Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Trendy automatizace 2008

František Zezulka, Ondřej Hynčica
 
Článek informuje o nových trendech v automatizaci – sítích senzorů a teorii propojených řídicích systémů.
 
The article brings insight into the emerging trends in automation – the sensor networks and the theory of networked control systems.
 

1. Úvod

Tématem příspěvku jsou dva významné trendy v oblasti teorie automatického řízení z mnoha trendů, které byly artikulovány v průběhu 17th IFAC World Congress, Soul, Korea, ve dnech 6. až 11. července 2008 [5], [7] i na jiných odborných fórech v posledních dvou až třech letech. Jde o trendy, které autoři považují za velmi významné, neboť jsou vyvolány především potřebami praxe a současnou teorií automatického řízení nejsou řešeny. Jedním jsou senzorové sítě, které poznamenají lidský život možná stejně významně jako mobilní telefony a skýtají naprosto nový pohled na senzory, snímače, měření, parametry a přenos měronosné informace. Druhým jevem je potřeba teorie analýzy a syntézy propojených řídicích systémů především větších a velkých celků (Networked Control Systems) charakteristických heterogenním propojením řídicích členů jak v jedné úrovni řídicí pyramidy, tak napříč těmito úrovněmi a jevy, které tyto struktury s sebou přinášejí. Jde zejména o zpoždění a výpadky zpětnovazební informace, o nepravidelnou periodu vzorkování a z toho plynoucí problémy se zajištěním stability, přesnosti a optimality řízení. Je referováno o ambiciózním výzkumném programu zaměřeném na vývoj teorie propojených řídicích systémů pod patronací organizace Deutsche Forschungsgemeinschaft.
 

2. Trendy distribuovaných systémů řízení

Vývoj automatických systémů byl v minulosti silně ovlivněn především rozvojem mikroelektroniky. Ve svých důsledcích vedl především k nahrazení analogové měřicí a řídicí techniky (zejména řídicích členů) číslicovými regulátory, programovatelnými automaty (PLC), průmyslovými PC (IPC) a distribuovanými řídicími systémy. V současné době pokračující vývoj mikroelektroniky jako silně ovlivňující faktor stále působí. U větších celků, jako jsou technologické procesy (chemie, petrochemie, energetika, metalurgická výroba a další odvětví, jakož i technická zařízení budov), vedl vývoj k používání dostatečně inteligentních řídicích systémů první úrovně řízení a k vývoji a zavedení komunikačního systému, který umožňuje propojit decentralizované řídicí systémy mezi sebou navzájem i do vyšších a nižších úrovní pomyslné hierarchické řídicí pyramidy (obr. 1).
 
V teoretické oblasti podnítila decentralizace systému řízení vývoj teorie hierarchických a decentralizovaných řídicích systémů (Mesarovič, Macko, Takahara a další). V realizační úrovni vedla k masovému použití decentralizovaných systémů řízení a k hierarchickým strukturám s velkými a středními programovatelnými automaty, např. generace Simatic S5 atd.
 
Pokrok v mikroelektronice v 80. a 90. letech minulého století byl podnětem k nárůstu výpočetního výkonu decentralizovaných řídicích systémů na první řídicí úrovni a růstu rychlostí přenosu dat mezi jednotlivými řídicími úrovněmi. Tím byla omezena honba za teorií decentralizovaného řízení a tato teorie nebyla nikdy vyvinuta do podoby použitelné v technické praxi. Významné posílení role komunikačního podsystému v hierarchické řídicí struktuře a zejména současný stav, který je poznamenán průnikem techniky bezdrátového přenosu, však způsobily to, že problematika „networked control systems“ se v poslední době stala jednou z nejvýznamnějších stop ve vývoji teorie automatického řízení. Vychází z toho, že v praxi se používají výlučně diskrétní řídicí systémy, které jsou ve velké míře decentralizované.
 
