Evaluation de l'influence d un réseau de communication sans fil sur la commande d un SED

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1 Evaluation de l'influence d un réseau de communication sans fil sur la commande d un SED Gilbert Habib (1), Pascale Marangé (2), Jean François Pétin (1), Thierry Divoux (1) (1) Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN) Nancy-Université, CNRS, Campus Scientifique, BP 239, Vandoeuvre-lès-Nancy {Gilbert.Habib, Jean-Francois.Pétin, Thierry.Divoux}@cran.uhp-nancy.fr (2) Centre de recherche en STIC (CReSTIC), URCA, IUT de Troyes - 9 rue du Quebec, Troyes {pascale.marange@univ-reims.fr} 1

2 Plan Introduction: Système Discret Contrôlé en Réseau Problématique État de l art Cas d étude Approche analytique Modélisation Matlab Simulink Modélisation Opnet Conclusion 2

3 Système Discret Contrôlé en Réseau (SDCR) SDCR : ensemble des lois de commande discrètes pilotant une partie opérative à travers un réseau de communication. L implantation de ces lois est supportée par un ensemble d Automates Programmables Industriels (API) et/ou de boîtiers d entrées/sorties déportés échangeant de l information L API lit les variables d entrées, les traite et met à jour les variables de sorties selon un cycle caractérisé par une période PAPI. Tous les équipements en réseau sont munis d un coupleur de communication caractérisé par un cycle de scrutation nommé Pcarte. 3

4 Problématique Adéquation Qualité de service Réseau et Commande SED Impact de la QoS réseau sur les propriétés de la commande (déterminisme, sûreté) en particulier pour les réseaux non déterministes (Ethernet, réseaux sans fil, ) Impact des paramètres réseau (priorités, taille des paquets, nb de retransmission) et des paramètres de commande (structure de la commande, temps de cycle automate, ) sur la QoS de l application globale (SDCR) Modèles et outils de représentation dédiés Modèles Outils De nature déterministe pour la commande des SED De nature stochastique pour la modélisation du réseau de communication Matlab Simulink (TrueTime) orienté «commande» avec modélisation grossière du réseau Opnet orienté «réseau», a priori non adapté pour la modélisation de la commande (réutilisation du formalisme EFSM pour la modélisation de la commande?) Objectif : proposer une approche de conception et de validation conjointe commande discrète / réseau pour des SDCR distribués sur un réseau sans fil e (WIFI) 4

5 Etat de l art Approches orientées «réseau» Modèles stochastiques ou basés sur le calcul réseau (dans le pire des cas) Applications aux systèmes continus contrôlés en réseau [Georges et al., 2005], [Tipsuwan et al., 2009], Problème: pas ou peu de prise en compte de la commande Approches orientées «commande» Modèles SED de la partie commande (automates, RdP, ) [Marsal et al., 2005], [Addad et al., 2008], Problème : modélisation très grossière du réseau, souvent sous la forme de retards matérialisés par un état ou une place Approches conjointes Modèles SED + modèles stochastiques du réseau [Greifeneder et al.2008], [Bordbar et al. 2005], Problèmes : Outils propriétaires, paramètres réseaux négligés 5

6 Cas d étude Comportement étudié: Propriétés de type «sécurité» : par exemple évitement de collisions entre les 2 vérins Propriétés de type «Performances temporelles» : en particulier, temps T S qui représente le temps entre le départ de S1 et l arrêt du vérin espéré sur S2 (émission de l ordre de sortie B=1, émission du signal capteur S2, émission de l ordre d arrêt B=0 ) o o o Ts=t+T+Tinertie t: le temps où le vérin arrive au capteur S2 T: délai de bout en bout (entre l'occurrence de l événement généré par le capteur S2 et la réception par un actionneur (vérin) du signal de commande émis(ordre d arrêt)) Tinertie: temps nécessaire pour que le vérin s arrête après recevoir l ordre d arrêt 6

7 Cas d étude Modélisation (1) Calcul analytique dans le pire des cas (2) Modélisation sur Matlab Simulink (3) Modélisation sur Opnet 7

