Algorytm przeszukiwania z zakazami do optymalizacji czasu komunikacji w środowisku inżynierskim CPDev

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_257/47

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

Download Article

Streszczenie

Wydajna komunikacja jest konieczna dla prawidłowej pracy rozproszonych systemów sterowania. Niniejszy artykuł poświęcony jest problemowi skrócenia czasu cyklu komunikacyjnego podczas odczytu mieszanych danych rejestrowo-binarnych w protokole Modbus ze sterownika przemysłowego, zwłaszcza implementującego pakiet inżynierski CPDev. Do optymalizacji zaprojektowano i zaimplementowano algorytm przeszukiwania z zakazami (tabu search). Wykonano obszerne eksperymenty obliczeniowe i zestawiono ich wyniki z rezultatami wcześniejszych badań, w których do tego samego problemu użyto programowania z ograniczeniami. Porównanie wyników wykazało, że nowy algorytm jest znacznie szybszy i dzięki temu nadaje się do praktycznego zastosowania w planowaniu komunikacji Modbus dla środowiska CPDev w czasie rzeczywistym. 

Słowa kluczowe

CPDev, komunikacja, Modbus, plc, sterownik przemysłowy, tabu search

Tabu Search Algorithm for Communication Time Optimization in the CPDev Engineering Environment

Abstract

Efficient communication is crucial for the correct operation of distributed control systems. This article is focused on the problem of reducing the communication cycle time during reading mixed register-binary data in the Modbus protocol from an industrial controller, especially implementing the CPDev engineering environment. A tabu-search algorithm was designed and implemented for optimization. Extensive computational experiments were performed and their results were compared with the results of previous studies in which constraint programming was used for the same problem. Comparison of the results revealed that the new algorithm is much faster and therefore suitable for practical use in real-time Modbus communication planning for the CPDev environment.

Keywords

communication, CPDev, industrial controller, Modbus, plc, tabu search

Bibliography

  1. Rzońca D., Bożek A., Optymalizacja mieszanego odczytu zmiennych binarnych i rejestrowych w protokole Modbus ze sterownika PLC implementującego CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 28, Nr 3, 2024, 83–91, DOI: 10.14313/PAR_253/83.
  2. Bożek A., Rzońca D., Communication Time Optimization of Register-Based Data Transfer, “Electronics”, Vol. 12, No. 24, 2023, DOI: 10.3390/electronics12244917.
  3. Glover F., Tabu Search—Part I, “ORSA Journal on Computing”, Vol. 1, No. 3, 1989, 190–206, DOI: 10.1287/ijoc.1.3.190.
  4. IEC, IEC 61131-3 – Programmable controllers – Part 3: Programming languages, 2003, 2013.
  5. 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.
  6. Rzońca D., Sadolewski J., Stec A., Świder Z., Trybus B., Trybus L., CPDev engineering environment for control programming, [In:] Trends in Advanced Intelligent Control, Optimization and Automation, AISC, Vol. 577, 2017, 303–314, DOI: 10.1007/978-3-319-60699-6_29.
  7. Hubacz M., Sadolewski J., Trybus B., Model i implementacja dwurdzeniowego sterownika programowalnego opartego na maszynie wirtualnej, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 28, Nr 3, 2024, 93–99, DOI: 10.14313/PAR_253/93.
  8. Hajduk Z., Trybus B., Sadolewski J., Architecture of FPGA Embedded Multiprocessor Programmable Controller, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 62, No. 5, 2015, 2952–2961, DOI: 10.1109/TIE.2014.2362888.
  9. Trybus B., Development and Implementation of IEC 61131-3 Virtual Machine, “Theoretical and Applied Informatics”, Vol. 23, No. 1, 2011, 21–35, DOI: 10.2478/v10179-011-0002-z.
  10. Sadolewski J. Trybus B., Compiler and virtual machine of a multiplatform control environment, “Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences”, Vol. 70, No. 2, 2022, DOI: 10.24425/bpasts.2022.140554.
  11. Kwiecień R., Komputerowe systemy automatyki przemysłowej, Helion, 2012.
  12. Stój J., Wybrane zagadnienia sieci komunikacyjnych w przemysłowych systemach komputerowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2023.
  13. IEC, IEC 61158 – Industrial Communication Networks – Fieldbus Specifications, 2007.
  14. 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.
  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. 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.
  17. Găitan 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.
  18. Zagan I., Găitan 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.
  19. Găitan 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.
  20. Găitan N.C., Zagan I., Găitan V.G., Proposed Modbus Extension Protocol and Real-Time Communication Timing Requirements for Distributed Embedded Systems, “Technologies”, Vol. 12, No. 10, 2024, DOI: 10.3390/technologies12100187.
  21. Bednarek M., Będkowski L., Dąbrowski T., Wybrane funkcje systemu dozorująco-terapeutycznego w układzie komunikacji, „Diagnostyka”, Vol. 34, 2005, 31–36.
  22. Zhou H., Liu H., Lv C., Zhang C., Shen W., A path relinking with tabu search algorithm for solving hybrid flow shop scheduling problem considering multiple critical paths, “Computers & Operations Research”, Vol. 170, 2024, DOI: 10.1016/j.cor.2024.106783.
  23. Saida E.B., Hamid O., Fouad G., Saad G., Nada M., Ismael J., Tabu Search Algorithm for Optimal Electric Water Heating Energy Management, “IFAC-PapersOnLine”, Vol. 58, No. 13, 2024, 835–840, DOI: 10.1016/j.ifacol.2024.07.586.
  24. Yamamoto R.Y., Pinto T., Romero R., Macedo L.H., Specialized tabu search algorithm applied to the reconfiguration of radial distribution systems, “International Journal of Electrical Power & Energy Systems”, Vol. 162, 2024, DOI: 10.1016/j.ijepes.2024.110258.
  25. Peng B., Wang S., Liu D., Su Z., Lü Z., Glover F., Solving the incremental graph drawing problem by multiple neighborhood solution-based tabu search algorithm, “Expert Systems with Applications”, Vol. 237, Part A, 2024, DOI: 10.1016/j.eswa.2023.121477.
  26. Rzońca D., Poprawa wydajności komunikacji sterownika przemysłowego z panelem operatorskim HMI w środowisku inżynierskim CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 24, No. 1, 2020, 35–40, DOI: 10.14313/PAR_235/35.
  27. Rzońca D., Przyspieszenie wymiany danych w protokole Modbus między PLC a HMI wykorzystującymi pakiet inżynierski CPDev, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 26, No. 4, 2022, 85–89, DOI: 10.14313/PAR_246/85.
  28. Hubacz M., Sadolewski J., Trybus B., Obsługa typów danych normy PN-EN 61131-3 w architekturze ARM z ograniczeniami dostępu do pamięci, „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 26, No. 1, 2022, 23–31, DOI: 10.14313/PAR_243/23.