Wojciech Grega - Sterowanie rozproszone i integracja systemów v.2004 I część wykładu wykładowca: B1, IIIp. p. 313 materiały dydaktyczne: http://aq.ia.agh.edu.pl (I część: Zintegrowane...)
Program wykładu Część I Wprowadzenie: Charakterystyka komputerowych systemów sterowania, przegląd problemów integracji w automatyce, struktury systemów sterowania cyfrowego, sprzętowa realizacja sterowania rozproszonego, systemy specjalizowane i otwarte, Przemysłowe, lokalne sieci komputerowe (LAN): Transmisja danych cyfrowych, kontrola integralności danych, standardy (ISO 8802, TCP/IP), rozwiązania przemysłowe (CAN, WorlFip, przemysłowy Ethernet, LonWorks, technologie bezprzewodowe), Algorytmy sterowania rozproszonego: cechy charakterystyczne rozproszonego układu sterowania, problemy stabilności, modele układów rozproszonych, wybrane algorytmy odporne, kompensacja opóźnień, podejście statystyczne. Integracja programowa: integracja CACDS z oprogramowaniem czasu rzeczywistego, metody szybkiego prototypowania (ang. rapid prototyping ),
Program wykładu Część I Charakterystyka komputerowych systemów sterowania: zasady i rozwój sterowania cyfrowego, struktury systemów sterowania cyfrowego, problemy integracji, systemy specjalizowane i otwarte, Warstwa sterowania bezpośredniego: połączenie z procesem integracja na poziomie sterowania bezpośredniego Przemysłowe, lokalne sieci komputerowe (LAN): Transmisja danych cyfrowych, kontrola integralności danych, standardy (ISO 8802, TCP/IP), rozwiązania przemysłowe (GPIB, WorlFip, LonWorks.). Algorytmy sterowania rozproszonego
Program wykładu Część II Wybrane technologie i narzędzia integracji: SQL, ODBC/MySQL SQL Structured Query Language język zapytań strukturalnych, używany przez programy aplikacyjne w celu komunikowania się z bazami danych. Stosowany przez większość producentów baz danych i aplikacji klienckich. ODBC Open Data Base Connectivity interfejs uniwersalny umożliwiający dostęp do bazy za pomocą jednolitego protokołu. VBA DDE/NDDE - DDE (Dynamic Data Exchange) - Metoda przekazywania danych pomiędzy aplikacjami na zasadzie wymiany komunikatów wysyłanych między aplikacją pełniącą rolę klienta, a aplikacją serwerową. OLE, OPC - ActiveX - Rozszerzenie technologii COM, DCOM, OLE dla zastosowań internetowych. Pozwala na tworzenie przenaszalnych obiektów (aplikacji) i interaktywnych stron WWW (World Wide Web). Obiekty ActiveX mogą działać po stronie serwera i stamtąd modyfikować stronę WWW widzianą przez klienta. WinSock - komunikacja po TCP/IP) ASP/PHP - aplikacje dla serwerów www Przykład aplikacji w środowisku SCADA (ifix)
Literatura Grega W., Sterowanie Cyfrowe w czasie rzeczywistym, AGH, 1999 Franklin G., Powell D.,Workman M.: Digital Control of Dynamic Systems. Adison-Wesley, Reading 1990 Iserman R.: Digitale Regelsysteme, Springers-Verlag, Berlin 1988 Trybus L. Regulatory wielofunkcyjne, WNT Warszawa, 1993, Wolisz A. Podstawy lokalnych sieci komputerowych, WNT, 1992, Werewka J.: Systemy rozproszone sterowania i akwizycji danych. CCATIE, vol. 9, Kraków 1998 Winiecki W. Organizacja komputerowych systemów pomiarowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1997 Kwiecień A. Analiza przepływu informacji w komputerowych sieciach przemysłowych, Wyd. Pracowni Komp. Jacka Skalmierskiego, Gliwice, 2000 Michta E. - Modele komunikacyjne sieciowego systemu pomiarowo-sterującego, Wyd. Politechniki Zielonogórskiej, 2000 Halang W.A., Sacha K.M.: Real-time Systems. World Scientific 1992 Lawrenz W.: CAN System Engineering, Springer, 1997Zhang W.: Stability Analysis of Networked Control Systems, PhD Thesis, Case Western Reserve University, 2001
