آگوست 6

CPU، تاخیر، اترنت، ms، پروفیباس

می‌رود با این کار زمان ارسال و دریافت‌ها افزایش می‌یابد که نتایج زیر این مطلب را تایید می‌نماید. در این حالت دو CPU اطلاعات خود را از طریق شبکه اترنت به CPU سوم ارسال می‌نمایند. از آنجا که دو CPU با هم در ارتباط نیستند، در اثر تصادم و به طبع آن زمان های تصادفی در نظر گرفته شده برای هر یک متفاوت بوده و در نتیجه زمان‌های ارسال و دریافت CPUها متفاوت می‌باشند.
شکل ‏418: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با یک CPU به صورت همزمان با اترنت
از بررسی موارد فوق می‌توان نتیجه گرفت که با بالا رفتن تعداد CPU‌ها پهنای باند آنها تقسیم می‌شود که این امر باعث بالا رفتن تصادم‌ها و ناکارا شدن پهنای باند و به هدر رفتن زمان خواهد شد.
به جهت کاهش تصادم‌ها می‌توان برای CPU‌ها ترتیبی اتخاذ نمود تا تصادم‌ها به حداقل برسد، که این امر تحت عنوان زمان حقیقی نمودن شبکه اترنت در ادامه توضیح داه خواهد شد.
4-4- زمان حقیقی نمودن اترنت
در حالت قبل دو CPU در حال ارسال اطلاعات به یک CPU بدون با خبر بودن از یکدیگر بودند، ولی در این حالت CPU مرکزی باس را مدیریت خواهد نمود و دو CPU دیگر مستقلا امکان ارسال دیتا را نخواهند داشت. به این ترتیب که CPU مرکزی پهنای باند را تقسیم می‌نماید و در هر لحظه فقط یکی از CPU‌ها را فراخوانی می‌نماید. برای این منظور در CPU مرکزی یک پالس مربعی می‌سازیم و در لبه‌های بالا رونده پالس یکی از CPU‌ها را فرا خوانی کرده و در لبه پایین رونده CPU دیگر را فراخوانی می‌کنیم. به این ترتیب که در هر فراخوانی یک بایت به CPU اول یا دوم ارسال خواهد شد. نتیجه حاصل به صورت زیر می‌باشد:
شکل ‏419: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین CPU1 و CPU2 با اترنت در حالت زمان حقیقی
شکل ‏420: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین CPU2 و CPU3 با اترنت در حالت زمان حقیقی
حال اگر یکی از CPU‌ها از مدار خارج شود نتایج به صورت نمودار بعد تغییر خواهد کرد.
شکل ‏421: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با اترنت در حالت زمان حقیقی و با یک لینک معیوب
همانطور که می‌بینیم زمان تغییر خاص نکرده و زمان دسترسی به اطلاعات همیشه برابر می‌باشد و در واقع با کاهش تصادم توانستیم استفاده بهینه را از پهنای باند به عمل آوریم.
4-5- سیستم‌های چند مرحله ای
در دو بخش قبل ابتدا بررسی زمانی پروفیباس و سپس اترنت را انجام داده و با بررسی پروتکل‌ها دیدیم که پروفیباس ذاتا زمان حقیقی بوده و می‌توان یک شبکه اترنت را با داشتن شرایط خاص نظیر اترنت زمان حقیقی درنظر گرفت. حال در این بخش سعی داریم که سیستمی متشکل از حلقه‌های ترکیبی را مانند شکل 1-5
بررسی کرده و رابطه ای منطقی در خصوص زمان ارسال و دریافت در این حلقه‌ها بیابیم. در ابتدای بحث شاید تصور شود که می‌توان با جمع کردن زمان ارسال و دریافت هریک از لینک‌ها به زمان کل ارسال و دریافت شبکه دست یافت ولی با انجام آزمایشات عملی نتیجه دیگری حاصل گردید، چرا که همانگونه که در ادامه می‌بینیم ترتیب بستن لینک‌ها نیز در زمان ارسال و دریافت نقش دارد.
برای بررسی انتقال اطلاعات در حالت ترکیبی یعنی سیستمی متشکل از لینک‌های DP و LAN به صورت همزمان از سه CPU استفاده کرده و یک داده را بین هرسه CPU حرکت داده و زمان یک بار عبور دیتا از حلقه را اندازه گیری می‌کنیم. برای این منظور سیستمی مانند زیر را می‌بندیم.
