Contribuii la specificarea proiectarea i implementarea sistemelor distribuite

Contribuţii la specificarea, proiectarea şi implementarea sistemelor distribuite de control bazate pe reţele industriale de comunicaţii Teză de doctorat Doctorand: Sebestyen Pal Gheorghe Conducător ştiinţific: prof. Dr. ing. Pusztai Kálmán 2003 1

Obiectivele tezei • tratarea diferitelor aspecte teoretice şi practice ce privesc comunicaţia în sistemele distribuite de control: – analiza caracteristicilor funcţionale şi de performanţă ale mijloacelor de comunicaţie utilizate în sistemele distribuite de control – elaborarea unei metodologii de proiectare a interfeţelor pentru reţele industriale de comunicatii – modelarea şi simularea protocoalelor industriale de comunicaţii – evaluarea timpului de răspuns întru-un sistem distribuit de control – elaborarea unui nou model de sistem distribuit de control 2

Scopul demonstrarea următorului enunţ: “ Conceperea şi implementarea sistemelor distribuite de control necesită modele, tehnici şi mijloace proprii de comunicaţie, adaptate cerinţelor şi restricţiilor ce decurg din natura specifică a aplicaţiilor de control. “ 3

Cuprins 1. Introducere - motivaţii, obiective 2. Utilizarea tehnicii de calcul şi a mijloacelor digitale de comunicaţie în implementarea aplicaţiilor de control 3. Model de implementare a unei interfeţe pentru o reţea industrială 4. Modelarea şi simularea reţelelor industriale de comunicaţie prin Reţele Petri Temporale 5. Planificarea dinamică a taskurilor în sistemele distribuite de control 6. Implementarea sistemelor de control prin servicii distribuite 7. Concluzii 4

Controlul proceselor prin calculator Operator Vizualizare şi configurare Nivel superior de control Coordonare şi configurare Sistem de control Date de intrare Comenzi Energie şi mat. prime Energie şi produse Proces controlat Perturbaţii de mediu Figura 2. 1 Schema. Condiţii de principiu a unui sistem de control 5

Mijloace de comunicaţie în sistemele de control • ce a fost si ce se vrea 6

Mijloace de comunicaţie în sistemele de control 7

Mijloace de comunicaţie în sistemele de control 8

Cerinţe specifice de comunicaţie în sistemele de control Garanţii de timp-real Viteză de reacţie Fiabilitate& Toleranţă la defecte Determinism& Predictibilitate Fluxuri de date specifice Interoperabilitate si scalabilitate Simplitate Protocol de comunicaţie 9

Reţele industriale de comunicaţii 10

Caracteristici de performanţă Volum de date 1 -10 koct. Timp de raspuns 10 -20 100 ms-1 s 10 -256 oct. 10 -100 ms biti 100 -1000 1 -10 ms Magistrale celulare Magistrale de teren Magistrale pt. senzori si elemente de actionare Numar de noduri 11

Concluzii analizei: • sunt necesare: – tehnici speciale de proiectare a interfeţelor de reţele industriale – metode specifice de demonstrare a funcţionării corecte a infrastructurii de comunicaţie – metode noi de evaluare a timpului de răspuns într-un mediu distribuit – modele distribuite de implementare a sistemelor de control 12

Implementarea unei interfeţe pentru o reţea de tip ASi • Caracteristici: – reţea de pentru senzori şi elemente de acţionare – restricţii severe de timp (10 -20 μs) – mecanism complex de identificare şi reconfigurare automată a reţelei – secvenţe concurente pentru: • • transferul periodic de date administrarea reţea detecţia şi configurarea componentelor detecţia defectelor şi mascarea lor 13

Model arhitectural Interfaţă de reţea industrială Aplicaţia de control Nivelul 3 Interfaţa utilizator Funcţii de acces la reţea Calculator gazdă Memorie tampon Bucla principală de control Nivelul 2 Controlul accesului la reţea Nivelul 1 Transmisie/recepţie mesaj Procesare comenzi Controlul accesului Rutine de întrerupere Ceas de timp-real Transmisie/ Recepţie Driver de comunicaţie Circuit adaptor Controlor de comunicaţie Controlor de reţea Reţea industrială 14

