Spolehlivost komunikaces PLC po internetuBakaláĜská práce

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektrotechnické informaþní a Ĝídící systémy

Spolehlivost komunikace s PLC po internetu

BakaláĜská práce

Autor: Jan BČlohradský

Vedoucí bakaláĜské práce: Ing. Miloš Hernych

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakaláĜskou práci se plnČ vztahuje zákon þ. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na vČdomí, že TUL má právo na uzavĜení licenþní smlouvy o užití mé BP a prohlašuji, že s o u h l a s í m s pĜípadným užitím mé diplomové práce (prodej, zapĤjþení apod.).

Jsem si vČdom toho, že užít své bakaláĜské práce þi poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat pĜimČĜený pĜíspČvek na úhradu nákladĤ, vynaložených univerzitou na vytvoĜení díla (až do jejich skuteþné výše).

BakaláĜskou práci jsem vypracoval samostatnČ s použitím uvedené literatury a na základČ konzultací s vedoucím bakaláĜské práce a konzultantem.

Datum 18. kvČtna 2007

Podpis

PodČkování

Dovolte mi abych touto cestou podČkoval dvČma osobám, které pĜispČly k úspČšnému vzniku této práce.

První z nich je vedoucí mé práce pan Ing. Miloš Hernych, s jehož pomocí jsem Ĝešil Ĝadu problémĤ.

Druhou osobou je pan Doc. RNDr. Miroslav Koucký, CSc., který mi pomohl s pochopením principĤ statistického zpracování dat a jednotlivých matematických metod.

Jan BČlohradský

Abstrakt

Práce se zabývá ovČĜením spolehlivosti komunikace s PLC po internetu, pĜedevším využitelností Ĝízení þinnosti PLC pĜes internetové pĜipojení.

Práce obsahuje teoretickou þást, ve které jsou popsány základní principy internetové komunikace, problematiky komunikace s PLC Tecomat po ethernetu a teorie použitých statistických výpoþtĤ. Zabývá se metodikou získání statistických dat a jejich zpracováním pomocí Microsoft Excel. Práce popisuje Ĝešené problémy a výpoþty použité pro vyhodnocení dat.

Souþástí práce jsou, na pĜiloženém CD, všechny datové soubory a program, kterým byla statistická data získána, vþetnČ zdrojových kódĤ, aby bylo možné data pĜípadnČ rozšíĜit, nebo navázat na tuto práci dalšími úkoly.

Klíþová slova: spolehlivost komunikace, ISO OSI, PLC, Tecomat, statistické vyhodnocení

Abstract

The piece deals with verifying the reliability of communication with PLC on internet. Especially with operating efficiency of PLC activity via internet connection.

The piece contains theoretic part, where basic principles of internet communication are described, questions of communication with PLC Tecomat via ethernet and theory of used statistical computation. It deals with methodology of getting statistical datas and their process with the help of Microsoft Excel. The piece describes solved problems and computations used for datas evaluation.

The parts of the piece are, on applied CD, all datas` files and a program through which were datas gained, including source codes, to be possible the datas enlarge or follow with further charges.

Keywords: reliability of communication, ISO OSI, PLC, Tecomat, statistical evaluation

Obsah

Prohlášení _______________________________________________ 3 PodČkování ______________________________________________ 4 Abstrakt _________________________________________________ 5 Abstract ________________________________________________ 6 Obsah ___________________________________________________ 7 Slovník zkratek a termínĤ _________________________________ 11 Úvod ____________________________________________________ 12 Úþel práce ___________________________________________ 12 Požadavky na výsledek ________________________________ 12

Aplikace pro sledování komunikace ______________________________ 12 Statistické vyhodnocení _______________________________________ 12

Metodický pĜístup _____________________________________ 13

Nastudování podkladĤ _________________________________________ 13

1 Cíle práce ____________________________________________ 14 1.1 Návrh metodiky získání statistických dat _______________ 14 1.2 Aplikace pro sledování komunikace ___________________ 14

1.2.1 Požadavky na program ____________________________________ 14 1.2.2 Grafické rozhraní a výstup programu _________________________ 14

1.3 Statistické vyhodnocení _____________________________ 14

1.3.1 Zpracování získaných dat vhodným softwarem _________________ 14

2 Teoretická þást __________________________________ 16 2.1 SíĢové protokoly ____________________________________ 16

2.1.1 TCP(UDP)/IP _________________________________________ 16 2.1.2 Internet Protokol _______________________________________ 17 2.1.3 Protokol TCP _________________________________________ 17 2.1.4 Protokol UDP _________________________________________ 17

2.2 Referenþní model ISO OSI ___________________________ 18

2.2.1 Fyzická vrstva ________________________________________ 18 2.2.2 Linková (spojová) vrstva ________________________________ 19 2.2.3 SíĢová vrstva _________________________________________ 19 2.2.4 Transportní vrstva _____________________________________ 19 2.2.5 Relaþní vrstva _________________________________________ 19 2.2.6 Prezenþní vrstva _______________________________________ 20 2.2.7 Aplikaþní vrstva _______________________________________ 20

2.3 Komunikace PLC po síti ethernet _____________________ 20

2.3.1 Nastavení Ethernetu ____________________________________ 20 2.3.2 Režimy komunikace ____________________________________ 20 2.3.3 Struktura protokolu EPSNET UDP ________________________ 21 2.3.4 Struktura záhlaví ______________________________________ 21 2.3.5 Obecná struktura protokolu EPSNET ______________________ 22

2.4 Statistické výpoþty __________________________________ 24

2.4.1 VýbČrový prĤmČr _____________________________________ 24 2.4.2 VýbČrová SmČrodatná odchylka __________________________ 24 2.4.3 Medián ______________________________________________ 25 2.4.4 Modus ______________________________________________ 25 2.4.5 Analýza rozptylu ______________________________________ 26

2.5 Testování hypotéz __________________________________ 27

2.5.1 Kritické body a hladina významnosti ______________________ 27 2.5.2 StudentĤv test _________________________________________ 27 2.5.3 F test ________________________________________________ 28

3 Metodika ______________________________________ 29 3.1 Nastudování podkladĤ ______________________________ 29

3.1.1 Studium komunikace ___________________________________ 29 3.1.2 Borland Delphi _______________________________________ 29 3.1.3 Programy pro zpracování dat ____________________________ 29 3.1.4 Statistické výpoþty ____________________________________ 30

3.2 Návrh metodiky sledování komunikace ________________ 30

3.2.1 VýbČr dotazu pro PLC _________________________________ 31 3.2.2 Programování ________________________________________ 31

4 Vlastní Ĝešení ___________________________________ 32 4.1 Program pro zpracování dat _________________________ 32

4.1.1 Instalace komponenty pro UDP komunikaci ________________ 32 4.1.2 ZprovoznČní komunikace ________________________________ 32 4.1.3 PĜizpĤsobení pro dlouhodobý bČh programu _________________ 33 4.1.4 Grafické rozhraní ______________________________________ 33

4.1.5

4.2 Zpracování dat ____________________________________ 35

4.2.1 RoztĜídČní dat ________________________________________ 35 4.2.2 Základní výpoþty ______________________________________ 35 4.2.3 Analýza rozptylu ______________________________________ 36 4.2.4 T-test _______________________________________________ 36

5 Výsledky _______________________________________ 37 5.1 Statistické vyhodnocení _____________________________ 37

5.1.1 Základní výpoþty ______________________________________ 37 5.1.2 Analýza rozptylu ______________________________________ 39 5.1.3 T-test _______________________________________________ 39

5.2 Získané znalosti ____________________________________ 40

ZávČr _____________________________________________ 42

Program pro sbČr dat _______________________________________ 42

Vyhodnocení dat ___________________________________________ 42

Citace ____________________________________________ 44

Seznam pĜíloh _____________________________________ 45

Slovník zkratek a termínĤ

-

-

Jde o malý poþítaþ používaný pro automatizaci procesĤ, jako je Ĝízení výrobních linek, nebo strojĤ.

