zużyciu energii

Metody transmisji i przetwarzania danych o zużyciu energii

Akademia-Górniczo-Hutnicza w Krakowie Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej

Al. Mickiewicza 30, B1, 30-059 Kraków wgr@agh.edu.pl

Wojciech GREGA

odbiorcy

CCOO

Centralne

źródło

0.15 0.2 0.25

0.3 0.35

i

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

i

P [GJ/h]

P

Zapotrzebowanie globalne

500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 0.1

0.15 0.2 0.25

0.3 0.35

i

Zapotrzebowania lokalne

Motywujący przykład: sterowanie dystrybucją energii

cieplnej : równoważenie popytu i podaży

Centralne źródło energii

- 4 -

Sterowniki lokalne

PLC

odbiorcy

C COO

Centralne źródło

Sterowanie dystrybucją energii cieplnej wymaga utworzenia

odpowiedniej struktury teleinformatycznej

Struktura systemu

magistrala CAN

Węzeł główny Reymonta 7Main heating substation internet





alarmy



Serwer zapasowy

czujniki zawory

PLC1

C C O O

C C W W U U O

inni

użytkownicy

SCADA: iFIX system Serwer główny

PLC2

pompy

Gramatyka 10

IPC-CHIP

C C O O

IPC-CHIP

C B6 C O O

B1

czujniki

PCL3

LON-node

4 0 3 0 2 0 1

LON-node 0 4 0 3 0 2 0 1 0

magistrala LonWorks

kamera



Procesowa baza danych

Zastosowane technologie teleinformatyczne

CAN fieldbus

Main source

PLC2

pumps

sensors valves

PLC1

x

C C O O

C C W W U U O C

C O O C C W W U U O

B1

C C O O C C W W U U O

A0

SCADA: system iFIX

struktura rozproszona teletransmisja

systemy SCADA

Inteligentne węzły

Algorytmy sterowania

nadrzędnego

Zastosowane technologie teleinformatyczne

CAN fieldbus

Main source

PLC2

pumps

sensors valves

PLC1

x

C C O O

C C W W U U O C

C O O C C W W U U O

B1

C C O O C C W W U U O

A0

SCADA: system iFIX

struktura rozproszona teletransmisja

systemy SCADA

Inteligentne węzły

Algorytmy sterowania nadrzędnego

u _zco

valve

F _zco , T _pco

heaters

T pom

m

modele

Inny przykład

Typowa struktura przemysłowego układu sterowania

© 2011 Wojciech Grega, Department of Automatics, AGH-UST

Wielowarstwowa struktura hirerachiczna z poziomym i pionowym przepływem danych

PLC nodes

device bus

I/O Device nodes

plant bus

intranet

plant

Transducer, actuators

sensor bus

M SCADA

Management,

planning,

analysis

Hierarchia jest logiczna i

tradycyjna

Produkcja i dystrybucja

energii elektrycznej

plant

M

IT Infrastructure

© 2011 Wojciech Grega, Department of Automatics, AGH-UST

Tradycyjnie, stosuje się podział produkcji, transportu i dystrybucji energii ze względu na jej rodzaj (energia

elektryczna, cieplna) lub też według źródeł jej pochodzenia (generatory parowe, turbiny wodne, wiatrowe itd.). Należy jednak podkreślić, że z punktu widzenia metod sterowania i monitorowania - generalnie metod automatyki i

informatyki przemysłowej - podział ten nie jest istotny. Projektanta systemu automatyki interesuje przed wszystkim przepływ informacji: liczba zmiennych procesowych, ich charakter (ciągłe – analogowe czy też dyskretne - cyfrowe?), ich dynamika (czy są to sygnały szybko czy wolnozmienne?) oraz kryteria jakości dla algorytmów sterowania (np.

sterowanie w stanach zakłóceniowych czy bezzakłóceniowych sytemu energetycznego?).

Struktury systemów sterowania, algorytmy przetwarzania danych, stosowane standardy informatyczne, protokoły transmisji danych będą podobne, niezależnie od tego, czy rozważany jest system automatyki dla obsługi sieci energetycznej, czy też sterowania rozległym system grzewczym.

W jednym i drugim przypadku kluczowymi elementami takich projektów są:

 rozproszone układy pomiarowo-sterujące, tworzące węzły automatyki wyposażone w lokalną inteligencję,

 sieci transmisji danych, wspierane przez standardowe protokoły działające w czasie rzeczywistym,

 nadrzędne systemy monitorowania i sterowania, w tym systemy SCADA,

 systemy realizujące zaawansowana analizę i przetwarzanie danych,

 narzędzia informatyczne dla integracji podsystemów.

© 2011 Wojciech Grega, Department of Automatics, AGH-UST

Tradycyjnie, stosuje się podział produkcji, transportu i dystrybucji energii ze względu na jej rodzaj (energia

elektryczna, cieplna) lub też według źródeł jej pochodzenia (generatory parowe, turbiny wodne, wiatrowe itd.). Należy jednak podkreślić, że z punktu widzenia metod sterowania i monitorowania - generalnie metod automatyki i

informatyki przemysłowej - podział ten nie jest istotny. Projektanta systemu automatyki interesuje przed wszystkim przepływ informacji: liczba zmiennych procesowych, ich charakter (ciągłe – analogowe czy też dyskretne - cyfrowe?), ich dynamika (czy są to sygnały szybko czy wolnozmienne?) oraz kryteria jakości dla algorytmów sterowania (np.

sterowanie w stanach zakłóceniowych czy bezzakłóceniowych sytemu energetycznego?).

