dizajn i implementacija mrežnih uređaja koji koriste ... - Infoteh

INFOTEH-JAHORINA Vol. 9, Ref. A-26, p. 123-127, March 2010.DIZAJN I IMPLEMENTACIJA MREŽNIH UREĐAJAKOJI KORISTE WIRELESSHART PROTOKOLDESIGN AND IMPLEMENTATION OF NETWORK DEVICESTHAT USE WIRELESSHART PROTOCOLMiroslav Kostadinović, Saobraćajni fakultet, DobojBožidar Popović, Elektrotehnički fakultet, Istočno SarajevoNataša Popović, Elektrotehnički fakultet, Istočno SarajevoSadržaj - U ovom radu opisano je korištenje TrueTime simulatora baziranog na Matlab/Simulinku za dizajn i implementaciju mrežnih uređaja koji koriste WirelessHART protokol.TrueTime simulator je sposoban da simulira kompleksne mrežne sisteme i upravljačke parametreu realnom vremenu. Model WirelessHART mreže u ovom radu sadrži četiri različita uređaja kojasu inicirana pisanjem izvršnog koda u odvojenim M-fajlovima i to za kontroler, gateway, senzor iaktuator.Abstract - This paper describes the use of TrueTime simulator based on Matlab / Simulink for thedesign and implementation of network devices using WirelessHART protocol. TrueTime simulatoris able to simulate complex network systems and control parameters in real time. WirelessHARTnetwork model in this paper contains four different devices that are initiated by writing theexecutive code in separate M-files to the controller, gateway, sensor and actuator.1. UVODNovi uslužni program koji ćemo opisati u ovom radu jeimplementiran da poboljša ponašanje i upotrebljivostWireless Network bloka u TrueTime. Originalno suimplementirane dvije vrste komunikacijskog protokola,802.11b/g (WLAN) i 802.15.4 (ZigBee), a mogućnostkorištenja WirelessHart-a je nahnadno dodana. Cilj razvojaWirelessHART-a je da se uspostavi standard za bežičnukomunikaciju za primjenu u procesnoj automatici [1].HCF (engl. Hart Communication Foundation) jedizajnirala specifikaciju wirelessHART mreže da bi seosigurala jednostavna, pouzdana i sigurna komunikacijaizmeđu bežičnih uređaja za automatizovane procese kodindustrijskih postrojenja, kao zamjena postojeće HARTmreže.WirelessHART protokol radi na frekvenciji od 2.4 GHzISM opsegu fizičkog sloja, a koristi IEEE 802.15.4 standardkoristeći TDMA (engl. Time Division Multiple Access) zapristup komunikacionom mediju [2]. Kompletno vrijemekomunikacije se izvršava unutar unaprijed određenogvremenskog slota od 10 ms. Niz vremenskih slotova formirasuperfrejm za prenos podataka i WirelessHart omogućavatehniku skakanja između komunikacionih kanala da bi seizbjegla interferencija i redukovao multi-path fading efekat.Jedan ili više uređaja koji šalju podatke i jedan ili višeuređaja koji primaju podatke, mogu biti određeni dakomuniciraju međusobno u jednom unaprijed predviđenomvremenskom slotu. Vremenski slot može biti rezervisan zakomunikaciju samo jednog uređaja ili može podržavatidjeljenje prenosa podataka preko jednog vremenskog slota.WirelessHart je komunikacioni protokol koji je organizovankao ISO/OSI 7 komunikacioni model [3].WirelessHART je dizajniran da bude kompatibilan sapostojećim HART uređajima, koji rade na žičanimkomunikacijskim sistemima.2. KARAKTERISTIKE PROTOKOLA2.1. PouzdanostDa bi se postigla pouzdana komunikacija pri gustomokruženju industrijskih postrojenja, kao i zbog pomjeranjavelikih vozila i opreme, te usljed promjene uslova ielektromagnetnih smetnji, wirelessHART uključuje nekolikofunkcija koje su opisane u nastavku:Redundatno rutiranje je veoma važno u realnom svijetuRF okruženja. Promjene uslova u industrijskim postrojenjimanajprije zbog vremenski uslova, prepreka u komunikacijskimputanjama, dovode to toga da