-

-

-

-

-

-

Úvod Úþel práce

Zadání této práce vzešlo z myšlenky využitelnosti ethernetového rozhraní programovatelných automatĤ na KatedĜe Ĝídící techniky Fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií. Katedra využívá PLC automaty firmy Teco a.s.

disponujícími nČkolika rĤznými rozhraními pro komunikaci vþetnČ ethernetového.

Nabízí se tak možnost využití PLC pomocí internetové komunikace. Ta je však s PLC uskuteþĖována pomocí protokolu UDP, který není spojovanou (a tudíž spolehlivou) službou. Proto bylo rozhodnuto o využití bakaláĜské práce, s cílem ovČĜit spolehlivost této komunikace a jejím vyhodnocení pro pĜedstavu možností dalšího využití.

Požadavky na výsledek

Aplikace pro sledování komunikace

Cílem práce byl v první fázi návrh metodiky sledování spolehlivosti komunikace a vytvoĜení aplikace, která by byla schopná dlouhodobČ komunikovat s PLC. Aplikace mČla zaznamenávat dĤležité informace o kvalitČ spojení a mČla mít možnost fungovaní na pozadí tak, aby nerušila pĜi práci uživatele.

Statistické vyhodnocení

Ve druhé þásti, po získání potĜebných statistických dat, bylo úkolem data statisticky zpracovat. Po zpracování a potĜebných statistických výpoþtech by mČlo dojít na vyhodnocení spolehlivosti komunikace.

Metodický pĜístup

Nastudování podkladĤ

PĜed zapoþetím samotné práce si bylo potĜeba pĜipomenout znalosti hned z nČkolika pĜedmČtĤ a Ĝadu jich ještČ doplnit. Nejprve bylo nutné nastudovat samotný princip komunikace mezi PLC systémy a poté také zopakovat znalost internetové komunikace a jednotlivých protokolĤ. V tomto ohledu bylo studium snadnČjší díky absolvování pĜedmČtu Poþítaþové systémy, ve kterém jsem pochopil znaþnou þást problematiky internetové komunikace.

Po studiu komunikace pĜišlo na Ĝadu rozhodnutí v jakém programovacím jazyce vytvoĜím program obstarávající komunikaci s PLC a záznam statisticky dĤležitých údajĤ. Protože se programování pĜíliš nevČnuji, zvolil jsem programovací jazyk Delphi.

Tento je na TUL vyuþován a také hojnČ využíván. PĜesto, že jsem absolvoval hned nČkolik pĜedmČtĤ, ve kterých jsem s Delphi pĜišel do styku, bylo nutné si znaþnou þást programování osvČžit, pĜípadnČ ještČ douþit.

Po získání funkþního programu a souboru s daty logicky následovalo Ĝešení problému se zpČtným naþtením dat pro další práci. Rozhodoval jsem se mezi nČkolika možnými programy využitelnými pro statistické vyhodnocení dat. TČmito programy byly pĜedevším Microsoft Excel, Matlab, specializovaný statistický software (napĜ. Statistika), nebo tvorba vlastního programu opČt za pomocí Borland Delphi.

Nakonec se, i když s malými problémy, podaĜilo využít Microsoft Excel i jeho statistické funkce. V tomto ohledu jsem využil k doplnČní znalostí knihy PĜehled statistických metod zpracování dat [7], PĜehled užité matematiky II [5], Matematické a statistické výpoþty v Microsoft£ Excel [8] a skripta z TUL Matematika v Microsoft Excel [6]. Asi nejvíce mi ale pomohly, co se statistiky týþe, konzultace s panem Doc. RNDr. Miroslavem Kouckým, CSc. z Katedry aplikované matematiky Pedagogické fakulty TUL.

1 Cíle práce

1.1 Návrh metodiky získání statistických dat

Bylo potĜeba navrhnout metodiku sledování spolehlivosti komunikace mezi PLC a nadĜazeným systémem. Stanovit, které údaje je nutné zaznamenávat a jakým zpĤsobem s nimi zacházet. Tedy jakým zpĤsobem získat data o dobČ zpoždČní a spolehlivosti návratu odpovČdí na dotazy posílané PLC.

1.2 Aplikace pro sledování komunikace

1.2.1 Požadavky na program

Hlavním požadavkem bylo vytvoĜení programu schopného dlouhodobČ komunikovat s PLC, zaznamenávat data o rychlosti odezvy PLC na odesílané dotazy a ztracených paketech. Dále pak pĜípadná možnost skrytého bČhu na pozadí Microsoft Windows tak, aby nerušil uživatele pĜi práci.

1.2.2 Grafické rozhraní a výstup programu

Grafické rozhraní u tohoto programu, pokud nebude bČžet ve skryté formČ, by mČlo umožĖovat okamžitou kontrolu získávaných dat. Výstupem by mČl být datový soubor zvolený tak, aby bylo možné další zpracování dat namČĜených programem.

1.3 Statistické vyhodnocení dat

1.3.1 Zpracování získaných dat vhodným softwarem

Požadavky kladené na software pro zpracování nebyly z hlediska statistických výpoþtĤ nijak veliké. Základní statistické vyhodnocení byl schopný provést i tabulkový procesor z balíku Microsoft Office. SamozĜejmČ bylo možné použít specializovaný

v rámci této práce se zdál být Microsoft Excel dostaþujícím. ZároveĖ jsem s ním již pracoval, takže uživatelské rozhraní mi bylo známé a odpadla tak þást uþení se práce s jiným softwarem.

1.3.2 Urþení závislostí a statistické výpoþty

Cílem bylo stanovit a provést statistické výpoþty v potĜebném rozsahu. AĢ už stanovení prĤmČrné doby zpoždČní, smČrodatné odchylky a intervalu spolehlivosti, mediánu, modu, nebo zjistit, zda je statisticky významný rozdíl doby odezvy mezi odezvou na krátký a dlouhý dotaz.

1.3.3 Zhodnocení výsledkĤ

Zhodnocení výsledkĤ provedených výpoþtĤ z namČĜených dat bylo jedním z posledních cílĤ této práce. Bylo tĜeba zvážit možnosti využití ethernetového rozhraní pro reálné úlohy a aplikace. Spolehlivost komunikace je samozĜejmČ závislá na typu a rychlosti pĜipojení k internetu, v mém pĜípadČ se jednalo o kabelové pĜipojení s rychlostí 1024/400 kbps.

2 Teoretická þást

2.1 SíĢové protokoly

Komunikace mezi poþítaþi je vždy rozdČlena do nČkolika protokolĤ. Hlavním dĤvodem je komplikovanost komunikace, která pokrývá hned nČkolik profesí. ýasto bývá pĜirovnávána k rozhovoru dvou filozofĤ, kteĜí hovoĜí každý pouze svým jazykem.

Komunikují spolu, ale využívají každý svého pĜekladatele a teprve pĜekladatelé pĜenáší informace mezi sebou buć pĜímo hlasem, pokud jsou v jedné místnosti, nebo využitím napĜíklad telefonu, þi korespondence. Informace se tak pĜenáší ve tĜech vrstvách.

FilozofĤ, pĜekladatelĤ a samotného pĜenosu informace.

2.1.1 TCP(UDP)/IP

Jedná se o dnes používanou soustavu protokolĤ. Srovnání obou modelĤ, TCP/IP a referenþního modelu ISO OSI popisovaného dále, je názornČ rozkresleno na obrázku 2-1. TCP/IP neĜeší otázku linkové a fyzické vrstvy. Tyto jsou Ĝešeny jinými protokoly a jsou proto pouze naznaþeny.

