45442

Расчет системы «Интеллектуальное здание» на базе технологии EIB

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Узлы системы Контроллер CONT Система управления светом LIGHT Система управления теплом HET Система управления вентиляцией VENT Система управления дверью DOOR Охранная система SECUR Пожарная система FIRE Сеть оперирует 30 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы. Номер сигнала Описания сигнала Размер в битах Задержка в мсек J Период выполнения T мсек Тип сообщения Крайний срок выполнения Dмсек Источник Приемник 1 Сигнал датчика двери 8 01 50 S 20 DOOR CONT 2 Проверка...

Русский

2013-11-17

315 KB

2 чел.

СРВ 10

Задание:

Произвести расчет системы «Интеллектуальное здание» на базе технологии EIB на возможность функционирования в режиме реального времени. Разработать проект системы, включающий 5-7 подсистем и  30-40 сообщений между подсистемами.

Решение:

Объект автоматизации – «интеллектуальное здание».

В системе должно функционировать семь независимых устройств. Система реального времени позволяет передавать сообщения между устройствами.

Узлы системы

  1.  Контроллер (CONT)
  2.  Система управления светом (LIGHT)
  3.  Система управления теплом (HEAT)
  4.  Система управления вентиляцией (VENT)
  5.  Система управления дверью (DOOR)
  6.  Охранная система (SECUR)
  7.  Пожарная система (FIRE)

Сеть оперирует 30 сообщениями, которые делятся на различные группы:

  1.  Спорадические сигналы. Должны иметь время ожидания (крайний срок выполнения) менее 20 мс. Условимся, что эти сообщения поступают не чаще 50 мс.
  2.  Периодические сигналы. Имеют фиксированный период сообщения и требуют, чтобы время ожидания (крайний срок выполнения) было меньше или равно этому периоду.

Задержка определяется порядком выполнения сообщения от определенной подсистемы. Принимается, что все сообщения появляются одновременно, но так как все сообщения не могут обрабатываться одновременно, для сообщений выделяются соответствующая задержка на выполнение. Наименьшая задержка для более важных сообщений.

Таблица №1 «Характеристики протокола EIB»

Скорость передачи данных, кбит/сек

Накладные расходы, бит

Расходы на восстановление при сбоях, бит

9,6

70

6

100

500

1200

Таблица №2 «Сообщения в системе».

Номер сигнала

Описания сигнала

Размер в битах

Задержка в мсек (J)

