università di genova facoltà di ingegneria genova 28 settembre 2007 a benchmark for softplc...

28
Università di Genova Facoltà di Ingegneria M AILab M easurem ent& Autom ation for Industry Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università degli Studi Genova Facoltà di Ingegneria Chiar.mo Prof. Ing. Paolo Pinceti Dott. Ing. Micaela Caserza Magro

Upload: lillian-mcdaniel

Post on 28-Mar-2015

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Genova 28 settembre 2007

A benchmark for SoftPLC Technology in Windows

EnvironmentValerio Malerba

Università degli Studi Genova Facoltà di Ingegneria

Chiar.mo Prof. Ing. Paolo PincetiDott. Ing. Micaela Caserza Magro

Page 2: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

What’s a benchmark

Genova 28 settembre 2007

A benchmark is a sequence of operations allowing to obtain a performance assessment of a system.

A program which evaluates the capability of a computer to perform additions by counting the number of operations executed in a while.

Page 3: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Benchmark: requirements

Genova 28 settembre 2007

A good benchmark satisfies the following requirements:

• Linearity• Reliability• Repeatability• Easiness• Independence

Page 4: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

A matter of measure

Genova 28 settembre 2007

A benchmark performs a measure.For a measure the following parameters are important:

• Accuracy• Precision• Resolution

Page 5: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

PLC (1)

Genova 28 settembre 2007

PLC (Programmable Logic Controller): is an industrial computer that runs periodically three phases aiming to control a manufacturing process.

• Read input: the PLC reads the incoming variables from the system, such as levels, pressures and temperatures.

• Elaboration: the PLC elaborates, following a program, the input and produces a new series of values or actions.

• Update output: the PLC updates its output variables.

Page 6: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

PLC (2)

Genova 28 settembre 2007

The PLC is a machine substantially…

HARDREALTIME

Page 7: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

SoftPLC

Genova 28 settembre 2007

A SoftPLC is instead a PLC completely made via the use of a common personal computer.Despite of a traditional PLC, it offers some advantages:

• Higher intergrability.

• Possibility to write more complex programs.

• Lower cost.

Page 8: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

PLC and SoftPLC: languages

Genova 28 settembre 2007

PLC programs follow a standard, IEC 61131-3, which defines 5 languages:

• Instruction List

• Function Block

• Structured Text

• Ladder

• Sequential Flow Chart

Page 9: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

PLC and SoftPLC: difference

Genova 28 settembre 2007

The behaviour of a SoftPLC deeply depends by the operating system on which it runs: if the operating system is not a real-time one (e.g. Windows XP), the SoftPLC isn’t either…

HARDREALTIME

Page 10: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Purpose of the benchmark

Genova 28 settembre 2007

The goal of the benchmark is hence to assess the SoftPLC perfomances under the point of view of regularity of working.

A second important purpose is to provide a tool to be used during the projecting phase of an industrial plant.

Page 11: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Used applications

Genova 28 settembre 2007

These a re the main applications used during the realization and use of the benchmark;

Infoteam OpenPCS 2006Infoteam SmartPLC/OPC

Page 12: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Used applications

Genova 28 settembre 2007

Client OPC

These a re the main applications used during the realization and use of the benchmark;

Page 13: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

OPC

Genova 28 settembre 2007

OPC (OLE for Process Control) : is a series of standards based on Microsoft DCOM regarding the communication among devices in an industrial network (sensors, PLCs, etc.).

OPC

Page 14: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

The network

Genova 28 settembre 2007

Complessively, the network which is affected by the benchmark is the following:

Page 15: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

The benchmark (1)

Genova 28 settembre 2007

The main component of the benchmark is a SoftPLC program that measures its own times, allowing to get information about the overall performances.

The language chosen for this duty is Instruction List. The reason is due to its low level programming and therefore its speed and lightness.

Page 16: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

The benchmark (2)

Genova 28 settembre 2007

The program which gets the measure can be represented with a finite state machine:

TPROCESSTIN TOUT

Time

PLC cycle n.1

TOUT TPROCESSTIN TOUT

PLC cycle n.2

TIN

t1 t2

Page 17: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Clock resolution

Genova 28 settembre 2007

The GETTIME function implemented by OpenPCS to detect the times strictly depends by the so-called Windows clock interval.

Page 18: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

The time packet

Genova 28 settembre 2007

The time value is recorded inside a 32 bit variable with a resolution of 1ms.This supplies an overmuch range, which can be optimized by transforming the 32 bit variable into a true packet with three decimal fields.

1 105

Number of cycles

Time value

• Number of cycles: it’s the number of the current cycle.

• Empty field: it’s a value that is kept at zero in order to improve the readability.

• Time value: is the time elapsed since the program was launched.

Page 19: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Experiments

Genova 28 settembre 2007

During this thesis numberous tests have been conducted, under different conditions.Considered interesting for study are the cases with different processor occupation levels.Furthermore, being each element in the network a Windows process, various combinations of priority have been considered.

In order to generate the occupation levels of the processor, a small software has been developed, called CPU Waster.

Page 20: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Metrics

Genova 28 settembre 2007

These are the used metrics to evaluate the performances of the network:

• Mean period: is the average duration of a SoftPLC cycle.• Minimum and maximum: minimum and maximum duration of a PLC cycle; in particular, the maximum provides the worst case.• Variance: is the variance of a SoftPLC cycle.

• Lost cycles: is the percentage of cycles which aren’t arrived to the OPC client.

SoftPLC

SoftPLC

Server O

PC

Server O

PC

Page 21: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Results (1)Several preliminar tests have been made to measure the CPU occupation of each process involved in the network. The most interesting case is the OPC client:

Server OPC with low priority

Server OPC with high priority

Page 22: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Results (2)The percentage of cycles lost by the OPC server increases with the the load but only when its priority is lower or equal to the other processes’ ones:

Server OPC with high priority

Server OPC with low priority

Page 23: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Results (3)The mean duration of a PLC cycle is almost constant with any load but changes a little depending by the combination of priorities:

SoftPLC con high priority

Page 24: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Results – Timer mode

Page 25: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Results – Other macchines

Worthly of mentions are some properties due to different clock intervals on other machines:

Page 26: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Conclusions and future developments (1)

The tests made show that, under proper conditions, the SoftPLC can satisfy the requests of a control system.

• Multi-core architecture• Higher number of OPC clients• Altered update rate for the OPC server• Routine that weighs down the SoftPLC code• Adaptation of the benchmark to other platforms, different from OpenPCS

Page 27: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

Conclusions and future developments (2)

The benchmark can be extended to evaluate the performances of other elements in the network:

PC

Profibus

Wago Input

Wago Output

infoteam

Woodhead

Smart PLC (SoftPLC)

InternetProsys OPC Test Client

HMI

Web Server

4

3

1

2

5 6

7

8

9

Page 28: Università di Genova Facoltà di Ingegneria Genova 28 settembre 2007 A benchmark for SoftPLC Technology in Windows Environment Valerio Malerba Università

Università di GenovaFacoltà di Ingegneria

Ex falso

quodlibet

MAI LabMeasurement & Automation forIndustry

THANK YOU!