Obr. 2-1: Rozdíl mezi ISO OSI a TCP/IP

2.1.2 Internet Protokol (IP)

Internet protokol by pĜi srovnání s ISO OSI odpovídal síĢové vrstvČ. Data jsou posílána v IP síti v tzv. datagramech. IP je nespolehlivou službou, oznaþovanou jako

„best effort“ (nejlepší úsilí). Každý stroj se snaží dopravit datagram co nejblíže cíli, ale bez jakýchkoliv záruk. Není zaruþeno zda, ani v jakém poĜadí, budou datagramy doruþeny. Každé zaĜízení v síti má svou jednoznaþnou IP adresu. Díky jednotné IP adrese mĤže kterékoliv zaĜízení komunikovat s ostatními.

2.1.3 Protokol TCP

Oproti protokolu IP se jedná o protokol vyšší vrstvy a dopravuje data mezi dvČma aplikacemi. Jedná se o spojovanou službu. Po dobu spojení je vytvoĜen plnČ duplexní okruh, ve kterém si obČ aplikace souþasnČ mohou posílat data. Pakety jsou þíslovány a opatĜeny kontrolním souþtem. Aplikace se tak nemusí zabývat tím, zda nebyla data ztracena, nebo poškozena cestou.

2.1.4 Protokol UDP

Tento protokol je další možností pro komunikaci dvou aplikací. Oproti TCP se však jedná o službu nespojovanou, a tak kontrolu dat musí provádČt samotné aplikace.

Protokol se tentokrát nestará o to, jestli byla data cestou poškozena, þi dokonce ztracena.

Protokol UDP má však i své velké výhody. Jedná se o velice jednoduchý a rychlý protokol, který je možné použít k rozesílání tzv. obČžníkĤ.

Struktura UDP datagramu je vidČt na obrázku 2-2. Záhlaví protokolu tvoĜí þísla portĤ zdrojového a cílového, délku dat a kontrolní souþet. Porty mají svou sadu þísel, takže nehrozí kolize s pakety TCP.

Obr. 2-2: Struktura UDP datagramu

UDP datagram obsahuje pole kontrolní souþet. Tento souþet však u UDP protokolu na rozdíl od TCP není povinný. V pĜípadČ, že je kontrolní souþet uskuteþĖován, musí mít zpráva vždy sudý poþet bajtĤ. V pĜípadČ lichého poþtu se tak provádí doplnČní na poþet sudý.

2.2 Referenþní model ISO OSI

Referenþní model ISO OSI vytvoĜil roku 1983 mezinárodní normalizaþní úĜad.

Cílem bylo vytvoĜení sady standardních komunikaþních protokolĤ nezávislých na výrobci. Ty mČly být jednoduché, dobĜe definované a nemČlo jich být mnoho.

Referenþní model ISO OSI má 7 vrstev.

2.2.1 Fyzická vrstva

Fyzická vrstva je nejnižší v hierarchii pĜenosu a má za úkol syrový pĜenos informací uložených v jednotlivých bitech. Jedná se o vlastní technické Ĝešení pĜenosu optickými, þi elektrickými signály a zaĜízení, která pĜenos vykonávají, obsluhují a Ĝídí.

2.2.2 Linková (spojová) vrstva

Linková vrstva zajišĢuje výmČnu dat mezi sousedními poþítaþi. Hlavním prvkem linkové vrstvy je datový rámec obsahující záhlaví, data a zápatí. Záhlaví nese informace o odesílateli, pĜíjemci datového rámce a další Ĝídící informace. V datové þásti je vČtšinou pĜenášen paket síĢové vrstvy. Zápatí pak obsahuje kontrolní souþet, s jehož pomocí je možné odhalit poškození dat.

2.2.3 SíĢová vrstva

Úkolem síĢové vrstvy je zabezpeþit pĜenos dat mezi vzdálenými poþítaþi. SíĢový paket má záhlaví a datovou þást a je zabalen v datovém rámci linkového protokolu.

Pokud je po cestČ nČjaký smČrovaþ, dojde na každém smČrovaþi k jeho rozbalení a opČtovnému zabalení do stejného, pĜípadnČ jiného linkového protokolu. SíĢovou vrstvu nezajímá, jaké linkové protokoly byly použity k pĜenosu datového rámce.

2.2.4 Transportní vrstva

PĜenos pĜes modemy, opakovaþe, smČrovaþe, þi mosty zaĜizuje linková vrstva.

Transportní vrstva spoléhá na to, že nižší vrstvy zaĜídí spojení mezi poþítaþi, a vČnuje se pouze spojení mezi aplikacemi na vzdálených poþítaþích.

Mezi dvČma poþítaþi mĤže být více transportních spojení souþasnČ. Záhlaví a datová þást transportního paketu jsou vloženy v datové þásti síĢového protokolu.

2.2.5 Relaþní vrstva

Jak uvádí [1]: „Relaþní vrstva zabezpeþuje výmČnu dat mezi aplikacemi.“

NapĜíklad obstarává korektní uzavírání souborĤ. Základní jednotkou je relaþní paket.

Ten se skládá opČt z relaþního záhlaví a dat. Celý se vkládá do datové þásti transportního paketu.

2.2.6 Prezenþní vrstva

Prezentaþní vrstva se zabývá významem dat. Tato vrstva má na starosti reprezentaci dat a jejich zabezpeþení. Zabezpeþení spoþívá v šifrování, digitálním podpisu, þi zabezpeþení integrit dat. Reprezentace mĤže být na rĤzných poþítaþích rĤzná. Musí se tedy napĜíklad urþit, zda je nejvyšší bit v bajtu vlevo, nebo vpravo.

2.2.7 Aplikaþní vrstva

Aplikaþní vrstva urþuje protokoly pro všeobecnČ používané služby, jako je elektronická pošta, nebo pĜenos souborĤ.

2.3 Komunikace PLC po síti ethernet

Programovatelné automaty firmy Teco a.s. Teco650 a Teco700 jsou vybaveny, mimo jiných rozhraní, také ethernetovým rozhraním 10baseT podle standardu IEEE 802.3. Toto jim umožĖuje komunikovat pĜes standardní sítČ LAN.

2.3.1 Nastavení ethernetu

Pro nastavení slouží vývojové prostĜedí firmy Teco a.s. Mosaic, pĜípadnČ lze nastavení provést pomocí tlaþítek na samotném automatu. Nastavují se standardní hodnoty, jako pro jakékoliv jiné síĢové prvky. Tedy IP adresa, maska podsítČ a výchozí brána pro komunikaci pĜes internet.

2.3.2 Režimy komunikace

PLC je schopné komunikovat pĜes ethernetové rozhraní pomocí EPSNET UDP protokolu ve dvou režimech. Jedním je režim PLC pro výmČnu dat s dalšími PLC automaty. Druhým režimem je režim PC, který je trvale aktivní a umožĖuje kromČ bČžné komunikace i programování PLC. Komunikovat lze až se þtyĜmi úþastníky.

Systémové služby však smí používat v daném okamžiku pouze jeden.

2.3.3 Struktura protokolu EPSNET UDP

Protokol EPSNET je založen na protokolu UDP. Na stranČ PLC jsou porty nastaveny podle žádaného režimu. Pro komunikaci v režimu PC je vyhrazeno þíslo portu 61682. ýíslo portu pro režim PLC se potom používá 61681.

Strukturu UDP paketu popisuje [2]: „Data v UDP paketu zasílaném do PLC zaþínají záhlavím délky 6 bytĤ a následuje vlastní zpráva, která má shodnou strukturu jako standardní protokol EPSNET. Navíc v jednom UDP paketu lze za jedním záhlavím poslat až 5 zpráv EPSNET a tím komunikaci zefektivnit (obrázek 2-3) . PLC pak tyto vícenásobné zprávy zpracovává v tom poĜadí, v jakém leží za sebou. OdpovČć od PLC má stejný formát. Za záhlavím délky 6 bytĤ následuje pĜíslušný poþet odpovČdí v protokolu EPSNET.“

Obr. 2-3: Struktura protokolu EPSNET UDP (zdroj [2])

2.3.4 Struktura záhlaví

Záhlaví každé zprávy EPSNET UDP tvoĜí 6 bytĤ s následujícím významem:

-

ýíslo relace slouží k identifikaci jednotlivých zpráv. Dotaz a odpovČć na nČj mají vždy stejné þíslo. Takže je možné rozlišit, která odpovČć patĜí ke které otázce.