redundatno mrežno rutiranjeponovo rutira prenos ukoliko je došlo do dužeg prekida ukomunikaciji mreže.Tehnika skakanja između prenosnih kanala koristi seza povećanje pouzdanosti, a dozvoljava dinamičko biranjebilo kojeg od 16 definisanih kanala prema standardu IEEE802.15.4. Smetnje od strane drugih izvora mreža, jer uindustriji postoji više od jedne mreže koja koristi isti 2.4 GHzISM opseg, WirelessHART izbjegava ove probleme prekotehnike skakanja između prenosnih kanala [4].Vremenski sihronizirana komunikacija nudi pouzdanui efikasnu komunikaciju omogućavajući interoperabilnost ijednostavnost upotrebe. Definiše prioritet za svaku poruku, teosigurava kvalitetan servis isporuke. Fiksni vremenskiintervali omogućavaju kreiranje optimalne mreže za bilo kojuaplikaciju sa samo konfigurirajućim pristupom bezintervencije korisnika.2.2. SigurnostWirelessHART nudi visoko sigurnu mrežu i uključuje:• Enkripciju. Sve poruke u mreži se enkriptuju preko128-bitnog enkripcionog ključa prije nego što seizvrši prenos.123

• Verifikacija. Kodovi integrisani u poruke verifikujusvaki paket• Robusnost operacije. Preskakanje kanala i mrežnainfrastruktura ublažava učinak ometanja te odbijanjausluga• Ključevi. WirelessHART mreže osiguravaju različiteključeve za svaki uređaj, kao što su mrežni ključ,pristupni ključ, ključ za pristup i komunikacijuunutar mreže. Ovi ključevi se periodično rotirajutako da se izbjegne neovlaštenim uređajima dapristupe u mrežu.• Autorizacija. Uređaji mogu da pristupe u mrežusamo sa odgovarajućim ID ili pristupnim ključem.2.3. NapajanjeBežični uređaji nude veliku fleksibilnost i nižu cijenuinstalacije, nastojeći da budu „istinski wireless“, što znači daima baterijsko napajanje čiji životni vijek zavisi od potrošnjeenergije [5].Wireless HART koristi dve funkcije kako bi smanjilipotrošnju energije kod komunikacije između uređaja kao iizmeđu uređaja i korisnika, a to su Smart Data Publishing iNotification by Exception tako što:• Prva omugućava prenos poruka samo kada supromjenjeni uslovi u procesu ili informacijezahtjevane od stane korisničkih aplikacija. Ovim seozbjegava nepotrebno slanje poruka a samim timpovećavaju se komunikacijski zahtjevi te efikasnost.• Druga, kada dođe do promjene u statusu procesa,automatski generiše poruku obavještenja premaaplikaciji.3. TRUETIME SIMULATOROvo poglavlje opisuje upotrebu originalnog simulatoraTrueTime baziranog na Matlab/Simulinku, koji simuliraupravljački sklop u izvršavanju zadataka u real-timesistemima, mrežama (žičane ili bežične mreže) i dinamičkimpogonima.razvijen na Simulinku, koji vodi brigu o upravljačkomsistemu u smislu performansi, stabilnosti i izdržljivosti, aprvenstveno je namijenjen korištenju zajedno sMATLAB/Simulinkom [6].Wireless Network blok simulira pristup mediju iprenošenje paketa. Originalno u TrueTime su implementiranedvije vrste komunikacijskog protokola, 802.11b/g (WLAN) i802.15.4 (ZigBee), dok je mogućnost korištenjaWirelessHart-a je nahnadno dodana.4 DIZAJN I IMPLEMENTACIJA MODELAModel upravljačkog sistema sadrži tri uređaja tj.čvora jerHART protokol objedinjuje funkciju kontrolera i gateway-ate su prikazani kao jedan čvor na slici 2., a smješteni su nameđusobnoj razdaljini od 20 metara. Svaki od uređaja jepredstavljen sa TrueTime kernelom, a povezani su jednimWireless Network blokom [7].Sl. 2. Model upravljačkog sistemaU ovom upravljačkom sistemu postoji samo jedna petlja ukojoj senzor periodično konvertuje analogni signal iz procesau digitalnu vrijednost i šalje ga kontroleru. Kontroler, nakonšto primi poruku od senzora, izračunava izlaz u skladu saodgovarajućim upravljačkim algoritmom i šalje upravljačkisignal aktuatoru koristeći WirelessHart mrežu, kao na slici 2.Aktuator konvertuje primljeni upravljački signal u analogni ibiva pokrenut.4.1. Arhitektura korisničkog interfejsaSl. 