Sieć przemysłowa Genius

INSTRUKCJA LABORATORYJNA
(PSK, KSR, SP, IP)
Sieć przemysłowa Genius
Rew. 1.1
INSTYTUT INFORMATYKI
ZESPÓŁ PRZEMYSŁOWYCH ZASTOSOWAŃ INFORMATYKI
GLIWICE 2007
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
Spis treści
1. Wstęp.................................................................................................................................................... 3
2. Sieć Genius............................................................................................................................................4
2.1 Magistrala komunikacyjna........................................................................................................... 4
2.2 Dostęp do medium komunikacyjnego..........................................................................................5
2.3 Transmisja danych....................................................................................................................... 5
3. Zależności czasowe............................................................................................................................... 6
3.1 Długość cyklu sieci Genius.......................................................................................................... 6
3.2 Czas odpowiedzi systemu na wymuszenie...................................................................................6
4. Konfiguracja sieci Genius..................................................................................................................... 8
5. Literatura............................................................................................................................................. 10
Instrukcja nie stanowi materiału komercyjnego i służy wyłącznie do prowadzenia
zajęć dydaktycznych. Wykorzystywanie instrukcji do celów komercyjnych stanowi
naruszenie prawa.
Informacje zawarte w instrukcji mogą ulec zmianie wraz z rozwojem opisywanych
zagadnień. Materiał opracowany na podstawie literatury tematycznej, prac
studenckich oraz materiałów ogólnie dostępnych.
2
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
1. Wstęp
W systemach czasu rzeczywistego stosowanych w przemyśle niejednokrotnie występuje
terytorialne rozproszenie mocy obliczeniowej. W efekcie powstaje system rozproszony, który można
schematycznie przestawić jako szereg węzłów połączonych ze sobą magistralą komunikacyjną
(Rys. 1)
Aplikacja
Koprocesor sieci
Aplikacja
Protokół
Koprocesor sieci
Protokół
Aplikacja
Koprocesor sieci
Stacja
SCADA
Protokół
Rys. 1. Rozproszony system czasu rzeczywistego
W przedstawionym modelu węzły systemu są zbudowane z trzech elementów:
– aplikacji realizującej program aplikacyjny,
– koprocesora sieci odpowiedzialnego za wymianę danych pomiędzy poszczególnymi
węzłami systemu,
– protokołu komunikacyjnego, w oparciu o który jest realizowany proces komunikacji.
Zasadnicza cechą wyróżniającą rozproszone systemy czasu rzeczywistego od innych systemów
rozproszonych jest determinizm czasowy sieci komunikacyjnej. Oznacza to, iż jest możliwe
wyznaczenie dla każdego z abonentów sieci komunikacyjnej maksymalnego czasu dostępu do medium
komunikacyjnego. Ze względu na rodzaj zastosowanego mechanizmu zapewniającego wspomniany
determinizm, sieci przemysłowe można podzielić na trzy podstawowe grupy:
– sieci typu Master-Slave
– sieci typu Producend-Dystrybutor-Kondument (PDK )
– sieci z żetonem (typu Token)
Przykładem sieci z żetonem jest sieć Genius. Pozwala ona nie tylko realizowanie
zdeterminowanego czasowo procesu komunikacji, ale również na budowanie zaawansowanych
systemów z redundancją jednostek centralnych, koprocesorów sieci oraz magistrali komunikacyjnej.
3
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
2. Sieć Genius
2.1 Magistrala komunikacyjna
Na magistralę komunikacyjną sieci Genius składa się para skręconych przewodów w ekranie. 1
Oba końce magistrali komunikacyjnej powinny być zakończone rezystorem terminującym dobranym
odpowiednio do zastosowanego kabla (przeważnie 75Ω – 150Ω). Do sieci Genius może zostać
podłączonych do 32 urządzeń. Sieć może pracować z jedną z czterech prędkości transmisji:
– 153,5 kb/s std
– 153,6 kb/s std
– 76,8 kb/s
– 38,4 kb/s2
Maksymalna długość magistrali komunikacyjnej jest zależna od właściwości elektrycznych
zastosowanego kabla komunikacyjnego. Określa się ją na około 600 metrów dla prędkości pracy
magistrali 152,6 kb/s oraz na 2200 metrów dla 38,4 kb/s.