8 (1) Calcul de délai de bout en bout T T est un délai entre l'occurrence de l événement généré par un capteur et la réception par un actionneur du signal de commande émis T=?? 8

9 (1) Calcul de délai de bout en bout T T=a+ a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement (=m1*pcarte) 9

10 (1) Calcul de délai de bout en bout T T=a+d1+ a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement (=m1*pcarte) d1 est le temps de transmission sur le réseau de communication 10

11 (1) Calcul de délai de bout en bout Calcul de d1 [Habib et al. 2009] Réseau Wifi en mode infrastructure EDCA Couche MAC selon CSMA / CA avec tirage aléatoire d un temps d attente (backoff time) pour accéder au médium en cas d indisponibilité Donnée Station 1 Donnée+Ack AIFS Donnée Station Donnée+Ack Donnée AIFS AIFS Station Donnée+Ack AIFS Délai maximal Max(k)= {(AIFS+Backoff) j +F(x(j),r(j))+SIFS+ACK)}+(AIFS+Backoff) k + F(x (k),r (k)) avec j = Stations qui veulent envoyer des paquets. F(x,r) = temps nécessaire pour envoyer un paquet de taille x avec un débit r 11

12 (1) Calcul de délai de bout en bout T T=a+d1+b+ a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement(=m1*pcarte) d1 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] un autre retard b est dû au temps de cycle de l API (=m2*papi) ( délai d attente pour la prise en compte par l API) 12

13 (1) Calcul de délai de bout en bout T T=a+d1+b+k*PAPI+ a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement(=m1*pcarte) d1 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] un autre retard b est dû au temps de cycle de l API (=m2*papi) message est ensuite traité par l API, l exécution des lois de commande pouvant nécessiter plusieurs cycles (k) 13

14 (1) Calcul de délai de bout en bout T T=a+d1+b+k*PAPI+c+ a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement(=m1*pcarte) d1 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] un autre retard b est dû au temps de cycle de l API (=m2*papi) message est ensuite traité par l API, l exécution des lois de commande pouvant nécessiter plusieurs cycles (k) un retard c dépendant de la période de scrutation du coupleur de communication (=m3*pcarte) 14

15 (1) Calcul de délai de bout en bout T T=a+d1+b+k*PAPI+c+d2 a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement(=m1*pcarte) d1 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] un autre retard b est dû au temps de cycle de l API (=m2*papi) message est ensuite traité par l API, l exécution des lois de commande pouvant nécessiter plusieurs cycles (k) un retard c dépendant de la période de scrutation du coupleur de communication (=m3*pcarte) d2 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] 0 m1, m2, m3 1 15

16 (1) Calcul de Tmin et Tmax T=a+d1+b+k*PAPI+c+d2 a représente le temps pour que le coupleur de communication prenne en compte cet événement(=m1*pcarte) d1 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] un autre retard b est dû au temps de cycle de l API (=m2*papi) message est ensuite traité par l API, l exécution des lois de commande pouvant nécessiter plusieurs cycles (k) un retard c dépendant de la période de scrutation du coupleur de communication (=m3*pcarte) d2 est le temps de transmission sur le réseau de communication [Habib et al. 2009] 0 m1, m2, m3 1 Cas 1: T=Tmin m1=m2=m3=0 d1=d1min d2=d2min T d1min +PAPI+d2min Cas 2: T=Tmax m1=m2=m3=1 K=kmax d1=d1max d2=d2max K1=K+1 T Pcarte +d1max+papi+k1*papi+pcarte +d2max 16

17 (2) Modélisation sur Matlab / TrueTime Matlab/Simulink Modèles SED: basé sur les StateCharts Modèles Réseau : basé sur la bibliothèque TrueTime Modèles stochastiques pour les couches MAC et PHY pour le WIFI Limites : cf. problématique (modélisation très grossière du réseau) Adaptation de la bibliothèque TrueTime pour une modélisation plus fine du réseau Notion d acquittement (non définie dans la bibliothèque actuelle) Introduction des entêtes MAC, PHY sur les paquets (non traité dans la bibliothèque actuelle) Définition standardisée de la fonction qui définit le temps de transmission physique d un paquet sur le réseau (couche physique) (modélisé par une fonction simple «taille des paquets/débit» dans la bibliothèque actuelle) Gestion des priorités (non définie dans la bibliothèque actuelle) 17