Na základě současné teorie řízení byly ovšem vyvinuty metody analýzy a syntézy zpětnovazebních systémů, které jsou v první řadě centralizované, tj. uvažují, že řídicí člen má úplnou informaci o celém procesu a provádí ve stejném okamžiku akční zásah také do celého procesu. V důsledku velké výpočetní rychlosti je možné uvažovat pravidelnou a dostatečně krátkou periodu vzorkování analogových signálů a pro syntézu zpětnovazebního řídicího obvodu plně dostačuje Z-transformace. To však není správné posouzení současné situace. Naopak. V důsledku významné role komunikačního systému neplatí, že řídicí člen má ve stejném okamžiku úplnou informaci, a neplatí ani to, že perioda vzorkování je konstantní. Poslední fakt plyne zejména z použití bezdrátového přenosu a nedeterministických místních sítí (LAN) uvnitř zpětnovazební struktury, což přináší možnost nedefinovaného okamžiku komunikace nebo ztráty spojení, následně nutnost přeladění, resp. přeskoku (hopping), a z toho plynoucí nepominutelný jev, který lze vyhodnotit jako nepravidelnou periodu vzorkování.
 
Dalším významným trendem v automatizaci na začátku nového tisíciletí jsou senzorové sítě a zejména jejich speciální podoba označovaná jako bezdrátové senzorové sítě (Wireless Sensor Networks), která opět umocňuje již vzpomenutou skutečnost, a to průnik bezdrátové komunikace pro účely výměny dat, v tomto případě na úrovni senzorů. Senzorové sítě se v blízké budoucnosti stanou nepřehlédnutelným jevem. Představují zcela jiný pohled na použití snímačů pro sběr dat, než tomu je v automatických systémech sběru dat a v systémech zpětnovazebního řízení. Dávají vzniknout úplně nové třídě decentralizovaných systémů, které nahrazují člověka v některých funkcích komunikace s nadřazenou úrovní automatického řízení (HMI). Někteří autoři dokonce přirovnávají význam senzorových sítí pro člověka k významu, jaký pro náš pohled na přírodu a okolí měly objevy dalekohledu a mikroskopu. V obecném slova smyslu tak budou senzorové sítě tvořit pro člověka další most do fyzikálního světa. V současnosti nacházejí uplatnění především v systémech včasného varování, avšak jejich význam je daleko širší.
 

3. Senzorové sítě

 

3.1 Charakteristika fenoménu

Senzorové sítě jsou charakterizovány především tím, že jsou v daleko větší míře než ostatní komunikační systémy a podsystémy „vnořeny“ do reálného světa, jsou daleko samostatnější a vytvářejí novou kategorii systémů sběru dat a automatického řízení. Z hlediska vlastních senzorů a snímačů senzorové sítě používají senzory v netradičním slova
smyslu, a to:
  • používají senzory nikoli pro získání přímé, ale zpravila nepřímé informace o zkoumaném jevu nebo stavu systému,
  • pro získání informace o jevu nebo stavu systému používají redundance v použití senzorů,
  • používají především přímou výměnu informace mezi jednotlivými účastníky senzorové sítě,
  • odvozují informaci o stavu systému a existenci nebo o povaze jevu a situace vyhodnocováním údajů z velkého počtu senzorů, měřících mnoho jiných fyzikálních veličin než jen tu, která je pro stav systému nebo stav jevu nejpodstatnější (popř. je právě předmětem zájmu),
  • staví na důsledné minimalizaci potřeby energie pro přenos dat a jejich zpracování,
  • neobejdou se bez důsledného užití automatické samoorganizace topologie sítě,
  • nevyžadují snímače s velkou přesností, naopak používají velké množství levných a poměrně nepřesných snímačů pro získání velmi podstatné informace.
Z uvedených vlastností senzorových sítí plynou nejčastější oblasti jejich použití. Jsou to především úlohy jako:
  • systémy včasného varování obecně (přírodní katastrofy, katastrofy a nebezpečné situace způsobené lidskou činností),
  • predikce lavin, zemětřesení a sopečné aktivity,
  • predikce lesních požárů, požárů v tunelech a dolech,
  • predikce radioaktivního a chemického zamoření,
  • měření provozních veličin a sběr provozních údajů,
  • zemědělství (zavlažování a další) a meteorologie,
  • sledování kanalizačních a dalších inženýrských sítí,
  • měření na ropovodech apod.,
  • povrchové doly a ropná pole,
  • vojenské využití atd.
Výzkum v oblasti senzorových sítí je ve středu pozornosti mnoha výzkumných pracovišť a uvedená problematika je široce publikována. K principiálním problémům senzorových sítí patří topologie sítě, permanentní rekonfigurování, problematika směrování ve složité, často se rekonfigurující síti a problematika efektivních protokolů.
 
