Performances des systèmes de commande industriels. Notion de contrainte temps réel Systèmes programmés

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Aline Carbonneau
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1 Bus de terrain Performances des systèmes de commande industriels 1 Thèmes abordés Notion de contrainte temps réel Systèmes programmés Difficulté à garantir un temps de réponse constant. 2 1

2 Systèmes de commande industriels Les exigences temporelles Exemple de contraintes temps réel Micro-assemblage contrôlé en force Donner l ordre au robot de descendre à la vitesse de 1 mm / s. Pendant la descente surveiller la valeur mesurée par le capteur de force sensible. Dès qu une force est détectée, arrêter le mouvement dans les 10 ms. Que se passe t il si le système de commande ne réagit pas assez vite? Robot Capteur de force Buse vaccuum Commande de robot 3 Systèmes de commande industriels Les exigences temporelles Exemples de contrainte temps réel Soudage laser L assemblage de deux composants horlogers est fait par des tirs laser dont la durée doit être comprise entre 2.0 et 2.5 ms. Que se passe t il si la durée du tir laser est inférieure? Que se passe t il si la durée du tir laser est supérieure? Que se passe t il si la durée du tir laser est irrégulière? Ordre on/off Automate programmable 4 2

3 Systèmes de commande industriels Les exigences temporelles Exemples de contrainte temps réel Impression Vitesse : 3 m/s. Précision souhaitée : 0.5 mm Que se passe-t-il si le temps de réaction au passage de la marque de coupe est variable? Marques pour la coupe Lecture optique des marques de coupe Système de commande Couteau 5 Systèmes de commande industriels Notion de temps réel Système de commande temps réel Garantit le respect d échéances temporelles précises. Temps réel doux (soft realtime) Lorsque le dépassement d une échéance n a pas des conséquences désastreuses. Temps réel dur (hard realtime) Lorsque le dépassement d une échéance a des conséquences inadmissibles. Différence entre temps réel et performance Un système exécutant plusieurs programmes en parallèle peut être très performant mais incapable de garantir une échéance. Une contrainte temps réel est caractérisée par un temps en minute, en seconde, en ms, en µs 6 3

4 Critères de performance temporelle Latence Temps de réponse Gigue (Jitter) Variation du temps de réponse. Elle caractérise la précision temporelle des actions 7 L automate programmable industriel Conséquences du fonctionnement cyclique : les temps de latence On considère un temps de cycle de 50 ms. Fonctionnement de l automate Les entrées sont copiées dans les variables associées au début du cycle. Les sorties sont appliquées à la fin du cycle. Temps maximal de réponse du système lors de l arrivée d un signal? Cycles automate Signal barrière optique Le signal peut arriver juste après le début d un cycle 50 ms temps de traitement Retard > 50 ms Activation de la Commande du vérin 8 4

5 L automate programmable industriel Conséquences du fonctionnement cyclique : une gigue (jitter) élevée Temps minimal de réponse du système lors de l arrivée d un signal? Le temps de réponse d un automate varie entre le temps de traitement et la valeur du temps de cycle. Cycles automate Signal barrière optique Le signal peut arriver juste avant le début d un cycle 50 ms temps de traitement Retard << 50 ms Activation de la Commande du vérin 9 L automate programmable industriel Conséquences du fonctionnement cyclique : une gigue (jitter) élevée Latence bornée Temps de cycle T c Temps de traitement T t Latence < T c + T t Gigue La gigue est égale au temps de cycle. 10 5

6 Exercice Un automate fonctionne sur le principe suivant : Temps de cycle de 10 ms. Programme Recopie une entrée sur une sortie. Temps de traitement 1 ms A chaque cycle automate Lecture des entrées et mise à jour des sorties avant le cycle. Exécution du programme. Quelles seront les valeurs observées pour la latence minimale, maximale. la gigue 11 L automatisation industrielle Etude de cas 1/3 Emballage d un chocolat Quelles étapes? Combien de temps pour emballer un chocolat? 12 6

7 L automatisation industrielle Etude de cas 2/3 La machine en action 13 L automatisation industrielle Etude de cas 3/3 Analyse Quelles performances? Quels défis techniques? 14 7

