В статье проводится регрессионный анализ времени опроса ПЛК (программируемый логический контроллер) панелью управления по протоколу ModBus TCP. Исследуются факторы, такие как длина кабеля, загруженность процессора ПЛК и панели, размер запроса и частота опроса. Данные собраны в результате 120 экспериментов и подвергнуты анализу. Результаты позволяют выявить наиболее значимые факторы и оптимизировать систему для минимизации задержек.
Ключевые слова: ПЛК, SCADA-система, ModBus TCP, время опроса, регрессионный анализ, дисперсионный анализ, длина кабеля, загруженность процессора, размер запроса, количество запросов, оптимизация системы, промышленная автоматизация, задержки передачи данных, панель управления, Ethernet, статистическая значимость.
Введение
В системах управления на основе SCADA задержки при обмене данными между ПЛК и панелью управления связаны с несколькими факторами. Подобные задержки могут приводить к сбоям и снижению эффективности системы, особенно в критически важных процессах. Поэтому исследование факторов, влияющих на время опроса ПЛК, является важной задачей для оптимизации производительности.
Протокол ModBus TCP широко используется для обмена данными между устройствами в системах автоматизации. Он отличается простотой реализации, но чувствителен к качеству связи и нагрузке на устройства. Знание того, как различные факторы влияют на время опроса, позволяет корректно настраивать параметры системы и предотвращать нежелательные задержки.
В данной работе исследуются следующие факторы:
- Длина кабеля между ПЛК и панелью, м;
- Загруженность процессора ПЛК, %;
- Загруженность процессора панели управления, %;
- Размер запроса, байт;
- Количество одновременных запросов, количество запросов.
Целью исследования является определение наиболее значимых факторов, влияющих на время опроса.
Методика исследования
Для проведения экспериментов была использована следующая конфигурация оборудования:
— ПЛК: Нефтеавтоматика MK-503–120;
— Панель управления: ECX-2000–2G Vecom
— Соединение: Ethernet;
— Кабель: 1 м, 5 м, 10 м, 20 м, 50 м, 100 м.
Сбор данных
Данные собирались путем измерения времени опроса ПЛК панелью управления с помощью программного обеспечения для мониторинга ModBus-трафика. Для каждого значения фактора фиксировалось среднее время опроса. После проведения всех экспериментов были проведены регрессионный и дисперсионный анализы, в ходе которых были получены следующие значения:
Таблица 1
Регрессионный анализ
|
Фактор |
P — значение |
X1 |
Доверительный интервал |
|
Длина кабеля |
1.90504E-23 |
1.599533835 |
1.55–1.64 |
|
Время работы ПЛК |
0.383814641 |
0.004876692 |
-0.0066–0.0163 |
|
Загруженность ПЛК |
4.753E-16 |
2.980255639 |
2.74–3.21 |
|
Загруженность панели |
1.95858E-13 |
5.216225564 |
4.64- 5.78 |
|
Длина запроса |
2.65246E-15 |
4.393849624 |
4.018- 4.769 |
|
Кол-во запросов |
7.30346E-12 |
590.6505263 |
510.67–670.62 |
Таблица 2
Дисперсионный анализ
|
Фактор |
P — значение |
|
Длина кабеля |
5,5975E-158 |
|
Время работы ПЛК |
1,57684E-26 |
|
Загруженность ПЛК |
7,7211E-204 |
|
Загруженность панели |
2,6639E-248 |
|
Длина запроса |
7,2724E-241 |
|
Кол-во запросов |
0 |
На основании проведенного регрессионного и дисперсионного анализа можно сделать следующие выводы:
- Дисперсионный анализ подтверждает статистическую значимость всех факторов, за исключением времени работы ПЛК. Для всех факторов значение F > F критического , что свидетельствует о значительном влиянии этих параметров на время опроса.
- Факторы с наибольшим влиянием:
— Длина кабеля (P = 1.9×10⁻²³) существенно увеличивает задержку. При увеличении длины на 10 м время опроса возрастает на ~16 мс.
— Загруженность ПЛК (P = 4.75×10⁻¹⁶) и загруженность панели ( P = 1.96×10⁻¹³) оказывают значительное влияние, особенно при загрузке более 50 %.
— Длина запроса (P = 2.65×10⁻¹⁵) прямо пропорциональна времени обработки данных.
— Количество одновременных запросов (P = 7.3×10⁻¹²) является критическим параметром, так как увеличение числа запросов приводит к росту задержки на сотни миллисекунд.
- Фактор со слабым влиянием:
— Время работы ПЛК (P = 0.38) не оказывает значимого воздействия на время опроса, что подтверждается пересечением доверительного интервала с нулем.
- Практические рекомендации:
— Ограничить длину кабеля до 20 м для минимизации задержек.
— Сократить количество одновременных запросов или применять механизм очередности обработки .
— Использовать методы сжатия данных или уменьшать длину запросов .
— Оптимизировать распределение нагрузки между устройствами , перераспределяя вычисления между несколькими ПЛК или панелями.
Таким образом, исследование подтвердило сильное влияние нескольких факторов на время опроса. Полученные данные могут использоваться для повышения производительности SCADA-систем и минимизации задержек в реальных промышленных процессах.
Литература:
- Моделирование сложных вероятностных систем: учеб. пособие / В. Г. Лисиенко, О. Г. Трофимова, С. П. Трофимов, Н. Г. Дружинина, П. А. Дюгай. Екатеринбург: УРФУ, 2011. 200 с.
- Владимирский Б. М. Математика. Общий курс: учебник для вузов / Б. М. Владимирский, А. Б. Горстко, Я. М. Ерусалимский. СПб.: Лань, 2008. 960 с.