Kształt sygnału na magistrali komunikacyjnej jest uzależniony od impedancji zastosowanego
kabla oraz od odległości od urządzenia transmitującego dane (zniekształcenia sygnału). W sieci
Genius logicznemu „0” odpowiadają trzy impulsy zmiennoprądowe zaś logicznej „1” brak impulsów.
Kształt sygnału cyfrowego przestawia Rys. 2. W efekcie takiego sposobu kodowania częstotliwość
pracy magistrali jest trzy razy większa od prędkości transmisji (dla 153,6 kb/s jest to 460,8KHz).
Rys. 2 Kształt sygnału cyfrowego w sieci Genius
Każdy znak przesyłany z użyciem sieci Genius składa się z 11 bitów z czego dwa skrajne to bity
startu (zawsze o wartości logicznej „0”) oraz stopu (zawsze „1”). Drugi bit każdego ze znaków to bit
kontrolny, który bezpośrednio poprzedza 8 bitów danych. Nie występują przerwy pomiędzy kolejno
wysyłanymi znakami.
Pojedyncza ramka składa się ze znaku startu, pola danych oraz znaku stopu. Znak startu zawiera
adres urządzenia, do którego jest kierowana ramka lub adres rozgłoszeniowy. Na znak stopu składa się
suma kontrolna CRC-6. Pole danych zawiera zawsze co najmniej jeden znak. W przypadku, gdy dane
przeznaczone do transmisji nie mogą zostać umieszczone w jednym polu danych (w jednej ramce) ze
względu na jego ograniczony rozmiar, konieczne jest podzielenie takiego bloku danych na szereg
ramek. W takiej sytuacji w polu danych pierwszej oraz ostatniej ramki takiego szeregu ramek są
umieszczane dodatkowe znaczniki wskazujące początek oraz koniec bloku danych.
1
Jest również możliwa budowa magistrali komunikacyjnej w oparciu o kable światłowodowe. Jednak do tego
celu konieczne jest zastosowanie odpowiednich modemów komunikacyjnych.
2 Sieć pracująca z częstotliwością 38,4 kb/s może obsłużyć maksymalnie 16 abonentów.
4
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
2.2 Dostęp do medium komunikacyjnego
Jak już zostało powiedziane we wstępie sieć Genius jest siecią z żetonem. Żeton ten jest
przekazywany kolejno od abonenta o adresie SBA0 (ang. Serial Bus Address) do abonenta o adresie
SBA31. Gdy urządzenie SBA 31 zakończy nadawanie, żeton wraca do abonenta SBA0 i tym samym
następuje rozpoczęcie kolejnego cyklu pracy sieci. Abonentem SBA31 musi być zawsze kontroler
sieci Genius - tzw. GBC (ang. Genius Bus Kontroler). W sieci może pracować więcej niż jeden
kontroler GBC.
Proces przekazania żetonu rozpoczyna się w chwili wysłania przez abonenta aktualnie
posiadającego żeton informacji o zakończeniu nadawania (sign-off message). Każdy z abonentów sieci
po otrzymaniu takiej ramki rozpoczyna odliczanie czasu opóźnienia nadawania. Dany abonent
rozpoczyna nadawanie w chwili upłynięcia tego czasu opóźnienia pod warunkiem, że żadne inne
urządzenie nie rozpoczęło nadawania. Wielkość odliczanego czasu opóźnienia jest równa iloczynowi
pewnej stałej czasowej (zależnej od częstotliwości pracy magistrali) oraz różnicy pomiędzy adresami
abonenta wyznaczającego wielkość opóźnienia czasowego i abonenta, który wysłał ramkę „sign-off”.
Przykładowo dla prędkości pracy magistrali równej 153,6 kb/std oraz sieci złożonej z trzech
abonentów SBA11, SBA21 oraz kontrolera GBC, po zakończeniu nadawania przez urządzenie SBA11
(po wysłaniu komunikatu sign-off message ), czas opóźnienia wyliczony przez poszczególne pozostałe
urządzenia to:
− dla SBA 21 – k * (21-11) = 0,025ms * 10 = 0,25ms,
− dla GBC – k * (31-11) = 0,025ms * 10 = 0,5ms
Zatem abonent SBA21 rozpocznie nadawanie po upływie czasu 0,25ms od odebrania ramki
zakończenia transmisji od SBA11. Kontroler GBC będzie natomiast odliczał czas opóźnienia równy
0,5ms jednakże zanim on upłynie zostanie wykryta aktywność urządzenia SBA21 przez co odliczanie
zostanie zatrzymane, aż do zakończenia nadawania przez urządzenie SBA21.