-

Urþuje režim zpracování dat. Režim PC je oznaþen þíslem 2, režim PLC pak

Byte 4 obsahuje vyšší byte délky, byte 5 nižší byte délky. Do délky se zapoþítávají všechny zprávy EPSNET v daném UDP paketu bez záhlaví.

Ke struktuĜe paketu uvádí [2] také, že: „Celková délka dat v UDP paketu musí být povinnČ sudá. Pokud pĜi komunikaci vychází lichá délka dat, pak je nutno na konec dat pĜidat jeden nulový byte a zvýšit celkovou délku dat v UDP paketu. Uvedená úprava délky je potĜebná pouze pro vysílání UDP paketu, položka DPLEN v záhlaví se neupravuje (muže být i lichá).

2.3.5 Obecná struktura protokolu Epsnet

Obecnou strukturu je asi nejlépe citovat pĜímo z dokumentace [2] která uvádí:

„Komunikace ve smČru nadĜízená stanice -> podĜízená stanice (dotaz)

a) zpráva bez datového pole SD1 DA SA FC FCS ED b) zpráva s datovým polem

SD2 LE LER SD2R DA SA FC DATA... FCS ED

c) zpráva token - pĜedání Ĝízení sítČ (bez odpovČdi, odpovČdí je pĜevzetí Ĝízení) SD4 DA SA

Komunikace ve smČru podĜízená stanice -> nadĜízená stanice (odpovČć)

a) OdpovČć bez datového pole - krátké pozitivní potvrzení

SAC

- jiný typ potvrzení

SD1 DA SA FC FCS ED b) OdpovČć s datovým polem

SD2 LE LER SD2R DA SA FC DATA... FCS ED SD1 - úvodní znak 1

SD2 - úvodní znak 2 (start delimiter 2) - pevná hodnota $68

SD4 - úvodní znak 4 (start delimiter 4) - pevná hodnota $DC

LE - délka dat (length)

- poþet bytĤ položek DA+SA+FC+DATA, tj. 3 ... 249 LER - opakovaná délka dat (length repeat)

- stejná hodnota jako LE

SD2R - opakovaný úvodní znak 2 (start delimiter 2 repeat) - pevná hodnota $68

DA - cílová adresa (destination address)

- hodnota pro podĜízenou stanici 0 ... 126 (dotaz) - hodnota pro nadĜízenou stanici 0 ... 126 (odpovČć) SA - zdrojová adresa (source address)

- hodnota pro nadĜízenou stanici 0 ... 126 (dotaz) - hodnota pro podĜízenou stanici 0 ... 126 (odpovČć) FC - Ĝídící byte rámce (frame control byte)

- konkrétní hodnoty jsou uvedeny u jednotlivých zpráv (kap.11.7.) DATA - vlastní datové tČlo zprávy

- maximálnČ 246 bytu

FCS - kontrolní souþet (frame check sum)

- bytový souþet všech bytĤ položek DA, SA, FC a DATA se zanedbáním vyšších ĜádĤ vzniklých pĜenosem

pro SD1

¦

ED - koncový znak (end delimiter) - pevná hodnota $16

SAC - krátké potvrzení (short acknowledge) - pevná hodnota $E5“

2.4 Statistické výpoþty

2.4.1 VýbČrový prĤmČr

¦

=

=

n

i

xi

x n

1

1

Kde xi oznaþuje namČĜené údaje a n je jejich poþet.

Jak uvádí [3]: „Aritmetický prĤmČr je zĜejmČ nejþastČji používaný statistický pojem, který se objevuje i v bČžném lidském vyjadĜování. S tím ovšem souvisí i fakt, že je velice þasto využíván chybnČ, þi dokonce zámČrnČ zneužíván.

NejþastČjší chybou je aplikace aritmetického prĤmČru tam, kde je na místČ využít jinou statistiku. Jediná hodnota, která se velice odlišuje od ostatních, mĤže mít za následek, že aritmetický prĤmČr ukazuje zcela iluzorní údaje.“

2.4.2 VýbČrový rozptyl

Rozptyl spoþteme jako

( )

¦ ¦ ¦

= = = »»

¼ º

««

¬

ª ¸

¹

¨ ·

©

− §

= −

− −

=

n

i

n

i

n

i i i

i

x x

x n x n

n x s

1 1

2

1 2 2

2 1

1 1 1

1

2.4.3 SmČrodatná odchylka

2 x

x s

s = , kde sx2 oznaþuje rozptyl

Pokud chceme posoudit variabilitu, porovnáme smČrodatnou odchylku s hodnotou prĤmČru.

[ ]

⋅100

= x v_x s^x

2.4.3 Medián

Medián vyjadĜuje hodnotu, která dČlí Ĝadu seĜazených prvkĤ na dvČ poloviny.

Ze statistického hlediska je výhodou, že medián není ovlivnČný odlehlými hodnotami.

ýasto se proto používá pro šikmá rozdČlení, kde aritmetický prĤmČr pĜináší obvykle nevhodné výsledky.

Jak uvádí [3]: „V pĜípadČ rozdČlení pravdČpodobnosti je mediánem þíslo m, které splĖuje rovnost P(X ” m) • 0,5 a P(X • m) • 0,5. V pĜípadČ spojitého rozdČlení zadaného hustotou pravdČpodobnosti f pro medián platí:

³ ( )

∞

−

=

m

dx x

f 0,5

Medián mĤžeme interpretovat také jako odhad stĜední hodnoty. Tento odhad zároveĖ minimalizuje absolutní chybu. Pokud porovnáme medián s aritmetickým prĤmČrem, jejich rozdíl bude vždy menší nebo roven jedné smČrodatné odchylce.

2.4.4 Modus

Modus vyjadĜuje hodnotu s nejvČtší þetností v daném statistickém souboru.

VyjadĜuje jakousi typickou hodnotu pro daný soubor. Pro jeho urþení je nutné roztĜídit statistický soubor, podle vhodných hledisek tak, aby se dala urþit þetnost jednotlivých prvkĤ.

VeĜejná encyklopedie [3] k tomuto termínu mimo jiné uvádí: „Mezi aritmetickým prĤmČrem, mediánem a modem unimodálních rozdČlení þetností existují urþité vztahy, které charakterizují tvar rozdČlení þetností. U zcela symetrických jednovrcholových þetností platí vztah:

x x x= ~=

tj. aritmetický prĤmČr, medián a modus jsou si rovny. ýím bude rozdČlení þetností asymetriþtČjší, tím více se budou tyto tĜi stĜední hodnoty od sebe odlišovat.“

2.4.5 Analýza rozptylu

Analýza rozptylu slouží k urþení, zda rozdílné hodnoty urþitého statistického znaku mají významný vliv na rozdíl stĜedních hodnot. TĜídČní dle statistického znaku je pomČrnČ pĜirozené. V mém pĜípadČ šlo napĜíklad o roztĜídČní podle dne v týdnu, ve kterém byly hodnoty namČĜeny. Pokud se tĜídí podle jednoho tĜídícího znaku, jedná se o tĜídČní jednoduché. PĜi tĜídČní podle dvou znakĤ jde o dvojné tĜídČní, pĜi tĜech tĜídících znacích o trojné tĜídČní atd.

Myšlenka analýzy rozptylu je taková, že lze rozložit výbČrový rozptyl souboru dat na nČkolik složek. Složky odpovídají vlivu jednotlivých tĜídících znakĤ. Poslední složka je pak tzv. reziduální, odpovídající náhodnému kolísání. Rozklad na složky se vČtšinou zapisuje pomocí tabulky analýzy rozptylu.