Struktury systemów sterowania, algorytmy przetwarzania danych, stosowane standardy informatyczne, protokoły transmisji danych będą podobne, niezależnie od tego, czy rozważany jest system automatyki dla obsługi sieci energetycznej, czy też sterowania rozległym system grzewczym.

W jednym i drugim przypadku kluczowymi elementami takich projektów są:

 rozproszone układy pomiarowo-sterujące, tworzące węzły automatyki wyposażone w lokalną inteligencję,

 sieci transmisji danych, wspierane przez standardowe protokoły działające w czasie rzeczywistym,

 nadrzędne systemy monitorowania i sterowania, w tym systemy SCADA,

 systemy realizujące zaawansowana analizę i przetwarzanie danych,

 narzędzia informatyczne dla integracji podsystemów.

Różnice:

• ilość przetwarzanej informacji

• wymagane czasy reakcji (dynamika

procesów) – czasy przetwarzania w węzłach, dopuszczalne opóźnienia transmisji

• wymagania niezawodnościowe (redundancja, pewność transmisji danych)

• wymagania dotyczącę przetwarzania danych

Dwie metody połączenia urządzenia sterującego z procesem

Przetwarzanie danych odległe od

źródła sygnału cyfrowego

Przetwarzanie danych bliskie źródła sygnału

cyfrowego

Sterownik Aktuatory

u(k)

x(t) Czujniki T0











x(k) u(t)

Proces

Sieć

Transmisja danych jest procesem z czasem dyskretnym

DLACZEGO?

• Rozproszone rozwiązania automatyki stawiają nowe zadania

projektantom sprzętu, oprogramowania i algorytmów sterowania.

• Rozwiązania rozproszone mogą wnosić do modelu dynamiki systemu sterowania pewne komplikacje, związane z opóźnieniami transmisji danych lub nawet możliwością utraty danych.

• Zjawiska te trzeba identyfikować, a następnie próbować uzyskać odpowiedź na pytanie: ile tego typu zakłóceń system sterowania może tolerować i czy doskonaląc algorytm sterowania nie można tych

niekorzystnych efektów wyeliminować?

•Tendencja ta jest wynikiem coraz większej dostępności wydajnych węzłów pomiarowo-sterujących, zawierających interfejsy sieciowe. Liczne zalety

takiego rozwiązania i coraz niższe koszty „inteligentnych węzłów” w układach automatyki spowodowały ewolucję systemów sterowania ze struktury

multiplekserowej do sieciowej.

Rozproszone systemy sterowania są obecnie rozwiązaniem

powszechnie stosowanym we współczesnych układach automatyki

ALE:

DLACZEGO?

• Rozproszone rozwiązania automatyki stawiają nowe zadania

projektantom sprzętu, oprogramowania i algorytmów sterowania.

• Rozwiązania rozproszone mogą wnosić do modelu dynamiki systemu sterowania pewne komplikacje, związane z opóźnieniami transmisji danych lub nawet możliwością utraty danych.

• Zjawiska te trzeba identyfikować, a następnie próbować uzyskać odpowiedź na pytanie: ile tego typu zakłóceń system sterowania może tolerować i czy doskonaląc algorytm sterowania nie można tych

niekorzystnych efektów wyeliminować?

•Tendencja ta jest wynikiem coraz większej dostępności wydajnych węzłów pomiarowo-sterujących, zawierających interfejsy sieciowe. Liczne zalety

takiego rozwiązania i coraz niższe koszty „inteligentnych węzłów” w układach automatyki spowodowały ewolucję systemów sterowania ze struktury

multiplekserowej do sieciowej.

Rozproszone systemy sterowania są obecnie rozwiązaniem

powszechnie stosowanym we współczesnych układach automatyki

Przetwarzanie danych na odporną postać cyfrową odbywa się blisko źródła sygnału Możliwość tworzenia rozległych terytorialnie układów automatyki , także mobilnych

Błędy i awarie są ograniczone do pojedynczego węzła

Budowa i uruchamianie systemu automatyki odbywa się etapami, przez integracje

kolejnych podsystemów

Łatwa skalowalność np. poprzez kopiowanie węzłów

Utrzymanie: możliwość wymiany

pojedynczych węzłów, łatwa diagnostyka kanałów transmisji danych

ALE:

Rozwój metod sterowania cyfrowego

Centralny komputer sterujący

Automatyka analogowa, przekaźniki

1970 1980 1990 2000

Sterowniki PLC

Systemy otwarte

Systemy rozproszone

Przykład 3: B 777

B777: Actuator Control Electronics

Power Supply

&

Condition

ARINC 629 Interface LEFT BUS

ARINC 629 Interface CENTER BUS

ARINC 629 Interface RIGHT BUS

Input Signal Monitoring & Signal Selection

Primary PCU Servo Loops & Monitors:

