Distributed Control Network (DCN)

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1 Distributed Control Network (DCN) Ein Realisierungsansatz für ein SoA-basiertes Prof. Dr.-Ing. Armando Walter Colombo Dipl.-Ing. (FH) Maik Bekel Prof. Dr. Gerhard Kreutz B. Eng. Thorsten Wehs

2 Agenda 1. Projektorganisation 2. State of the Art 3. Grundlagen 4. Realisierungskonzept 5. Implementierung der SoA-Basisfunktionen 6. Systemanalyse und Bewertung 7. Fazit 8. Ausblick 2

3 Projektorganisation 3

4 Aufgabenstellung Entwurf einer serviceorientierten Architektur (SoA) Analyse der Qualitätsmerkmale des Regelungssystems Reglerfrequenz Paketverluste Einschwingverhalten Prototyp eines verteilten Regelkreises 4

5 Anforderungsdefinition AF1: Realisierung eines verteilten Regelkreises AF2: Entwurf und Implementierung aller SoA-Basisfunktionen AF3: Betrachtung verschiedener Einschwingverhalten AF4: Betrachtung der Auswirkungen von Paketverlusten AF5: Bestimmung der maximalen Reglerfrequenz nach Shannon AF6: lauffähiger Prototyp des DCN *AF<n>: Anforderungen 5

6 State of the Art Socrades, Arbeitspaket 4 Strategien für den Einsatz Service orientierter Komponenten als Bestandteil von Regelkreisen und Steuerstrecken Lulea Mulle / iroad Wireless Hart Lulea University of Technology Vortrag von Prof. Dr. Jerker Delsing, 16. Juni 2011 in Emden 6

7 Grundlagen 7

8 Realisierung des DCN durch SoA Service-oriented-Architecture Kapselung aller Funktionalitäten in Services einheitliche Software-Schnittstellen Transparenz / Sichtbarkeit Zugriff auf jedes Modul von jeder Ebene aus Skalierbarkeit ein Konzept für alle Systemgrößen Emergenz (emergence) beliebige Kombinierbarkeit von Elementen zum Bilden neuer Funktionalitäten Evolvierbarkeit (evolvability) Möglichkeit der evolutionären Entwicklung eines Systems ERP MES SCADA SPS I/O 8

9 SoA - Funktionsweise 1) announce Service Provider Service Discovery Mechanism 4) request 5) provide 6) usage 3) reference 2) search Service Requester *Quelle: 9

10 Service Discovery statisch vs. dynamisch Request Request Request 10

11 SoA - Service Discovery Merkmal statisch dynamisch Protokolle heterogen homogen Netzlast gering hoch Discovery-Zeit niedrig steigt mit der Teilnehmerzahl Server Ausfallsicherheit Aktualität erforderlich für Registry abhängig vom Server ungültige Einträge möglich nicht erforderlich strukturell bedingt keine ungültigen Einträge Zeitliche Konsistenz gegeben nicht gegeben 11

12 Realisierungsformen dynamic Der Service Reqest wird per Broadcast an alle Module geschickt alle passenden Services antworten mit ihrer Adresse dynamic (cached) lokale Liste mit Ergebnissen vergangener Requests Broadcast nur, wenn kein passender Service in der Liste Service-Bekanntmachung bei Netzeintritt möglich static Service registriert sich bei zentralem Verzeichnisdienst Service Request: Anfrage beim Verzeichnisdienst 12

13 Realisierungsformen 13

14 Realisierungskonzept 14

15 Verteilung des Regelkreises B: Reglerknoten C: Stellknoten [B] [C] [A] A: Messknoten 15

16 Unser DCN als SoA Service Orchestrator 16

17 DCN als SoS / SoA parallele und kaskadierte Regelkreise *schematische Darstellung 17

18 Implementierung der SoA-Basisfunktionen 18

19 Unser SoA-Architektur Stack - Funktionsweise - SoA-Stack OSI Adressierung über Gates Registrierung in SoA-Layer Verwaltung in Serviceliste Service-Discovery in SoA-Layer Service 1 Service 2 µc/os-iii Port[5000] SoA UDP / IP Hardware Service 3 [5001] Treiber Service n Gate[0] Gate[1] Gate[2] Gate[n-1] Port[5001] MAC / IP [ xxx] 19