Statistickými testy se provede porovnání jednotlivých složek s reziduální složkou, na dané hladinČ významnosti. Podle výsledkĤ testĤ se urþí, zda je daný tĜídící znak významný, þi nikoli.

Pokud dojde k potvrzení urþitého tĜídícího znaku jako významného na dané hladinČ významnosti, použije se metod mnohonásobného porovnání. Tyto metody umožĖují urþit skupiny daného tĜídČní, které se významnČ liší. Jednou z metod mnohonásobného porovnání je napĜ. Scheffého metoda.

2.5 Testování hypotéz

[5] uvádí: „Hypotézu, která Ĝíká, že pozorování mají totéž rozdČlení, pĜestože byla získána za odlišných podmínek, oznaþíme nulovou hypotézou. Zamítnutí nulové hypotézy je nezbytným pĜedpokladem k tomu, abychom mohli pĜikroþit k odhadu rozdílĤ (napĜ. RozdílĤ stĜedních hodnot), které jsou zpĤsobovány odlišnými podmínkami.

2.5.1 Kritické body a hladina významnosti.

Test hypotézy H0 na hladinČ významnosti Į provádíme pomocí urþité statistiky t a kritických bodĤ t ´Į a t ´´Į zvolených tak, že

1- Į = P0 { t ´Į ” t ” t ´´Į} (platí-li H0 )

Hypotézu H0 pokládáme za zamítnutou, platí-li buć t < t ´Į, nebo t ´´Į < t.

Rovnice (1) je zárukou, že H0 bude mylnČ zamítnuta pouze s pravdČpodobností Į.“

2.5.2 StudentĤv t-test:

Tímto testem popisujeme dle [5] zejména: „

a) rozdíl x−µ mezi výbČrovým prĤmČrem x a pĜedpokládanou stĜední hodnotou µ b) rozdíl x− mezi prĤmČry dvou spárovaných výbČrĤy

(

) (

)

c) rozdíl x− mezi prĤmČry dvou nezávislých výbČrĤy x ,...,₁ x_n a y ,...,₁ y_n

d) rozdíl b−β mezi výbČrovým regresivním koeficientem b a pĜedpokládanou hodnotou (základního, teoretického) regresního koeficientu β (pro hypotézu β=0 je tento test totožný s testem hypotézy, že korelaþní koeficient ρ =0).“

Vzorce pro výpoþet statistiky t a odpovídající poþty stupĖĤ volnosti:

Statistika t pro StudentĤv test významnosti rozdílu mezi prĤmČry dvou nezávislých

Interval spolehlivosti:

mn n s m

t y

x _c +

⋅

±

− _α

Odhad rozptylu:

( ) ( )

¼

« º

¬

ª − + −

− ⋅

= +

¦ ¦

= =

m

i

n

i i i

c x x y y

n s m

1 1

2 2 2

2 1

poþet stupĖĤ volnosti:

−2 + n m

2.5.3 F test

[5] k F-testu Ĝíká, že „…tímto testem posuzujeme mimo jiné rozdílnost

výbČrových prĤmČrĤ

¦

=

⋅

=

nj

i ij j

j x

x n

1

1 vztahujících se ke k >2nezávislým výbČrĤm

jnj

j x

x ,...,₁ , j=1,...,k. Vypoþteme statisticky

( ) ( )

( ) ¦¦ ( )

¦

= =

=

−

−

−

−

= k

j n

i

j ji k

j

j j

j

x x k

n x x k N F

1 1

2 1

2

1

,

¦

=

=

k

j

nj

N

1

,

¦¦

= =

=

k

j n

i ji

j

N x x

1 1

1

a získanou hodnotu považujeme za významnČ velkou na hladinČ α, jakmile F>F_α, kde F_α je kritický bod F-rozdČlení s k-1 a N-k stupni volnosti pro hladinu α.“

3 Metodika práce

3.1 Nastudování podkladĤ

3.1.1 Studium komunikace

Prvním krokem bylo samozĜejmČ nastudování samotné komunikace po internetu.

V tomto smČru jsem byl pomČrnČ dobĜe teoreticky vybaven z pĜedmČtu Poþítaþové systémy a tak jsem si pouze pĜipomnČl jednotlivé znalosti a doplnil je prostudováním knihy Velký prĤvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS [1].

Po prostudování pĜíruþky o komunikaci programovatelných automatĤ Tecomat jsem zjistil, že se pakety, které se používají pro ethernetovou komunikaci, vychází z UDP protokolu a používají takzvaný EPSNET UDP. Díky tomu bylo jeho studium jednodušší.

3.1.2 Borland Delphi

PonČkud problematickým prvkem hned ze zaþátku bylo programování v Borland Delphi. Jelikož absolvování pĜedmČtĤ, kde se Delphi vyuþovalo, už bylo jistou dobu pryþ, bylo nutné si pĜipomenout, jak že to vlastnČ všechno funguje. Navíc komponenta, která byla obsažena v Borland Delphi pro komunikaci, mi pĜišla nevhodná, a tak jsem se musel znovu nauþit nainstalovat komponentu staženou z internetu.

3.1.3 Programy pro zpracování dat

Ve tĜetí fázi studia jsem se zabýval možnostmi zpracování dat. Po prostudování možností jsem se rozhodl pro použití Microsoft Excel, který má pro mé úþely dostateþné množství funkcí pro zpracování dat. Také grafické výstupy jsou odtud

statistického programu vlastnČ ani svými základními výpoþty nevyužil. Volba tedy padla celkem rychle na Microsoft Excel, se kterým už jsem mČl jisté zkušenosti.

3.1.4 Statistické výpoþty

Zde jsem se soustĜedil na studium výpoþtĤ základních parametrĤ mČĜení jako jsou aritmetický prĤmČr a smČrodatná odchylka, medián a modus. a dále pak statistické výpoþty, pĜedevším analýzu rozptylu, F-test a StudentĤv t-test, který jsem využil pro porovnání výsledkĤ odpovČdí na kratší a delší zprávy. Statistické výpoþty jsem studoval z publikace pana Prof. RNDr. Karla Rektoryse DrSc. PĜehled užité matematiky II [5], dále pak z otevĜené encyklopedie Wikipedie [3] a knihy Jana Hendla, PĜehled statistických metod zpracování dat [7].

V Microsoft Excel jsem pak studoval pĜedevším v nČm obsažené funkce pro statistické výpoþty. Zde mi zdrojem informací byly dvČ knihy, Matematické a statistické výpoþty v Microsoft® Excel [8] a skripta Matematika v Excelu [6].

3.2 Návrh metodiky sledování komunikace

Metodika získání statistických dat mČla vypadat následovnČ. Program odešle UDP paket obsahující zprávu v EPSNET podĜízené stanici. V tuto chvíli se zaþne mČĜit þas a zároveĖ se zaznamená datum a þas, ve který byl paket odeslán. PodĜízená stanice odpoví na dotaz a odpovČć pošle pomocí UDP paketu zpČt stanici, která dotaz odeslala.

Po pĜijetí odpovČdi aplikace zastaví þasovaþ. Do textového souboru zaznamená þas odeslání, zpoždČní a odpovČć PLC automatu pro pĜípadnou kontrolu þíslování paketĤ.

Pokud paket nedorazí do 4 sekund, potom je prohlášen za ztracený a þas odeslání je uložen do souboru zaznamenávajícího ztráty. ýas zpoždČní zpráv je mČĜen pomocí API funkcí, které umožĖují o nČkolik ĜádĤ pĜesnČjší mČĜení þasu než þasovaþ Borland Delphi.

