Auomayka rozproszona Wojciech Grega AGH Akademia Górniczo-Hunicza, Wydział EAIiE, Kaedra Auomayki Sreszczenie: Współczesne sysemy serowania rzadko są projekowane jako układy auonomiczne. Zazwyczaj są one połączone przewodowymi lub bezprzewodowymi kanałami ransmisji danych, wymieniając dane z innymi urządzeniami auomayki i worząc sysemy serowania rozproszonego. Od srony eoreycznej modele rozproszonych układów mogą mieć złożoną dynamikę, co jes związane z opóźnieniami ransmisji danych lub nawe uraą części danych. Zagadnienia e sały się przedmioem zaineresowania badaczy oraz prakyków z przemysłu, worząc nową, inerdyscyplinarną dziedzinę auomayki. W pracy omówiono projeky badawcze i dydakyczne doyczące akich rozwiązań, realizowane w Kaedrze Auomayki AGH w Krakowie. Przedsawiono przykład odpornego algorymu serowania rozproszonego, wykorzysującego bufory dla kompensacji opóźnień wnoszonych przez rozproszoną konfigurację. Słowa kluczowe: serowanie rozproszone, układy odporne, sabilność, prookoły ransmisji, czas rzeczywisy 1. Wsęp Przemysłowe układy serowania i moniorowania rzadko wysępują jako samodzielne jednoski serujące. Zazwyczaj są one połączone przewodowymi lub bezprzewodowymi kanałami ransmisji danych, wymieniając w czasie rzeczywisym dane z innymi urządzeniami auomayki i sysemami zarządzania, worząc układy serowania rozproszonego, nazywane czasem auomayką rozproszoną. Zasosowanie nowoczesnych echnologii eleinformaycznych umożliwia wydajne przesyłanie informacji o pracy urządzeń auomayki nie ylko w skali pojedynczych obieków czy grup obieków, ale w skali firmy, miasa, lub zgoła w skali całego globu. Pojawiły się nowe pojęcia, jak elemonioring, eleserowanie i e-przedsiębiorswo. Odzwierciedlają one endencje do inegracji rozproszonych eryorialnie i różnych funkcjonalnie sysemów auomayki, zarządzania i planowania produkcji w jeden spójny sysem, o swobodnym przepływie informacji między jego poszczególnymi komponenami [1, 2]. Układy rozproszone są szczególnie predysponowane dla obieków o dużym rozłożeniu eryorialnym, akich jak np. sysemy dysrybucji energii elekrycznej i cieplnej [3]. Rozwiązania auomayki rozproszonej charakeryzują się licznymi zaleami, z kórych najważniejsze o: redukcja błędów przewarzania sygnałów pomiarowych, dzięki przekszałceniu ich na wysoce odporną na zakłócenia posać cyfrową w pobliżu miejsca pomiaru, podniesiona niezawodność wynikająca z podziału funkcji na wiele lokalnych, niezależnych węzłów, niezawodność i bezpieczeńswo przesyłu informacji, uzyskane przez sosowanie specjalnych meod ransmisji cyfrowej, z mechanizmami kodowania i konroli inegralności danych, uławiona obsługa sysemu, usuwanie awarii oraz ławe worzenie konfiguracji nadmiarowych, skalowalność sysemu oraz możliwość elasycznego kszałowania funkcji sysemu, np. przez wykorzysanie wielofunkcyjnych urządzeń pomiarowych, możliwość inegracji z innymi sysemami informaycznymi, w ym z nadrzędnymi sysemami przeznaczonymi do celów zarządzania. Rozproszone sysemy auomayki rozpowszechniły się akże dzięki masowemu rozwojowi echnologii sysemów wbudowanych (ang. embedded), wyposażonych w inerfejsy komunikacyjne. Przykładowo [4], elekronika pokładowa samochodu osobowego Volkswagen Phaeon jes wspierana przez 61 sysemów wbudowanych, z kórych 35 jes połączonych w 3 sieci sandardu CAN, wymieniając w czasie rzeczywisym około 25 sygnałów i komunikaów. W auomayce przemysłowej kluczowymi elemenami, z kórych konfiguruje się rozproszone układy serowania (rys. 1) są [5]: węzły pomiarowo-serujące wyposażone w lokalną ineligencję, kanały ransmisji danych wspierające poziomy i pionowy (w przyjęej srukurze układu serowania) przepływ danych, sysemy moniorowania SCADA, nadrzędne sysemy serowania. Magisrala przesyłająca dane jes isonym składnikiem sysemu rozproszonego, a częso nawe składnikiem kryycznym, gdyż jej niekorzysne właściwości mogą decydować o sabilności układu serowania. Sąd konieczność dokładnej analizy i modelowania właściwości dynamicznych ego komponenu układu serowania. Wpływ ransmisji danych SCADA PLC inrane magisrala procesowa M proces magisrala urządzeń magisrala czujników Rys. 1. Hierachiczna konfiguracja przemysłowego układu serowania Fig. 1. Mulilevel srucure of an indusrial conrol sysem 48 Pomiary auomayka Roboyka 12/211