Literatura [6.1] Grega W.: Problemy rozproszonej regulacji cyfrowej, Pomiary, Automatyka, Robotyka, vol.5, nr.1, 15-20, 2001 Literatura [6.2] Chow M-Y.,Tipsuwan Y.: Network-Based Control Systems: a Tutorial, Proceedings of IECON 01: The 27 Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 1593-1602, 2001 [6.3] Grega W. Kołek K.: Monitoring and Control of Heat Distribution, Proceedings of 3 rd International Control Conference ICCC 2002, Malenovice, 439 444, 2002 [6.4] Lee K. B., Schneeman R.D.: Internet-based Distributed Measurement and Control Applications, IEEE Instrumentation and Measurement Magazine, v.2, 23-27, 1999 [6.5] Grega W., Kołek K.: Rozproszone systemy monitorowania i sterowania w ochronie środowiska, Chemia Przemysłowa, nr. 2/2001, 18 21, 2002 [6.6] Grega W.: Współczesne metody automatyki w sterowaniu i monitorowaniu systemów energetycznych, Energetyka Cieplna i Zawodowa, nr.1/2002, 31-35, 2002 [6.7] Huang J.: Neurocontrol of Telerobotic Systems with Time Delays, in: Neural and Fuzzy Control, Springer, New York 2000 [6.8] Overstreet J.W., Tzes A.: An Internet-Based Real-Time Control Engineering Laboratory, IEEE Control Systems, vol.7, 19-33, 1999 [6.9] Grega W.: Sterowanie cyfrowe w czasie rzeczywistym, wyd. Wydz. EAIiE AGH, Kraków 1999 [6.10] Zhang W., Branicky M., Philips S.: Stability of Networked Control Systems, IEEE Control System Magazine, v. 21, 84-99, 2001 [6.11] Drwal A.: Projektowanie struktur magistral miejscowych dla rozproszonych systemów sterowania, Praca Doktorska (J. Werewka-promotor), Wydział EAIiE AGH, 2002 [6.12] Michta E.: Planowanie wykonania zadań sieci przemysłowych w systemach pomiarowosterujących, Prace XIV Krajowej Konferencji Automatyki, Zielona Góra 2002, 501-506, 2002 [6.13] Bauer P.H., Sichitiu M., Premaratne K.: Controlling an Integrator Through Data Networks, Proceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Orlando, Florida v.v, 491-494, 1999 [6.14] Lian, F-L., Moyne J. Tilbury D.: Network Design Consideration for Distributed Control Systems. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 10, 297 307, 2002. [6.15] Róg M.: Sterowanie rozproszone w sieci Ethernet i Internet, Praca dyplomowa, opiekun W. Grega, Wydział EAIiE AGH, 2003
Literatura [6.1] Grega W.: Sterowanie rozproszone: nowe zastosowania klasycznych algorytmów, Materiały Konferencji Metody i systemy komputerowe w badaniach naukowych i projektowaniu inżynierskim, Kraków 2003, 601 606, 2003 [6.2] Walsh G.C., Hong Ye, Bushnell L.G.: Stability Analysis of Networked Control Systems, IEEE Transaction on Control Systems Technology, v.10, 438-446, 2002 [6.3] Hassibi A., Boyd S.P., How J.P.: Control of Asynchronous Dynamical Systems with Rate Constraints on Events, in: Proceedings of 37 IEEE Conference on Decision and Control, 1345 1351, 1999 [6.4] Zhang W.: Stability Analysis of Networked Control Systems, PhD Thesis, Case Western Reserve University, 2001 [6.5] Yi Z., Heng P.A.: Stability of Fuzzy Control Systems with Bounded Uncertain Delays, IEEE Transaction on Fuzzy Systems, v. 10, 92 96, 2002 [6.6] Lian, F-L., Moyne J.. Tilbury D.: Performance Evaluation of Control Networks, IEEE Control Systems, v.21, no.1, 66-83, 2001 [6.7] Krtolica R., Őzgűner Ű., Chan H., Gőktas H., Winkelman