شکل ‏422: شبکه ترکیبی با نقطه شروع از CPU 1
در این سیستم CPU شماره 1، MASTER شبکه DP بوده و CPU‌های 2 و 3، Slave‌های آن هستند. ارتباط بین CPU 2 و3 از طریق LAN برقرار است. جهت بررسی دقیقتر دو حالت را در نظر می‌گیریم:
حالت اول:DP-LAN-DP
حالت دوم: LAN- DP-DP
شاید در ابتدا تصور شود از آنجا که دو شبکه ظاهرا مشابه بوده و هر دو از یک شاخه LAN و دو شاخه DP تشکیل شده اند، می‌بایست زمان ارسال‌ها و دریافت‌ها یکسان باشد ولی در عمل اینگونه نیست. در ادامه به بررسی این دو حالت می‌پردازیم.
4-5-1- حالت اول DP-LAN-DP
در این حالت نقطه شروع CPU شماره یک می‌باشد. یک بایت داده از CPU یک به CPU دو از طریق DP ارسال شده و CPU دو آن را از طریق لینک LAN به CPU شماره سه ارسال می‌کند و این داده از طریق یک لینک DP توسطCPU شماره یک یعنی Master سیستم خوانده شده و CPU شماره یک این زمان ارسال و دریافت را ثبت می‌کند.
طبق محاسبات بخش‌های قبل انتظار براین است که در شاخه اول 3.7 ms زمان نیاز باشد تا ارتباط بین Master و CPU 2 به عنوان Slave کامل شود. یعنی طبق این حالت2 CPU می‌بایست بعد از حدود 4 تا 5 ثانیه (با احتساب Cycle Time ) به ارسال اطلاعات به CPU شماره 3 بپردازد.
زمان سپری شده در فصل قبل در ارتباط بین دو CPU از طریق LAN یعنی حدود 13 ms می‌باشد. در گذر دیتا از CPU شماره سه به CPU شماره یک نیز، CPU شماره یک به عنوان Master دیتا را خوانده که زمان آن حدود 3.7 ms می‌باشد. در نتیجه زمان انتقال داده‌ها بدون احتساب Cycle Time عبارت است از :
3.7 + 13 + 3.7 = 20.4 ms
که با در نظر گرفتن 4 ms به عنوان Cycle Time CPU به عدد 24.4 ms می‌رسیم. ولی بررسی‌ها نشان می‌دهد که عوامل دیگری نیز در این زمان موثر است که در زیر ابتدا به شرح آنها پرداخته و سپس سعی می‌شود زمان حدودی بیشینه و کمینه را به صورت تئوری در این حالت بدست آوریم:
1. از آنجا که ابتدای این حلقه از ارسال اطلاعات از CPU 1 به CPU 2 می‌باشد، لحظه ی درخواست ارسال توسط CPU 1 و انطباق با CPU فعال در شبکه پروفیباس حائز اهمیت می‌باشد. یعنی اگر در آن لحظه نوبت به ارسال CPU شماره 2 باشد زمان تلف شده نداریم ولی اگر در آن زمان نوبت CPU شماره 3 باشد، به اندازه حدود 3.7 ms اتلاف زمان خواهیم داشت.
2. عامل بعدی نا مشخص بودن زمان لینک مربوط به اترنت می‌باشد، که ماهیتاً دارای زمان مشخص
نمی باشد و همانطور که در بخش قبل دیدیم تابع شرایط سیستم می‌باشد.
3. در لینک سوم نیز مانند حالت اول Slave فعال نقش مهمی داشته و در این حالت نیز امکان اتلاف
3.7 ms وجود دارد.
از بررسی موارد فوق به نمودارهای زیر با شرایط خوب (نه بهترین) و با شرایط بد (نه بدترین) خواهیم رسید. لازم به ذکر است طول ارسال شبکه LAN از بخش قبلی استخراج شده است.
شکل ‏423: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP با شرایط بد
شکل ‏424: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP با شرایط خوب
با بررسی دو نمودار بالا انتظار می‌رود زمان ارسال و دریافت در حلقه بین 24 تا 34 میلی ثانیه باشد. لازم به ذکر است این زمان تئوری بوده و تغییر شرایط .. در لینک LAN باعث کم و زیاد شدن این مقدارها خواهد شد که در عمل نتایج زیر برای بررسی آزمایش در 1000 نمونه بدست آمده است.
شکل ‏425: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات در حالت DP-LAN-DP
4-5-2- حالت دوم LAN-DP-DP
در این حالت نیز سیستم را مانند حالت قبل می‌بندیم ولی این بار نقطه شروع را CPU شماره 2 قرار می‌دهیم.
