Optymalizacja mieszanego odczytu zmiennych binarnych i rejestrowych w protokole Modbus ze sterownika PLC implementującego CPDev

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_253/83

send Dariusz Rzońca , Andrzej Bożek Politechnika Rzeszowska, Katedra Informatyki i Automatyki, ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów

Download Article

Streszczenie

Wydajna komunikacja jest kluczowa dla poprawnej pracy rozproszonych systemów automatyki. W artykule skupiono się na jednym z aspektów takiej komunikacji, związanym z mieszanym odczytem zmiennych binarnych i rejestrowych ze sterownika PLC w protokole Modbus RTU. W badaniach przyjęto architekturę pamięci ze wspólną adresacją zmiennych różnych typów, pozwalającą na użycie do odczytu zmiennych binarnych oprócz dedykowanych funkcji bitowych (np. FC1), także funkcji rejestrowych Modbus (np. FC3). Architektura taka występuje m.in. w sterownikach implementujących środowisko inżynierskie CPDev. W artykule zaproponowano metodę grupowania zmiennych, prowadzącą do zmniejszenia łącznego czasu cyklu komunikacyjnego. Zaimplementowano model optymalizacyjny pozwalający na automatyczne znalezienie optymalnego grupowania. Przeprowadzono eksperymenty, a następnie omówiono uzyskane wyniki. Rezultaty przeprowadzonych badań zostaną wykorzystane przy rozwoju środowiska inżynierskiego CPDev.

Słowa kluczowe

CPDev, komunikacja, Modbus, plc, sterownik przemysłowy

Optimization of Mixed Reading of Binary and Register Variables in Modbus Protocol from PLC Implementing CPDev

Abstract

Efficient communication is crucial for the proper operation of distributed automation systems. The article focuses on one of the aspects of such communication, related to the mixed reading of binary and register variables from the PLC controller in the Modbus RTU protocol. The research assumed a memory architecture with common addressing of variables of different types, allowing reading binary variables not only using dedicated bit functions (such as FC1), but also Modbus register functions (such as FC3). Such an architecture occurs, e.g., in controllers implementing the CPDev engineering environment. The article proposes a method of appropriate grouping of variables, leading to a reduction of the total communication cycle time. An optimization model has been implemented to automatically find the optimal grouping. Experiments were carried out and the obtained results were discussed. The results of the conducted research will be used in the development of the CPDev engineering environment.