J., Linubakka M.: Stability of Linear Feedback System with Random Communication Delays, International Journal of Control, v. 59, no.4, 925-953, 1994 [6.8] Luck R., Ray A.: An Observed-based Compensator for Distributed Delays, Automatica, vol. 66, 903-908, 1990 [6.9] Nilsson J.: Real-time Control Systems with Delays, Ph.D Dissertation, Lund Institute of Technology, Sweden, 1998 [6.10] Park H.S., Kim Y.H., Kim D-S. Kwon W. H,: A Scheduling Method for Network-Based Control Systems, IEEE Transactions on Control System Technology, v.10, no.3, 318-329, 2002 [6.11] Grega W.: Stability of Distributed Control Systems with Uncertain Delays, 8th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Międzyzdroje 2002, 303 307, 2002 [6.12] Hurak Z., Sebek M.: Stability of Sampled-Data Control Systems With Uncertain Delays, Proceedings of the European Control Conference, 3120-3124, 2001 [6.13] Otanez P.G., Moyne J.R., Tilbury D.M.: Using Deadbands to Reduce Communication in Networked Control Systems, Proceedings of the American Control Conference, Anchorage 2002, 3015 3020, 2002
Integracja w układach sterowania? islands of automation Integracja w układach sterowania może być rozważana w wielu płaszczyznach: jako integracja urządzeń automatyki i oprogramowania sterującego integracja wymiany informacji pomiędzy systemami sterowania a innymi systemami informatycznymi integracja oprogramowania sterującego z oprogramowaniem wspomagającym projektowanie, operatora procesu z systemem automatyki.
Integracja w układach sterowania Integracja I SCADA (FIX- Windows -NT) CACDS narzędzia fieldbus Proces I RTK I: (DOS) fieldbus RTK II: MS-Windows Proces II
Integracja sprzętu automatyki z oprogramowaniem Aplikacja: wizualizacja danych RTK Bufor Driver Aplikacja: strojenie parametrów System operacyjny CN5 CN3 CN4 PCL 812PG CN1 CN2 Warstwa sprzetu Magistrala PC
Integracja w układach sterowania Sterowanie operatywne i zarządzanie Analiza Specjalizowane aplikacje Usługi informacyjne Raportowanie Monitorowanie Interfejs użytkownika Sterowanie nadrzędne Archiwizacja Sterowanie Zarządzanie danymi Platforma danych Zbieranie danych Platforma obiektu Interfejsy, protokoły i technologie: EDA, OPC, COM/DCOM, ActiveX, DDE, NetDDE
Integracja danych Systemy automatyki Komunikaty o stanie procesu Zdarzenia System informatyczny przedsiębiorstwa Komunikaty o produkcji Komunikaty System marketingu Zamknięta wymiana informacji Cykliczne dane Otwarta wymiana informacji Sterowniki Czujniki & urz.wykonawcze Proces
Przykład: Struktura systemu sterowania dystrybucją energii cieplnej IPC-CHIP alarmy SMS inni użytkownicy CO Gramatyka 10 nadzór techniczny internet Procesowa baza danych Serwer główny SCADA: ifix system Serwer zapasowy IPC-CHIP CO B6 magistrala CAN kamera 4 0 3 0 2 0 1 0 LON-node LON-node 4 0 3 0 2 0 1 0 B1 czujniki PCL3 PLC1 zawory czujniki CO pompy PLC2 magistrala LonWorks CWU O Węzeł główny Reymonta 7Main Katedra heating Automatyki substation AGH
Sterowanie lokalne i nadrzędne dne IPC-CHIP alarmy SMS inni użytkownicy CO Internet Gramatyka 10 Optymalne nadzór techniczny Predykcyjne Serwer główny Serwer zapasowy MRC IPC-CHIP SCADA: ifix system Neuralne CO B6 magistrala CAN kamera 4 0 3 0 2 0 1 0 LON-node LON-node 4 0 3 0 2 0 1 0 B1 czujniki PCL3 PLC1 zawory czujniki CO PID PLC2 PID pompy o przestrajanym wzmocnieniu magistrala LonWorks CWU O Węzeł główny Reymonta 7Main heating substation