Elevator Aileron Flaperon

Rudder

Spoiler Servo Loops

Feel Actuator Servo Loops

Backdrive Actuator Servo Loops

Auto Speedbrake Arm

Control Mode Selection PILOT COMMANDS

Direct Analog Mode Engage

Flight Control ARINC 629 Data Bus

Systemy scentralizowane

Systemy rozproszone przewodowe,

„punkt-do punktu”

Systemy rozproszone przewodowe, magistralowe, protokoły dedykowane

Systemy rozproszone przewodowe, magistralowe, protokoły otwarte

Systemy rozproszone

bezprzewodowe protokoły otwarte, topologia ustalona

Systemy rozproszone

bezprzewodowe protokoły otwarte, sieci samoorganizujące się

Router, bridge

AP

AP

Ewolucja metod

transmisji danych w

systemach sterowania

i monitorowania

Różnorodność protokołów transmisji

transmisja cyfrowa

standardy standa rdy

specjalizowane

szeregowe równoległe szeregowe

  RS 232

  RS 423

  RS 485

  USB

  FireWire

  Ethernet

  Centronix

  SCSI

  WorldFip

  PROFIBUS

  CAN

  FlexRay

  LONWorks

  IEEE 1394

  ProfiNet przewodowe

bezprzewodowe równoległe

  GPIB

  MXI

  IEEE 1284

  Bluetooth

  GPRS

  WLAN

  ZigBee

  WiMax

I-Ethernet

Zestawienie parametrów wybranych lokalnych sieci przemysłowych.

WorldFIP Profibus DP InterBus-S CAN LonWorks

Kryteria technologiczne I warstwa OSI Skrętka, RS-485,

światłowód, Skrętka, RS-485,

światłowód Skrętka 2x2, RS-485 Skrętka, RS-485,

światłowód Różne media Kryteria topologiczne

Struktura Magistralowa,

gwiaździsta Magistralowa,

gwiaździsta Pierścieniowa Magistralowa,

gwiaździsta Magistralowa, gwiaździsta

Długość maksymalna 1200m/seg (1Mb/s) 14000m max (1Mb/s)

1200m/seg (<100kb/s) 6000m maks.

400m/węzeł (<500 kbit/s) 13000 m maks.

1000 m (40 Kb/s) 2200 m

Liczba węzłów 256/segm 32/seg, 124 seg. maks 64/pierścień,

256 maks 32/segment 127/seg,

255 segmentów maks.

Kryteria czasowe Prędkość transmisji

(skrętka)

31.25kb/s - 2.5Mb/s

9.6 kb/s (1200 m) 500 kb/s (400 m) 1.5 Mb/s (200m) 12 Mb/s (40 m)

500 kb/s 1Mb/s (maks.) 78 kb/s (2000m.) 1.25 Mb/s (500m)

Opóźnienie (maks) czas makrocyklu 10 ms^* 3,5 ms^* < 160 s 7 ms

Kryteria informatyczne Dostęp do magistrali Deterministyczny:

centralny arbiter, multipleksowane okna czasowe

Deterministyczny:

zdecentralizowany:

„token bus”, zcentralizowany:

odpytywanie

Deterministyczny:

TDMA

Losowy:

arbitraż bitowy CSMA/CR

Losowy:

predyktywny CSMA- CA, priorytety

Model wymiany danych

Producent/konsument:

dane cykliczne i komunikaty

„Multi master” oraz przepytywanie („pooling”)

„Single

master”/”multiple slave”

Zmienne globalne (producent / konsument)

„Multi master”

producent / konsument

Zabezpieczenie danych 16-bit CRC 16-bit CRC 16-bit CRC 16-bit CRC, ACK

16-bit CRC

Pole danych 128 bajty/zm. 30 bajty/ zm. 2 bajty/ zm. 8 bajtów/zm. 20 bajtów/zm.

Norma EN 50170 DIN E-19245,

EN 50170

DIN E-19258, ISO 11519-2, ISO 11898

Zestawienie parametrów wybranych lokalnych sieci przemysłowych.

WorldFIP Profibus DP InterBus-S CAN LonWorks

Kryteria technologiczne I warstwa OSI Skrętka, RS-485,

światłowód, Skrętka, RS-485,

światłowód Skrętka 2x2, RS-485 Skrętka, RS-485,

światłowód Różne media Kryteria topologiczne

Struktura Magistralowa,

gwiaździsta Magistralowa,

gwiaździsta Pierścieniowa Magistralowa,

gwiaździsta Magistralowa, gwiaździsta

Długość maksymalna 1200m/seg (1Mb/s) 14000m max (1Mb/s)

1200m/seg (<100kb/s) 6000m maks.

400m/węzeł (<500 kbit/s) 13000 m maks.

1000 m (40 Kb/s) 2200 m

Liczba węzłów 256/segm 32/seg, 124 seg. maks 64/pierścień,

256 maks 32/segment 127/seg,

255 segmentów maks.