شکل ‏426: شبکه ترکیبی با نقطه شروع از CPU 2
در این حالت ابتدا یک لینک از نوع اترنت داریم که طبق تئوری 13 ms طول خواهد کشید. در این حالت یک بایت دیتا از CPU شماره 2 به CPU شماره 3 ارسال می‌گردد. حال CPU شماره یک به عنوان Master سیستم DP، این مقدار را می‌خواند که حدود 3.7 ms زمان خواهد برد. حال این CPU دیتا را به CPU شماره 2 منتقل می‌نماید تا چرخه کامل شود. این زمان نیز 3.7 ms طول می‌کشد. می‌بینیم که مانند حالت قبل زمان‌های ارسال و دریافت برابر 13 +3.7 + 3.7 = 20.4 خواهد بود که با احتساب 4 ms جهت Cycle Time CPU مجددا به عدد 24.4 ms خواهیم رسید.
ولی در عمل می‌بینیم که این زمان بیشتر از این عدد و حتی بیشتر از حالت قبل خواهد بود. لذا مانند حالت قبل به بررسی زمانی می‌پردازیم. مانند حالت قبل شرایط را به صورت زیر بررسی می‌کنیم.
1. ابتدای این حلقه یک لینک از نوع اترنت می‌باشد. لذا ذاتا دارای عدد دقیق نبوده و می‌تواند بسته به شرایط متغیر باشد.
2. زمان دریافت اطلاعات توسط CPU شماره 3 وابسته به اینکه کدام Slave فعال می‌باشد متغیر است. یعنی اگر نوبت خود CPU باشد زمان ارسال 3.7 ms خواهد بود ولی چنانچه CPU دیگر فعال باشد باید حداکثر 3.7 ms زمان انتظار در نظر گرفته تا زمان ارسال آغاز و بعد از آن 3.7 ms زمان جهت ارسال نیاز است.
3. بالاترین زمان اتلاف در ارسال اطلاعات از1 CPU به CPU 2 می‌باشد، چراکه بعد از دریافت اطلاعات از CPU 3 از آنجا که در زمان شروع ارسال به CPU 2، سیکل کاری CPU شماره 1 هنوز کامل نشده است، ارسال اطلاعات به CPU شماره 2 در سیکل بعدی پروفیباس انجام می‌شود. یعنی زمانی حدود 6.5 ms تا 7.5 ms انتظار جهت ارسال وجود دارد.
با بررسی موارد فوق مانند حالت قبل به دو نمودار زمانی زیر می‌رسیم:
شکل ‏427: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP با شرایط بد
شکل ‏428: نمودار زمانی مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP با شرایط خوب
در این حالت نیز برای لینک LAN دو عدد ماکزیمم و مینیمم در نظر گرفته شده است که این عدد بسته به شرایط تغییر خواهد کرد و نتایج عملی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
همانطور که می‌بینیم انتظار داریم نتیجه بین 27 ms تا 38 ms باشد. نتایج عملی حاصل از 1000 نمونه به قرار زیر است:
شکل ‏429: پراکندگی آماری زمان مبادله اطلاعات در حالت LAN-DP-DP
4-5-3- مقایسه دو سیستم
همانطور که در دو سیستم قبل دیدیم علاوه بر شرایط حاکم بر هر یک از لینک‌های پروفیباس و اترنت نحوه سری نمودن این لینک‌ها نیز با اهمیت می‌باشد. لذا انتظار می‌رود با زیاد شدن تعداد CPU ها، شرایط کاری سیستم نیز از پیچیدگی بیشتری برخوردار باشد. نکته دیگری که از دو مثال فوق می‌توان برداشت نمود این است که وقتی دو لینک از نوع پروفیباس پشت سرهم داریم یک تاخیر به سیستم وارد می‌شود که غیر قابل حذف است ولی در حالت دیگر یعنی DP-LAN-DP این تاخیر در زمان ارسال LAN استتار شده و در نتیجه زمان کل کمتر است. این تاخیر در اصل به دلیل نحوه کارکرد و زمان بندی پروتکل پروفیباس می باشد. چرا که در زمان اتمام ارسال و دریافت با یک Slave بلافاصله به ارسال و دریافت با CPU دیگر می پردازد، در صورتی که در این لحظه CPU دوم هنوز دیتای خروجی را آماده نکرده و در نتجه اطلاعات قبلی را ارسال می‌کند. در واقع فاصله زمانی مابین اتمام ارسال و دریافت CPU اول و شروع ارسال و دریافت CPU دوم کمتر از
Cycle Time برنامه یعنی 1 میلی ثانیه می باشد. در کل می‌توان گفت در سیستم‌های کوچک که امکان بررسی تمامی المانها وجود دارد، به عدد حدودی زمان ارسال و دریافت دست یافت و با یافتن پیکره بندی مناسب زمان ارسال را به حداقل رساند.