Implementarea unei interfeţe pentru o reţea de tip ASi (continuare) • Consideraţii de implementare: – tehnici speciale de execuţie în timp-real: • • execuţia în paralel a funcţiilor de comunicaţie modelul automatului de stare execuţie foreground-background priorităţi reconfigurabile – alte observaţii: • implementarea a permis validarea modelului arhitectural propus • interfaţa a fost realizată în colaborare cu un colectiv de la Universitatea din Munchen 15

Modelarea şi simularea protocoalelor industriale cu Reţele Petri Temporale • Scopul: – demonstrarea funcţionării corecte a unei reţele – studierea comportamentului în timp al unor protocoale – determinarea unor situaţii de funcţionare defectuoasă: • depăşirea unor limite de timp • blocaje în transmisia datelor • utilizarea Reţelelor Petri Temporale (RPT): – formalism simplu, intuitiv, – potrivit pentru reprezentarea concurenţei –. . există limitări 16

Propunere Model extins de Reţele Petri Temporale • Componente noi: – arce condiţie şi non-condiţie – tranziţii cu componentă de timp: • tranziţii cu timp de execuţie • tranziţii cu timp de validare • tranziţii reanclanşabile şi ne-reanclanşabile • Reguli noi de execuţie a modelului – descriu comportamentul noilor componente introduse 17

Aplicaţia – Analizor de reţea 18

Modelarea unor protocoale industriale: Profibus, CAN, TDMA(MARS) • Ce s-au modelat: – diferite mecanisme de control al accesului la reţea (token-bus, CSMA/BA, TDMA) – configuraţii diferite de încărcare a reţelei (mesaje periodice şi aleatoare) – restricţii de timp (timp maxim de transmisie, timp de circulaţie a dreptului de acces, etc. ) 19

Concluzii privind utilizarea modelului RPT extins • formalismul RPT extins permite: – modelarea şi simularea principalele caracteristici funcţionale unui protocol industrial – determinarea unor situaţii limită în care restricţiile impuse nu sunt satisfăcute sau a situaţiilor de blocare a reţelei • există anumite limitări privind exprimarea unor condiţii complexe de anclanşare a tranzacţiilor • aplicaţia “Analizor” – instrument versatil, utilizabil şi pentru modelarea altor fenomene specifice sistemelor de timp-real şi distribuite 20

Planificarea în sistemele distribuite de timp-real • S-au studiat: – modele computaţionale de planificare • diferite ipoteze simplificatoare – timp discret, preemptibilitate, restricţii – algoritmi de planificare în sistemele uniprocesor: • s-a generat o taxonomie pentru clasificarea algoritmilor – algoritmi de planificare în sistemele multiprocesor – metode de evaluare analitică a timpului de răspuns 21

Evaluarea analitică a timpului de răspuns într -un sistem de timp-real distribuit • timpul de răspuns al unui taskului “i” ri = Ji +wi = Ji + Ci + Bi+ ( (Jj+wi)/Tj * Cj) • timpul de răspuns al mesajului “m” rm = wm + Xm = (Pm+Im)/Sp * TTDMA + ((Pm +Im(wm)) – (s-1)*Sp)* R 1 (m+1) = RM( J 1(m)) R 2 (m+1) = RM( J 2(m)) = 1(Rret(m+1)) J 2(m+1) = 2(Rret(m+1)) J 1(m+1) ……. . Rn (m+1) = RM( Jn(m)) Rret(m+1) = TDMA(Jret(m)) Jn(m+1) = n(Rret(m+1)) Jret(m+1) = ret(R 1(m+1), R 2(m+1), …Rn(m+1)) 22

Metodă originală de planificare bazată pe analiza timpului de răspuns global • Evaluarea timpului de răspuns global: – metodă analitică iterativă – se ia în calcul influenţa reciprocă dintre planificarea taskurilor şi a mesajelor – elementul cheie – timpul de întârziere la lansare • Scopul urmărit: – alocarea uniformă a sarcinilor astfel încât să se respecte restricţiile de timp impuse 23

Modelul computaţional • set de dispozitive de control conectate în reţea • funcţiile de control sunt modelate prin tranzacţii (secvenţe de acţiuni şi mesaje) • fiecare dispozitiv poate executa un set predefinit de acţiuni • acţiunile sunt planificate pe baza algoritmului RM • planificarea mesajelor se face pe baza algoritmului TDMA a 1 a 4 a 3 a 9 a 2 a 5 a 6 a 7 a 8 24