Период выполнения (T) мсек

Тип сообщения

Крайний срок  выполнения  (D)мсек

Источник

Приемник

1

Сигнал датчика двери

8

0,1

50

S

20

DOOR

CONT

2

Проверка доступа

8

0,4

50

S

20

CONT

SECUR

3

Подтверждение/отказ доступа

1

0,1

50

S

20

SECUR

CONT

4

Открытие/закрытие двери

1

0,5

50

S

20

CONT

DOOR

5

Включение/отключение света

1

0,6

50

S

20

CONT

LIGHT

6

Включение/отключение тепла

1

0,8

50

S

20

CONT

HEAT

7

Включение/отключение вентиляции

1

0,7

50

S

20

CONT

VENT

8

Состояние системы управления светом

1

0,1

500

P

500

LIGHT

CONT

9

Состояние системы управления теплом

1

0,1

500

P

500

HEAT

CONT

10

Состояние системы управления вентиляцией

1

0,1

500

P

500

VENT

CONT

11

Состояние системы управления дверью

1

0,2

500

P

500

DOOR

CONT

12

Состояние системы пожарной

1

0,2

500

P

500

FIRE

CONT

13

Состояние системы охранной

1

0,2

500

P

500

SECUR

CONT

14

Сигнал датчика огня

1

0,1

50

S

20

FIRE

CONT

15

Начать тушение пожара

1

0,1

50

S

20

CONT

FIRE

16

Закончить тушение пожара

1

0,9

50

S

20

CONT

FIRE

17

Включение/отключение системы пожарной

1

0,2

50

S

20

CONT

FIRE

18

Задание параметров системы пожарной

8

1

50

S

50

CONT

FIRE

19

Состояние параметров системы пожарной

8

0,3

500

P

500

FIRE

CONT

20

Задание теплового диапазона

8

1,3

50

S

20

CONT

HEAT

21

Проверка теплового диапазона

8

0,2

500

P

500

HEAT

CONT

22

Задание уровней освещенности

8

1,4

50

S

20

CONT

LIGHT

23

Проверка уровней освещенности

8

0,2

500

P

500

LIGHT

CONT

24

Задание уровней состояния воздуха

8

1,5

50

S

20

CONT

VENT

25

Проверка уровней состояния воздуха

8

0,2

500

P

500

VENT

CONT

26

Включение/отключение системы охранной

1

0,3

50

S

20

CONT

SECUR

27

Задание параметров системы охранной

8

1,1

50

S

20

CONT

SECUR

28

Проверка параметров системы охранной

8

0,3

500

P

500

SECUR

CONT

29

Задание параметров управления дверью

8

1,2

50

S

50

CONT

DOOR

30

Проверка параметров управления дверью

8

0,3

500

P

500

DOOR

CONT

Далее все сообщения необходимо расставить в зависимости от приоритета (D-J порядке).

Таблица №3. «Сообщения, расставленные в соответствии с приоритетом»

Номер сигнала

Описания сигнала

Размер в битах

Задержка в мсек (J)

Период выполнения (T) мсек

Тип сообщения

Крайний срок  выполнения  (D)мсек

Источник

Приемник

Приоритет (D-J)

24

Задание уровней состояния воздуха

8

1,5

50

S

20

CONT

VENT

18,5

22

Задание уровней освещенности

8

1,4

50

S

20

CONT

LIGHT

18,6

20

Задание теплового диапазона

8

1,3

50

S

20

CONT

HEAT

18,7

29

Задание параметров управления дверью

8

1,2

50

S

20

CONT

DOOR

18,8

27

Задание параметров системы охранной

8

1,1

50

S

20

CONT

SECUR

18,9

18

Задание параметров системы пожарной

8

1

50

S

20

CONT

FIRE

19,0

16

Закончить тушение пожара

1

0,9

50

S

20

CONT

FIRE

19,1

6

Включение/отключение тепла

1

0,8

50

S

20

CONT

HEAT

19,2

7

Включение/отключение вентиляции

1

0,7

50

S

20

CONT

VENT

19,3

5

Включение/отключение света

1

0,6

50

S

20

CONT

LIGHT

19,4

4

Открытие/закрытие двери

1

0,5

50

S

20

CONT

DOOR

19,5

2

Проверка доступа

8

0,4

50

S

20

CONT

SECUR

19,6

26

Включение/отключение системы охранной

1

0,3

50

S

20

CONT

SECUR

19,7

17

Включение/отключение системы пожарной

1

0,2

50

S

20

CONT

FIRE

19,8

1

Сигнал датчика двери

8

0,1

50

S

20

DOOR

CONT

19,9

3

Подтверждение/отказ доступа

1

0,1

50

S

20

SECUR

CONT

19,9

14

Сигнал датчика огня

1

0,1

50

S

20

FIRE

CONT

19,9

15

Начать тушение пожара

1

0,1

50

S

20

CONT

FIRE

19,9

19

Состояние параметров системы пожарной

8

0,3

500

P

500

FIRE

CONT

499,7

28

Проверка параметров системы охранной

8

0,3

500

P

500

SECUR

CONT

499,7

30

Проверка параметров управления дверью

8

0,3

500

P

500

DOOR

CONT

499,7

11

Состояние системы управления дверью

1

0,2

500

P

500

DOOR

CONT

499,8

12

Состояние системы пожарной

1

0,2

500

P

500

FIRE

CONT

499,8

13

Состояние системы охранной

1

0,2

500

P

500

SECUR

CONT

499,8

21

Проверка теплового диапазона

8

0,2

500

P

500

HEAT

CONT

499,8

23

Проверка уровней освещенности

8

0,2

500

P

500

LIGHT

CONT

499,8

25

Проверка уровней состояния воздуха

8

0,2

500

P

500

VENT

CONT

499,8

8

Состояние системы управления светом

1

0,1

500

P

500

LIGHT

CONT

499,9

9

Состояние системы управления теплом

1

0,1

500

P

500

HEAT

CONT

499,9

10

Состояние системы управления вентиляцией

1

0,1

500

P

500

VENT

CONT

499,9

Произведем расчет максимальной задержки передачи сообщения по сети (R). Для этого воспользуемся следующими формулами:

1. ,

– максимальная задержка передачи сообщения;

– задержка отправки сообщения в очередь;

– задержка организации очереди сообщений;

– максимальное время физической посылки сообщения m по шине.

2. ,

– размер сообщения в байтах (т.е. если меньше или равно 8 бит, то 1 байт и т.д.);

tпнрвремя передачи накладных расходов.

tпддвремя передачи дополнительных данных;

– такт передачи шины, зависит от скорости передачи данных (= 1/скорость шины соответствующую).

