AUTOMATYKA • 2005 • Tom 9 • Zeszyt 1–2

* Katedra Automatyzacji Procesów AGH Kraków

169

Iwona Oprzêdkiewicz

Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego

w obrêbie rodziny sterowników PLC

1. Wprowadzenie

Systemy sterowania wykorzystuj¹ce sterowniki PLC w przemyœle stosowane s¹ od

wielu lat. Nie mog¹ byæ one jednak stosowane do sterowania wszystkimi rodzajami proce-

sów [1, 6]. G³ównymi ograniczeniami s¹ tutaj zbyt ma³e mo¿liwoœci obliczeniowe sterow-

nika oraz za ma³a szybkoœæ dzia³ania jednostki centralnej sterownika do sterowania proce-

sami wymagaj¹cymi pracy w czasie rzeczywistym. Dlatego istotne z punktu widzenia pracy

w systemach czasu rzeczywistego jest opracowanie optymalnego czasowo oprogramowa-

nia, czyli takiego, które cechuje siê maksymalnym skróceniem czasu cyklu bez utraty w³a-

œciwoœci funkcyjnych. Na d³ugoœæ tego czasu, obok typu sterownika, ma g³ównie wp³yw

z³o¿onoœæ programu u¿ytkownika oraz szybkoœæ obs³ugi urz¹dzeñ peryferyjnych. Tworz¹c

program spe³niaj¹cy wymagania czasu rzeczywistego, nale¿y zwróciæ uwagê na liczbê

i rodzaj u¿ytych instrukcji. W pracy zaprezentowano procedury testuj¹ce spe³nienie zadañ

czasu rzeczywistego podczas realizacji typowych zadañ sterowania. Doœwiadczalnie wy-

znaczone czasy cyklów porównano z oszacowaniami wykonanymi na podstawie informacji

udostêpnianych przez producenta testowanych sterowników.

2. Podstawowe zagadnienia zwi¹zane z czasem rzeczywistym

w systemach PLC

Czas cyklu i czas odpowiedzi [1, 2], to podstawowe pojêcia, które nale¿y zdefiniowaæ

przed analiz¹ zagadnieñ zwi¹zanych ze spe³nieniem wymagañ czasu rzeczywistego sterow-

ników PLC.

Czas cyklu T

c

to czas, który up³ywa podczas jednego cyklu programu (rys. 1).

Na jego d³ugoœæ wp³ywaj¹:

– ustawienia systemowe i sprawdzenie magistrali wejœæ/wyjœæ, pamiêci, autotest CPU

itp. (czas sta³y dla danego typu sterownika);

170

Iwona Oprzêdkiewicz

– obs³uga danych wejœciowych i wyjœciowych (dla danego typu sterownika sta³a);

– czas wykonywania programu u¿ytkownika (wartoœæ zmienna);

– obs³uga urz¹dzeñ peryferyjnych.

Rys. 1. Etapy cyklu sterownika

Rys. 2. Minimalny czas odpowiedzi T

omin

Obs³uga danych wejœciowych

OpóŸnienie wejœæ

Ustawienia i sprawdzenia

systemowe

Wykonanie programu

u¿ytkownika

Obs³uga danych

wyjœciowych

Czas odpowiedzi T

omin

OpóŸnienie wyjœæ

Ustawienia i sprawdzenia

systemowe

Wykonanie programu

u¿ytkownika

Obs³uga danych wejœciowych

Obs³uga danych

wyjœciowych

Diagnostyka

Komunikacja systemowa

Przerwania

Czas cyklu T

c

Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC

171

Czas odpowiedzi T

o

to czas pomiêdzy zmian¹ stanu wejœcia a zmian¹ stanu na wyjœciu.

Jego d³ugoœæ zale¿y od czasu cyklu oraz opóŸnieñ zwi¹zanych z wejœciami i wyjœciami.

W zwi¹zku z faktem, ¿e odczyt sygna³u wejœciowego mo¿e nast¹piæ na pocz¹tku lub na

koñcu cyklu, uzasadnione jest wprowadzenie pojêæ minimalnego T

omin

i maksymalnego

T

omax

czasu odpowiedzi. Z min

imalnym czasem odpowiedzi (rys. 2) mamy do czynienia

wtedy, gdy zmiana sygna³u wejœciowego nast¹pi odpowiednio wczeœnie przed obs³ug¹

wejœæ i wyjœæ, je¿eli natomiast czas miêdzy wyst¹pieniem sygna³u wejœciowego a obs³ug¹

wejœæ i wyjœæ bêdzie mniejszy ni¿ czas opóŸnienia (za³¹czania) sygna³u wejœcia wtedy od-

czyt sygna³u wejœciowego nast¹pi dopiero na pocz¹tku nastêpnego cyklu, co spowoduje

wyd³u¿enie czasu odpowiedzi o jeden cykl. W takim wypadku czas odpowiedzi bêdzie

maksymalny (rys. 3).