na dynamikę rozproszonego układu serowania jes isonie związany z prookołami ransmisji sosowanymi w danej sieci elekomunikacyjnej, a w szczególności z wykorzysanym am zw. modelem dosępu do kanału ransmisji danych. Obecność kanału ransmisji danych w pęli sprzężenia zwronego może być nie ylko źródłem ograniczeń w ilości przesyłanych danych, ale akże może generować opóźnienia lub nawe sać się przyczyną uray danych. Jes o szczególnie isone w sysemach serowania kryycznych czasowo i kryycznych ze względu bezpieczeńswa (ang. safey criical sysems), czyli akich, w kórych niewielkie naruszenia warunków przepływu danych w czasie rzeczywisym skukują obniżeniem jakości serowania, a nawe zagrożeniem bezpieczeńswa całego procesu. Na pewno są nimi wspomniane wcześniej elekroniczne układy serujące w samochodzie. W pracy [4] formułuje się nasępujące wymagania doyczące dopuszczalnych opóźnień dla wspomnianych rozproszonych sysemów serowania w samochodzie osobowym: sysemy awaryjne, sabilizacji oru jazdy i hamowania: 1 ms, napędy: 1 ms, sysemy poprawiające komfor jazdy: 1 1 ms. Obserwuje się dążenie do sandaryzacji przemysłowych prookołów przesyłu danych, zwiększania szybkości ransmisji i uniezależniania się od rodzaju nośnika (sieci bezprzewodowe). Obok specjalizowanych prookołów ransmisji, jak np. ATINC629, SwifNe, SAFEbus (lonicwo), TCN (koleje), CAN, TT-CAN, FlexRay (mooryzacja), sosuje się rozwiązania [6, 7] sandardu Eherne spełniające wymagania czasu rzeczywisego, akie jak EherCAT, Eherne IP, ProfiNe (auomayka przemysłowa), czy IEC 6185 (auomayka sacji energeycznych). Modyfikacje wprowadzane dla porzeb serowania w czasie rzeczywisym do prookołu Eherne określa norma IEC (ang. Inernaional Elecroechnical Commission) IEC 61784-2 Real Time Eherne. Definiuje ona rzy klasy rozwiązań. Klasa 1 o Eherne o słabych cechach czasu rzeczywisego. Opóźnienia mogą dochodzić do 1 ms, przy wysokim sopniu ich niepewności (ang. jier). Klasa 2 o Eherne o opóźnieniach poniżej 1 ms i niskiej losowości opóźnień. Może być wykorzysywany w układach auomayki w czasie rzeczywisym. I wreszcie Klasa 3 o Eherne spełniający najwyższe wymagania układów serowania, np. urządzeniami mecharonicznymi o opóźnieniach poniżej 1 ms i paramerze jier poniżej 1 ms. Ineresujące jes, jakie modyfikacje prookołów są sosowane, aby osiągnąć paramery określonej klasy [8]. I ak, w Klasie 1 jedyne modyfikacje są dokonywane w warswie aplikacji, a prookół Eherne/TCP/ UDP jes sosowany w wersji sandardowej, np. Eherne IP, ModBus/IDA. Uzyskanie paramerów Klasy 2 wymaga modyfikacji warswy MAC przez wprowadzenie prioryeyzacji pakieów i ominięcie warswy TCP/UDP/IP, np. Profi- Ne RT. Wymagania Klasy 3 spełniają prookoły ProfiNe IRT i EherCAT. Zasosowanym rozwiązaniem jes u głębsza ingerencja w prookół Eherne modyfikacja sposobu zarządzania wymianą danych na magisrali oraz specjalne rozwiązania sprzęu sieciowego. Wpływ ransmisji danych na dynamikę rozproszonego układu serowania (rakowany jako pewnego rodzaju komplikacja w srukurze modelu) można idenyfikować, a nasępnie formułować zadania uodpornienia rozproszonego układu auomayki na ego ypu zjawiska i o nie ylko przez modyfikacje prookołów ransmisji, ale akże przez doskonalenie algorymów serowania. To osanie podejście wynika z obserwacji, iż wysępujący przejściowy deficy informacji o sanie procesu, spowodowany niedoskonałościami kanału ransmisji danych, nie dyskwalifikuje rozproszonego sysemu serowania, a ylko obniża jakość serowania. A jakość ę można w znacznym zakresie przywrócić przez właściwy wybór i srojenie algorymu serowania. Algorymiczna kompensacja efeków wnoszonych przez sieć sała się w osanich laach nowym wyzwaniem dla auomayki i eorii serowania. Przykładowo, w maeriałach presiżowej American Conrol Conference 28 w Seale można się było doliczyć prawie 3 publikacji naukowych doykających ej emayki. Tema en jes od ponad 1 la przedmioem badań naukowych i projeków badawczych realizowanych w Kaedrze Auomayki AGH w Krakowie. Wyniki publikowano w monografiach lub w rozdziałach w monografiach [9 11] oraz w ponad pięćdziesięciu publikacjach naukowych. Uzyskano krajowe grany badawcze wspierające realizację ej emayki [12], oraz udział w międzynarodowych projekach [13]. Prowadzone są prace o charakerze aplikacji przemysłowych, wykorzysujące wyniki ych badań [14]. Zrealizowano pracę dokorską [15] oraz liczne prace magiserskie. Wiadomo, że poprawa jakości serowania w sysemie rozproszonym może nasąpić przez [1]: zwiększanie przepusowości kanałów ransmisji danych lub/i ograniczenie przesyłu danych, poprawę