Topologie senzorových sítí odpovídá potřebám a oblastem použití. Setkat se lze se všemi typy topologií, převažovat však bude topologie typu mesh. Protože převažující část senzorových sítí patří do kategorie bezdrátové sítě (wireless), musí se senzorová síť opakovaně vyrovnávat se ztrátou spojení. Na to sítě reagují přelaďováním a rekonfigurováním.
 
Směrování zpráv (routing) v senzorových sítích, na rozdíl od směrování zpráv v sítích typu LAN, se vyznačuje tím, že při každém přeskoku (hop) je pro zajištění efektivity sítě třeba důkladně redukovat (agregovat) podobná data, odfiltrovat redundantní data apod. Proto je významným jevem v senzorových sítích zpracování signálu (signal processing) již v průběhu jeho přenosu v síti.
 

3.2 Automatická lokalizace a časová synchronizace

Princip činnosti senzorové sítě je ukázán na obr. 2. Úkolem je zjistit rozsah znečištění hladiny vodní plochy. Na její hladině je rozmístěna množina jednoduchých binárních chemických senzorů znečištění, podle povahy úlohy pravidelně nebo nepravidelně. V případě bezdrátových, nepravidelně rozmístěných binárních senzorů umožní binární informace z množiny senzorů určit nejen přibližný tvar a rozměry skvrny, ale také směr a rychlost jejího pohybu a další parametry.
 
Podmínkou ovšem je, že je známa poloha jednotlivých senzorů tvořících sítě. Poloha může být určena absolutně, relativně nebo logicky (uvnitř – vně, nahoře – dole apod.). Každopádně je však nezbytný systém automatické lokalizace senzorů. Pro jiné účely může být nezbytné mít údaje i o čase z jednotlivých senzorů. Z důvodu výše ceny nelze v senzorových sítích používat systém družicové navigace (GPS), který by lokalizoval a současně časově synchronizoval jednotlivé senzory v síti. Nejběžnějším systémem vyvinutým pro senzorové sítě je proto levné řešení založené na měření doby přenosu nebo síly signálu [1], [2].
 

4. Protokoly

 

4.1 Vymezení

Jednou z principiálních otázek senzorových sítí je efektivnost protokolů. Začněme proto podrobnějším rozborem protokolů. V souladu s modelem otevřené komunikace ISO/OSI se po řadě soustřeďme na protokoly aplikační, transportní, síťové a spojové vrstvy.
 

4.2 Protokoly pro šíření informace

Aplikačními protokoly používanými k šíření informace jsou především protokoly SMP, TADAP a SQDDP.
 
Protokol pro správu a řízení senzorové sítě SMP (Sensor Management Protocol) je určen k interakci administrátora se senzorovou sítí. Stanovuje pravidla pro agregaci dat, určuje atributově orientované pojmenování a ukládání komunikujících entit (uzel, node), realizuje časovou synchronizaci uzlů a dotazuje senzorové sítě na konfiguraci a statut uzlů sítě, odstraňuje uzly, zapíná a vypíná uzly a vykonává autentifikace a další funkce související se zabezpečením senzorové sítě pro přenos dat (security).
 
Protokol pro přiřazení a publikování dat TADAP (Task Assigment and Data Advertisement Protocol) zajišťuje zasílání požadavků uživatelů jednotlivým senzorům nebo skupinám senzorů či celé senzorové síti a využívá se i pro publikování dat a nabízení dat uživatelům. Dotazovací protokol a protokol pro šíření dat SQDDP (Senzor Query and Data Dissemination Protocol) realizují rozhraní pro uživatelský program, a to pro došlé dotazy a odpovědi. Používají jazyk SQTL (Sensor Query and Tasking Language).
 