Rys. 3. Maksymalny czas odpowiedzi T

omax

Obs³uga danych wejœciowych

OpóŸnienie wejœæ

Ustawienia i sprawdzenia

systemowe

Wykonanie programu

u¿ytkownika

Diagnostyka

Czas odpowiedzi T

omax

Obs³uga danych wejœciowych

Ustawienia i sprawdzenia

systemowe

Wykonanie programu

u¿ytkownika

Obs³uga danych

wyjœciowych

Obs³uga danych

wyjœciowych

OpóŸnienie wyjœæ

172

Iwona Oprzêdkiewicz

3. Teoretyczne oszacowanie czasu cyklu i odpowiedzi

Szacowanie czasu

cyklu i odpowiedzi mo¿na zrealizowaæ w oparciu o dane dostarczo-

ne przez producenta konkretnego typu sterownika. Bêdzie to oczywiœcie oszacowanie dla

najmniej korzystnej sytuacji, czyli rzeczywiste pomiary konkretnych czasów powinny byæ

krótsze od wartoœci obliczonej [3, 6].

Czas odpowiedzi T

o

waha siê pomiêdzy wartoœci¹ minimaln¹ T

omin

i maksymaln¹

T

omax

, czyli:

T

omin

< T

o

< T

omax

(1)

T

omin

=T

R

+T

os

+T

u

+T

w

+T

Di

+T

Do

+T

t

(2)

T

omax

=2T

R

+2T

os

+2T

u

+2T

w

+T

Di

+T

Do

+T

t

+2T

DP

(3)

gdzie:

T

R

, T

w

– czas odczytu i

zapisu odpowiednio wejϾ i wyjϾ,

T

u

–

czas wykonania programu u¿ytkownika,

T

os

– czas wykonania systemu operacyjnego sterownika,

T

Di

, T

Do

– czas opóŸnienia zwi¹zanego z odczytem/zapisem wejœæ/wyjœæ,

T

t

– czas wykonania siê timerów u¿ytych w programie,

T

DP

– czas komunikacji z sieci¹.

Czas cyklu równie¿ nie jest wartoœci¹ sta³¹, lecz zale¿y np. od liczby i rodzaju prze-

rwañ oraz szybkoœci komunikacji systemowej. Szacuj¹c jego wartoœæ nale¿y uwzglêdniæ

T

c

= T

R

+T

os

+T

u

+T

w

+T

Di

+T

Do

+T

t

+T

DP

(4)

W zaproponowa

nych wzorach nie uwzglêdniono czasu przeznaczonego na diagnosty-

kê, gdy¿ jest on pomijalnie ma³y w stosunku do pozosta³ych czasów.

4. Procedury testuj¹ce spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego

podczas realizacji typowych zadañ sterowania

Badania doœwiadczalne zosta³y wykonane na sterownikach PLC SIEMENS SIMATIC

S7-300 z jednostkami centralnymi: 312 IFM oraz 315. Na ka¿dej z tych jednostek urucho-

miono procedury testowe realizuj¹ce nastêpuj¹ce typowe zadania sterowania:

– sterowanie logiczne (procedura P1),

– sterowanie ci¹g³e z wykorzystaniem algorytmu PID (procedura P2),

– sterowanie z zakresu robotyki (zagadnienie kinematyki prostej) (procedura P3).

Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC

173

Sterowanie logiczne zrealizowano w procedurze obs³uguj¹cej zadajnik cyfrowy

(thumbwheel switch) [1]. Umo¿liwia on wprowadzanie do sterownika cyfry w zale¿noœci

od liczby segmentów zadajnika. Aby odczytaæ wartoœci z zadajnika, konieczne by³o napisa-

nie procedury z „krocz¹c¹ jedynk¹”, która umo¿liwi³a odczytanie kolejnych wyjœæ.

Do testów algorytmu regulacji ci¹g³ej wykorzystano typowy uk³ad regulacji (sterowa-

nie w uk³adzie zamkniêtym) z regulatorem PID w g³ównej linii regulacji.

Proste zagadnienie kinematyki jest to zadanie statyczno-geometryczne polegaj¹ce na

obliczaniu pozycji i orientacji cz³onu roboczego manipulatora. Maj¹c dane wszystkie

wspó³rzêdne konfiguracyjne, nale¿y obliczyæ pozycjê danego punktu zwi¹zanego z robo-

tem wzglêdem globalnego uk³adu wspó³rzêdnych. Z punktu widzenia sterowania jest to

problem wymagaj¹cy wielokrotnego wykorzystania czasoch³onnych funkcji trygonome-

trycznych.

5. Wyniki badañ doœwiadczalnych

Przeprowadzone badania mia³y na celu oszacowanie czasów cyklów w poszczegól-

nych procedurach sterowania w oparciu o dane udostêpnione przez producenta sterowni-

ków SIEMENS [2], a nastêpnie zweryfikowanie ich podczas rzeczywistego sterowania.