deerminizmu prookołu ransmisyjnego, właściwy dobór okresu próbkowania i serowania, algorymiczną kompensację efeków wnoszonych przez sieć. We wspomnianych wcześniej pracach zajęo się dwoma osanimi zagadnieniami, a w zakresie kanałów ransmisji danych ograniczono się do analizy i modelowania ich właściwości. Przyjęo, że podsawowym problemem zamknięego układu serowania rozproszonego jes zachowanie sabilności z odpowiednim zapasem. Kolejnym rozważanym problemem było uzyskanie żądanej jakości serowania, zgodnie ze sformułowanymi kryeriami [8]. W meodach formalnych dla analizy i synezy rozproszonego układu serowania wykorzysuje się zarówno dyskrene, jak i mieszane (hybrydowe) modele procesu i układu serowania. Wybór między modelem z czasem ciągłym a dyskrenym sprowadza się do rozsrzygnięcia, czy efek przesyłania danych pomiarowych i serujących, jako oddzielnych pakieów, ma wpływ na jakość działania układu serowania? Dalsze założenia wsępne zazwyczaj sprowadzają się do odpowiedzi na pyanie, czy opóźnienia generowane przez kanał ransmisji danych należy rakować jako sałe, zmienne w czasie, czy może ylko jako paramery niepewne, czyli szacowane w określonych granicach? Ogólna odpowiedź w ym przypadku jes nasępująca: zależy o w pierwszej kolejności od rodzaju sosowanego prookołu ransmisji, a w dalszej od relacji między dynamiką serowanego procesu a obserwowaną szybkością zmian opóźnień [16]. Na en osani paramer możemy wpływać, np. przez zasosowanie odpowiednich meod buforowania sygnału w pęli sprzężenia zwronego. W pracach prowadzonych w Kaedrze Auomayki wykorzysywano dyskreny model procesu i dyskreny model 12/211 Pomiary auomayka Roboyka 49
ransmisji sygnału pomiarowego i/lub serującego (rozszerzanie przesrzeni sanów [1]), a akże asynchroniczny model sysem dynamicznego [9]. Nawiązywano do rezulaów rozwijanej od la eorii układów z opóźnieniem oraz meod dynamicznych sysemów odpornych [11, 16]. Podsawową właściwość rozproszonych układów serowania sabilność, najczęściej analizowano z wykorzysaniem odpowiednich wersji funkcji Lapunowa. Dla odwarzania uraconych w sieci danych wykorzysywano obserwaory [15], a dla poprawy deerminizmu w rozproszonej pęli sprzężenia zwronego bufory o sałej lub zmiennej długości [17, 11]. Wolnozmienne opóźnienia kompensowano z użyciem odpornego predykaora Smiha [18]. 2. Model układu serowania rozproszonego Podsawowe komponeny worzące przykładową srukurę modelu rozproszonego układu serowania przedsawiono na rys. 2. Jes o klasyczna srukura układu ze sprzężeniem zwronym, zawierająca model obieku serowania reprezenujący proces, dla kórego realizujemy określone zadanie serowania. Czujnik jes akywowany zegarem, kóry odczyuje warości określonych zmiennych procesu, przewarza je w warość cyfrową i przesyła do regulaora, kóry akywowany ym zdarzeniem odbiera akualną warość serowania, wylicza serowanie i przesyła do urządzenia wykonawczego T akuaor τ ca (k) u(k) proces Sieć serownik τ c y() T czujnik τ sc (k) Rys. 2. Podsawowy model rozproszonego układu serowania Fig. 2. Basic model of disribued conrol sysem (akuaora). Ten przewarza orzymane dane cyfrowe na odpowiadające im warości analogowe, akualizuje serowanie procesu i podrzymuje je do czasu uzyskania kolejnego serowania. Poszczególne komponeny mogą być modelowane równaniami z czasem ciągłym, dyskrenym lub mieszanymi (hybrydowymi). Odpowiednie sygnały są oznaczone na rys. 2 jako funkcje (czas ciągły) lub k (czas dyskreny). Kanał ransmisji danych ( sieć na rys. 2) jes nowym i zazwyczaj komplikującym składnikiem ej srukury. Może ona wprowadzać opóźnienia ( ca, cs rys. 2), kóre mogą być klasyfikowane jako zdeerminowane, losowe lub niepewne. Charaker opóźnień ransmisji sygnału zależy od rodzaju wykorzysywanej sieci ransmisji danych, a w szczególności od sosowanej w ej sieci meody konroli dosępu do medium komunikacyjnego [9]. W szczególności, sieci ypu oken-bus, oken-ring, czy inne sieci przemysłowe o cyklicznej wymianie danych (np. sandard WorldFIP) są klasyfikowane jako sieci deerminisyczne, czyli o opóźnieniu sałym. Rys. 3 [8] przedsawia przykładową charakerysykę losowych opóźnień wnoszonych przez bezprzewodową sieć ransmisji danych. Przy ransmisji danych możliwe są dodakowe komplikacje, jak np. uraa pakieów, co można inerpreować jako okresowe przejście ze serowania w układzie zamknięym do serowania owarego. 