Προηγµένα Συστήµατα Βιοµηχανικής Αυτοµατοποίησης

Transcript

1 Προηγµένα Συστήµατα Βιοµηχανικής Αυτοµατοποίησης Γεώργιος Παπαδόπουλος, Οµότ. Καθηγητής Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρµογών Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Πανεπιστήµιο Πατρών

2 οµή Παρουσίασης ικτυακή ΥποδοµήστηΒιοµηχανία Σύγχρονες Τάσεις στη Βιοµηχανική Αυτοµατοποίηση Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Προκλήσεις Παραδείγµατα Σύνθετα (Αυτο-)Προσαρµοζόµενα Συστήµατα Σχετικά Έργα / Αποτελέσµατα

3 ικτυακή Υποδοµή στη Βιοµηχανία Ανάπτυξη στα µέσα της δεκαετίας του 80 Περισσότερες από 80 λύσεις σήµερα ΕΝ PROFIBUS, P-NET, WorldFIP και αργότερα Foundation Fieldbus IEC & IEC EN ControlNet/EthernetIP, Interbus, SwiftNet Συνολικά 18 διαφορετικά και ασύµβατα µεταξύ τους συστήµατα Άλλα ίκτυα CAN, CAN-Open, DeviceNet LonWorks Βιοµηχανικό Ethernet

4 ικτυακή Υποδοµή στη Βιοµηχανία Ειδικά χαρακτηριστικά: Καθορισµένοι χρόνοι προσπέλασης του µέσου και µετάδοσης δεδοµένων Μειωµένοι χρόνοι απόκρισης (1-100 msec) Αυξηµένη αξιοπιστία Μεγάλος χρόνος µεταξύ αποτυχιών (MTBF) Ασφάλεια Υπηρεσίες συγχρονισµού Σύνθετα πρωτόκολλα εξασφαλίζουν χρονική και χωρική συνέπεια µεταξύ των τιµών µιας µεταβλητής σε ένα κατανεµηµένο σύστηµα

5 Σύγχρονες Τάσεις στη Βιοµηχανική Αυτοµατοποίηση Τεχνολογίες MEMS ( Micro-ElectroMechanical Systems ) Συστήµατα που βασίζονται σε ειδικές τεχνικές κατασκευής για την ελαχιστοποίηση του µεγέθους και µεγιστοποίηση ολοκλήρωσης ηλεκτρονικών-µηχανικών τµηµάτων (µικρο-τουρµπίνες, κινητήρες, εργαλεία, αισθητήρες κλπ) Νανοτεχνολογία (Nanotechnology) το επόµενο βήµα Ασύρµατες επικοινωνίες και δίκτυα Μικρού κόστους, µεγέθους και κατανάλωσης αισθητές και ενεργοποιητές διασυνδεδεµένοι µέσω γρήγορων, αξιόπιστων και οικονοµικών ασύρµατων δικτύων. Καθολική συνδεσιµότητα µετοinternet ( Pervasive Internet ) Οι παλαιότερες «νησίδες αυτοµατισµού» (islands of automation) θα δώσουν τη θέση τους σε ένα ευρύτατα διασυνδεδεµένο δίκτυο όλων των συσκευών. Νέα µοντέλα συντήρησης από απόσταση Σηµαντική νέα παράµετρος οι αυξηµένες απαιτήσεις σε ασφάλεια (ειδικά και σε συνδυασµό µε τιςασύρµατες επικοινωνίες) Σύνθετα Προσαρµοζόµενα Συστήµατα ( Complex Adaptive Systems CAS ) Οι σηµερινές ιεραρχίες ελέγχου µεταξύ συσκευών θα συµπληρώνονται από νέες βασισµένες σε αυτό-προσαρµοζόµενα δίκτυα συσκευών όπου η ευφυΐα ενσωµατώνεται απ ευθείας στις τελικές διατάξεις (αισθητήρες, κλπ).