Sterowanie lokalne i nadrzędne dne 4 0 3 4 0 3 IPC-CHIP IPC-CHIP T b1, T b2... Sterowanie nadrzędne Serwer Główny PLC T fxo F xo T W T prof U co R 1 T REFCO F M T ZM T ZCO COO F co AGH MPEC T PCO
FTP server Internet FTP client/server Database clients Main serwer OPC ODBC 15 min Process database Backup Serwer Backup database 5s CSMA/CD/AMP protocol CAN fieldbus PLC registers PLC registers sensors actuators CWU O CO
Podstawowe problemy sterowania rozproszonego T 0 aktuator u(t) proces y(t) czujnik τ ca (t) Sieć τ sc (t) sterownik τ c (t) S 1 S 2 liczba pakietów Czas [s] Maksimum 6.9040 Minimum 0.1000 Średnia 0.3715 Odchylenie standardowe 0.2978 czas transmisji
I bez sterowania sterowanie rozproszone Y X za duży ruch w sieci I za mało informacji o procesie akceptowalna jakość sterowania sterowanie cyfrowe sterowanie ciągłe T 0
Integracja danych Zarządzanie Zarządzanie produkcją Planowanie Finanse Handel i dystrybucja Kontrola jakości Gospodarka magazynowa Transport Inne warstwy i struktury pośredniczące Produkcja Bezpośredni nadzór procesów i sterowanie nadrzędne Sterowniki (PLC) Urządzenia wykonawcze Czujniki Sterowanie operatywne i zarządzanie Analiza Specjalizowane aplikacje Usługi informacyjne Raportowanie Sterowanie nadrzędne Monitorowanie Interfejs użytkownika Archiwizacja Sterowanie Zarządzanie danymi Platforma danych Zbieranie danych Platforma obiektu
Integracja w układach sterowania: integracja narzędzi projektowania Środowisko sterowania cyfrowego o otwartej architekturze Środowisko zintegrowane Sprzęt i oprogramowanie niskiego koszu CACDS Szybkie prototypowanie
Cykl projektowania i implementacji algorytmu sterowania suwnicą zadania czasu rzeczywistego Sterowanie & monitoring kodowanie generator kodu kompilacja kompilacja identyfikacja narzędzia CACSD symulacja procesu projekt analiza procesu
P P Szybkie prototypowanie: od projektu do eksperymentu 7 Ref.Level A nalog Butterw orth LP Filter Error Control + Model - Sum Relay Saturation procesu S1 + - Sum1 0.5*ones(1,6) Scale Model Demux Demux regulatora S4 S2 S5 S3 S6 sterownik u. wejśc. Model regulatora Sterownik u. wyjśc. P A B AF B F A B F AF B AF B AF B A B 1 + Algorytm czasu rzeczywistego
Charakterystyka sterowania cyfrowego i komputerowych systemów w sterowania Charakterystyczną cechą współczesnych układów sterowania jest powszechne wykorzystanie zaawansowanej technologii elektronicznej, która całkowicie zastąpiła rozwiązania analogowe i elektromechaniczne. Idea stabilizującego sprzężenia zwrotnego jest ciągle podstawową zasadą działania takich układów sterowania, ale systemy mikroprocesorowe stały się ich nieodłącznym elementem: poczynając od czujnika, poprzez układy transmisji sygnału do regulatora, od regulatora po sterowniki urządzeń wykonawczych. Charakterystyczny sposób pracy takich systemów, polegający na próbkowaniu stanu procesu w dyskretnych przedziałach czasu i oddziaływaniu na proces również w określonych odstępach czasu, a także zastosowanie logiki binarnej spowodowało, że wydzielona została klasa cyfrowych układów sterowania. Dążenie do lepszego zrozumienia działania takich układów stało się motywacją dla rozwoju ich teorii. Projektowanie systemów sterowania cyfrowego wymaga znajomości dwóch odmiennych, lecz wzajemnie uzupełniających się dziedzin: teorii sterowania cyfrowego, jako metody kształtowania sprzężenia zwrotnego, oraz technologii komputerowej wraz ze środowiskiem oprogramowania, jako sposobu praktycznej realizacji algorytmów sterowania.