4.3 Transportní protokoly

Senzorovou síť lze také charakterizovat jako formu řízenou událostmi. Její činnost totiž závisí na kolektivním chování velkého počtu účastníků přenosu (uzlů, nodes), které zde představují senzory. Tato skutečnost ovlivňuje i strukturu transportní vrstvy. Transportní vrstva spojuje aplikační a síťovou vrstvu při multiplexování a demultiplexování úloh a poskytuje služby předávání dat mezi zdrojem a cílem se zabezpečovacím mechanismem odpovídajícím specifickým bezpečnostním požadavkům aplikační vrstvy. Při použití řídicích mechanismů toku a front usměrňuje provoz v síti. Z toho plynou zcela konkrétní požadavky na vlastnosti transportních protokolů, kterými jsou spolehlivý přenos dat, řízení front, automatické konfigurování, permanentní šetření energií, omezené směrování a adresování (nikoliv end-to-end) a soustředění operací zpracování dat do cílových stanic (uzlů, většinou napájených ze sítě) za účelem minimalizovat spotřebu energie v senzorech (vzdálených uzlech sítě).
 

4.4 Protokoly spojové vrstvy

Z povahy druhé vrstvy komunikačního modelu musí protokoly spojové vrstvy zajišťovat jak přístup k médiu (podvrstva MAC), tak zpracování rámců, multiplexování a zabezpečení toku dat, vše při kategorickém požadavku na spolehlivost. Funkce druhé vrstvy v bezdrátových senzorových sítích musí zohlednit specifika, kterými jsou tzv. multihop a následná častá samoorganizace senzorové sítě. Cílem se pak stává ustavení spojení pro přenos dat, mechanismus samoorganizace a regulace přístupu k médiu.
 
Vedle spolehlivosti je kategorickým požadavkem minimální spotřeba energie. Proto senzorové sítě nevykazují žádnou paralelu s technikou Bluetooth a dalšími technikami s velkou spotřebou energie. Rádiový přenos v senzorových sítích probíhá na nižších frekvencích, s větším dosahem, při menších výkonech a bez požadavku na výměnu baterií během životního cyklu sítě.
 
Navrhované přístupové protokoly (MAC) jsou typu SMACS (Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks, tj. s pevným umístěním duplexních časových oken v pevném frekvenčním pásmu), hybridní TDMA/FDMA (centralizovaná metoda TDM a FDM) a CSMA (na bázi CSMA plus jen konstantní doby naslouchání síti). Naproti tomu požadavky na zabezpečovací mechanismy, které musí minimálně vyhovovat sledování strojů i mobilních prostředků, vedou k použití bezpečnostních mechanismů dvou kategorií, a to FEC (Forward Error Correction) a ARQ (Automatic Repeat reQuest).
 

5. Teorie analýzy a syntézy propojených automatizačních systémů

Od počátku 21. století se jedním z nosných témat teorie automatického řízení stává analýza a syntéza řízení současné řídicí struktury strojních zařízení a technologických procesů. Moderní struktura řídicích systémů komplexních zařízení (složitých rozsáhlých strojních a technologických systémů, informačních systémů a systémů technických zařízení v budovách, rozsáhlých energetických a telekomunikačních systémů apod.) je charakteristická obzvláště masivním použitím komunikačních prostředků, především průmyslových sítí a průmyslového Ethernetu. Je to důsledek další a další decentralizace řídicích systémů, což je opět vyvoláno rozšířením vestavných (embedded) systémů, programovatelných automatů, průmyslových PC, řídicích systémů postavených na hradlových polích (FPGA) a dalších decentralizovaných komponentách. Tato struktura je navíc heterogenní a více či méně splňuje požadavky na práci v reálném čase. To vše nynější moderní teorie analýzy a syntézy automatického řízení téměř nezohledňuje. V každém případě v současné době neexistuje teorie automatického řízení, která by vycházela ze zmíněné struktury [4].
 
Snahy řešit tuto situaci, kdy na jedné straně tyto systémy objektivně existují a provádí se jejich syntéza a na druhé straně neexistuje systematicky zpracovaná teorie, která by zavedla inženýrský postup pro analýzu a syntézu systémů pro řízení těchto struktur, jsou patrná v mnoha teoretických publikacích v impaktovaných časopisech a na renomovaných vědeckých konferencích (17th IFAC World Congress, Soul 2008, konference pořádané organizací IEEE atd.). Daná problematika je pojmenována jako problematika řízení propojených systémů (Networked Control Systems – NCS) [6], [7]. Je charakteristická tím, že jde o číslicové řízení v decentralizované struktuře s nepravidelnou periodou vzorkování vstupní informace, nepředvídatelnou dobou doručení informace z jedné části decentralizované řídicí struktury do druhé a případnou úplnou ztrátou zpětnovazební informace při dočasném výpadku komunikace. Tyto efekty jsou zesíleny především v důsledku použití Ethernetu jako komunikačního podsystému a bezdrátových metod přenosu ve struktuře řízení. Teoretické postupy, které v omezeném rozsahu dávají návod k řešení, se ve většině případů omezují na řešení platná pro jeden regulační obvod, který vykazuje uvedené vlastnosti. V praxi se však lze běžně setkat s propojením mnoha regulačních a řídicích systémů [4].
 