1. TrueTime biblioteka Simulink blokovaTrueTime ne sačinjavaju samo bibliotečni blokovi (slika1), već i kolekcije C++ funkcija sa odgovarajućim MATLABMEX-interfejsima. Neke funkcije omogućavaju pomoćusimulacije kreiranje zadataka, ručno prekidanje, nadzor,tajmere, itd. Druge funkcije su real-time koje se pozivajukodom za vrijeme izvršenja zadatka i omogućuju AD/DAkonverziju, slanje i primanje poruka, itd. TrueTime jeNa samom početku implementacije moramo postavitineka ograničenja u sistemu, tako što predpostavimo dakoristimo topologiju zvijezde u mreži i da imamo samo jedanaktivni kanal. To znači da je bežičnim uređajima dovoljansamo jedan skok do gateway-a.Slika 3. prikazuje osnovni blok dijagram za modelSimulink blokova kod WirelessHART simulatora. Senzorskičvor očitava vrijednosti varijable procesa koje treba da sukontrolisane od strane procesa postrojenja, te ih zatimtransmituje do gateway uređaja. Gateway uređaji primajupodatke od senzora, a zatim se vrši zapisivanje vrijednosti nakontrolere, da bi se proračunao upravljački signal zahtjevanza izvođenje operacija u procesima postrojenja. Kontrolerizračunava vrijednost upravljačkog signala i zapisuje ga nagateway. Gateway očitava vrijednost i šalje ga premaakturatoru. Akturator, prima vrijednost upravljačkog signala124

od gateway-a i zapisuje ga u proces postrojenja. Procesi upostrojenju izvode operaciju na osnovu primjenjenihvrijednosti upravljačkog signala.SenzorKontrolerGatewayPostrojenjeAktuatorSl. 3. Šema komunikacije između bežični uređajaPrije simuliranja rada mreže, treba da se osigurajukorisnički unosi u mrežu preko korisničkog interfejsa. Slika4. prikazuje niz komunikacijskih veza ostvarenih izmeđuuređaja u jedanom komunikacijskom krugu.Značenje pojedinih blokova na slici 4. je sledeće:• Prvi procesni blok dozvoljava korisniku da definišebroj superfrejmova i dužinu svakog od njih u mreži.Svi superfrejmovi su različite dužine.• Drugi blok dozvoljava korisniku da definiše brojsenzora, aktuatora u mreži kao i broj upravljačkihpetlji u mreži.• Treći blok dozvoljava definisanje zavisnog ulaza izavisnog izlaza za svaku upravljačku petlju. Zavisanulaz je podatak dobijen od strane senzorskoguređaja, za koji upravljački signali treba da buduizračunati. Zavisan izlaz predstavlja za bežičniuređaj izračunati upravljački signali koji treba dabude odaslan.• Četvrti blok raspoređuje svakom uređaju u mrežiodređeni vremenski slot u odgovarajućemsuperfrejmu.• Peti blok dozvoljava tabelarni prikaz statusa i detaljeo svakom vremenskom slotu svih superfrejmova.• Šesti blok dozvoljava prikaz informacije o rasporeduizvršavanja zadataka pojedinih uređaja u mreži, kaoi o greškama i upozorenjima.4.2. Konfiguracija mrežnih uredjajaU TrueTime simulacionom modelu koji je prikazan naslici 2., dizajniran je umreženi upravljački sistem, gdje supovezana tri mrežna uređaja korištenjem komunikacije putemWirelessHART mreže [5,6,7]. Dvostrukim klikom naWireless Network blok na slici 5. otvara se dijaloški prozor ukoji unosimo broj uređaja/čvorova i izabiremo WirelessHartprotokol.Sl. 5. TrueTime Wireless Network blokaSl. 4. Arhitektura korisničkog interfejsaU ovom sistemu postoji četiri različita uređaja senzori,gateway, kontroler i aktuator, međutim pri simulaciji HARTprotokola objedinjena je funkcija kontrolera i gateway-a ujedan čvor. Svaki čvor se prije upotrebe u mreži morainicijalizirati.Inicijalizacija senzora. Mrežni uređaji/čvorovi susimulirani u podsistemu sa TrueTime kernel blokom. Detaljipodsistema za senzor/čvor1 su dati na slici 6. Senzor/čvor1koristi jedan A/D konvertor u ulaznom dijelu i jedan mrežniizlaz (Snd) na izlazu.125