3.2.1 VýbČr dotazu pro PLC

Dotazy jsem nakonec vybral dva. Tyto se odesílaly stĜídavČ vždy po 5

První dotaz je nejkratší možný. Jedná se o zprávu navázání komunikace s inicializací komunikaþních struktur. Druhý dotaz jsem vybral s delší odpovČdí. Jedná se o dotaz identifikace systému zjišĢující informace o typu pĜipojeného systému. Oba dotazy jsem zámČrnČ volil tak, aby nenarušily ostatní þinnost PLC automatu. Jednalo se tak pouze o þtení, nikoliv zápis dat.

3.2.2 Programování

Programování jsem se snažil rozvrhnout do menších funkþních þástí, které lze postupnČ vždy odzkoušet. Chyb v programu tak bylo ménČ a jeho ladČní bylo mnohem jednodušší, než napsat celý program a pak ho odlaćovat. Ovšem vzhledem k tomu, že se pĜíliš nevČnuji programování, docházelo pomČrnČ þasto k dlouhému hledání chyb i ve velice krátkých úsecích kódu. NehledČ na obþasné použití naprosto nevhodné funkce, nebo typu promČnné a z toho plynoucích potíží. NaštČstí se vždy nakonec podaĜilo najít funkci vhodnou a pĜedevším funkþní.

4. Vlastní Ĝešení

4.1 Program pro zpracování dat

4.1.1 Instalace komponenty pro UDP komunikaci

Komponentou pro UDP komunikaci obsaženou pĜímo v Borland Delphi se mi nepodaĜilo komunikaci zprovoznit. Z internetu jsem proto stáhnul balík obsahující vhodnČjší komponentu. Tato komponenta mČla možnost všech nastavení, které jsem potĜeboval a komunikace s ní fungovala bez problémĤ. Stažený balík komponent je nahrán na CD-ROM pĜiložený k této práci. Ovšem nainstalovat komponentu do Borland Delphi tak, aby fungovala i pĜi pĜíštím zapnutí, se ukázalo jako ne zcela jednoduchý úkol. Nakonec se to podaĜilo a mohl jsem zaþít v sestavování zprávy pro PLC.

4.1.2 ZprovoznČní komunikace

U zprovoznČní komunikace jsem zaþal nejprve se základní zprávou. Ta slouží k zahájení komunikace spojené s inicializací komunikaþních struktur. Komunikaci se mi ale z poþátku nedaĜilo navázat. PĜi pokusu z poþítaþe pana ing. Miloše Hernycha ovšem tento program fungoval… Ani po nČkolika dalších konzultacích s panem ing. Milošem Hernychem se stále nedaĜilo navázat komunikaci odjinud než z jeho PC. Bohužel se tento problém táhnul až skoro do prosince 2006.

ProblémĤ, které zpĤsobily nemožnost komunikace, bylo totiž hned nČkolik.

Došlo k pĜeadresování IP adres v budovČ A, pĜi kterém byly všechny IP adresy pĜiĜazené k PLC automatĤm zablokovány pro vnČjší pĜístup z dĤvodu vČtší bezpeþnosti.

Ale ani poté, co správce sítČ všem IP adresám PLC automatĤ vnČjší pĜístup povolil, nefungovala komunikace z vnČjší sítČ. Na vinČ, jak se pozdČji ukázalo, byla chybnČ nastavená vnČjší brána PLC automatĤ. PĜi opravČ dokonce pan ing. Miloš Hernych zjistil, že mČla PLC prohozené IP adresy. To sice není z pohledu vnČjší komunikace závažná chyba, nicménČ tak mohlo docházet ke znaþným omylĤm pĜi vizuální kontrole

umístČní PLC, se kterým se komunikuje. Po správném nastavení jsem tedy koneþnČ mohl testovat komunikaþní program z domova a práce pokraþovala lépe.

PĜi pozitivní odezvČ na odeslaný dotaz jsem vytvoĜil þítaþ zpráv a podle hodnoty sudá, lichá se rozhodl odesílat dotaz s kratší a delší odpovČdí tak, abych mohl sledovat pĜípadné rozdíly ve zpoždČní. Zprávy, které jsem chtČl odesílat, nesmČly být destruktivní, aby nenarušily pĜípadný bČh jiných programĤ. Proto jsem se rozhodl pro dvojici zpráv, kde jedna pouze inicializuje PLC a druhá žádá výpis identifikace systému.

PĜi tvorbČ þítaþe zpráv byly drobné potíže s pĜevedením þísla zprávy do hexadecimální podoby, protože þíslo ve zprávČ tvoĜí horní a dolní dvojice hexadecimálních þísel, mezi kterými musí být mezera. Tato mezera byla pĜesnČ ten problematický prvek. Našel jsem totiž nejprve pouze funkci na pĜevod þísla na hexadecimální, nicménČ tato funkce pĜevede þíslo na hexadecimální, ale vytvoĜení mezery se ukázalo pĜi použití této funkce nemožným. Nakonec se þíslování zpráv podaĜilo s využití funkcí Chr, Hi a Lo.

4.1.3 PĜizpĤsobení pro dlouhodobý bČh programu

Z dĤvodu možného pĜeteþení þítaþe zpráv bylo nutné program doplnit o vynulování þítaþe. ýíslo zprávy je sestaveno z dolního a horního bytu, tedy v hexadecimálním zápise maximální þíslo tvoĜí byty FFFF. Pokud by nedošlo k vynulování, þítaþ by se „zasekl“ na tomto þísle a nebylo by poté možné rozlišit, ke které zprávČ patĜí odpovČć.

4.1.4 Grafické rozhraní

Program jsem vytvoĜil ve dvou verzích. První byla s grafickým rozhraním viz. obr. 4-1. Druhá verze potom byla vytvoĜena pro bČh na pozadí, pokud by program

Obr. 4-1: Grafické rozhraní programu pro sbČr dat

5.2.4 Výstup z programu

Po úspČšném zprovoznČní komunikace následovala otázka, jaká data je vlastnČ potĜeba zaznamenávat a jaký zpĤsob zvolit. Jako data pro zaznamenání jsem volil datum a þas odeslání zprávy, hodnotu zpoždČní a pro pĜípadnou kontrolu jsem zaznamenával i pĜijatou odpovČć. OdpovČć sice nebylo nutné zaznamenávat, ale alespoĖ díky ní bylo viditelné þíslování zpráv.

PĜi volbČ, jakým zpĤsobem dané informace uchovávat, jsem zvolil prosté ukládání do textového souboru. Hodnoty patĜící k sobČ vždy do jednoho Ĝádku a oddČlené stĜedníkem. Jednak mi tento zpĤsob pĜišel nejjednodušší a mČl i znaþné výhody oproti, napĜíklad, uchovávání dat v databázi, kterou je nutné mít pro správnou funkci programu nainstalovanou. To by znamenalo nemožnost spuštČní programu pro sledování na PC bez této nainstalované databáze. Textový soubor byl vhodný také proto, že importovat data z textového souboru umí snad všechny uvažované programy.

V dobČ psaní programu jsem ještČ nebyl rozhodnut, jakým softwarem data budu zpracovávat. Pomýšlel jsem pĜípadnČ i na Matlab, þi statistický software.

4.2 Zpracování dat

4.2.1 RoztĜídČní dat

Má první pĜedstava využít pro vyhodnocení dat Microsoft Excel se zkomplikovala po zjištČní, že Excel je schopný pracovat pouze s 65536 Ĝádky a mĤj soubor s daty jich mČl mnohem více. Tak jsem uvažoval o vytvoĜení vlastního programu pro statistické zpracování a zaþal na nČm pracovat. Nakonec po konzultaci s panem Doc. RNDr. Miroslavem Kouckým CSc. a myšlence rozdČlit data po dnech se podaĜilo pĜeci jen využít Microsoft Excel a tím si práci do znaþné míry zjednodušit, protože programování všech statistických funkcí v Borland Delphi by bylo mnohem nároþnČjší. Nedokonþený program pro zpracování jsem tak využil alespoĖ pro roztĜídČní datového souboru do nČkolika podle dne v týdnu, aby se daly jednotlivé soubory importovat do Microsoft Excel. Jednotlivé datové soubory se musely importovat na jednotlivé listy. Díky tomu byla data mnohem pĜehlednČji uspoĜádána a vzorce pro výpoþty staþilo vČtšinou mezi listy jen nakopírovat.