6

7

8 Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Η διείσδυση και η αποδοχή των ασύρµατων επικοινωνιών σήµεραστηβιοµηχανία δενείναιαµελητέα, αλλά δεν συγκρίνεται σε έκταση µε την αντίστοιχη σε περιβάλλοντα γραφείου. Μια σειρά από θέµατα εξακολουθούν να παραµένουν ανοικτά : Επικοινωνίες µε απαίτηση για αυστηρά πραγµατικό χρόνο Αξιοπιστία και ασφάλεια (security and safety) Τροφοδοσία, κατανάλωση και συνεπαγόµενα κόστη συντήρησης (π.χ. χρόνος ζωής της µπαταρίας) Συντηρητικές συµπεριφορές στην αποδοχή νέων τεχνολογιών στη βιοµηχανία λόγω µεγέθους, κόστους και αναµενόµενου χρόνου ζωής των εγκαταστάσεων

9 Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Προκλήσεις: ύσκολα περιβάλλοντα µε υψηλό επίπεδο ηλεκτροµαγνητικού θορύβου Τροφοδοσία Ετερογένεια συσκευών και πρωτοκόλλων Ασφάλεια επικοινωνιών Περιορισµένοι πόροι συσκευών Παράλληλη υποστήριξη εφαρµογών πολυµέσων Απρόσκοπτη ολοκλήρωση µε υπάρχονταενσύρµατα συστήµατα Μηχανισµοί δυναµικής προσαρµογής στις συνθήκες του περιβάλλοντος και στις απαιτήσεις των εφαρµογών Πολυπλοκότητα στο σχεδιασµό και την υλοποίηση

10 Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Απαιτήσεις: Λειτουργική Ισοδυναµία (µε υφιστάµενα ασύρµατα δίκτυα) ως προς τη: Χρονική Συµπεριφορά (αυστηρός πραγµατικός χρόνος) Αξιοπιστία Ασφάλεια Τροφοδοσία & Κατανάλωση Συµβατότητα & ιαλειτουργικότητα Χρήση ιαθέσιµων Συσκευών Μεταφορά Εφαρµογών Μέθοδοι Ανάπτυξης Εφαρµογών Αξιοποίηση όλων των νέων δυνατοτήτων Υποστήριξη κινητού κόµβου σε αποστάσεις µεγαλύτερες αυτών της τυπικής κάλυψης µιας κυψέλης

11 Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Απαιτήσεις Πραγµατικού Χρόνου Από την κλασική θεωρία: ειγµατοληψία εισόδων Αλγόριθµος Ελέγχου Οδήγηση εξόδων Περιοδική εκτέλεση µε µηδενική χρονική ολίσθηση (jitter) Μη σηµαντικοί χρόνοι εκτέλεσης του κάθε βήµατος Κατανεµηµένες υλοποιήσεις βρόχων ελέγχου: Όχι πάντα µηδενικό Jitter Σηµαντικοί χρόνοι για τη µεταφορά των δεδοµένων

12 Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Αυστηρός Πραγµατικός Χρόνος και Ασταθή Κανάλια. Βασικές Παραδοχές: Ελεγχόµενα περιβάλλοντα (λήψη µέτρων διαχειριστικής φύσης). Μελέτη του κάθε χώρου (µετρήσεις) πριν από την ανάπτυξη της εφαρµογής και την εγκατάσταση του συστήµατος. Ορισµός του αποδεκτού χρόνου µεταξύ αποτυχιών σε επίπεδο συστήµατος. Καθορισµός «χειρότερης περίπτωσης» µετά τη λήψη όλων των διαθέσιµων και αποδεκτών µέτρων Μείωση της απόστασης Αύξηση της ισχύος εκποµπής Μείωση του χρήσιµου εύρους ζώνης του δικτύου (ARQ, Over-sampling) ιαχείριση της αποτυχίας (fail-safe procedures)

13 Ασύρµατες Επικοινωνίες στο Βιοµηχανικό Περιβάλλον Κατηγορίες Ασύρµατων ικτύων Ελέγχου (ISA-SP100-Drafts)

14 Πρότυπα Ασύρµατης Επικοινωνίας στη Βιοµηχανία Σήµερα IEEE b/g/e IEEE PHY ISA SP100 (σε εξέλιξη) TDMA DLL

15 Ασύρµατη διασύνδεση PROFIBUS στο επίπεδο πεδίου (Field Level)

16 Κινητοί κόµβοι σε Τοπολογίες Κυψέλης (ΙΕΕΕ , R-Fieldbus)

17 Κινητοί κόµβοι σε Τοπολογίες WSN (WirelessHART, ΙΕΕΕ και ISA SP100)