Prototip de sistem distribuit de control bazat pe alocarea dinamică a sarcinilor • Structura: – o aplicaţie coordonator + executive locale • Funcţiile îndeplinite: – identificarea configuraţiei de sistem: • dispozitive conectate în reţea • setul de acţiuni acceptat de fiecare dispozitiv • coeficientul de performanţă şi gradul de încărcare a dispozitivelor – încărcarea graduală şi uniformă a dispozitivelor conform planului de tranzacţii active – detecţia defectelor şi realocarea sarcinilor cu respectarea restricţiilor de timp 25

Avantajele soluţiei propuse: • ia în considerare efectul reciproc dintre planificarea taskurilor şi a mesajelor • garantează respectarea restricţiilor globale de timp • favorizează execuţia periodică a funcţiilor de control • asigură scalabilitatea sistemului • toleranţă la defecte 26

Sistem de control bazat pe servicii distribuite • Scopul urmărit: – simplificarea procesului de proiectare a unor sisteme complexe de control prin utilizarea unor servicii distribuite • Metoda propusă: – definirea şi implementarea unor funcţii generice de comunicaţie specifice pentru aplicaţiile de control – funcţiile de comunicaţie implementate prin servicii distribuite 27

Modelul arhitectural Aplicaţia de control Componente pt. interfaţa utilizator Serviciul de configurare Gestiunea evenimentelor Gestiunea resurselor Serviciul de timp Serviciul de replicare Serviciul de planificare Interfaţa de reţea (nivelele 1 -4) Figura 6. 2 Structura ierarhică a serviciilor de control la nivelul unui nod de reţea 28

Modelul arhitectural Nod de retea Nod “proxi” Aplicaţie Serviciu Alte servicii Interfaţa de reţea . . . . Alte servicii Interfaţa de reţea Executiv Aplicaţie Interfaţa de reţea . . Executiv Aplicaţie Noduri cu resurse limitate 29

Consideraţii de implementare • Model implementat în cadrul proiectului Net. Control (Program Info. Soc) • Avantaje oferite: – acces uniform şi transparent la resursele distribuite ale sistemului – scalabilitate, reconfigurabilitate – fiabilitate şi toleranţă la defecte – grad ridicat de abstractizare – servicii generice utile (timp, managementul evenimentelor, gestiunea resurselor 30

Concluzii finale • Contribuţii teoretice originale - identificarea, analiza şi catalogarea cerinţelor funcţionale şi a restricţiilor impuse mediilor de comunicaţie utilizate în aplicaţiile de control - model generic multinivel de implementare a unei interfeţe de reţea industrială - metodă de modelare şi simulare a protocoalelor industriale de comunicaţii prin extinderea formalismului Reţelelor Petri Temporale - analiză comparativă a algoritmilor de planificare utilizaţi în sistemele de timp-real 31

Concluzii finale • Contribuţii teoretice originale(continuare) – metodă originală de alocare dinamică a sarcinilor întrun sistem distribuit de control – model de implementare a aplicaţiilor distribuite de control printr-un set de servicii distribuite – metodă de sincronizare a ceasurilor locale, adaptată aplicaţiilor de control • Contribuţii practice (implementări) – interfaţă de tip Master pentru o reţea ASi – analizor de reţea – prototip de sistem distribuit de control bazat pe tranzacţii 32

Reflectarea rezultatelor obţinute • Contracte de cercetare: – Net. Control – Program Info. Soc – Interfaţă ASi Master – Contract Univ. Munchen – Managementul reţelelor universitare şi industriale – Contract MEN-CNSIS – Tehnici şi tehnologii noi în ştiinţa calculatoarelor – Contract Banca Mondială • Articole ştiinţifice: - 21 articole • Curs: • Informatică industrială 33

Cercetări viitoare şi posibile dezvoltări • integrarea rezultatelor prezentate într-un singur model general • noi tehnici de evaluare a comportamentului în timp al sistemelor distribuite de control • extinderea facilităţilor oferite de instrumentele dezvoltate în cadrul tezei şi utilizarea acestora şi în alte domenii (ex. comunicaţii multimedia) • . . 34

Mulţumesc pentru atenţia acordată • Întrebări ? 35