Wstęp p (2) Współczesnym rozwinięciem idei układu sterowania cyfrowego jest system sterowania rozproszonego. W systemie tym czujnik pomiarowy (S) oraz przetworniki A/C i C/A są umieszczone bezpośrednio przy procesie i połączone ze sterownikiem linią cyfrowej transmisji danych (magistrala polowa, sieć miejscowa, ang. fieldbus). Transmisję te umożliwiają interfejsy sieciowe (I)
Wstęp p (2)
Zalety układ adów w cyfrowych Dokładność: Dyskretna reprezentacja i transmisja sygnału j pozwala uwolnić się szumów wprowadzanych przez urządzenia pomiarowe. Umożliwia transmisję sygnału na znaczne odległości (systemy rozproszone) Koszt: Technologia VLSI pozwala stosować niskim nakładem kosztów stosować złożone metody kształtowania sygnału w różnych punktach toru pomiarowego. Coraz większy wysiłek po stronie oprogramowania. Nowe algorytmy: Liniowy system ciągły może osiągnąć wartość zadaną po nieskończonym czasie (asymptotyczne). System dyskretny może mieć skończony czas dojścia do wartości zadanej. Elastyczność: Funkcje urządzeń kształtowane są programowo, nie sprzętowo. Umożliwia to stosowanie złożonych algorytmów przetwarzania sygnałów. Błędy przetwarzania Przetwarzanie cyfrowe składa się z dwóch podstawowych operacji: dodawania i mnożenie. Błędy są pomijalne. W przeciwieństwie do przetwarzania analogowego wykorzystującego rezystancje i pojemności o niepewnych parametrach.
Rozwój metod sterowania cyfrowego Centralny komputer sterujący Systemy rozproszone Automatyka analogowa, przekaźniki Sterowniki PLC Systemy otwarte 1970 1980 1990 2000
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Ogólnie, urządzenia sterowania cyfrowego stosowane w przemyśle można podzielić na następujące kategorie: sterowniki jedno i wielofunkcyjne, programowalne sterowniki logiczne (PLC), rozwiązania jednoukładowe: specjalizowane mikrosterowniki, sterowniki zagnieżdżone (ang. embedded) procesory sygnałowe (DSP) oraz inne układy o wysokiej skali integracji (np.fpga) realizujące funkcje sterowania, węzły sterujące sieci przemysłowych przemysłowe komputery zgodne z IBM PC, wyposażone w standardowe magistrale przemysłowe (np.vme), w układy interfejsów we/wy i odpowiednie systemy operacyjne czasu rzeczywistego, Urządzenia tego typu mogą być łączone z wykorzystaniem różnorodnych standardów lokalnych sieci przemysłowych, a po wyposażeniu w odpowiednie oprogramowanie konfiguracyjne oferowane użytkownikom jako: systemy komputerowego sterowania przemysłowego klasy DCS (ang. Distributed Control Systems).
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Tab. Urządzenia do sterowania cyfrowego. Cechy Rozwiązanie Jakość i pewność działania Cykl minimalny Konfigurowalność Złożone algorytmy sterowania Koszt Możliwości szybkiego prototypowania Sterowniki jedno 50-200 ms i wielofunkcyjne PLC 5-20 ms FPGA 100 ns µ-sterowniki 1-10 ms Przemysłowe 100 µs komputery w standardzie VME Sterowniki DSP 1 µs IPC *) 100 µs DCS **) - wysokie, - średnie, - niskie *) IPC przemysłowy PC
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Próbą pogodzenia specyficznych wymagań stawianych przez odbiorców cyfrowych urządzeń sterujących z równoczesnym dążeniem do ograniczenia nadmiernych kosztów specjalizowanych rozwiązań stała się koncepcja systemów o otwartej architekturze. W systemach takich wykorzystuje się standardy sprzętowe, standardowe systemy operacyjne oraz narzędzia programowe do projektowania algorytmów i testowania układów sterowania cyfrowego. Trudno jest podać precyzyjną definicję systemu o otwartej architekturze, niemniej przyjmuje się, że powinien on posiadać następujące cechy: rozszerzalność (ang. extensibility), czyli możliwość modyfikacji systemu (rozbudowy) samodzielnie, przez użytkownika, zdolność do zewnętrznej wymiany danych (ang. interoperability), przenośność (ang. portability), czyli możliwość instalacji aplikacji użytkownika w innych systemach otwartych, z zachowaniem jej parametrów użytkowych, skalowalność (ang. scalability), czyli cechę umożliwiającą prostą zmianę obszaru procesu obsługiwanego przez system sterowania, w zależności od potrzeb użytkownika. Podstawowe technologie systemów otwartych są ogólnie dostępne (ang. in public domain), co dostarcza licznych korzyści odbiorcom urządzeń sterujących, a w szczególności: możliwość wyboru takiego zestawu opcji, który najlepiej spełnia wymagania użytkownika, możliwość wykorzystania standardowych modułów i pakietów oprogramowania, co minimalizuje koszty projektowania, możliwość tworzenia zintegrowanych środowisk oprogramowania, łączących sterowanie w czasie rzeczywistym z narzędziami analizy i symulacji procesu, a także umożliwiających automatyczne generowanie kodu regulatora, możliwość samodzielnej modernizacji i unowocześniania układu sterowania poprzez wymianę pojedynczych modułów sprzętowych i oprogramowania, uniezależnienie się od pojedynczych dostawców sprzętu i oprogramowania.