Kryteria czasowe Prędkość transmisji

(skrętka)

31.25kb/s - 2.5Mb/s

9.6 kb/s (1200 m) 500 kb/s (400 m) 1.5 Mb/s (200m) 12 Mb/s (40 m)

500 kb/s 1Mb/s (maks.) 78 kb/s (2000m.) 1.25 Mb/s (500m)

Opóźnienie (maks) czas makrocyklu 10 ms^* 3,5 ms^* < 160 s 7 ms

Kryteria informatyczne Dostęp do magistrali Deterministyczny:

centralny arbiter, multipleksowane okna czasowe

Deterministyczny:

zdecentralizowany:

„token bus”, zcentralizowany:

odpytywanie

Deterministyczny:

TDMA

Losowy:

arbitraż bitowy CSMA/CR

Losowy:

predyktywny CSMA- CA, priorytety

Model wymiany danych

Producent/konsument:

dane cykliczne i komunikaty

„Multi master” oraz przepytywanie („pooling”)

„Single

master”/”multiple slave”

Zmienne globalne (producent / konsument)

„Multi master”

producent / konsument

Zabezpieczenie danych 16-bit CRC 16-bit CRC 16-bit CRC 16-bit CRC, ACK

16-bit CRC

Pole danych 128 bajty/zm. 30 bajty/ zm. 2 bajty/ zm. 8 bajtów/zm. 20 bajtów/zm.

Norma EN 50170 DIN E-19245,

EN 50170

DIN E-19258, ISO 11519-2, ISO 11898

Sieci WLAN

Sieci bezprzewodowe mają istotne zalety w stosunku do rozwiązań przewodowych, wśród których należy wymienić:

 redukcja kosztów w stosunku do sieci przewodowych, tak przy instalacji jak i podczas utrzymaniu w ruchu,

 elastyczność: pozwalają na szybka rekonfigurację układu sterowania,

 mobilność: możliwość sterowania obiektami ruchomymi,

 możliwość samorganizacji sieci, tworzenie struktur nadmiarowych.

Istnieją też wady tego rozwiązania:

 czas dostępu do węzła pomiarowego (sterującego) jest zazwyczaj dłuższy w porównaniu z analogicznym protokołem przewodowym,

 większe jest prawdopodobieństwo utraty danych, spowodowane przerwami w transmisji.



Wady te można jednak w znacznym stopniu kompensować poprzez dobór odpornych algorytmów

sterowania.

02 –01-06 Katedra Automatyki AGH

Tab. 1 Porównanie wybranych standardów bezprzewodowych

Bluetooth WLAN ZigBee WiMax

Zasięg 10-100 m 100 m 30-100 m 45 km

Standard IEEE 802.15.1 IEEE

802.11a/b/g

IEEE 802.15.4 IEEE 802.16 Organizacja

wspierająca

www.bluetooth .org

www.wi-fi.org www.zigbee.org www.wimaxforum.org Zakresy

częstotliwości

2.4 GHz 2.4 GHz or 5 GHz

868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz

10-66 GHz Maksymalny

przesył danych

1Mbps 5.5/11/54 Mbps (w zależności od substandardu)

20/40/250 kbps (w zależności od substandardu)

do 268 Mbps

Czas dostępu do węzła

3 s 2 s 30 ms brak danych

Przewidywane główne

zastosowania

Zastąpienie okablowania, zdalne,

pomiary

Ethernet

bezprzewodowy, redukcja

okablowania

Monitorowanie i sterowanie, sieci

“ad-hoc”, konfiguracje nadmiarowe, inteligentne budynki, macierze czujników

Sieci szkieletowe dla

automatyki

W literaturze podaje się przykład sieci przemysłowej o 200 węzłach, której koszt realizacji

oszacowano dla technologii przewodowej i kilku reprezentatywnych technologii bezprzewodowych (tab.2). Warto zwrócić uwagę, że koszt elementów pojedynczego węzła (moduł radiowy,

mikrokontroler) w każdym przypadku nie przekracza 20 USD i należy się spodziewać, że koszt ten będzie się obniżał.

Typ sieci przewodowa Bluetooth ^WLAN ZigBee Koszt (USD) 70 000 34 000 17 500 12 000

02 –01-06 Katedra Automatyki AGH

Wsparcie sprzętowe i programowe technologii rozproszonych

CN 1 CN 2 CN

3 CN 4 CN

5

warstwa sprzętu

RTK

system operacyjny

driver

Magistrala bufor

Aplikacja:

1. Sterowniki

© 2011 Wojciech Grega, Department of Automatics, AGH-UST

• Embedded Systems, when the computer becomes a component of a larger system,

• Industrial Control Systems, when the computer creates a self-contained control configuration.