18 (2) Modélisation sur Matlab / TrueTime a) API b) Réseau c) Partie Opérative d) Modèle de l environnement 18

19 a) API (2) Modélisation sur Matlab / TrueTime Ce modèle décrit le fonctionnement de l API. Il est représenté par trois modèles: Lecture: il sert à lire les entrées depuis la carte d E/S Commande: il traite les informations, évolution de la commande Ecriture: il mets à jour les sorties de l API 19

20 Le modèle du réseau est simulé en utilisant la librairie TrueTime modifiée dans Matlab. (2) Modélisation sur Matlab / TrueTime b) Réseau c) Partie Opérative Elle est présentée en deux modèles: Sens et Position Voir plus [Thèse de P.Marangé, 2008] 20

21 d) Modèle d environnement (2) Modélisation sur Matlab / TrueTime Il gère l ordre d exécution des modèles de commande, de PO et de l API 21

22 Résultats de simulation sur TrueTime Conditions de simulation Recherche d un nombre d itération selon la variabilité des résultats (dans l exemple, une centaine d itérations) Temps d arrêt (Ts) du vérin en fonction de la taille des paquets et de Pcarte 0.05<Pcarte<=0.11, le délai introduit par le réseau est important, d où un écart important sur Ts en fonction de la taille des paquets. Pcarte>0.11, le réseau a peu d influence sur le comportement global du système. 22

23 Résultats de simulation sur TrueTime Comparaison entre Tsmin, Tsmax analytiques et Ts simulé en fonction de Pcarte 23

24 OPNET (3) Modélisation sur OPNET Modèles réseaux : modèles stochastiques et/ou déterministes (EFSM : Extended Finite State Machine)) Equivalences entre EFSM et des modèles plus classiques en SED ex Statechart)? Modèle Statechart Modèles OPNET Etat vert : état dont la sortie ne nécessite pas d événement mais uniquement une condition logique(boucle default si la condition n est pas validée) Etat rouge : état dont la sortie nécessite l occurrence d un événement 24

25 (3) Modélisation sur OPNET Modélisation de la commande SED sous OPNET Modèles Réseau : Couches PHY, MAC Couche APPLICATION divisée en deux zones: Période de scrutation (zone 2) Primitives d application décrites en EFSM (zone 1) Modèles Commande Modélisés en EFSM dans comme une application de type zone 1 Zone1 Zone 2 Couche MAC Couche Physique Commande SED 3 couches OSI 25

26 (3) Modélisation sur OPNET 26

27 (3) Résultats sur OPNET Simulation en faisant varier la taille des paquets, la période de scrutation des coupleurs (paramètres du réseau), la taille des capteurs et leur espacement (partie opérative). Dans les exemples Cas1 et Cas2 ci-dessous, le nombre de retransmission autorisées, le débit le temps de cycle API ont été maintenus à une valeur constante. 27

28 Conclusion Comparaison des résultats Résultats similaires entre OPNET et TrueTime pour tous les scénarii simulés Résultats conformes aux résultats analytiques TrueTime présente toujours des limitations Impossibilité de définir des paramètres et attributs spécifiques (taille des paquets, nb de retransmissions autorisées, ) à chaque flux, malgré les modifications apportées Les développements futurs se feront sur OPNET Bilan : travail réalisé essentiellement sur les paramètres du réseau Perspectives portent sur: La prise en compte des paramètres de commande (structure, période API, ) L étude des propriétés de sécurité (évitement de collisions, ) Gestion des priorités : gestion par la partie commande de la priorité des flux dans le réseau pour que ce dernier s adapte au mieux aux besoins de la PC. 28