8 Systèmes de commande industriels Pourquoi certains systèmes sont incapables de contrôle «temps réel» Un ordinateur fonctionne à une fréquence précise Il devrait donc être capable de répéter des traitements à une vitesse constante. Origines matérielles des dérives Le processeur peut recevoir des interruptions qui lui font exécuter d autres séquences de code. Ces interruptions peuvent arriver n importe quand par rapport au programme d application. Origines logicielles des dérives Les systèmes d exploitation de bureautique comme Windows ou Linux répartissent le temps processeur entre les différents programmes chargés. La stratégie de répartition de ces systèmes n a pas été conçue pour le contrôle temps réel. 15 Systèmes de commande industriels Comparaison entre un OS bureautique et un OS temps réel Système temps réel (RTX) Système non temps réel (Windows) Latence toujours inférieure à une valeur maximale Latence en général inférieure à une valeur maximale, mais pouvant dépasser de façon considérable 16 8

9 Systèmes de commande industriels Pourquoi les systèmes programmés présentent en général une gigue Par conception, les programmes ont en général des temps d exécution variables. Les chemins d exécution pris dépendent des valeurs de variables d état. Ils ne sont pas identiques à chaque fois. Exemple I := I + 1; IF I > 1000 THEN (* Temps d exécution supplémentaire 1 fois sur 1000 *) I := 0; END_IF Que faire lorsque la gigue est inacceptable? Utiliser un élément matériel dédié pour cadencer précisément le contrôle. 17 Analyse des applications Quels temps de cycle automate pour répondre aux performances des applications exemple? Micro assemblage contrôlé en force Soudage laser Impression 18 9

10 Exemple d application découpe laser 19 Exemple d application 20 10

11 Moteur Y Moteur Y Exemple d application Découpe laser Trajectoire de la découpe Tête laser Axe Y Moteur X Axe X 21 Principes de commande Synchronisation des axes Le maître du bus Calcule périodiquement la trajectoire X(t) Y(t) Envoie la consigne de vitesse et de position aux contrôleurs de moteur, qui interpolent. Electronique de commande Amplificateur de courant Consigne de Régulateur Consigne de position de position courant Valeur de La position Compteur de position Signaux du codeur Maître Moteur X Electronique de commande Axe Y Consigne de position Régulateur de position Amplificateur de courant Consigne de courant Valeur de La position Compteur de position Signaux du codeur Axe X 22 11

12 Conséquence des latences Si Y arrive toujours en retard par rapport à X Exemple : 1 période de retard Axe Y Axe X 23 Conséquence des gigues Si Y arrive en retard de façon aléatoire par rapport à X Exemple : 0 à 1 période de retard Axe Y Axe X 24 12

13 Conséquence des gigues Trajectoires obtenues (décalées pour mise en évidence de la forme obtenue) Axe Y Axe X 25 Commande de mouvements synchronisés Application 26 13

14 Conséquence des latences et des gigues Les latences Erreurs dimensionnelles. La forme obtenue à l arrivée ne correspond pas exactement aux formes voulues, en raison du déphasage de X et Y Erreur ne pouvant pas être compensée facilement. Les gigues Forme différente de la forme désirée. Etat de surface mauvais, comportant un «bruit». Les pièces fabriquées successives sont toutes différentes. 27 Exigence particulière la synchronisation précise en temps Pour commander un mouvement synchronisé Il faut connaître la bonne valeur de position pour chaque axe. Il faut aussi connaître l instant précis auquel cette position doit être atteinte. Pour les bus de terrain et les systèmes de commande C est une exigence très contraignante. Pas atteinte par les bus prévus pour les entrées sorties simples. Sur les machines Il est fréquent de faire cohabiter 2 bus de terrain. Un bus de terrain rapide et synchronisé pour le contrôle du mouvement. Un bus de terrain classique pour les entrées sorties. Conséquence néfaste : le coût! 28 14

15 Solutions envisageables Architecture centralisée Les bus microprocesseurs ont des latences de l ordre de 10 ns. Donc, solution très performante mais centralisée. Synchronisation d horloge Les données sont envoyées sans synchronisation précise, mais avec une indication de date (tables P, V, T). Les différents contrôleurs synchronisent leur référence de temps locale (horloge) entre eux en utilisant le bus de terrain. Bus de terrain synchrone Utiliser une technologie de bus de terrain permettant la synchronisation. Compensation des temps de propagation Pour améliorer encore la synchronisation, un contrôleur peut mesurer le temps de propagation physique du bus, et le compenser! 29 L automate programmable industriel Conséquences du fonctionnement cyclique sur les performances Gigue Si Tâche 1 et Tâche 2 sont prêtes simultanément Tâche 2 sera exécutée après Tâche 1. La cadence d exécution est respectée. L échéance précise n est pas respectée. Charge CPU Si une tâche effectue un traitement plus long que sa période 100 % CPU consommée. L automate ne peut plus respecter la cadence d exécution. En général, il se met dans un état d erreur et s arrête. Si on diminue la période d une tâche (on augmente la cadence) La charge CPU augmente

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