Keywords

communication, CPDev, industrial computer, Modbus, plc

Bibliography

  1. IEC, IEC 61131-3 – Programmable controllers – Part 3: Programming languages, 2003, 2013.
  2. Kasprzyk J., Programowanie sterowników przemysłowych. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2006.
  3. Rzońca D., Sadolewski J., Stec A., Świder Z., Trybus B., Trybus L., Implementacja środowiska inżynierskiego na przykładzie pakietu CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 24, Nr. 1, 2020, 21–28, DOI: 10.14313/PAR_235/21.
  4. Rzońca D., Sadolewski J., Stec A., Świder Z., Trybus B., Trybus L., Developing a Multiplatform Control Environment, “Journal of Automation, Mobile Robotics and Intelligent Systems”, Vol. 13, No. 4, 2019, 73–84, DOI: 10.14313/JAMRIS/4-2019/40.
  5. Świder Z., Prototyp kaskadowego autopilota okrętowego zaimplementowany w środowisku CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 27, Nr 1, 2023, 61–66, DOI: 10.14313/PAR_247/61.
  6. Stec A., Świder Z., Trybus L., Jednolite projektowanie regulatorów kursu i ścieżki dla autopilota statku, ”Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 27, Nr 1, 2023, 45–50, DOI: 10.14313/PAR_247/45.
  7. Świder Z., Edytory graficzne języków LD i FBD w pakiecie CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 24, Nr 1, 2020, 29–34, DOI: 10.14313/PAR_235/29.
  8. Trybus B., Development and Implementation of IEC 61131-3 Virtual Machine, “Theoretical and Applied Infor matics”, Vol. 23, No. 1, 2011, 21–35, DOI: 10.2478/v10179-011-0002-z.
  9. Hubacz M., Trybus B., Dual-Core PLC for Cooperating Projects with Software Implementation, “Electronics”, Vol. 12, No. 23, 2023, DOI: 10.3390/electronics12234730.
  10. Stój J., Wybrane zagadnienia sieci komunikacyjnych w przemysłowych systemach komputerowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2023.
  11. Silva M., Pereira F., Soares F., Leão C.P., Machado J., Carvalho V., An Overview of Industrial Communication Networks, [In:] New Trends in Mechanism and Machine Science (Flores P., Viadero F., eds.), (Cham), Springer International Publishing, 2015, 933–940, DOI: 10.1007/978-3-319-09411-3_97.
  12. Thomesse J., Fieldbus Technology in Industrial Automation, “Proceedings of the IEEE”, Vol. 93, No. 6, 2005, 1073–1101, DOI: 10.1109/JPROC.2005.849724.
  13. Gaj P., Jasperneite J., Felser M., Computer Communication Within Industrial Distributed Environment – a Survey, “IEEE Transactions on Industrial Informatics”, Vol. 9, No. 1, 2013, 182– 189, DOI: 10.1109/TII.2012.2209668.
  14. IEC, IEC 61158 – Industrial Communication Networks – Fieldbus Specifications, 2007.
  15. Scanzio S., Wisniewski L., Gaj P., Heterogeneous and dependable networks in industry – A survey, “Computers in Industry”, Vol. 125, 2021, DOI: 10.1016/j.compind.2020.103388.
  16. Rzońca D., Poprawa wydajności komunikacji sterownika przemysłowego z panelem operatorskim HMI w środowisku inżynierskim CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 24, Nr 1, 2020, 35–40, DOI: 10.14313/PAR_235/35.
  17. Rzońca D., Przyspieszenie wymiany danych w protokole Modbus między PLC a HMI wykorzystującymi pakiet inżynierski CPDev, "Pomiary Automatyka Robotyka", Vol. 26, Nr 4, 2022, 85–89, DOI: 10.14313/PAR_246/85.
  18. Titaev A., Reducing update data time for exchange via MODBUS TCP protocol by controlling a frame length, “Automatic Control and Computer Sciences”, Vol. 51, 2017, 357–365, DOI: 10.3103/S014641161705008X.
  19. Gãitan V.G., Zagan I., Modbus Protocol Performance Analysis in a Variable Configuration of the Physical Fieldbus Architecture, “IEEE Access”, Vol. 10, 2022, 123942–123955, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3224720.
  20. Zagan I., Gãitan V.G., Enhancing the Modbus Communication Protocol to Minimize Acquisition Times Based on an STM32-Embedded Device, “Mathematics”, Vol. 10, No. 24, 2022, DOI: 10.3390/math10244686.
  21. Gãitan V.G., Zagan I., Experimental Implementation and Performance Evaluation of an IoT Access Gateway for the Modbus Extension, “Sensors”, Vol. 21, No. 1, 2021, DOI: 10.3390/s21010246.
  22. Bednarek M., Będkowski L., Dąbrowski T., Wybrane funkcje systemu dozorująco-terapeutycznego w układzie komunikacji, „Diagnostyka”, Vol. 34, 2005, 31–36.
  23. Bożek A., Rzońca D., Communication Time Optimization of Register-Based Data Transfer, “Electronics”, Vol. 12, No. 24, 2023, DOI: 10.3390/electronics12244917.
  24. Laborie P., Rogerie J., Shaw P., Vilím P., IBM ILOG CP optimizer for scheduling, “Constraints”, Vol. 23, 2018, 210–250, DOI: 10.1007/s10601-018-9281-x.