4.2.2 Základní výpoþty

Nejprve jsem provedl základní statistické výpoþty jako jsou aritmetický prĤmČr se smČrodatnou odchylkou. Avšak aritmetický prĤmČr a pĜedevším smČrodatná odchylka jsou zkresleny odlehlými hodnotami. Proto jsem využil i výpoþtu mediánu, který dČlí množinu na dvČ stejnČ poþetné. PĜiblíží se tak více reálným hodnotám zpoždČní.

Jako další jsem provedl zaokrouhlení zpoždČní na celá þísla tak, abych mohl lépe vyhodnocovat þetnosti a urþit modus. Modus vyjadĜuje hodnotu s nejþetnČjším výskytem. V tomto pĜípadČ oznaþuje vrchol þetnostní kĜivky.

KĜivka þetností zpoždČní by podle knihy Jana Hendla, PĜehled statistických metod zpracování dat [7], mČla mít log-normální rozdČlení v mém pĜípadČ posunuté

4.2.3 Analýza rozptylu

Provedl jsem jednofaktorovou analýzu rozptylu dat. PĜi analýze rozptylu musejí být splnČny pĜedpoklady uvedené v teoretické þásti. PĜedpoklad normálního rozdČlení nebyl zcela splnČn a ani stejná velikost smČrodatných odchylek není dodržena. NicménČ tyto drobné odchylky díky množství dat neovlivní nijak nepĜípustnČ výsledek analýzy.

Testoval jsem hypotézu H0, že stĜední doba odezvy se v jednotlivých dnech v týdnu neliší, proti hypotéze H1, že se alespoĖ ve dvou dnech liší.

4.2.4 T-test

T-test rozdílu prĤmČrných dob odezvy mezi krátkými a dlouhými zprávami v jednotlivých dnech týdne mČl odhalit pĜípadné rozdíly mezi zpoždČním odpovČdí pro rozdílné délky zpráv. Výpoþty byly provádČny pro hladinu spolehlivosti p=0,05.

Na základČ testĤ shody rozptylĤ jsem urþil pĜíslušný dvouvýbČrový t-test. Po zamítnutí shody rozptylĤ na hladinČ p=0,05 jsem vybral test stĜedních hodnot pĜi rĤzných rozptylech.

5 Výsledky

5.1 Statistické vyhodnocení

Ztrátovost zpráv je rovna 0,25 procentĤm ze všech odeslaných zpráv. Za ztracené byly považovány pakety, které nepĜišly do 4 sekund od odeslání dotazu.

5.1.1 Základní výpoþty

Výsledky základních výpoþtĤ statistického vyhodnocení jsou shrnuty v tabulkách 5-1 a 5-2 a grafech 5-1 a 5-2.

Tab. 5-1: PĜehled výsledkĤ výpoþtĤ pro krátké zprávy

PĜehled výsledkĤ výpoþtĤ pro kratší zprávy

poþet dat aritmetický prĤmČr [ms]

smČrodatná odchylka [ms]

interval spolehlivosti

p=0,05 medián [ms] modus [ms]

pondČlí 33377 52,13 83,49 0,8957 26,95 23

úterý 35518 73,77 274,77 2,8575 24,38 22

stĜeda 30125 45,89 138,74 1,5667 24,36 22

þtvrtek 22186 36,84 60,05 0,7902 25,20 23

pátek 31180 44,03 98,02 1,0880 24,85 23

sobota 36726 48,73 116,00 1,1864 24,31 22

nedČle 29110 55,59 144,37 1,6585 25,23 23

celkový 218222 51,97 151,37 0,6351 24,92 23

Tab. 5-2: PĜehled výsledkĤ výpoþtĤ pro dlouhé zprávy

PĜehled výsledkĤ výpoþtĤ pro delší zprávy

poþet dat aritmetický

prĤmČr [ms] smČrodatná odchylka [ms]

interval spolehlivosti

p=0,05

medián

[ms] modus [ms]

pondČlí 32268 52,41 78,20 0,8533 27,09 21

úterý 38520 81,78 270,75 2,7038 24,65 22

stĜeda 33379 43,20 131,32 1,4088 23,78 22

Porovnání základních výpoþtĤ

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00

pondČlí úterý stĜeda þtvrtek pátek sobota nedČle

den v týdnu

þasový údaj [ms]

aritmetický prĤmČr Medián Modus

Graf 5-1: Porovnání základních výsledkĤ pro krátké zprávy

Porovnání základních výpoþtĤ

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00

pondČlí úterý stĜeda þtvrtek pátek sobota nedČle

den v týdnu

þasový údaj[ms]

aritmetický prĤmČr Medián Modus

Graf 5-2: Porovnání základních výsledkĤ pro krátké zprávy

Z grafĤ je dobĜe patrný vliv odlehlých hodnot na stĜední hodnotu zpoždČní oproti mediánu. Na grafech je také vidČt, že vČtšina všech hodnot zpoždČní se pohybuje pod 30 ms.

5.1.2 Analýza rozptylu

Shodu stĜedních hodnot zamítneme na hladinČ p, jestliže testová statistika je vČtší nebo rovna F1-p(6, 218215) pro krátké zprávy a F1-p(6, 217532) pro dlouhé zprávy.

Analýza je shrnuta v tabulkách 5-3 a 5-4. Hodnoty kvantilĤ jsou pro p=0,10 F=1,774, pro p=0,05 je F=2,098 a hodnota kvantilu pro p=0,01 odpovídá F=2,802.

Tab. 5-3: Tabulka analýzy rozptylu krátkých zpráv

Suma þtvercĤ St. volnosti Podíl Test. Statistika

Znak 25 799 252,6 6 4 299 875,43 188,62

Reziduum 4 974 607 491,6 218215 22 796,82 - - -

Celkem 5 000 406 744,1 218221 - - - - - -

Tab. 5-4: Tabulka analýzy rozptylu dlouhých zpráv

Suma þtvercĤ St. volnosti Podíl Test. Statistika

Znak 50 042 737,5 6 8 340 456,25 368,18

Reziduum 4 927 753 359,9 217532 22 653,00 - - -

Celkem 4 977 796 097,4 217538 - - - - - -

Na základČ výsledkĤ analýzy rozptylu tedy mĤžeme hypotézu o tom, že stĜední doba odezvy se u krátkých zpráv v jednotlivých dnech týdne neliší zamítnout na hladinách p=0,01, p=0,05 a p=0,10. Tato analýza nám ale neĜíká nic o tom, ve kterých dnech se stĜední doba liší. K tomu slouží metody pro mnohonásobné porovnání. Já jsem použil Scheffého metodu popsanou v [5]. Doby zpoždČní se mezi jednotlivými dny liší, až na nČkolik vyjímek. Výsledné tabulky s vyznaþenými hodnotami, ve kterých se neliší jsou pĜiloženy jako pĜíloha 15.