20 Unser SoA-Protokollablauf Client (Regler) Daten-Senke öffnen Senke-Port [sgate, 0] + Payload: Service-Info Service Request [sgate, dgate] + Payload: Service-Info Service Response [sgate, dgate] + Payload: Senke-Port Start Service Request [sgate, dgate] + Payload: Quelle-Port Start Service Response Server (Sensor) Daten-Quelle öffnen Quelle-Port Service starten Senke: Regeln Data Data Quelle: Messen 20

21 Systemanalyse und Bewertung 21

22 Einschwingverhalten Sprungantworten eines PI-Reglers mit PT1-Strecke (T S = 4,5 ms) K r = 1,4, µ 10 K r = 1,0 K r = 0,6 t / ms 22

23 Paketlaufzeit (Delay) Setzt sich zusammen aus: Protokollverarbeitung in jeder Schicht (Encapsulation & Decapsulation) Paketlaufzeit im Netz (Leitung, Switches, Router, Firewall,...) Einfluss auf die Regelung: Stabilität Zykluszeit / Reaktionszeit 23

24 Bestimmung der Zykluszeit Direkte Beeinflussung der Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises: t j : Jitter t j_max : max. Jitter t d_max : max. Paketlaufzeit t a : Abtastperiode t 0 : IRQ t j : 1180 µs t j_max : 1740 µs t d_max : 3220 µs t a : 4000 µs 250 Hz 24

25 Bestimmung der Reglerfrequenz Nyquist-Shannon-Abtasttheorem: f abtast > 2 f max Abtastung ohne Informationsverlust, das Signal kann mit unendlich hohem Aufwand rekonstruiert werden theoretische Grenze Praktische Umsetzung im Regelkreis: f abtast > (6 20) f max Lunze, Jan: Abtastrate 6- bis 20-fache der größten im Regelkreis auftretenden Frequenz (Führungsgröße, Störungen, Bandbreite der Regelstrecke, ) f System = 1/10 f abtast = 250 Hz / 10 = 25 Hz Die meisten Regelkreise arbeiten mit Abtastraten von 1 s oder niedriger. * *ABB: Corporate Research 25

26 Paketverluste unterschiedliche Ursachen: Überlastung von Netzwerkkomponenten zu hohe Paketlaufzeiten (z. B. durch Routing) Datum ist obsolete EMV sonstige Störungen Auswirkungen Regelkreis ist unterbrochen es kann nur noch gestellt werden! Frage: Was ist ein richtiger / akzeptabler Stellwert? 26

27 Paketverluste - Maßnahmen Strategie 1: x k = x k-1 letzter erhaltener Messwert wird weiterhin verwendet Strategie 2: y k = 0 Stellgröße wird auf einen Standartwert gesetzt Strategie 3: y k = y k-1 letzte berechnete Stellgröße wird beibehalten Strategie 4: Smith Predictor Berechnung des erwarteten Messwertes anhand des Modells der Regelstrecke 27

28 Paketverluste: Auswirkungen PT1-Strecke Strategie: x k = x k-1 y k = 0 y k = y k x k = predictor (Smith Predictor) Paketverlust 28

29 Vergleich mit Lulea Lulea: Wireless Hart Technik: WLAN T W = 60 s Emden: DCN 1 0 Referenz y(k) = y(k-1) y(k) = 0 x(k) = x(k-1) x(k) = predictor Paketverlust Technik: LAN T W = 60 ms

30 Fazit und Ausblick 30

31 Fazit E1: verteilte Regelung mit Hilfe von SoA-Techniken umgesetzt E2: erfolgreiche Implementierung eines SoA-Stacks E3: verschiedene Einschwingverhalten betrachtet E4: Paketverluststrategien implementiert und analysiert E5: maximale Reglerfrequenz: ca. 25 Hz E6: Prototyp des DCN läuft stabil (SoA und Regelkreis) *E<n>: Ergebnis zu Anforderung AF<n> 31

32 Ausblick Implementierung standardisierter Protokolle DPWS, WSDL, OPC UA Einsatz in technisch heterogenen Systemen Dynamic Cached Service Discovery Implementierung in reales Regelungssystem z. B. schwebende Kugel, invertiertes Pendel Fernziel: industrieller Einsatz 32

33 Quellen SOCRADES - Service-Oriented Cross-layer infrastructure for Distributed smart Embedded devices Lulea University of Technology Lunze, Jan: Regelungstechnik 2, Springer,