همانطور که در موارد بالا مشاهده کردیم در کاربردهای محدود نظیر وجود تنها دو وسیله در حلقه اترنت
می توان به دسترسی به موقع اطلاعات دست یافت و به نوعی زمان حقیقی بودن با معنی دسترسی به موقع را محقق نمود. ولی آنچه مسلم است این است که با افزایش وسایل این زمان افزایش خواهد یافت. این افزایش زمان به خودی خود در مفهوم زمان حقیقی تاثیر چندانی ندارد چرا که اگر بتوانیم قطعیت ارسال در زمان خاص
را بدست آوریم، سیستم همچنان زمان حقیقی است که این امر با مدیریت صحیح وسایل مانند مثال قبل محقق خواهد شد. نکته قابل بحث در اترنت جلوگیری از تصادم می‌باشد. چراکه تصادم علت اصلی کندی و زمان حقیقی نبودن این شبکه می‌باشد که با قرار دادن یک ایستگاه مرکزی (نظیر آنچه در پروفیباس داریم) می‌تواند راهگشای این امر باشد که این نیز مستلزم هوشمند بودن و قابل برنامه نویس بودن ادوات می‌باشد و چنانچه نتوان این وسایل را مدیریت نمود تصادم در شبکه افزایش یافته که این امر باعث غیرقابل استفاده شدن سیستم می‌شود. برای بررسی این مطلب می‌توان دو کامپیوتر را به سیستم اضافه نمود و یک فایل را از یک سیستم به سیستم دیگر منتقل کرد. در این حالت شبکه غیر قابل پیش بینی بوده و هیچ زمانی جهت دسترسی به اطلاعات را نمی توان تخمین زد و این شبکه اصلاح پذیر نیست.
شکل ‏430: نمودار زمان مبادله اطلاعات بین دو CPU با اترنت همراه با دو کامپیوتر
تاثیر شبکه‌های صنعتی بر روی حلقه کنترلی
5- تاثیر شبکه‌های صنعتی بر روی حلقه کنترلی
با توجه به نتایج فصل های قبل، در این فصل در نظر داریم یک حلقه PID1 را با در نظر گرفتن تاخیرات شبکه شبیه سازی نماییم. برای این منظور در ابتدا یک سیستم مانند مدل زیر را در نظر گرفته و به آن یک کنترل کننده PID2 اضافه نموده و رفتار آن را در حالت‌های مختلف (تاخیر شبکه در ارسال اطلاعات) بررسی می‌کنیم.
شکل ‏51: مدل مورد بررسی
5-2- مدل مورد بررسی بدون تاخیر زمانی
در این حالت فرض بر این است که هیچ تاخیر زمانی بین بلوک‌های مختلف وجود نداشته و حلقه کنترلی را به همراه یک PID به صورت زیر در نرم افزار مطلب3 مدلسازی می‌نماییم.
شکل ‏52: بلوک دیاگرام مدل به همراه PID
حال جهت بررسی شکل موج زیر را به عنوان ورودی به سیستم اعمال خواهیم نمود.
شکل ‏53: سیگنال ورودی
قبل از اجرای شبیه ساز کنترلر PID را طوری تنظیم می‌کنیم که حلقه کنترلی پایدار بوده و سیستم از پاسخ زمانی مناسبی برخوردار باشد. خاطر نشان می گردد امکان پایدارتر نمودن سیستم نیز وجود دارد ولی در این حالت برای بررسی پاسخ سیستم به تاخیر، سعی بر این است که پایداری سیستم در شرایط مرزی باشد.
پارامترهای PID حاصل پس از تنظیم سیستم به صورت زیر است:
شکل ‏54: پارامترهای PID
حال شبیه‌ساز را اجرا کرده و خروجی سیستم را ترسیم می‌کنیم. نتیجه شبیه‌سازی به صورت زیر است. همانطور که مشاهده می‌گردد سیستم دارای پایداری قابل قبولی می‌باشد.