5.1.3 T-test

Dle výsledkĤ T-testu rozdílu prĤmČrných dob odezvy mezi krátkými a dlouhými zprávami v jednotlivých dnech týdne na hladinČ spolehlivosti p=0,05 mĤžeme

Tab. 5-5: Vyhodnocení testĤ shody rozptylĤ a stĜedních hodnot odezvy

Hodnota testové statistiky

shody

rozptylĤ Hodnoty kvantilĤ

Hypotézu o shodČ rozptylĤ na

hladinČ p=0,05

Hodnota testové statistiky stĜedních hodnot

Hodnota kvantilu

Hypotézu o shodČ doby odezvy na krátké a dlouhé

zprávy pondČlí 1,1398 0,978 1,022 zamítneme 0,4455 1,9600 nezamítneme úterý 1,0299 0,978 1,022 zamítneme 3,9927 1,9600 zamítneme stĜeda 1,1162 0,978 1,022 zamítneme 2,5069 1,9600 zamítneme þtvrtek 1,9852 0,978 1,022 zamítneme 4,6704 1,9600 zamítneme pátek 0,9709 0,978 1,022 zamítneme 0,2043 1,9600 nezamítneme sobota 1,1532 0,978 1,022 zamítneme 2,5142 1,9600 zamítneme nedČle 0,7988 0,978 1,022 zamítneme 5,0667 1,9600 zamítneme

Na hladinČ p=0,05 nezamítneme hypotézu o shodČ prĤmČrné doby odezvy pouze pro pondČlí a pátek. Dá se tak usuzovat, že délky prĤmČrných dob odezvy se liší v závislosti na délce zprávy na dané hladinČ. PĜi pouhém pohledu na prĤmČrné doby odezvy je však patrné, že napĜ. ve stĜedu je paradoxnČ prĤmČrná doba odezvy delší pro krátké zprávy. CelkovČ se tedy dá Ĝíct, že délka zprávy v mém pĜípadČ neovlivnila prĤmČrnou dobu odezvy. Což je patrné i pĜi srovnání modĤ jednotlivých dnĤ, kdy se pro všechny dny pohybují okolo 23 ms.

5.2 Získané znalosti

5.2.1 Komunikace PLC Tecomat po Ethernetu

V tomto ohledu jsem díky studování dokumentace a tvorbČ programu využívajícího komunikaci s PLC po internetu získal zcela nové a rozšíĜil stávající poznatky o komunikaci samotných PLC. Také jsem si osvČžil obecné principy komunikace v síti ethernet. Již dosažené teoretické znalosti komunikace pomocí UDP protokolu dostaly reálné využití. PĜi snaze vytvoĜit funkþní paket jsem si uvČdomil nČkteré podstatné souvislosti, které mi pĜedtím unikaly.

5.2.2 Programování v Delphi

Tvorba programu pro komunikaci byla pro mne opravdu pĜínosná. OpČt jsem se

a možnostech. Program splnil požadavky na nČj kladené, zejména možnost dlouhodobého bČhu. Možná vylepšení by samozĜejmČ byla možná. Program napĜíklad nerozpozná výpadek pĜipojení, a tak je potĜeba pĜípadné informace zaznamenané o ztrátČ paketĤ pĜi výpadku ruþnČ odstranit. Pokud je nechceme zahrnout do celkového poþtu ztracených dat.

5.2.3 Statistické výpoþty a hodnocení

Díky této práci jsem získal lepší pĜehled o možnostech a principech statistického zpracování dat. JistČ je budu mít možnost dále zlepšovat a využívat. Statistické vyhodnocení je v rĤzných mírách souþástí takĜka všech výzkumných a vČdeckých prací.

ZávČr

Program pro sbČr dat

Program dle mého názoru splĖuje požadavky kladené na nČj zadáním. Tedy odesílá dotazy PLC automatu pomocí ethernetového rozhraní. Zaznamenává údaje o ztracených paketech, tedy pĜesnČji paketech, které nedorazily do 4 sekund. U zbylých pak zaznamenává þas zpoždČní.

Program je schopen bČžet dlouhodobČ. AĢ už jako klasická aplikace v oknČ s kontrolním výpisem dat, nebo jako verze, která bČží na pozadí Windows a neruší tak uživatele.

Nasbíraná data

Nasbíraná data jsou uložena v textových souborech rozlišených dle odesílaných dotazĤ. Formát uložení umožĖuje pomČrnČ snadný import do vČtšiny programĤ, které pĜipadají v úvahu pro další zpracování.

Data jsem následnČ roztĜídil ještČ podle dní v týdnu pro lepší možnost dalšího zpracování. Všechna nasbíraná data jsou uložena nejen v pĤvodních textových souborech, ale také v Microsoft Excel. Souþástí tČchto souborĤ jsou i grafy znázorĖující zpoždČní v prĤbČhu þasu a þetnosti jednotlivých zpoždČní.

Vyhodnocení dat

Myslím si, že všechny nejdĤležitČjší aspekty pro vyhodnocení spolehlivosti komunikace jsem vzal v potaz. Vyhodnocení ukázalo, že ethernetové rozhraní a komunikace pĜes internet jsou spolehlivČ využitelné pro aplikace, kterým postaþuje prĤmČrná doba odezvy zhruba 50 ms. Více než polovina hodnot zpoždČní se pohybovala pod 30 ms. U každé aplikace je tĜeba zvlášĢ zvážit možnosti využití internetu, aĢ už pro vizualizaci, nebo vzdálené Ĝízení. Z dĤvodu komunikace UDP

protokolem je nutné softwarovČ ošetĜit pĜípadné ztráty paketĤ a zabezpeþit tak spolehlivost komunikace.

Citace

[1] DOSTÁLEK Libor, KABELOVÁ Alena. Velký prĤvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS. Praha: Computer press, 1999. ISBN 80-7226-193-2

[2] TECO A.S. Sériová komunikace programovatelných automatĤ Tecomat – model 32 bitĤ. 5.vydání, Leden 2005 CD-ROM: txv00403.pdf

[3] WIKIPEDIE OtevĜená encyklopedie.

http://cs.wikipedia.org

[4] ZVÁROVÁ Jana. Základy statistiky pro biomedicínské obory. Poslední aktualizace 5.ledna 1999

http://new.euromise.org/czech/tajne/ucebnice/html/html/statist.html

[5] REKTORYS Karel a spolupracovníci. PĜehled užité matematiky II. 5.

nezmČnČné vydání Praha: SNTL 1988. Typové þíslo L11-E1-11-84/12092

[6] KOUCKÝ Miroslav a MAýÁK Karel. Matematika v Excelu.

Liberec: TU v Liberci 2003. ISBN: 80-7083-747-0

[7] HENDL Jan. PĜehled statistických metod zpracování dat.

Praha: Portál 2004. ISBN: 80-7367-123-9

[8] ŠġASTNÝ ZdenČk. Matematické a statistické výpoþty v Microsoft® Excel.

Brno: Computer Press 1999, ISBN 80-7226-141-X

Seznam pĜíloh

PĜíloha 1 – ýasový prĤbČh - pondČlky (krátká odp.) PĜíloha 2 – ýasový prĤbČh - úterky (krátká odp.) PĜíloha 3 – ýasový prĤbČh - stĜedy (krátká odp.) PĜíloha 4 – ýasový prĤbČh - þtvrtky (krátká odp.) PĜíloha 5 – ýasový prĤbČh - pátky (krátká odp.) PĜíloha 6 – ýasový prĤbČh - soboty (krátká odp.) PĜíloha 7 – ýasový prĤbČh - nedČle (krátká odp.) PĜíloha 8 – ýasový prĤbČh - pondČlky (dlouhá odp.) PĜíloha 9 – ýasový prĤbČh - úterky (dlouhá odp.) PĜíloha 10 – ýasový prĤbČh - stĜedy (dlouhá odp.) PĜíloha 11 – ýasový prĤbČh - þtvrtky (dlouhá odp.) PĜíloha 12 – ýasový prĤbČh - pátky (dlouhá odp.) PĜíloha 13 – ýasový prĤbČh - soboty (dlouhá odp.) PĜíloha 14 – ýasový prĤbČh - nedČle (dlouhá odp.)

PĜíloha 15 – Tabulky mnohonásobného porovnání doby odezvy Scheffého metodou PĜíloha 16 – ýetnostní kĜivka pro krátké odpovČdi

PĜíloha 17 – ýetnostní kĜivka pro dlouhé odpovČdi PĜíloha 18 – CD-ROM

ýasový prĤbČh - pondČlky (krátká odp.)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

zpoždČní [ms]