3. ,

– период сообщения;

– множество сообщений, приоритет которых выше, чем у данного сообщения.

4. ,

– множество сообщений, приоритет которых ниже приоритета данного сообщения.

Таблица №4 «Результаты расчета максимальной задержки передачи сообщений» (Значения C, W в расчетах в Excel’е)

Номер

Источник

Приемник

Размер в байтах (S)

R1, 9,6 кбит/сек

R2, 100 кбит/сек

R3, 500 кбит/сек

R4, 1200 кбит/сек

24

CONT

VENT

1

-

3,44

1,888

1,6616667

22

CONT

LIGHT

1

-

3,359109

1,7887644

1,5617994

20

CONT

HEAT

1

-

3,27894

1,6895339

1,4619324

29

CONT

DOOR

1

-

3,1995351

1,5903086

1,3620657

27

CONT

SECUR

1

-

3,1209395

1,4910886

1,2621992

18

CONT

FIRE

1

-

3,0432021

1,391874

1,1623331

16

CONT

FIRE

1

-

2,9663757

1,2926647

1,0624673

6

CONT

HEAT

1

-

2,8905174

1,1934609

0,9626018

7

CONT

VENT

1

-

2,8156891

1,0942627

0,8627366

5

CONT

LIGHT

1

-

2,7419579

0,99507

0,7628717

4

CONT

DOOR

1

-

2,6693968

0,895883

0,6630071

2

CONT

SECUR

1

-

2,5980853

0,7967017

0,5631428

26

CONT

SECUR

1

-

2,5281099

0,6975263

0,4632788

17

CONT

FIRE

1

-

2,4595651

0,5983567

0,3634152

1

DOOR

CONT

1

-

2,3925545

0,499193

0,2635518

3

SECUR

CONT

1

-

2,4271914

0,5000354

0,2636888

14

FIRE

CONT

1

-

2,4636196

0,5008846

0,2638262

15

CONT

FIRE

1

-

2,5019825

0,5017408

0,263964

19

FIRE

CONT

1

-

2,7424345

0,7026041

0,4641023

28

SECUR

CONT

1

-

2,7594227

0,7027455

0,4641199

30

DOOR

CONT

1

-

2,7682832

0,7028367

0,4641339

11

DOOR

CONT

1

-

2,6743242

0,6029244

0,3641478

12

FIRE

CONT

1

-

2,6793911

0,6030118

0,3641617

13

SECUR

CONT

1

-

2,6841319

0,6030993

0,3641756

21

HEAT

CONT

1

-

2,6887746

0,6031869

0,3641895

23

LIGHT

CONT

1

-

2,6934002

0,6032745

0,3642035

25

VENT

CONT

1

-

2,6980376

0,6033622

0,3642174

8

LIGHT

CONT

1

-

2,6026972

0,50345

0,2642313

9

HEAT

CONT

1

-

2,6073811

0,5035378

0,2642452

10

VENT

CONT

1

-

1,642092

0,3096257

0,1834258

Прочерки в столбце R1 означают, что время ответа контроллера EIB может определиться неверно, так как нет гарантии, что сообщение будет послано до того, как следующие сообщение будет поставлено в очередь (R > D – J).

Значит, при скорости 9,6 кбит/сек некоторые R→∞. Следовательно, для этой скорости коэффициент BDU рассчитан быть не может.

На основании этой таблицы рассчитаем коэффициенты MU, BU, BDU, которые позволят оценить систему. Расчет производится по формулам (с учетом цикла системы):

  1.  MU коэффициент использования сообщений, показывает отношение полезной переданной информации к числу общей переданной информации:

  1.  BU – коэффициент использования шины, показывает отношение переданной информации, включая все накладные расходы, к числу всех возможных интервалов для передачи данных (т.е. делим на соответствующую скорость шины):

  1.  BDU  коэффициент расписабельности, показывает во сколько раз могут быть увеличены размеры всех сообщений в системе, при котором система продолжает функционировать в режиме реального времени:

Цикл системы – время, за которое все сообщения выполнились хотя бы по одному разу и целое число раз. Пример: периоды сообщений – 300 мс, 200 мс, 400мс. Цикл системы – 1200 мс, первое выполнится 4 раза, второе 6 раз, третье – три раза. (В данной системе цикл = 500 мс)

Таблица №5 «Коэффициенты системы»

 

MU

BU

BDU

9,6 кбит/сек

5,160535552

320,5417

-

100 кбит/сек

5,160535552

30,772

161,6163

500 кбит/сек

5,160535552

6,1544

501,8978

1200 кбит/сек

5,160535552

2,564333

680,0597

Оптимизация:

При скорости шины 9,6 кбит/сек система не может работать в режиме реального времени.