Sl. 6. TrueTime kernel blok senzoraSenzor/čvor1 periodično konvertuje informacije izanalognog izlaza i šalje informacije mreži, koristeći funkcijusensor_init koja je pozvana u TrueTime kernelu, a prikazanaje na slici 7.funkciju moramo definisati parametre prikazane u sledećemobliku: ttCreatePeriodicTask ('task name', offset, period,prio, 'function name', data). U nastavku svaki od navedenihparametra biće posebno objašnjen:• Task name parametar traži da se osigura ime zasvaki zadatak, tako da ne postoji mogućnost istihimena zadataka u mreži.• Offset predstavlja vrijeme koje se koristi zaodlaganje odnosno kašnjenje izvršavanja zadatkaposle buđenja.• Period je definisan u sekundama i koristi se zaperiodično pobudjivanje.• Function name parametar koristi se za davanjeimena funkciji koja treba da bude pozvana prilikomaktiviranja zadatka.• Data se koristi kada korisnik želi proslijediti nekeparametre za pozivanje funkcije i tada moramopozvati funkciju koja upravlja prekidima za čvorove.Da bi koristili funkciju prekida moramo kreirati prekidnitask, definisati prioritet funkcije i ime funkcije koja treba dase izvrši pri prekidu, a što se može postići pisanjem funkcije:ttCreateInterruptHandler (handler name, priority, functionname ).Svaki uređaj/čvor koji sadrži blok TrueTime kernela morabiti pokrenut od strane funkcije ttInitNetwork (identifikacionibroj uređaja, ime funkcije mrežnog prekida). Postavljamrežnu adresu uređaja/čvora i također definiše koji će prekidbiti izveden kada stigne nova poruka. Ukoliko je potrebno dase periodično izvodi zadatak na uređaju/čvoru, koristiti sefunkcija ttCreatePeriodicTask (period, prioritet, naziv m –fajla, lokalne informacije za uređaj).Inicijalizacija kontrolera/gateway. Kontroler primaporuke od senzora i šalje podatke natrag na mrežu tj.aktuatoru. Detalji podsistema za kontroler/čvor3 su dati naslici 8. gdje koristi jedan A/D konvertor i jedan mrežni ulaz(Rcv) na ulaznom dijelu, jedan mrežni izlaz (Snd) naizlaznom dijelu.Sl. 7. Funkcija sensor_initInicijacijalizacija uređaja može se izvršiti pisanjem dijelakoda u odvojenim M-fajlovima za svaki uređaj, tako štomoramo da definišemo u mreži broj analognih ulaza i izlazaza svaki čvor i planiranati izvršavanje zadataka. Ovo se možepostići pisanjem funkcije ‘ttInitKernel’, u sledećem obliku:ttInitKernel(nbrOfInputs, nbrOfOutputs, scheduling policy).Na slici 7. imamo prikazan M-fajl inicijalizacije senzora gdjeje implementirana prethodna funkcija.Od strane korisnika definiše se offset kanala, odredišnaadresa, pravac komuniciranja, karakteristika veze, ID okvirza svaki vremenski slot i kreira se tabela podataka koja sadržisve informacije o čvorištima. Nakon čega se kreira periodičnizadaci koji su aktivni svakih 0,01s, što se postiže pisajućifunkcije ‘ttCreatePeriodicTask’. Kada pozivamo ovuSl. 8. TrueTime kernel blok kontroleraNakon podešavanja parametara Kernel bloka, potrebno jekreirati ctrlcode M-fajl koji je prikazan na slici 9. Ovajnapisani kod izračunava upravljački izlazni signal tako štokoristi jednačine za PD kontrolere [5,7].126