Opisany powyżej sposób przekazania żetonu (w tym przypadku tzw. „ukrytego” lub
„wirtualnego” żetonu) zapewnia, że podłączanie lub odłączanie urządzeń do/z sieci Genius nie zakłóca
pracy innych urządzeń z tej sieci korzystających. Należy jednakże zauważyć, iż fizyczna zmiana
konfiguracji sieci powoduje wydłużenie czasu trwania cyklu sieci spowodowane koniecznością
wysyłania dodatkowych ramek serwisowych przez podłączane urządzenia. W szczególnym przypadku
może doprowadzić do naruszenia ograniczeń czasowych określonych dla danego systemu.
2.3 Transmisja danych
Sieci Genius może być używana między innymi do komunikacji kontrolera GBC (będącego
modułem koprocesora komunikacyjnego sterownika PLC) ze zdalnymi stacjami wejść/wyjść.
Otrzymywane z tych stacji dane wejściowe (%I oraz %AI) są wysyłane w każdym cyklu sieci
z użyciem ramki rozgłoszenia do wszystkich znajdujących się w sieci urządzeń (w szczególności
koprocesorów GBC). Wyjścia (%Q oraz %AQ) są transmitowane przed moduły kontrolerów do
odpowiednich stacji wejść/wyjść. Jedna stacja wejść/wyjść może wymieniać z kontrolerami GBC
maksymalnie 256 bajtów danych (128 bajtów wejściowych oraz 128 bajtów wyjściowych, czyli 64 do
wartości analogowych oraz do 1024 wartości dyskretnych)
Oprócz transmisji danych dotyczących stanu wejść/wyjść, w sieci Genius jest również możliwe
wysyłanie datagramów (maksymalnie 128 bajtów danych). Są one wysyłane automatycznie, bądź
programowo i mogą służyć między innymi do diagnostyki bądź też zdalnej konfiguracji abonentów
pracujących w sieci.
Ponadto wykorzystanie mechanizmu Global Data umożliwia transmisję w każdym cyklu sieci
dowolnych danych z użyciem ramki rozgłoszenia (maksymalna ilość danych wysyłanych przez
jednego abonenta to 128 bajtów). Do realizacji tego typu wymiany danych jest wymagana jedynie
poprawna konfiguracja modułów GBC – nie ma konieczności tworzenia dodatkowego kodu
w programie aplikacyjnym do jego obsługi.
5
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
3. Zależności czasowe
3.1 Długość cyklu sieci Genius
Jak już zostało wspomniane cyklowi pracy sieci Genius odpowiada obieg żetonu przez
wszystkich abonentów sieci (Rys. 3). Do przeprowadzenia analizy czasowej systemu czasu
rzeczywistego konieczna jest znajomość długości czasu trwania tego cyklu sieci.
Rys. 3 Cykl pracy sieci Genius (Token Path)
Długość cyklu sieci jest zależna od kilku czynników:
1. Częstotliwości pracy magistrali komunikacyjnej.
2. Czasu potrzebnego na realizację zdań komunikacyjnych (transmisję danych) przez
wszystkich abonentów sieci.
3. Czasu potrzebnego na przekazanie żetonu pomiędzy poszczególnymi abonentami (narzut
czasowy wnoszony przez wolne adresy sieciowe).
4. Komunikatów wysyłanych z użyciem sieci (datagramy, Global Data).
5. Czasu potrzebnego na logowanie urządzeń do sieci Genius (istotne tylko podczas
uruchomienia sieci oraz podczas podłączania do niej dodatkowych urządzeń).
Należy przy tym zauważyć, iż czynniki 2-5 są oczywiście uzależnione od wybranej prędkości
transmisji.
3.2 Czas odpowiedzi systemu na wymuszenie
Jednym z podstawowych parametrów systemów czasu rzeczywistego jest czas odpowiedzi na
wymuszenie. Przez wymuszenie jest tutaj rozumiana zmiana wartości wektora wejść systemu (zmiana
stanu obiektu sterowania objawiająca się zmianą stanu wejść cyfrowych czy też analogowych). Czas
odpowiedzi jest to natomiast maksymalny czas, w którym system sterowania jest w stanie zareagować
na zmianę wektora wejściowego (poprzez na przykład wysterowanie któregoś z wyjść cyfrowych).