Prvním vážným programem, který si klade za cíl systematicky řešit problematiku NCS, je šestiletý výzkumný program německé vědecké organizace DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) č. 1305 z tohoto roku s názvem Regelungstheorie digital vernetzter dynamischer Systeme. Program si klade za cíl navrhnout způsoby modelování, analýzy a syntézy asynchronně pracujících řídicích systémů, průzkum chování propojených systémů a velmi ambiciózně i vývoj nových řídicích koncepcí a odpovídajících metod syntézy NCS. Prvním výsledkem této iniciativy je retrospektiva současného stavu teorie, popsaná ve známém německém vědeckotechnickém časopisu Automatisierungstechnik, jehož celé letošní první číslo je věnováno dané problematice [3], [6].
 
Předpokládá se, že nová teorie bude vycházet z existující teorie automatického řízení diskrétních a číslicových systémů a bude rozšířena směrem k řešení jevů a vlastností, které s sebou přinášejí systémy typu NCS. Jsou to dílčí problémy jako optimální křížový návrh řídicího a komunikačního systému, rozšíření teorie směrem k teorii řízení nelineárních NCS, stabilita NCS při časově proměnném dopravním zpoždění, kompenzace chyb, časově proměnné kritérium optimálního řízení a optimální komunikace, optimální řízení při změně konfigurace řídicí struktury atd.
 
Autoři programu [3] jsou přesvědčeni o tom, že teorie, která bude v rámci programu DFG 1305 vytvořena, bude vycházet jak z dosavadní moderní teorie automatického řízení, tak moderní teorie komunikačních systémů. Jako na příklad dobré spolupráce na tomto poli poukazují mj. na skutečnost, že klasická teorie automatického řízení vznikala ve 40. letech dvacátého století právě z frekvenčních metod analýzy a syntézy radioelektronických systémů. Právě teď, kdy komunikační systémy tvoří významnou část řídicí struktury, je čas a prostor na opětovné sjednocení těchto dvou teorií.
 

6. Závěr

Příspěvek se zabývá dvěma významnými trendy v oblasti teorie automatického řízení artikulovanými v odborné literatuře i na dalších odborných fórech v posledních dvou až třech letech. Autoři stručně uvádějí zájemce do problematiky senzorových sítí, vysvětlují odlišný pohled na funkci snímačů technologických veličin v dosavadních měřicích a řídicích systémech a senzorových sítích a upozorňují na význam, který pro spolehlivost, rekonfigurovatelnost senzorové sítě a minimalizaci spotřeby energie v ní mají komunikační protokoly.
 
Dále upozorňují na neexistenci systematické teorie propojených řídicích systémů (Networked Control Systems), která by zohledňovala masivní průnik komunikačních sběrnic a z toho plynoucí důsledky pro stabilitu, přesnost a optimalitu zpětnovazební řídicí struktury velkých dynamických celků. Uvádějí základní údaje o právě zahájeném šestiletém výzkumném programu organizace Deutsche Forschungsgemeinschaft zaměřeném na řešení právě těchto problémů.
 
Poděkování
Příspěvek vznikl s podporou ze strany výzkumného záměru MSM0021630529 Inteligentní systémy v automatizaci, projekty 1M0567 Centrum aplikované kybernetiky a IST-016969 VAN – Virtual Automation Network.
 
Obr. 1. Hierarchické struktury decentralizovaného systému řízení: a) klasická s různými komunikačními sběrnicemi na různých řídicích úrovních, b) s průmyslovým Ethernetem na všech řídicích úrovních (S – server, OS – operátorská stanice, ŘS – řídicí stanice; FF, DP, s/a – provozní sběrnice; I/O – odloučené vstupy/výstupy; P – tlak; F – průtok, T – teplota)
Obr. 2. Princip činnosti senzorové sítě