شکل ‏55: خروجی سیستم بدون تاخیر
5-3- وارد نمودن تاخیر به سیستم (تاخیر ناشی از شبکه)
در این حالت می‌خواهیم تاخیرات شبکه را در سیستم وارد نماییم. فرض می‌کنیم بین قسمت پروسس و قسمت کنترل کننده PID یک فاصله مکانی وجود دارد که به تبع آن ارسال و دریافت مقادیر می‌بایست از بستر یک شبکه صورت پذیرد. برای مثال فرض بر این است که سنسور4 و محرک5 در سایت نصب بوده و کنترلر PID در یک PLC در اتاق کنترل برنامه‌ریزی شده و ارتباط این عناصر از طریق یک شبکه اترنت غیر زمان حقیقی می‌باشد. با توجه به نتایج بخش‌های قبل، تاخیر این شبکه را 13ms در نظر می‌گیریم. بنابراین برای مدل‌سازی این تاخیر از بلوک زیر استفاده می‌نماییم:
شکل ‏56: بلوک تاخیر
حال مدل مورد نظر به صورت زیر تغییر می‌یابد. همانطور که مشاهده می شود یک بلوک تاخیر بین خروجی PID و ورودی پروسه (درواقع محرک) و یک بلوک تاخیر در مسیر فیدبک قرار داده شده است.
شکل ‏57: بلوک دیاگرام مدل به همراه تاخیر 13ms
حال مدل را با ضرایب PID قبلی مجددا شبیه سازی می‌نماییم که نمودار زیر حاصل می گردد:
شکل ‏58: خروجی سیستم با تاخیر 13ms
همانطور که می بینیم نوسانات پاسخ سیستم زیاد شده و سیستم ناپایدار گردیده است. این ناپایداری به دلیل تاخیر پیش بینی نشده ناشی از شبکه اترنت می باشد. به طوری که هرچه این تاخیر بیشتر گردد مقدار ناپایداری نیز افزایش می‌یابد. حال سوالی که مطرح می شود این است که اگر این تاخیر را از قبل پیش بینی کرده و ضرایب PID را با در نظر گرفتن تاخیر شبکه طراحی نماییم چه اتفاقی خواهد افتاد؟ برای بررسی این مورد کنترلر را مجدداً با حضور تاخیر تنظیم می نماییم و به ضرایب PID زیر می‌رسیم:
شکل ‏59: پارامترهای PID با در نطر گرفتن تاخیر 13ms
حال سیستم را با ورودی قبلی شبیه سازی می نماییم.
شکل ‏510: خروجی سیستم با تاخیر 13ms و پایدارسازی مجدد
همانطور که در شکل قبل می‌بینیم، سیستم دارای پایداری قابل قبولی (مجدداً شرایط مرزی) می‌باشد. ولی نکته قابل بحث در این حالت عدم اطمینان به پایداری این سیستم است، چرا که همانطور که گفته شد اساس شبکه اترنت بر پایه دسترسی تصادفی به باس می باشد که این امر منجر به عدم ثابت بودن زمان تاخیر می‌گردد. یعنی چنانچه این تاخیر افزایش یابد امکان ناپایداری مجدد مدل وجود خواهد داشت. برای این منظور تاخیر را به 20ms افزایش داده و مدل را مجددا شبیه سازی شبیه‌سازی نمودیم که سیستم ناپایدار گردید.
همانطور که می بینیم پایداری این سیستم تابع تاخیر می‌باشد. لذا بحث لزوم زمان حقیقی بودن سیستم خودنمایی کرده و ثابت می گردد چنانچه تاخیرات ناشی از شبکه سیستم غیرقابل پیش‌بینی باشد سیستم را نمی‌توان پایدار نمود و یا به بیان دیگر در صورت پایداری، تضمینی جهت باقی ماندن در این حالت (به صورت پایدار) وجود ندارد.
لازم به ذکر است چنانچه از شبکه پروفیباس به جای اترنت استفاده می‌شد، به دلیل ثابت بودن تاخیر امکان پایدارسازی سیستم فراهم می گردید.
5-4- مدل سازی با شبکه ترکیبی
حال برای بررسی پروسه‌های دارای چندین شبکه مختلف مدل زیر را ارایه می‌نماییم. دراین مدل مسیر کنترلر تا محرک را پروفیباس یا اترنت زمان حقیقی با تاخیر 13ms (به جهت امکان مقایسه با حالت قبل، تاخیر این شبکه 13ms در نظر گرفته شده است) و مسیر فیدبک را یک شبکه اترنت غیر زمان حقیقی(در واقع با تاخیر متغیر) شبیه‌سازی نموده و با اجرای شبیه‌ساز نتایج را بررسی می‌نماییم.
شکل ‏511: بلوک دیاگرام مدل شامل شبکه پروفیباس و اترنت
از آنجا که تاخیر شبکه پروفیباس ثابت بوده و مقدار آن را 13ms در نظر گرفته‌ایم، ضرایب PID را مانند حالت قبل در نظر گرفته و با بالا بردن



همه حقوق محفوظ است

Posted آگوست 6, 2018 by 92 in category "مقالات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *