Промышленные сети на основе CAN

DeviceNet

Происхождение: Allen-Bradley, 1994 год.

Длина соединения: от 100 до 500 метров.

Скорость передачи данных: 125, 250 и 500 Кбит/с.

Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла.

Область применения: в основном сборочные, сварочные и транспортировочные агрегаты. Особенно широкое распространение данная шина получила в автомобильной и полупроводниковой отраслях промышленности.

Достоинства: низкая стоимость, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.

Одним из главных достоинств DeviceNet является поддержка нескольких типов обмена сообщениями. Для обеспечения наиболее эффективной передачи сообщений в сети одновременно могут использоваться несколько методов.

1) Опрос (Polling): опрашивающее устройство поочередно запрашивает данные из каждого устройства сети либо посылает данные в это устройство. Данный метод является самым совершенным, но и самым медленным.

2) (Широковещательное) стробирование (Strobing): опрашивающее устройство посылает подчиненным устройствам общий запрос, после чего подчиненные устройства по очереди отсылают главному данные о своем состоянии (первым отвечает узел с номером 1, вторым с номером 2 и т.д.). Меняя порядок нумерации узлов, можно задавать приоритетность сообщений. Опрос и широковещательное стробирование наиболее распространенные способы сбора данных.

3) Периодическая отсылка (Cyclic): сетевые устройства автоматически с установленной периодичностью передают центральному узлу сведения о своем состоянии. Сообщения данного типа, называемые иногда heartbeat-сообщениями (сообщениями типа "я живой"), нередко используются совместно с сообщениями об изменении состояния (Change of State) для индикации текущей работоспособности устройства.

4) Изменение состояния (Change of State): отсылка сообщения происходит только по факту изменения состояния устройства. Отличается наименьшими временными затратами, в крупных сетях его производительность может оказаться выше, чем в сетях с использованием метода опроса. Является самым экономичным с точки зрения временных затрат, но, иногда и наименее точным, поскольку производительность и время отклика становятся непредсказуемыми величинами.

5) Явное сообщение (Explicit Messaging): передача сообщения с одновременным указанием способа его интерпретации устройством. Широко используется для связи с такими сложными устройствами, как приводы и контроллеры в целях получения значений параметров, меняющихся не так быстро и часто, как производственная информация.

6) Фрагментированное сообщение (Fragmented Messaging): если размер передаваемого сообщения превышает восемь байт, оно может быть разделено на несколько восьмибайтовых фрагментов с последующим восстановлением сообщения в принимающем устройстве. Обычно фрагментирование выполняется автоматически, без вмешательства со стороны пользователя.

7) UCCM (UnConnected Massage Manager Менеджер однорангового обмена): UCMM-интерфейсы DeviceNet могут непосредственно взаимодействовать друг с другом на одноранговой (peer-to-peer) основе. В отличие от связи типа "главный-подчиненный", любое UCMM-устройство обменивается данными с другим UCMM-устройством напрямую, без предварительной отсылки информации в главное устройство.

Недостатки: ограниченные пропускная способность, размер сообщений и длина соединения.

CANopen

Происхождение: CAN in Automation, 1993 год.

Максимальное число узлов: 64.

Длина соединения: от 100 до 500 метров.

Скорость передачи данных: 125, 250, 500 и 1000 Кбит/с.

Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла.

Типы сообщений: аналогично DeviceNet.

Область применения: в системах управления перемещением (текстильная и полиграфическая отрасли, упаковочные линии, опрессовка под давлением), сварочных агрегатах, в роботизированном производстве, подъемных и транспортных системах.

Достоинства: по сравнению с другими сетями на базе CAN сеть CANopen в большей степени пригодна для быстродействующих систем управления и контуров регулирования с обратной связью. Высокая надежность, рациональное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Основное отличие CANОpen от других промышленных шин, ориентированных на соединения типа Master/Slave, заключается в способности каждого узла самостоятельно обмениваться данными с другим узлом, минуя главное устройство.

Недостатки: малая распространенность за пределами Европы, сложность протокола, а также общие для всех CAN-сетей недостатки (ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения).

Операционные системы реального времени (ОСРВ). Параметры ОСРВ, классы ОСРВ.

Задачи реального времени составляют одну из сложнейших и крайне важных областей применения вычислительной техники, связанных с контролем и управлением процессами. Область задач РВ: управление прокатными станами, роботами, транспортными системами, атомными станциями и др. Эти задачи предъявляют к аппаратному и программному обеспечению требования надежности, своевременной реакции на внешние события высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, и т.д.

Каноническое определение: " Система реального времени, та, в которой правильный результат зависит не только от логической правильности вычислений, а также от времени, за которое будет получен результат. Если временные ограничения не выполняются, считается, что в системе случился сбой".

Назовем системой реального времени (далее СРВ) аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказуемые времена на непредсказуемый поток внешних событий.

Различают 2 типа СРВ:

1) Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях. Примеры: бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

2) Системы мягкого реального времени, в которых задержка реакции допустима, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Пример - работа компьютерной сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.

Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опаздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.

2 типа ОС:

1) ОС общего назначения (GPOS) ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между несколькими одновременно выполняющимися программами (системы разделения времени),

2) ОСРВ (RTOS - real-time operating system) ориентированы на обработку внешних событий. Главная задача - своевременно обработать события, происходящие на объекте.

Под ОСРВ понимают такую систему, которая может быть использована для построения систем жесткого реального времени.

Применение ОСРВ всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то ОСРВ служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей ОСРВ - разработчики комплексов реального времени, люди, проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную СРВ, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.

 

Параметры ОСРВ

1) Время реакции системы. События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками, информация с которых передается в модули ввода-вывода системы управления. Модули ввода-вывода, получив информацию от датчиков и преобразовав ее, генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере. Получив запрос от модуля ввода-вывода, ОСРВ должна запустить программу обработки этого события.

Интервал времени - от момента возникновения события на объекте до выполнения первой инструкции программы обработки этого события - является временем реакции системы на события. Он складывается из

а) интервала от события на объекте до генерации прерывания (не зависит от ОСРВ и целиком определяется аппаратурой)

б) интервала от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции его обработчика (определяется свойствами ОСРВ и архитектурой компьютера).

Время реакции нужно оценивать в худшей для системы ситуации, в предположении, что процессор загружен, что в это время могут происходить другие прерывания, что система может выполнять какие-то действия, блокирующие прерывания.

2) Время переключения контекста – время, которое многозадачная ОСРВ затрачивает на передачу управления от процесса к процессу.

3) Размеры системы. Для ОСРВ важным параметром является размер системы исполнения, а именно суммарный размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т. д.). Хотя надо признать, что с течением времени значение этого параметра уменьшается, тем не менее, он остается важным, и производители ОСРВ стремятся к тому, чтобы размеры ядра и обслуживающих модулей системы были невелики. Например, размер ядра ОСРВ OS9 на микропроцессорах МС68xxx - 22 кбайт, VxWorks - 16 кбайт.