3. Serowanie przez sieć: przykład uodpornienia rozproszonego układu serowania Realizacja algorymicznej kompensacji efeków wnoszonych przez sieć, czyli zaprojekowanie odpornego algorymu serowania rozproszonego, wymaga nasępujących działań: wyboru modelu dynamiki rozproszonego układu serowania, idenyfikacji paramerów serowanego procesu i sieci ransmisji danych, doboru klasy algorymów serowania i ich ewenualnych rozszerzeń, umożliwiających kompensację wpływu połączenia przez sieć, oszacowania maksymalnych opóźnień w dosarczeniu informacji o sanie procesu, udziału uraconych danych, przy kórych rozproszony układ serowania zachowuje jeszcze sabilność z odpowiednim zapasem, 2 ime delay [s] 25 number. of frames 2 15 15 1 1 5 5 frame no. 5 1 15 2 25 los frames, τ > 3s τ [s] 5 1 15 2 25 Rys. 3. Przykładowa charakerysyka opóźnień wnoszonych przez sieć bezprzewodową Fig. 3. Example: wireless nework daa ransfer imes and hisogram of delays 5 Pomiary auomayka Roboyka 12/211
symulacyjnego esowania wpływu efeków wnoszonych przez sieć na jakość serowania. Algorymy serowania, sosowne dla uodpornienia rozproszonych aplikacji, można sklasyfikować nasępująco [8]: Algorymy pasywne. Nie zawierają dodakowych modyfikacji lub rozszerzeń uwzględniających rozproszony charaker aplikacji. W ym przypadku projekuje się sysem serowania, pomijając jego rozproszony charaker, a nasępnie analizuje się wpływ rozproszenia w różnych aspekach (opóźnienia, zagubienia pakieów), próbując uzyskać odpowiedź na pyanie: ile ego ypu zakłóceń sysem serowania może olerować i czy przez srojenie paramerów algorymu serowania można układ uodpornić? Algorymy akywne. Zawierają dodakowe modyfikacje lub rozszerzenia uwzględniające rozproszony charaker aplikacji. Wśród nich można wymienić algorymy: ograniczające ruch w sieci (np. grupujące próbki) [15, 19], poprawiające deerminizm (np. przez buforowanie) [2], odwarzające opóźnione lub sracone dane na podsawie modeli procesu (np. MRC, obserwaory sanu) [21], Wyczerpujący przegląd akich algorymów zawaro w pracy [22]. Jednym ze sposobów poprawy jakości serowania w układzie rozproszonym jes jego rozbudowa o niekonwencjonalne komponeny. Jednym z akich komponenów jes bufor. Wykorzysana koncepcja polega na filracji, w wyniku kórej wysępujące w pęli sprzężenia zwronego opóźnienia szybkozmienne zosają zasąpione przez opóźnienia wolnozmienne. A o pozwala zasosować klasyczne meody dla ich kompensacji. Poniżej przedsawiono przykład prosego algorymu wykorzysującego bufory. Rozważmy model liniowy ze zmiennym opóźnieniem, gdzie reprezenuje skumulowane opóźnienie wysępujące sc ca c w pęli sprzężenia zwronego: = + +. x () = Ax () + Bu ( ()) (1) gdzie: () nieujemna i ograniczona funkcja na [, + ), () <. min max Ten nieskończenie wymiarowy (ze względu na opóźnienie) model jes częso aproksymowany przez model z czasem dyskrenym. W ym celu należy przyjąć, że: dane pomiarowe i serujące są przesyłane jako oddzielne, komplene pakiey, ransmisja po sieci nie wprowadza błędów sygnału pomiarowego i serującego, czujniki i akuaor są wyzwalane synchronizowanymi zegarami, a serownik zdarzeniami, pakiey z danymi nie mogą być zagubione, odrzucane i nie może być zmieniona kolejność ich dosarczenia, dynamika procesu jes serowalna. Podsawą projekowania regulaora może być odpowiadający modelowi (1) model z czasem dyskrenym, kóry dla zmiennego w czasie opóźnienia przyjmuje posać T T γ As As γ,,,, 1 T γ = qt + q Γ = e Bds Γ = e Bds Φ = e Dla zwięzłości opisu przyjęo xk () w miejsce x( kt ), gdzie T okres cyklu w pęli serowania, a serowanie zmienia się wyłącznie w chwilach ( kt + ), q liczba całkowia. Model en jes skończenie wymiarowym modelem dyskrenym, kóry może być reprezenowany w rozszerzonej przesrzeni sanów [9] po wprowadzeniu nowych zmiennych sanu z 1 1 k = u k q z k u k q 2 = z k = u k 1 q + 1 Gdy opóźnienie jes ograniczone max = T, model przyjmuje posać ( = γ) ( + 1) Φ Γ () Γ () 1 = + uk () zk ( + 1) zk ( ) 1 yk () = 1 zk () A zaem jes o model o zmiennych paramerach. Jes znanym fakem, że dla akiego modelu pozosawanie w każdym kroku k warości własnych w okręgu jednoskowym jes warunkiem koniecznym sabilności, lecz nie jes wysarczającym. Zasosowanie jednokrokowego bufora w akuaorze prowadzi do modelu już sacjonarnego, o posaci ( + 1) F G 1 = + uk () z ( k + 1) z () k 1 1 1 Działanie ego bufora polega na ym, że pakie z danymi jes dosarczany przez sieć do akuaora ak szybko, jak o jes możliwe, ale jes zarzymywany w buforze do najbliższego począku cyklu serowania. Jeśli ylko jes spełnione ograniczenie ( () T ), o układ pracuje ze sałym opóźnieniem równym max = T. Przy prawidłowym działaniu bufora opóźnienia obserwowane przez regulaor są sałe i wynoszą T. Niepewność czasu ransmisji danych jes usunięa. Przy sałych opóźnieniach obserwowanych przez serownik mogą zosać zasosowane klasyczne meody ich kompensacji, np. predykor Smiha [23]. Sosując liniowe sprzężenie zwrone od sanu: 1 uk () = K, uk () R x (4) z () k 1 Orzymujemy model układu serowania ( + 1) Φ Γ () K Γ()) 1 = zk ( + 1) K zk () AT (2) (3) (5) x k + 1 =Φ x k +Γu k q 1 +Γu k q 1 gdzie opóźnienie jes reprezenowane jako Gdy warunek () T nie jes spełniony, można zasosować powiększony bufor, co dla przypadku max = 2T, prowadzi do modelu ( q = 1) 12/211 Pomiary auomayka Roboyka 51
( + 1) Φ Γ 1 z ( k + 1) 1 z ( k) 1 = 1 z ( k 1) K z () k + 2 x 2 Φ2 (6) a).9.8.7.6 Gdy opóźnienie () k zmienia się w przedziale [, 2T ], jes uzasadnione zasosowanie przełączania między buforami o długości T i 2T. Zjawisko akie może być modelowane jako asynchroniczny sysem dynamiczny [24]. W ym celu model (5) w wersji z buforem jednokrokowym może zosać zapisany w równoważnej posaci ( + 1) Φ Γ ( ) 1 z ( k + 1) ( ) 1 = z k 1 z ( k 1) K z ( k) + 2 x 2 Φ1 Warunki sabilności modelu (6), (7) precyzuje nasępujące wierdzenie [25]. Jeżeli dla modelu rozproszonego sysemu z liniowym sprzężeniem od sanu w(( k + 1)) =Φ wk ( ), wk () = z() k sk ( ) 1 z () k 2 (7), sk ( ) = (1, 2) (8) dla określonej warości współczynnika r udziału modeli (6), (7) w modelu (8) isnieje funkcja Lapunowa T Vwk ( ()) = w () kpwk () i sałe α, α akie, że jes spełnione 1 2 aa > 1 F F a P, (9) F F a P r 1 r 1 2 T 2 P 1 1 1 T 2 P 2 2 2 o sysem jes wykładniczo sabilny. c) b) d) τ N, τ τ N, τ τ N, τ.5.4.3.2.1 1 2 3 4 5 6 7.9.8.7.6.5.4.3.2.1 1 2 3 4 5 6 7.9.8.7.6.5.4.3.2.1 1 2 3 4 5 6 7.9.8 czujnik τ sc (k) k τ N, τ.7.6.5.4 serownik.3 τ c (k-1) u 1(k-1) τ c (k) u 1(k).2.1 1 2 3 4 5 6 7 akuaor τ ca (k) k Rys. 4. Diagram czasowy działania bufora o długości = 2T B Fig. 4. Time diagram of buffering for = 2T B Rys. 5. Przykład działania bufora adapacyjnego [15]: a) a =,2; p =,9, b) a =,2; p =,9, c) a =,5; p =,3, d) a =,5; p =,9 (kolor czarny sygnał na wyjściu z bufora, szary sygnał na wejściu bufora) Fig. 5. Example of adapive filer operaion [15]: a) a =,2; p =,9, b) a =,2; p =,9, c) a =,5; p =,3, d) a =,5; p =,9 (black afer buffer, grey before buffer) 52 Pomiary auomayka Roboyka 12/211
Współczynnik udziału r reprezenuje udział macierzy ( Φ 1, Φ 2 ) w modelu (8). Po przyjęciu warości ego współczynnika powyższy układ nierówności rozwiązuje się jako problem liniowych nierówności macierzowych (LMI). Ławo zauważyć, że wierdzenie o nie wymaga, aby sysem (8) był sabilny dla każdej funkcji Φ, naomias sk ( ) gwaranował sabilność w sensie średnim. Na rys. 4 przedsawiono diagram czasowy działania bufora. Nauralnym rozwinięciem koncepcji bufora o przełączanej długości jes zasosowanie bufora w pełni adapacyjnego [15, 17]. Należy przy ym założyć, że dla rozważanego układu serowania kolejność dosarczanych przez sieć pakieów nie może zosać zmieniona, a pakiey nie mogą być zagubione. Począkowa długość bufora jes przyjęa jako T. Adapacja długości bufora nasępuje według formuły () a ( f ()) k = T + T p k B gdzie: α paramer adapacji α >, p założony udział pakieów dosarczonych do bufora punkualnie (o znaczy nie później, niż po upływie odcinka czasu T, () k ), < p < 1. B 1 f() j = gdy pakiezosał Po (k+1) krokach długość bufora wynosi ( k + 1) = T + at ( p f( j)) B k j = Taki model bufora realizuje rodzaj filracji szybkozmiennych składowych opóźnienia, co dobrze ilusrują wyniki symulacji działania akiego bufora (rys. 5). Projekowanie algorymu serowania wykorzysującego buforowanie wymaga: doboru prawidłowej pojemności bufora dla założonego rozkładu opóźnień, zaprojekowanie algorymu serowania, kóry efekywnie wykorzysa bardziej deerminisyczne przebiegi sygnału na wyjściu z bufora. Dla układu serowania rozproszonego sieci o opóźnieniu wolnozmiennym w określonych granicach można sosować meody analizy sabilności i meody synezy regulaora z wykorzysaniem eorii układów odpornych [11] lub eż wersję predykaora Smiha dla opóźnień niepewnych [18]. 4. Weryfikacja meod i algorymów serowania rozproszonego Z powyższych rozważań wynika, że rozproszone rozwiązania, zwłaszcza w układach serowania o wymaganiach wardego czasu rzeczywisego, sawiają nowe zadania projekanom sprzęu, oprogramowania i algorymów serowania. W szczególności, obecność kanału ransmisji danych w pęli sprzężenia zwronego może wnosić do modelu dynamiki sysemu serowania komplikacje związane z opóźnieniami ransmisji danych lub nawe z możliwością uray danych. Jes o szczególnie isone w sysemach serowania kryycznych ze względu na bezpieczeńswo procesu. W sysemach akich isone jes symulacyjne i laboraoryjne esowanie wpływu efeków wnoszonych przez sieć na jakość serowania, a w szczególności ograniczeń czasowych wnoszonych przez procesory i kanały ransmisji danych, umieszczone w pęli sprzężenia zwronego. Jeśli chodzi o meody symulacyjne, o sandardowe przyborniki sysemu MATLAB i środowisko Simulink nie dosarczają narzędzi umożliwiających symulację różnych prookołów ransmisji danych ani innych efeków sieciowych wpływających na dynamikę układu serowania (rys. 2), akich jak np. uraa danych w wyniku złych warunków propagacji sygnału w sieciach bezprzewodowych lub sposób synchronizacji pracy poszczególnych elemenów składowych sysemu rozproszonego. Takim rozszerzeniem środowiska symulacyjnego, odpowiednim do esowania układów serowania rozproszonego jes przybornik TrueTime [26, 27]. Jes o narzędzie sworzone na bazie środowiska MATLAB/ Simulink, służące do symulacji ransmisji danych w sieciach przewodowych i bezprzewodowych, jak i modelowania zależności czasowych wysępujących w serownikach umieszczonych w akiej konfiguracji. W Laboraorium Serowania Kaedry Auomayki AGH zaprojekowano i uruchomiono szereg badawczych i dydakycznych sanowisk laboraoryjnych i półprzemysłowych umożliwiających eksperymenalne esowanie meod i algorymów serowania rozproszonego. Większość z nich reprezenuje sprzę, oprogramowanie i sandardy ransmisji danych sosowane w przemyśle. Wśród nich należy wymienić: Zesaw demonsracyjny umożliwiający zdalny dosęp ze sacji roboczych do sysemu SCADA (ifix) moniorującego pracę układu grzewczego AGH, w ym zdalne zbieranie danych. Układ umożliwiający zbieranie danych, moniorowanie i serowanie nadrzędne pracy pieca na biomasę 1 kw wraz z akumulaorami energii (projek akualnie realizowany na wydziale Energeyki i Paliw AGH) w echnologii WAGO. Układ programowalnych serowników logicznych PLC GE ypu VersaMax, komunikujących się z wykorzysaniem sieci Eherne i prookołu UDP/IP, serujący kaskadowym układem zbiorników. Model linii echnologicznej (rys. 6) złożony z kompuera nadrzędnego (SCADA) i czerech sanowisk: produkcji, konroli, zamykania pojemników i magazynowania. Pracą każdego sanowiska zarządza oddzielny programowalny serownik logiczny PLC ypu CompacLogix L32E firmy Allen Bradley. Magazyn wyposażony jes dodakowo w panel doykowy PanelView Plus 6. Wszyskie czery serowniki oraz panel połączone są przez koncenraor (hub) z siecią Eherne. Za pośrednicwem odrębnego rouera z wbudowanym przełącznikiem, do sieci dołączony jes akże kompuer klasy PC. Rouer z zaimplemenowanym mechanizmem NAT pozwala odizolować serowniki od sieci kompuerowej ogólnouczelnianej, a jednocześnie umożliwia użykownikom kompuera korzysanie z zasobów Inerneu (w ym serwera licencji programu MATLAB). Zesaw do eksperymenów w zakresie rozproszonego serowania windą pneumayczną, z wykorzysaniem 12/211 Pomiary auomayka Roboyka 53
5. Kszałcenie w zakresie serowania rozproszonego Rys. 6. Model linii produkcyjnej Fig. 6. Model of he producion line prookołu Eherne IP (rys. 7). Węzły ego modelu o: serownik logiczny Allen-Bradley ypu Compac Logix, moduł wejść/wyjść cyfrowych, moduł szybkich liczników i wyjść analogowych, doykowy panel operaorski Panel View Plus, falownik zasilany z jednofazowej sieci 23 V, serujący silnikiem AC napędu windy, moduł wejść/wyjść analogowych WAGO. Sanowisko uruchomieniowe dla sieci LonWorks (auomayka budynków), kóre współpracujące z silnikiem prądu sałego małej mocy jako elemenem wykonawczym nagrzewnicy powierza. Zesaw do eksperymenów i demonsracji zakresie serowania rozproszonego napędem elekrycznym z prookołem EherCAT (echnologia Beckhoff). Zesawy do zdalnego moniorowania procesów z wykorzysaniem echnologii rozproszonych układów pomiarowych Phoenix Conac. Implemenacja sandardu CAN: węzły sieci CAN zbudowane na bazie procesorów odpowiednio MPC i ColdFire. Zesaw do esowania sysemów rozproszonych, zawierających implemenacje prookołu IEC 6185 (auomayka sacji energeycznych) w wersji klien oraz serwer, wspierający prookół GOOSE (akualnie rozwijany w