz eśle d zić z ja w isk a zachodzące n a sty k u kopro ce so r - je d n o stk a cen traln a.