Hardware platform Minimal cycle^**) Examples of RTOS

Microcontrollers 10- 50 s -

DSP controllers 1 s dSPACE

PLC 1-20 ms dedicated

FPGA controllers 10 s EDA

VME industrial controllers 100 s QNX, VxVorks

IPC^*) 100 s Extended Windows, RTLinux

*) industrial PC, ^**) time interval between input reading and output signal generation

Table 2.1. Industrial RT solutions

Technologie węzłów automatyki

33

• FPGA (Field Programmagle Gate Array) to:

• zestaw sekwencyjnych oraz kombinacyjnych elementów logicznych (tj. przerzutników i bramek)

• zestaw bloków I/O definiujących funkcje wyprowadzeń układu scalonego

• zestaw elementów połączeniowych łączących ww. elementy

• Pojemności układów do 8 milionów bramek (8-bitowy mikrokontroler wymaga tysięcy bramek), liczba

wyprowadzeń po wykorzystania przez użytkownika >500, czas propagacji pojedynczej komórki <1ns

• Funkcje elementów składowych układu FPGA nie są określone przez producenta lecz przez użytkownika układu

• Programowanie w językach opisu sprzętu (VHDL) o strukturze podobnej do języka ADA

 Regulatory o czasach wyliczania

sterowania na poziomie nanosekund, np.

–PID o czasie liczenia wyjścia równym 13ns

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 po dołączeniu zasilacza i transformatora sieci komputerowej

 Struktura sprzętowa przystosowana do podłączenia

 czujników oraz elementów wykonawczych

 Niski koszt

02 –01-06 Katedra Automatyki AGH

2. Węzły pomiarowo-wykonawcze

Wsparcie sprzętowe i programowe technologii

bezprzewodowych

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.

Web server Analog/Digital- Converter Digital/Analog-

Converter

Digital I/O ..

..

HTTP

Devicetobecontrolled

2. Węzły pomiarowo- wykonawcze

Wsparcie sprzętowe i programowe technologii bezprzewodowych

Moduł telemetryczny MT-101

02 –01-06 Katedra Automatyki AGH

2. Węzły pomiarowo-wykonawcze

Moduł telemetryczny MT-101 – zasoby podstawowe:

• 8 optoizolowanych wejść binarnych 24V AC/DC

• 8 swobodnie konfigurowalnych wejść/wyjść binarnych 24V DC

• 2 optoizolowane wejścia analogowe 4-20 mA

• izolowany port szeregowy RS232/485/422

• port szeregowy RS232 (serwisowy)

• zegar czasu rzeczywistego RTC

Sposoby komunikacji

• GPRS – transmisja pakietowa

• SMS

– protokoły emulowane przy GPRS i transmisji danych

• MODBUS RTU (Master/Slave)

• tryb przezroczysty (potencjalnie dowolny protokół)

• modem

02 –01-06 Katedra Automatyki AGH

Protokoły

02 –01-06 Katedra Automatyki AGH

Ze względu na wysoki koszt takiego interfejsu i wydłużenie czasu transmisji protokoły komunikacyjne przemysłowych sieci komputerowych są zazwyczaj stosunkowo proste i nie wymagają implementacji wszystkich warstw modelu OSI. Pominięcie implementacji pewnych warstw m.in. ułatwia realizację uzależnień czasowych wynikających z warunków pracy w czasie rzeczywistym.

dane

Prezentacji Aplikacji

Sesji

Danych Sieciowa

Fizyczna Transportowa

RS 232

prot. asynchron.

IP TCP

Ethernet 2.0

Zgodność wybranych standardów z modelem OSI.

Standard Implementacja modelu OSI

WorldFIP 1,2,7

Profibus DP 1,2 InterBus-S 1,2,7

CAN 1,2

LonWorks 1-7

TCP/IP -Ethernet 1,2,3,4

Transmission control protocol

Internet protocol

02-04-10 Katedra Automatyki AGH

Stosowane modele dostępu można sklasyfikować jako:

 o dostępie przypadkowym (losowym): każda stacja ma nieograniczony dostęp do medium (bez oczekiwania na pozwolenie), o ile tylko stwierdzi „ciszę” na magistrali,

 o dostępie kontrolowanym: każda stacja musi oczekiwać na zezwolenie na dostęp do sieci.

Zezwolenie może być udzielane przez centralną stację („master”) lub uprawnienie to może być rozdzielone pomiędzy kilka stacji (konieczny „arbiter”).

Zastosowanie losowego modelu dostępu może prowadzić do kolizji. Wymagane jest wtedy zastosowanie jednego z poniższych mechanizmów rozstrzygania kolizji:

 CSMA/CD - ISO 8802-3 (ang. Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection):

wykrycie kolizji powoduje ponowienie transmisji po losowo wybranym przedziale czasu (stosowane np. w sieci Ethernet),

 CSMA/CA (ang. Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance): wykrycie kolizji powoduje przydzielenie „okien czasowych” (ang. time slot) umożliwiających ponowienie transmisji,

 arbitraż bitowy: CSMA/CD/AMP (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detection and Arbitration on Message Priority): zaistnienie konfliktu powoduje porównanie

bitu priorytetu umieszczonego na początku ramki z priorytetem stacji i ewentualne

przerwanie transmisji. Wiadomość o niższym priorytecie jest tracona. Mechanizm ten jest

stosowany w sieci CAN.