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Automatyka klasyczna t 1 PLC I h 1 PLC II h 2 t 2 Grzejnik Pompa
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Centralny komputer sterujący
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Konfiguracja hierarchiczna Sieć Intranet Centralny komputer sterujący PLC 1 PLC 2 t 1 h 1 h2 t 2 Grzejnik Pompa
Struktury systemów w sterowania cyfrowego Systemy sieciowe Lokalna sieć zakładowa network (LAN) Magistrala procesowa (fieldbus ) PLC 1 PLC 2 Proces II t 1 h 1 t 2 h 2 Grzejnik Pompa
Otwarte standardy sieci lokalnych (IEEE 802.) Przykład: wsparcie sprzętowe technologii Ethernet Kompletny komputer IBM PC ze zintegrowaną karta sieciową 10Base T o wymiarach 44x15.2x9.5 mm Wbudowane oprogramowanie DOS, Web Server, FTP serwer, Telnet serwer Gotowy do integracji z siecią dołączenia do siecią po dołączeniu zasilacza i transformatora sieci komputerowej Struktura sprzętowa przystosowana do podłączenia czujników oraz elementów wykonawczych Niski koszt
Telemonitoring budynku B6 Serwer IPC@CHIP odpowiedzialny jest za cykliczny odczyt modułów ADAM, gromadzenie danych historycznych z ostatnich kilkudziesięciu godzin, obsługę błędów odczytu oraz generację strony WWW zawierającej odczytane dane. Dostępne są strony z danymi aktualnymi oraz historycznymi.
Przykłady Sieć radiotelefoniczna Przykład : monitorowanie emisji i imisji Sieci przemysłowe Otwarte standardy sieci lokalnych (IEEE 802.) Imisja Emisja Koncentratory danych/radiotelefony Koncentratory danych Ogólnozakładowa sieć światłowodowa Radiotelefon Serwer SCADA ifix MS SQL Server Operator ifix Runtime Dyspozytor ifix Runtime Raporty MS Excel 97 Katedra Autom atyki, Akademia-Górniczo-Hutnic za w Krak owie Kierownictwo ifix Read-Only 1..10
Przykłady Schemat integracji systemów Zakładu Kaprolaktamu
Przykłady TURBOGENERATORY 36 MW TURBODMUCHAWY TG1 TG2 TG3 TG4 TD1 TD2 TD3 GE Fanuc GE Fanuc GE Fanuc GE Fanuc Ethernet FTP 10 Base T Koncentrator 24 Port 10BaseT Hub Ethernet 10Base2 Coax Koncentrator 24 Port 10BaseT Hub FIX FIX FIX FIX Excel FIX FIX FIX TG1 (2,3,4) TG2 (1,3,4) TG3 (1,2,4) TG4 (1,2,3) WINDOWS NT 4.0 PL, FIX32 6.15 PL FIX FIX FIX Serwer sieci zakładowej FIX TD1 TD2 TD3 PLANT TV FIX BROADCAST NETWORK SERVER INTERNET Użytkownik sieci