6. ZAKLJUČAKSl. 9. Funkcija ctrlcodeAnalogijom i za preostale Simulink blokove u modeluupravljačkog sistema na slici 1., potrebno je napisati M-fajlove kako bismo testirali model bežične mreže u kojoj jekomunikacija između uređaja ostvarena koristećiWirelesHART protokol [3], [4].5. SIMULACIJA PLANIRANJA ZADATAKA U MREŽIUkoliko simulator ne prijavi grešku prilikom testiranjakoda uređaja, tada možemo startovati simulaciju modela saslike 1. Nakon pokretanja simulacije otvara se prozor kao naslici 10. koji omogućava da pratimo planiranje izvršavanjazadataka uređaja koji ostvaruju komunikaciju koristećiWirelessHART protokol [2].Dobijeni rezultati tj. dijagrami modela upravljačkogsistema prikazuju planiranje zadataka uređaja i imaju sledećeznačenje: visok signal znači slanje, srednji predstavljačekanje i nizak da je uređaj besposlen.Automatizovano upravljanje predstavlja savremeni načinproizvodnje u procesnoj industriji. Danas postoji trendzamjene žičanih komunikacijski sistema sa novim razvijenimbežičnim komunikacijskim sistemima, zbog njihovogefikasnijeg te jeftinijeg načina priključenja i korištenja.Bežični sistemi za komunikaciju su veoma fleksibilni iosiguravaju sigurnu i pouzdanu komunikaciju izmeđumrežnih uređaja.HCF nudi specifikacije bežičnog komunikacijskogmrežnog sistema poznatog kao WirelessHART protokol.Većina industrija vrši zamjenu postojeći žičanihkomunikacijski sistema sa bežičnim komunikacijskimsistemom baziranim na WirelessHART-u. Glavni razlognjegovog uvođenja pored navedenoga, jeste postojanje višeod 26 miliona HART uređaja u industrijskoj primjeni sa višeod 1000 različitih tipova uređaja od 220 proizvođača.WirelessHART je kompatibilan sa HART uređajima, štosmanjuje cijenu instaliranja novih uređaja i vremenapotrebnog za implementaciju bežičnog sistema. Pa prematome, WirelessHART nudi jednostavan, siguran i pouzdannačin komunikacije izmedju uređaja.LITERATURA[1] HART Communication Foundation: “Control withWirelessHART”, HCF LIT-127, Revision 1.0, June30, 2008.[2] M. Kostadinović, M. Stojčev, Z. Bundalo, D. Bundalo:“Upravljanje WirelessHART mrežom”, Međunarodni naučnostručnisimpozijum INFOTEH-JAHORINA 2009., Jahorina,18.-20. marta 2009.[3] M. Kostadinović, M. Stojčev, Z. Bundalo, D. Bundalo:“Design, Implementation and Simulation of WirelessHartNetwork”, 9th International Conference onTelecommunications in Modern Satellite, Cable andBroadcasting Services - TELSIKS 2009., Niš, 7-9.10. 2009.[4] M. Kostadinović, Z. Bundalo, D. Bundalo, B. Popović:“PROBLEM OF PACKET LOSS IN WIRELESSHARTNETWORK”, 13 th International Research/ExpertConference”Trends in the Development of Machinery andAssociated Technology” TMT 2009, Hammamet, Tunisia, 16-21 October 2009.[5] Andersson Martin, Dan Henriksson, Anton Cervin andKarl-Erik Årzén: “Simulation of wireless networked controlsystems”, in Proceedings of the 44th IEEE Conference onDecision and Control and European Control Conference ECC2005. Seville, Spain, December 12-15 2005.Sl. 10. Planiranje izvršavanja zadataka u mrežiTakođer, dobijeni dijagrami prikazuju početno vrijemekao i ukupno vrijeme za izvršavanje zadataka svakog uređaja.Vreme za izvršenje svakog uređaja nije definisano od stranekorisnika nego je fiksno u ovom slučaju. Zadacigateway/aktuator za prijem podataka od stranesenzor/gateway uređaja je definisano. Tako da se zadatakizvršava poslije završetka izvršavanja odgovarajućegodašiljanja uređaja.[6] A. Cervin, D. Henriksson, M. Ohlin: “TrueTime 2.0 beta-Reference Manual”, Department of Automatic Control, LundUniversity, Lund, Sweden, January 2009.[7] M. Kostadinović, M. Stojčev, Z. Bundalo, D. Bundalo:“APPLICATION OF MODIFIED TRUETIME SIMULATORIN CONTROL OF WIRELESSHART NETWORKS”, 15 thINTERNATIONAL SYMPOSIUM on POWER Electronics –Ee2009, Novi Sad, Republic of Serbia, October 28 th – 30 th ,2009.127