Przemysłowe, lokalne sieci komputerowe (LAN)

Modele komunikacji

Model komunikacji określa sposób współużytkowania sieci komunikacyjnej, czyli dostępu do medium komunikacyjnego. Jest to podstawowa cecha przemysłowej sieci lokalnej, która decyduje o jej zachowaniu przy realizacji zadań sterowania czasu rzeczywistego. Podstawowym zagadnieniem, jakie precyzuje model komunikacji jest dopuszczenie bądź niedopuszczenie do wystąpienia w sieci kolizji, a w tym pierwszym przypadku również podanie sposobu rozwiązywania sytuacji kolizyjnych.

Pojęcie kolizji związane jest z rozłożonym charakterem obiektu fizycznego jakim jest sieć

komunikacyjna. O ile typowe zjawiska falowe (zjawisko odbicia sygnału w kablu magistralowym

i zdudnienia, zniekształcenie sygnału na długości kabla) mogą być korygowane środkami

technicznymi, o tyle prawidłowe współużytkowanie takiego obiektu wymaga zabezpieczeń na

poziomie warstwy sieciowej i warstwy danych modelu OSI. Aby ten fakt sobie uświadomić,

wystarczy rozważyć odcinek sieci o długości 1 km, w którym przesyłany jest niemodulowany

sygnał z szybkością 10 Mbitów/s. Czas emisji pojedynczego bitu wynosi 0,1 s, podczas gdy

czas przesyłu (tzw. propagacji) wynosi ok. 3-4 s. Wynika stąd, że jeden ze

współużytkowników znajdujących się na końcach odcinka sieci może rozpocząć transmisje w

sytuacji, kiedy w kablu „wędruje” już kilkadziesiąt bitów wyemitowanych przez drugiego ze

współużytkowników. W odcinku sieci może zaistnieć wtedy nieprzewidziany stan napięć i

prądów, określany mianem kolizji

02-04-10 Katedra Automatyki AGH

Przemysłowe, lokalne sieci komputerowe (LAN)

A B

A B

A B

A B

A zaczyna transmisję

B zaczyna transmisję

B wykrywa kolizję

A wykrywa kolizję

Kolizje – źródłem braku determinizmu

Efekty kolizji: sieć Ethernet

Sieć Ethernet

Obciążenie sieci % Opóźnienie średnie

0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

8000

Histogram opóźnień

Liczba próbek

Wartości opoźnień [s]

 Jest to jedna z najstarszych

przemysłowych technologii LAN

 Większość współczesnych PLC dysponuje interfejsami Ethernet

• Technologia najbardziej rozpowszechniona, ale ma

NIEDERMINISTYCZNY czas odpowiedzi (w przypadku kolizji odłączenie węzła następuje na czas przypadkowy)

• Brak rozróżnienia zadań RT i

nonRT

Przemysłowe, lokalne sieci komputerowe (LAN)

Danych Sieciowa

Fizyczna

MAC: 8802.3 CSMA/CD

MAC: 8802.4 Token bus

MAC: 8802.5 Token ring Logical Link Control

8802.2

Internetworking 8802.1

MAC: 8802.11

Wireless LAN

Regulator Aktuatory

u(k)

x(t) Czujniki T0













x(k) u(t)

Proces

Sieć

s

s





Rozwiązania rozproszone mogą wpływać na model dynamiki układu sterowania

500 1000 1500 2000 2500

0 5 10 15 20

opóźnienie [s]

no. pakietu

zagubione

Ethernet czasu rzeczywistego

Proponowane usprawnienia to:

• wydzielenie sieci Ethernet wyłącznie do celów sterowania,

• ograniczenie opóźnień i zwiększenie przepustowości poprzez podnoszenie szybkości transmisji (100 Mb/s, 1Gb/s),

• poprawa determinizmu (ograniczenie domen kolizji) poprzez wprowadzenie przełączników, czyli urządzeń umożliwiających chwilowe zestawienie dedykowanego połączenia „punkt-do-punktu”,

• wykorzystanie szybszej wersji protokołu UDP/IP zamiast TCP/IP,

• modyfikacje protokołu: rozróżnienie przesyłu danych realizowano w

czasie rzeczywistym, od przepływów nie wymagających spełnienia tego

warunku (np. priorytetyzacja pakietów - norma IEEE 802.1p)