Do wyznaczenia oszacowañ wykorzystano wzór (4). Po wstêpnych oszacowaniach

okaza³o siê, ¿e decyduj¹cy wp³yw na d³ugoœæ czasu cyklu ma z³o¿onoœæ (rodzaj i liczba

u¿ytych instrukcji) procedury steruj¹cej. Suma czasów: T

os

(czas wykonania systemu ope-

racyjnego sterownika), T

R

, T

w

(czas odczytu i zapisu odpowiednio wejϾ i wyjϾ), T

Di

, T

Do

(czas opóŸnienia zwi¹zanego z odczytem/zapisem wejœæ/wyjœæ) oraz T

DP

(czas komunika-

cji z sieci¹) w obu u¿ytych sterownikach wynosi³a oko³o 2 ms. Czasy wykonania pojedyn-

czych instrukcji s¹ na tyle krótkie, ¿e dla umo¿liwienia ich odczytu zdecydowano siê na

pomiar czasu cyklu dla tysi¹ckrotnego wykonania danej procedury w pêtli.

Rysunki 4–6 przedstawiaj¹ histogramy wyst¹pieñ poszczególnych czasów cyklów,

przy czym czasy cyklów mierzono z dok³adnoœci¹ do 10 ms, natomiast tabela 1 zawiera

oszacowania maksymalnych czasów cyklu dla analizowanych procedur na podstawie da-

nych dotycz¹cych czasów wykonania poszczególnych instrukcji, podanych przez produ-

centa sprzêtu [4].

Tabela 1

Oszacowanie maksymalnych czasów cyklów dla procedur testuj¹cych

typowe zadania sterowania P1, P2, P3

Czasy cy

klów wyznaczone w wyniku badañ doœwiadczalnych okaza³y siê znacz-

nie krótsze ni¿ wynika³oby to z teoretycznych oszacowañ. Wyniki przedstawiono na rysun-

kach 4–6.

P1 P2 P3

312 IFM

ok. 200 ms

ok. 3400 ms

ok. 3000 ms

315

ok.100 ms

ok. 3400 ms

ok. 2900 ms

174

Iwona Oprzêdkiewicz

Rys. 4. Œrednia liczba wyst¹pieñ poszczególnych

Rys. 5. Œrednia liczba wyst¹pieñ poszcze-

czasów cyklów dla procedury P1

gólnych czasów cyklów dla procedury P2

Rys. 6. Œrednia liczba wyst¹pieñ poszczególnych czasów

cyklów dla procedury P3

6. Wnioski

Przeprowadzone badania œwiadcz¹ o tym, ¿e teoretyczne oszacowanie czasu cyklu

mo¿na traktowaæ jako maksymalny mo¿liwy czas cyklu. W praktyce, rzeczywiste czasy

cyklów najczêœciej s¹ kilka, a nawet kilkunastokrotnie krótsze. Wynika to prawdopodobnie

z faktu, ¿e producent podaje najd³u¿szy mo¿liwy czas wykonania danej operacji. Na pod-

stawie zamieszczonych histogramów mo¿na zaobserwowaæ, ¿e stosuj¹c jednostkê CPU 315

mo¿na znacz¹co skróciæ czasy cyklów (w stosunku do jednostki 312 IFM) w procedurach

opartych na sterowaniu logicznym (rys. 4). Czasy cyklów w procedurach realizuj¹cych ste-

rowanie ci¹g³e oraz proste zadanie kinematyki s¹ zbli¿one i to zarówno w oszacowaniach

teoretycznych jak i wyznaczonych doœwiadczalnie.

Literatura

[1] Kwaœniewski J.: Programowalne sterowniki przemys³owe w systemach sterowania. Kraków, 1999

[2] Siemens. Simatic S7-300 Programmable Controller. Manual. Edition 03/99. Installation and

Hardware

0

50

100

150

200

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Czas y cyklu [m s]

Œr

ed

ni

a

licz

ba

w

yst

¹p

ie

ñ

312 IFM
315

0

10

20

30

40

50

60

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Czas cyk lu [ms ]

Œr

ed

ni

a

licz

ba

w

yst

¹p

ie

ñ

312 IFM
315

0

20

40

60

80

100

120

40

50 60

70

80 90 100 110 120

C zas cyk lu [m s ]

Œr

ed

n

ia li

cz

b

a w

ys

t¹

p

ieñ

312 IFM
315

Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w obrêbie rodziny sterowników PLC

175

[3] Tadeusiewicz R. i in.: Modelowanie komputerowe i obliczenia wspó³czesnych uk³adów automaty-

zacji. Kraków, UWND AGH 2004, ISBN 83-89388-62-6

[4] Siemens. Simatic S7-300 Programmable Controller. Instruction List

[5] Berger H.: Automating with STEP7 in STL and SCL. SIMATIC S7-300/400. Programmable Con-

trollers. Publicis MCD Corporate Publishing, 2001

[6] Oprzêdkiewicz K.: Spe³nienie wymagañ czasu rzeczywistego w œrodowisku sprzêtowo-programo-

wym soft PLC podczas realizacji predykatora Smitha. Instytut Matematyki i Informatyki, Poli-

technika Czêstochowska, Informatyka teoretyczna i stosowana, r. 4, nr 7, 2004

176

Iwona Oprzêdkiewicz