ramach projeku badawczo-innowacyjnego InnoEnergy [28]). Wyniki badań naukowych i projeków badawczych realizowanych w Kaedrze Auomayki AGH w zakresie serowania rozproszonego, a akże rozbudowywana baza laboraoryjna są z powodzeniem wykorzysywane w działalności dydakycznej Kaedry. W pierwszej kolejności na kierunku Auomayka i Roboyka (przedmioy Inegracja Sysemów i Serowanie Rozproszone, Zinegrowane Sysemy Serowania, realizowany jes kurs w języku angielskim dla specjalności Smar Grids (dla kierunku Elekroechnika) oraz kurs Serowanie Rozproszone na sudiach dokoranckich na Wydziale Elekroechniki, Auomayki, Informayki i Elekroniki AGH. Prowadzone są kursy podyplomowe obejmujące ę emaykę, ale akże międzynarodowe kursy związane z programami edukacyjnymi Unii Europejskiej. Kaedra Auomayki AGH koordynuje rzy kolejne edycje kursu Inensive Programme (IP) Erasmus Mundus IPNe Modern Daa Transfer Sandards for Indusrial Auomaion [29] (rys. 8). Te innowacyjne osiągnięcia dydakyczne były akże przedmioem publikacji [3, 31]. W ramach projeku edukacyjnego Unii Europejskiej CoNe [13], przy współpracy z europejskimi uniwersyeami echnicznymi i parnerami przemysłowymi, budowane są unikalne sanowiska laboraoryjne wspierające kszałcenie inżynierów w dziedzinie nowych echnologii serowania rozproszonego. Takie zaporzebowanie powierdziły m.in. Rys. 7. Układ serowania rozproszonego windą pneumayczną [29] Fig. 7. Disribued conrol sysem of he pneumaic lif [29] 54 Pomiary auomayka Roboyka 12/211
Rys. 8. Srona inerneowa kursu Modern Daa Transfer Sandards for Indusrial Auomaion Fig. 8. Websie page of he Modern Daa Transfer Sandards for Indusrial Auomaion course ankiey przeprowadzone przez europejskie firmy zajmujące się inegracją sysemów auomayki [32]. 6. Podsumowanie Rozproszone sysemy serowania są rozwiązaniem powszechnie sosowanym we współczesnych układach auomayki przemysłowej oraz w coraz liczniejszych dziedzinach poza przemysłem, akich jak auomayka pojazdowa czy eż domowa. Tendencja a jes wynikiem coraz większej dosępności wydajnych węzłów pomiarowo-serujących, zawierających, poza procesorem i układami peryferyjnymi, akże inerfejsy sieciowe. Liczne zaley akiego rozwiązania i coraz niższe koszy ineligennych węzłów w układach auomayki spowodowały ewolucję sysemów serowania ze srukury muliplekserowej do sieciowej. Od srony eoreycznej modele rozproszonych sysemów auomayki mogą mieć bardziej złożoną dynamikę, co jes związane z opóźnieniami ransmisji danych lub nawe możliwością ich uray. Przykład, w jaki sposób można doskonalić algorymy serowania aby e niekorzysne efeky wyeliminować i jakość serowania przywrócić, był przedsawiony w części 3 ego arykułu. Jes o fragmen wielolenich badań naukowych i projeków realizowanych w Kaedrze Auomayki AGH w Krakowie. Badania e były połączone z rozwojem dydakyki na sudiach magiserskich i dokoranckich i wspare rozbudową zaplecza laboraoryjnego oraz licznymi (akże przemysłowymi) aplikacjami, realizowanymi w ramach uczelnianych, krajowych i międzynarodowych projeków badawczych. Bibliografia 1. Zurawski R. (red.): The Indusrial Communicaion Sysems Handbook. CRC Press, 25. 2. Grega W.: Problemy auomayki rozproszonej. Auomaion 27 XI Konferencja Naukowo-Techniczna, Warszawa, 27, 1 13. 3. Grega W.: Współczesne meody auomayki w serowaniu i moniorowaniu sysemów energeycznych. Energeyka Cieplna i Zawodowa, nr 1, 22, 31 352. 4. Leohold J.: Communicaion Requiremens for Auomoive Sysems Keynoe. WFCS 24 [w:] 5 h IEEE Workshop on Facory Communicaion Sysems, Wien (24), [www.ic.uwien.ac.a/wfcs24/]. 5. Grega W.: Mulilevel Conrol under Communicaion Consrain [w:] Proceedings of 21 IEEE Inernaional Symposium on Compuer-Aided Conrol Sysem Design, Yokohama, Japan, 21, 1176 1181. 6. Felsner M.: Real-Time Eherne Indusry Prospecive. Proceedings of he IEEE, nr 93, 25, 1118 1129. 7. Jansen D., Buner H.: Real-ime Eherne he Eher- CAT Soluion. Compuing & Conrol Engineering Journal, vol., 15, no. 1, 26, 16 21. 8. Grega W.: Odporne układy auomayki rozproszonej. Przegląd Elekroechniczny, nr 9, 29, 115 122. 9. Grega W.: Serowanie cyfrowe w sysemach skupionych i rozproszonych. Monografie Komieu Auomayki i Roboyki PAN, om 7, 24. 1. Grega W.: Sabilne układy serowania rozproszonego. Prace Międzywydziałowej Komisji Nauk Technicznych Polskiej Akademii Umiejęności, om 1, 25, 7 19. 11. Grega W.: Robus Neworked Conrol, [w:] Mueller A. (ed.): Robus Conrol, v.1, InTech, 211. 