No. 49

Przegląd technologii

• CC Link IE

• Drive CliQ

• EPA

• EtherCAT

• EtherNet/IP + CIP Sync

• Ethernet Powerlink

• IEEE 1588 / PTP

• JetSync

• Modbus RTPS

• Mechatrolink III

• PowerDNA

• Profinet

• RAPIEnet

• RTEX

• SafetyNET p

• SERCOS III

• SynqNet

• TCnet

• Varan

• Vnet/IP

• IEC 61850

Source: http://www.real-time-ethernet.de/

No. 50

Przegląd technologii

CC Link IE Drive CliQ

• EPA

• EtherCAT

• EtherNet/IP + CIP Sync

• Ethernet Powerlink

• IEEE 1588 / PTP JetSync

• Modbus RTPS Mechatrolink III

PowerDNA

• Profinet

• RAPIEnet RTEX

SafetyNET p

• SERCOS III SynqNet

• TCnet Varan

• Vnet/IP

• IEC 61850

Source: http://www.real-time-ethernet.de/

Przegląd technologii

CC Link IE Drive CliQ EPA

• EtherCAT

• EtherNet/IP + CIP Sync

• Ethernet Powerlink IEEE 1588 / PTP

JetSync

• Modbus RTPS Mechatrolink III

PowerDNA

• Profinet RAPIEnet RTEX

SafetyNET p

• SERCOS III SynqNet

• TCnet Varan

• Vnet/IP

• IEC 61850

Source: http://www.real-time-ethernet.de/

Przegląd technologii

CC Link IE Drive CliQ EPA

• EtherCAT

• EtherNet/IP + CIP Sync

• Ethernet Powerlink IEEE 1588 / PTP

JetSync

Modbus RTPS Mechatrolink III

PowerDNA

• Profinet RAPIEnet RTEX

SafetyNET p

• SERCOS III SynqNet

TCnet Varan

IEC 61850

Source: http://www.real-time-ethernet.de/

Ethernet czasu rzeczywistego: norma IEC 61 784-2

Aplikacji

Danych Sieciowa

Fizyczna Transportowa

IP TCP/UDP

Ethernet MAC RT

IP TCP/UDP

Ethernet MAC RT

Priorytet

IP TCP/UDP

Ethernet MAC RT

Zarządzanie ruchem

Kl. 1 Kl. 2 Kl. 3

Model ISO

 < 1 ms

 < 10 ms

 < 100 ms Tabela.2. Parametry sieci ProfiNet

typ ruchu opóźnienie (latency)

niepewność (jitter) Nie RT

 100ms  100%

RT Class 1  5ms  15%

RT Class 2  250 s  0.4%

* RT – Real Time

Standard IEC 61850 dla energetyki

• Generic Object Oriented Substation Event – Messaging (GOOSE Messaging)

• Bazuje na Ethernecie

54

Określenie “sixty-one-eight-fifty”

stało się oznaczeniem nowej generacji podstacji energetycznych, o wyposażonej w urządzenia

teleinformatyczne (w tym interfejsy do sieci 61850 , wyższej funkcjonalności i konfigurowlności , kształtownej metodami

programowymi .

Bay 1 Bay 2 Bay 3

c

Network Control Center

Substation A ut omation Sy st em

IEC 61850

Gateway Router

IEC 61850

Supervisory substation control

SCADA Intelligent Sub-station

Protection strategies, PQ

strategies, active demand

algorithms...

Przykład: struktura podstacji

A to pełny schemat ..

Printer Server 1

Alarm and Event Printer 1 LA36W

Fibre optic station bus (LON) in star configuration

4 x Star Coupler RER111 including redundant power supply

GPS Master

SAS570Advanced S ubstation Automation S ystem

Operator's W orkstation 2

Operator's Workstation 1

Global Position System

Front-End Station Computer 1

Front-End Station Computer 2 Alarm and

Event Printer 2 LA36W

Redundant Station LAN TCP-IP Printer Server 2

LAN-Interface to LV SCMS

Engineering Workstation

Disturbance Recorder Evalution Station to

Central Station

Manual Switch

Bay control unit

REC316*4 Bay control unit

REC316*4

4 x 132kV Cable Line 1 x 132kV Bus Coupler Trafo Interlocking 132kV Common Alarm

Differential protection RET316*4

6 x 500RIO11 DI

SACO64D4 Auxiliary alarm unit 3Ph and neutral OC

SPAJ140C

Bay control unit (loose delivery)

4 x 132/11kV Transformer Feeder SPAJ110C ^{Stand by} earth fault

overcurrent Prot.

SPAJ115C Restricted earth fault Protection

Neutral earth fault Prot.

SPAJ110C

SPAJ115C Restricted earth fault Protection

132kV Side ^{11kV Side}

132kV BBP / BFP

BBP/BFP Central unit

REB500

10 x BBP/BFP Bay unit REB500 Bay control unit

REC316*4 Bay control unit

REC316*4

AVR & Tap Control AVR and tap control

T1 type REGSys Fault Monitoring System

Indactic I650

Coaxial cable Telephon

Modem

SACO64D4 Auxiliary alarm unit AVR and tap control

T2 type REGSys Repeater

(loose delivery)

1 x 500RIO11 DO Service

Modem

132kV Modem NSK

Fallback Switch

LDCs Interface from Station Computer 2 IEC870-5-101 LDCs Interface from Station Computer 1 IEC870-5-101

AVR and tap control T3 type REGSys Line distance prot.

REL316*4

AVR and tap control T4 type REGSys

(loose delivery) (loose delivery)

Bay control unit (loose delivery) HP Color

Laserjet

HP Color

Laserj et

EF and OC SPAJ110C 500RIO11 , 16DI

Analog alarm unit SACO16A3

Station Alarm Unit Station Alarm Unit

SPAJ110C

SPAJ110C

Earth fault overcurrent Prot.

Tertiary Earth fault Prot.

Repeater

Control Protection

Analog alarm unit SACO16A3

FMS Fault Monitoring System 10 x 132kV

4 x 11kV

1 x spare SACO16A3 R

SPAU140C

Synchro-

check

SPAJ140C ^{Phase and} neutral overcurrent Prot.