Попробуем оптимизировать систему с помощью метода объединения сообщений.

Этот метод состоит в следующем: все данные, имеющие одинаковый источник, приемник информации и период объединяются в общее сообщение. Это делается для сокращения накладных расходов и повышения производительности.

Таблица №6 «Сгруппированные сообщения»

Номер

Источник

Приемник

Размер в байтах (S)

Тип

Период

ККС (D)

Задержка (J)

Размер пакета

Приоритет (P = D - J)

24, 7

CONT

VENT

2

S

50

20

0,1

85

19,9

22, 5

CONT

LIGHT

2

S

50

20

0,1

85

19,9

20, 6

CONT

HEAT

2

S

50

20

0,1

85

19,9

29, 4

CONT

DOOR

2

S

50

20

0,1

85

19,9

27, 2, 26

CONT

SECUR

3

S

50

20

0,1

93

19,9

18, 16, 17, 15

CONT

FIRE

2

S

50

20

0,1

87

19,9

1

DOOR

CONT

1

S

50

20

0,1

84

19,9

3

SECUR

CONT

1

S

50

20

0,1

77

19,9

14

FIRE

CONT

1

S

50

20

0,1

77

19,9

19, 12

FIRE

CONT

2

P

500

500

0,2

85

499,8

28, 13

SECUR

CONT

2

P

500

500

0,2

85

499,8

30, 11

DOOR

CONT

2

P

500

500

0,2

85

499,8

21, 9

HEAT

CONT

2

P

500

500

0,1

85

499,9

23, 8

LIGHT

CONT

2

P

500

500

0,1

85

499,9

25, 10

VENT

CONT

2

P

500

500

0,1

85

499,9

Таблица №7 «Результаты расчета максимальной задержки»

Номер

Источник

Приемник

Размер в байтах (S)

R1, 9,6 кбит/сек

R2, 100 кбит/сек

R3, 500 кбит/сек

R4, 1200 кбит/сек

24, 7

CONT

VENT

2

-

2,32

0,544

0,285

22, 5

CONT

LIGHT

2

-

2,34462

0,544985

0,285171

20, 6

CONT

HEAT

2

-

2,370287

0,545978

0,285343

29, 4

CONT

DOOR

2

-

2,397067

0,54698

0,285515

27, 2, 26

CONT

SECUR

3

-

2,425035

0,54799

0,285688

18, 16, 17, 15

CONT

FIRE

2

-

2,353192

0,530026

0,278028

1

DOOR

CONT

1

-

2,28751

0,5123

0,27041

3

SECUR

CONT

1

-

2,314729

0,513172

0,270557

14

FIRE

CONT

1

-

2,342948

0,514049

0,270704

19, 12

FIRE

CONT

2

484,60089

2,565744

0,6336

0,378629

28, 13

SECUR

CONT

2

-

2,574047

0,633727

0,378647

30, 11

DOOR

CONT

2

-

2,578415

0,633826

0,378664

21, 9

HEAT

CONT

2

-

2,482054

0,533924

0,27868

23, 8

LIGHT

CONT

2

-

2,485567

0,534022

0,278696

25, 10

VENT

CONT

2

-

2,48907

0,53412

0,278712

Таблица №8 «Коэффициенты MU, BU, BDU»

MU

BU

BDU

9,6 кбит/сек

9,814586

168,5417

-

100 кбит/сек

9,814586

16,18

182,5419

500 кбит/сек

9,814586

3,236

854,7565

1200 кбит/сек

9,814586

1,348333

1477,528

Видно, что объединение сообщений приводит к уменьшению накладных расходов и, следовательно, к уменьшению коэффициента использования шины. В общем, это приводит к увеличению эффективности работы.

Тем не менее, при скорости 9,6 кбит/сек для всех сигналов, кроме одного, соотношение R ≤ D – J по-прежнему не выполняется.

Вывод:

Произведенные расчеты показывают, что спроектированная система может функционировать лишь на трех скоростях шины. При скорости 9,6 кбит/сек, коэффициент использования шины превышает 100%, следовательно, на этой скорости система не может функционировать в режиме реального времени.

Коэффициент расписабельности при скоростях 100, 500 и 1200 кбит/сек больше единицы. Значит, размер сообщений в системе может быть увеличен на величину данного коэффициента. Чем больше скорость шины, тем больше может быть увеличен размер сообщений.