18 Αυτο-προσαρµοζόµενα Κατανεµηµένα & Ενσωµατωµένα Συστήµατα Πραγµατικού Χρόνου Προκλήσεις: υναµική προσαρµογή σε συνεχείς µεταβολές των συνθηκών περιβάλλοντος και των απαιτήσεων των εφαρµογών Ολική διαχείριση παραµέτρων συµπεριφοράς, διαµοιρασµού κοινών πόρων, κατανάλωσης, χρονικής απόκρισης και ποιότητας προσφερόµενης υπηρεσίας ιαθέσιµα µέσα / κατευθύνσεις: Ανάλυση των παραµέτρων και των στόχων σε δυναµικές εξισορροπήσεις, ανάπτυξη µοντέλων Ανάπτυξη και σύγκριση διαφορετικών πολιτικών προσαρµογής Ανάπτυξη λογισµικού / υπηρεσιών (Middleware/OS services) για τη διαχείριση της ετερογένειας δικτύων και συσκευών Έλεγχος της λειτουργικότητας σε διαφορετικά επίπεδα της αρχιτεκτονικής και ανάπτυξη cross-layer µεθόδων συντονισµού

19 Ήχος/Εικόνα σε υβριδικά ενσύρµατα/ασύρµατα δίκτυα απαιτούνται Εξισορροπήσεις (trade-offs) µεταξύ χρήσης και κατανάλωσης δικτυακών και τερµατικών πόρων, όπως: Εύρος ζώνης (Bandwidth) Επεξεργαστική ισχύς / χρόνος (CPU time) Μνήµη (Memory buffers) Ενέργεια εξασφαλίζοντας εγγυηµένη χρονική συµπεριφορά από άκρο σε άκρο (endto-end)

20 Σχετικά Ερευνητικά Έργα ΙΝΒΙΣ / ΠΠ IST RFIELDBUS (Radio Fieldbus) : High Performance Wireless Fieldbus In Industrial Related Multi-media Environment IFAK E.V. (Germany), SIEMENS (Germany), ST2E (France), SOFTING (Germany), IPP (Portugal), CYCLON (Greece) IST BETSY (BEing on Time Saves energy) : Continuous Multimedia Experiences on Networked hand-held devices PHILIPS Rsrch (The Netherlands), SIEMENS-CLab (Germany), IMEC (Belgium), CSEM (Switzerland), MDH (Sweden), University of Cyprus (Cyprus), Technische University Eindhoven (The Netherlands) IST µswn (micro Sensorial Wireless Networks) : Solving Major Problems in Wireless Sensor Networks MTP (Spain), Coronis (France), UPM (Spain), Edosoft Factory (Spain), ULPGC (Spain), CEA LIST (France), KTU (Lithouania), BCT (Lithouania), BM (Lithouania) ιεθνής Συνεργασία στη Βιοµηχανική Έρευνα και ραστηριότητες Ανάπτυξης σε Προ-Ανταγωνιστικό Στάδιο ΒΕΤΑ: Βιοµηχανική Έρευνα για την Ανάπτυξη Ολοκληρωµένου Συστήµατος ελέγχου βασισµένου σε ασύρµατα / ενσύρµατα δίκτυα για εφαρµογή στην παραγωγική διαδικασία CYCLON (Greece), TUB (Germany)

21 Σηµαντικότερα Αποτελέσµατα Ανάπτυξη διασυνδετικών διατάξεων µεταξύ ετερογενών δικτύων (εγκατεστηµένων σήµερα στην CYCLON και στο IPP (Πορτογαλία)) Ανάπτυξη κατανεµηµένου λογισµικού ενδιάµεσου επιπέδου (middleware) για τη µεταφορά ροών πολυµέσων (multimedia streams) σε ενσύρµατα / ασύρµατα περιβάλλοντα Ανάπτυξη µοντέλωντωνχαρακτηριστικώνλειτουργίαςτωνσυσκευώνκαιτης κίνησης στο δίκτυο Ανάπτυξη µοντέλων κατανάλωσης πόρων σε ενσωµατωµένες συσκευές Ανάπτυξη πρωτοκόλλων δροµολόγησης σε ασύρµατα δίκτυα αισθητήρων, µε έµφαση στην κατανάλωση ενέργειας και τα χαρακτηριστικά πραγµατικού χρόνου Ανάπτυξη προγραµµατιστικών διεπαφών (APIs) για διαφορετικές πλατφόρµες ασύρµατων δικτύων αισθητήρων

22 Ευχαριστώ