SACO16A3 R

SACO16A3 R

132kV analog Input

132kV FOX Equipment

11kV analog Input PTUSK Scope

11kV Modem NSK

SACO64D4 Auxiliary alarm unit

Main 2

o/e

o/e

SACO64D4 Auxiliary alarm unit

Ether net

Verbindung zu E4

FO

RS232

Pilot wire diff. prot.

SOLKOR R/Rf.

B69 Überstrom

Main 1

Siemens 7SD610 für E19 Verbindung

Wnioski

• Sterowanie rozproszone jest rozwiązaniem powszechnie stosowanym we współczesnych układach automatyki.

• Dokonano znaczących postępów w zakresie standaryzacji protokołów transmisji danych (tak przewodowych jak i bezprzewodowych)

przeznaczonych dla przesyłu danych w czasie rzeczywistym, z gwarantowanymi okresami próbkowania i sterowania nie

przekraczającymi ułamków mikrosekund.

• Jakość działania rozproszonego systemu sterowania można poprawiać poprzez doskonalenie algorytmów sterowania, tworząc

rozwiązania o cechach algorytmów odpornych na zakłócenia wnoszone przez kanały transmisji danych.

Dziękuje!

wgr@agh.edu.pl

Literatura

Ksiązki i artykuły w periodykach

 Grega W. (2004): Sterowanie cyfrowe w systemach skupionych i rozproszonych, Seria:

Monografie Komitetu Automatyki i Robotyki PAN, vol.7, Wydawnictwa AGH, ISBN 83- 89388-78-2

 Grega W.(2003): A Web Based Industrial Control Laboratory, in: Advances in Control Education Proceedings of the 6th IFAC Symposium, Oulu, Finalnd, 16-18 June 2003, Edited by Lindfors, Elsevier Science Ltd. Oxford, ISBN 0-08-043559-9, 2003

 Grega W. (2005), Stabilne układy sterowania rozproszonego, Prace Międzywydziałowej Komisji Nauk Technicznych Polskiej Akademii Umiejętności, Tom 1, s. 70-109.

 Grega W. (1996): Integrated environment for real-time control and simulation, Computers in Industry, Elsevier, vol. 31, pp. 3-14.

 Grega W, K. Kołek (2001): Sterowanie nadrzędne węzłem cieplnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, vol.5, nr,7, 2001, s. 18-24, (50%)

 Grega W.(2001): Problemy rozproszonej regulacji cyfrowej, Pomiary, Automatyka, Robotyka, vol.5, nr,1, 2001, s. 15-20

 Grega W., K. Kołek (2001): Rozproszone systemy monitorowania i sterowania w ochronie środowiska, Chemia Przemysłowa, nr. 2/2001, s. 18 –21, (50%)

 Grega W.(2002): Ethernet w automatyce, Chemia Przemysłowa nr.4/2002, s.24-26

 Grega W., (2003): Zdalna diagnostyka urządzeń przemysłowych, Chemia Przemysłowa nr.2/2003, 42-44

 Grega W. (2005), Sieci bezprzewodowe w automatyce, Pomiary, Automatyka, Robotyka, vol.9, nr,12



Konferencje krajowe i zagraniczne

 Grega W. (2002): Stability of Distributed Control Systems with Uncertain Delays, 8th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Międzyzdroje 2002, s. 303 – 307

 Grega W. (2003): Smith Predictor Tuning For Compensating Delays In Distributed Control System, Proceedings of 14 International Conference On Process Control, Process Control ’03, Štrbské Pleso, 94-98

 M. Rosół and W. Grega (2004): Three-Tanks Control System Through LonWorks

Fieldbus, 10th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Międzyzdroje, Poland, 2004, 1159-1164,

 Grega W., Piotr Bania (2005): Heating System Control In Commercial Buildings With Peak Demand Adjustment, Proc. of IASTED Conference Energy And Power Systems, Krabi, April 2005, 64-69

 Grega W. (2003): Sterowanie rozproszone: nowe zastosowania klasycznych algorytmów, Materiały Konferencji Metody i Systemy Komputerowe w Badaniach Naukowych i Projektowaniu Inżynierskim , Kraków 2003

 Grega W. P.(2005): Sterowanie modelem nagrzewnicy powietrza przez sieć Ethernet Prace XV Krajowa Konferencja Automatyki, Warszawa 2005, t. III, 193- 198

 M. Rosół and W. Grega (2005): Distributed Control Using Gprs Wireless Network, 11th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Międzyzdroje, Poland, 2005, 149-152

Structure of Industrial Control Systems: SG, DER

An Intelligent Electronic Device (IED) is a term used in the electric power industry to describe microprocessor-based controllers of power system equipment, such as circuit breakers, transformers, and capacitor banks.

Open Smart Grid Protocol

RTU

plant bus : IEC 61850

intranet

Substation

sensor bus SCADA

IED

capacitor banks

Industrial RTU (Remote Terminal Unit): Intelligent Datalogging and

Control in One Device

Combine PLC, datalogger, industrial computer and communications gateway

functionality

Smart meters

hubs

RTUs, PLCs are increasingly

beginning to overlap in

responsibilities, and many vendors

sell RTUs with PLC-like features and

vice versa