Rys. 4 Czas odpowiedzi w systemie rozproszonym
6
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
O ile w systemie zbudowanym z pojedynczego sterownika PLC czas odpowiedzi systemu
stanowi dwukrotność długości czasu trwania cyklu sterownika, to w przypadku systemów
rozproszonych ma on bardziej złożoną postać. Wynika to z faktu, iż na wielkość tego czasu ma wpływ
szereg innych parametrów takich, jak czas cyklu sterownika, czas cyklu magistrali komunikacyjnej,
czas cyklu stacji wejść/wyjść i inne (Rys. 4). Więcej na ten temat można znaleźć w [1] „Chapter 9
timing Considerations”.
Należy zauważyć, że w systemie opartym o sieć Genius czas odpowiedzi jest równy czasowi
trwania transmisji danych ze sterownika PLC do zdalnej stacji wejść/wyjść (I/O Block) i z powrotem.
Można to wykorzystać do eksperymentalnego pomiaru tego czasu bez konieczności używania
dodatkowych urządzeń, jak oscyloskop.
7
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
4. Konfiguracja sieci Genius
Do konfiguracji sieci Genius używa się oprogramowania narzędziowego Cimplicity Machine
Edition służącego również do programowania sterowników PLC. W systemach bez redundancji do
poprawnego działania sieci komunikacyjnej wystarczające jest odpowiednie skonfigurowanie
koprocesorów GBC w niej pracujących. Nie ma w takim wypadku konieczności programowania
pozostałych abonentów sieci takich jak zdalne stacje wejść/wyjść zbudowane w oparciu o moduły
interfejsu sieciowego NIU [2]. W systemach bardziej złożonych takich, jak system z redundancją
jednostek centralnych, może zajść również potrzeba konfiguracji wspomnianych stacji zdalnych.
W celu skonfigurowania kontrolera GBC oraz sieci Genius należy w projekcie sterownika PLC,
w którym jest zabudowany moduł GBC, dodać w konfiguracji (w drzewku Nawigatora) odpowiednie
urządzenie sprzętowe w odpowiednim slocie. Można do tego celu użyć menu kontekstowego oraz
funkcji „Add Module...” (Rys 5.).
Rys. 5 Dodanie modułu koprocesora sieci Genius.
Po dodaniu modułu kontrolera GBC zostanie wyświetlona jego konfiguracja. W drzewku
Nawigatora natomiast będzie możliwe skonfigurowanie sieci Genius. Początkowo sieć ta będzie
składała się jedynie z urządzenia SBA31 (kontrolera GBC) (Rys 6).
Rys. 6 Początkowa konfiguracja sieci Genius
8
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
W celu dodania nowego abonenta sieci Genius należy z menu kontekstowego modułu GBC
wybrać pozycję „Add Genius Device...”, określić adres sieciowy SBA nowego abonenta, a następnie
wybrać odpowiednie urządzenie (zgodnie z typem dodawanego urządzenia). (Rys. 7)
Rys. 7 Dodawanie nowego abonenta sieci Genius
Po dodaniu nowego abonenta automatycznie zostanie wyświetlona jego domyślna konfiguracja.
Jest możliwe dodanie do 31 abonentów sieci Genius (nie licząc modułu kontrolera sieci GBC). W celu
uruchomienia systemu konieczne jest połączenie się z programowanym sterownikiem PLC oraz
przesłanie projektu (konfiguracji oraz programu) do programowanego urządzenia.
9
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
5. Literatura
[1] „Genius I/O – System and Communications”, GE Fanuc Automation, Programmable
Control Products, November 1994, nr dokumentu: GEK-90486f (w szczególności rozdzialy
1, 2 oraz 9)
[2] “VersaMax System – Genius Network Interface Unit”, GE Fanuc Automation,
Programmable Control Products, November 2000, nr dokumentu: GFK-1535a (w
szczególności rozdział 3 oraz Appendix B)
[3] „Series 90-70 Genius Bus Controller”, GE Fanuc Automation, Programmable Control
Products, July 2003, nr dokumentu: GFK-2017 (w szczególności rozdział 1)
10
Sieć Genius
Laboratorium PSK, KSR, SP, IP
Notatki
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
Tytuł:
Temat:
Utworzono:
Wydrukowano:
Nazwa pliku:
Wersja:
Sieć Genius
Opis ogólny
01/03/2007 09:47:00 JS
2007/3/1 15:33:00 A3/P3
instrukcja_genius_v1.odt
13487/1828/11
1
11