Коэффициент использования шины при скоростях 100, 500 и 1200 кбит/сек мал. Это также означает, что размер и количество переданных сообщений могут быть увеличены.

Коэффициент использования сообщений показывает, что огромная часть сообщения приходится на накладные расходы.

После проведения оптимизации коэффициент использования сообщений увеличился, что говорит о том, что накладные расходы уменьшились, и, соответственно увеличилась полезная часть сообщения. Коэффициент использования шины уменьшился для всех скоростей. А коэффициент расписабельности для скоростей 100, 500 и 1200 кбит/сек увеличился. Следовательно, размер сообщений после оптимизации можно увеличить на большую величину, чем до оптимизации. Однако, при скорости 9,6 кбит/сек система также не может функционировать в режиме реального времени, как и до оптимизации. Это связано в основном с небольшим крайним критическим сроком спорадических сообщений и большими накладными расходами протокола.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32560. Моноблочные и модульные контроллеры 57.67 KB
  Функционально-конструктивную схему модульного ПЛК рассмотрим на примере контроллера SIMTIC S7300 фирмы Siemens рис. Конструкция модульного ПЛК На профильной рейке ПР размещаются: центральный модуль ЦМ который всегда присутствует в ПЛК справа от него с помощью шинных соединителей ШС до восьми периферийных модулей ПМ а слева внешний источник питания Внеш. Формирование внутренней шины ПЛК производится с помощью ШС. В качестве основных периферийных модулей ОПМ в ПЛК всегда присутствуют сигнальные модули ввода выводы...
32561. Общая организация и архитектура модульного ПЛК SIMATIC S7-300 117.33 KB
  Архитектура модульного ПЛК Модули ПЛК объединены внутренней шиной по которой и передается вся информация между ними. В минимальной конфигурации ПЛК обязательно имеет ЦМ и хотя бы один из ОПМ для связи с ОУ. Система вводавывода ПЛК может включать в свой состав две части.
32563. Понятие цикла работы ПЛК 109.79 KB
  Архитектура центрального модуля ПЛК Помимо программ пользователя в памяти центрального модуля всегда имеются системные программы зашитые там в ПЗУ разработчиком ПЛК и предназначенные для реализации основных функций контроллера таких как: организация цикла работы ПЛК реализация системы ввода вывода прерывание программ и пр. Понятие цикла работы ПЛК Возможность обработки информации в реальном масштабе времени и как следствие управление быстродействующим технологическим оборудованием обусловлены циклическим характером работы...
32564. Центральная память ПЛК 60.65 KB
  Очень часто особенно в простых микроконтроллерах типа SIMTIC S7200 их центральная память бывает организована в виде стековой памяти. Стековая память Пример реализации логической функции управления c использованием стековой памяти На рис. 35 показан последовательный механизм программной реализации логической функции управления Y с использованием стековой памяти ПЛК.
32565. Память ПЛК SIMATIC S7-220 51.19 KB
  В сегменте памяти программы хранится программа пользователя и содержится список команд которые должны выполняться в CPU для реализации разработанного решения по системе управления. Память данных содержит область временных данных программы и область памяти объектов. В этом же сегменте памяти хранятся результаты вычислений промежуточные данные и константы а также таймеры счетчики высокоскоростные счетчики и аналоговые входы выходы. К конфигурируемым параметрам относятся такие элементы как уровень защиты пароль адрес станции и...
32566. Модули ввода/вывода (МВв/МВыв) 36.68 KB
  Модули выпускают в различном исполнении: входные выходные или комбинированные ввода вывода дискретные логические аналоговые и специальные в обычном или безопасном исполнении и пр. Модуль ввода вывода дискретных сигналов. 36 показан возможный вариант модуля ввода вывода логических сигналов для 8разрядного микроконтроллера.
32567. Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи 38.92 KB
  Для этой цели в модулях ввода вывода аналоговых сигналов используются аналогоцифровые АЦП и цифроаналоговые ЦАП преобразователи. Основной характеристикой ЦАП и АЦП является их разрядность определяемая длиной двоичного кода применяемого для представления аналогового сигнала. В схеме использован 8разрядный АЦП выходы которого соединены с входами регистра порта ввода. Для согласования уровня входного сигнала АЦП используется усилитель входного сигнала.
32568. Программаторы 43.12 KB
  Программаторы – это устройства, предназначенные для ввода управляющих программ, их редактирования и отладки, параметрирования системы