12. Projek badawczy MNiSW NN514 298635 (27 28): Odporne algorymy serowania rozproszonego. 13. [www.cone-eu.ne] CoNeT/Co-operaive Nework Training. 14. Projek badawczy Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, Zinegrowany Sysem Serowania Produkcją (INSTEPRO), Kaedra Auomayki AGH, 29 212, [www.insepro.agh.edu.pl]. 15. Tuaj A.: Odporne algorymy serowania rozproszonego. Rozprawa Dokorska, AGH, Kraków, 28. 16. Grega W.: Sabiliy of Disribued Conrol Sysems wih Uncerain Delays [w:] 8 h IEEE Inernaional Conference on Mehods and Models in Auomaion and Roboics, Międzyzdroje 22, 21, 33 37. 17. Grega W., Tuaj A.: Nework raffic reducion by sample grouping for disribued conrol sysems [w:] 3 rd Proceedings Inernaional Workshop on: Neworked Conrol Sysems: Toleran o Fauls, June 2 21, Nancy, France, 27, 2 8. 18. Grega W.: Serowanie modelem nagrzewnicy powierza przez sieć Eherne [w:] XV Krajowa Konferencja Auomayki, Warszawa, III, 25, 193 198. 19. Al-Hammouri A.T., Branicky M.S., Liberaore V., Phillips S.M.: Decenralized and dynamic bandwidh allocaion in neworked conrol sysems [w:] 2 h Inernaional Parallel and Disribued Processing Symposium, 25 29 April 26. 2. Tuaj A.: Packes buffering in nework raffic in disribued conrol sysems [w:] Proceedings of 12 h IEEE inernaional conference on Mehods and Models in Auomaion and Roboics, 28 31 Augus 26, Międzyzdroje, 26, 27 28. 21. Monesruque L.A., Ansaklis P.J.: On he model-based conrol of neworked sysems. Auomaica, vol. 39, 23, 1837 1843. 12/211 Pomiary auomayka Roboyka 55
22. Gupa R.A., Chow M.-Y.: Neworked Conrol Sysem: Overview and Research Trends. IEEE Transacion on Indusrial Elecronics, vol. 57, no. 7, 21, 2527 2535. 23. Vaanski N., Georges J-P., Aubrun Ch., Rondeau E., Jämsä-Jounela S-L.: Neworked Conrol wih Delay Measuremen and Esimaion. Conrol Engineering Pracice, vol. 17, no. 2, 29, 231 244. 24. Hassibi A., Boyd S.P., How J.P.: Conrol of Asynchronous Dynamical Sysems wih Rae Consrains on Evens [w:] Proceedings of 37 h IEEE Conference on Decision and Conrol, 1999, 1345 1351. 25. Zhang W.: Sabiliy Analysis of Neworked Conrol Sysems, PhD Thesis, Case Wesern Reserve Universiy, 21. 26. Grega W.: Prawdziwy czas w rozproszonych układach serowania. Pomiary Auomayka Roboyka nr 12, 29, 1 16. 27. Ohlin M., Henrikson D., Cervin A.: TrueTime 1.5 Reference Manual, Deparmen of Auomaic Conrol. Lund Universiy, 27. 28. [www.kic-innoenergy.com/] KIC InnoEnergy. 29. [hp://home.agh.edu.pl/~ipne] IPNeT Modern Daa Transfer Sandards for Indusrial Auomaion. 3. Rosół M., Gorczyca P.: Serowanie rozproszone laboraoryjnym modelem helikopera [w:] XV Krajowa Konferencja Auomayki, Warszawa, om III, 25, 181 184. 31. Grega W., Papadourakis G.: Mobile Laboraory for Training in Nework Technologies. Elecronics and Elecrical Engineering, no. 6(12), 29, 139 142. 32. Grega W., Pila A., Krol S., Daens D.: Indusry Feedback on Implemenaion of Nework Technologies and Training Needs [w:] Proceedings of he 22 nd EAEEIE Annual Conference EAEEIE 211, Maribor, Slovenia June 13 15, 211, 77 8. Disribued Auomaion Absrac: Modern conrol sysems are rarely found as auonoous conrol unis. Usually hey are conneced by ele-ransmission channels, exchanging daa wih oher conrol unis, and creaing a disribued conrol sysems (DCS). From heoreical poin of view models of DCS may have more complex dynamics, which is associaed wih ransmission delays or even he possibiliy of losing some daa. DSC has been one of he main research focuses in academia as well as in indusry for many years and has become a mulidisciplinary area. The paper describes research and educaional projecs relaed o he DSC soluions, implemened a he Deparmen of Auomaics AGH in Kraków. The paper presens also an example of robus decenralized conrol algorihm ha uses buffering mehod o compensae nework delays. This example also shows how o model such a sysem and how o analyze is sabiliy. Keywords: disribued conrol, robus sysems, sabiliy, ransmission proocols, real ime prof. dr hab. inż. Wojciech Grega Profesor zwyczajny AGH w Krakowie. Auor ponad 15 prac naukowych, w ym 3 książek. Jego prace doyczą serowania kompuerowego i opymalizacji, a w szczególności algorymów serowania cyfrowego, serowania rozproszonego, modelowania i serowania sysemami wywarzania i przesyłu energii. Opublikował akże szereg prac z zakresu meodyki kszałcenia w szkołach wyższych. e-mail: wgr@ia.agh.edu.pl 56 Pomiary auomayka Roboyka 12/211