Go TwinCAT: События под максимальной нагрузкой

Насколько сильно нагружают процессор ПЛК асинхронные функции TwinCAT.ADS API? Стоит ли пользоваться подпиской на переменные ПЛК-задачи и сидеть в ожидании уведомлений об изменившихся данных или сразу написать polling-велосипед? Я уже измерял скорость передачи данных через ADS.API под .NET, теперь посмотрим как нагружают систему самые тяжелый асинхронные функции событийной модели.

TcAdsClient client = new TcAdsClient();
client.Connect("5.24.134.118.1.1", 801);

Имя для области памяти

Стоит сразу уточнить, что событийная модель асинхронных функций ADS API работает не с переменными, а с областями памяти, которые получая имя, становятся переменными. Благодаря этому нюансу можно подписаться на изменения не только всей переменной, но и на изменения в части переменной (например, отслеживать изменения только в старшем байте переменной типа WORD).

Расчленение переменных возможно только до уровня байта, так как внутри идет побайтовое обращение к памяти.

Чтобы убедится в вышеизложенном — возьмем переменную и подпишемся на ее часть:

PROGRAM MAIN
VAR
    a : WORD;
END_VAR

[...]

a := a + 1;
a := a AND 16#00FF; (* А *)

Наращиваем переменную MAIN.а типа WORD каждый цикл на единицу, а старшую часть обнуляем (* А *) чтобы она оставалась неизменной. Для начала подпишемся на всю переменную целиком и убедимся, что система работает.

Адрес переменной

На переменную можно подписаться через ее имя, а можно через адрес в памяти (индекс группы + смещение). И прежде, чем начинать подписываться, я хочу выяснить как мне узнать адрес переменной или хотя бы, где вообще лежат переменные ПЛК-задачи. Для этого воспользуемся функцией ReadSymbolInfo:

ITcAdsSymbol info = client.ReadSymbolInfo("MAIN.a");
Console.WriteLine($"Group:Offset = {info.IndexGroup}:{info.IndexOffset}");

Как результат получим адрес Group : Offset = 16448 : 0. В моем тестовом примере переменная в программе одна единственная, поэтому она расположена в начале области памяти, и поэтому ее смещение равно нулю.

В статье справочной системы "Index-Group/Offset" Specification of the PLC services можно найти упоминание, что память ПЛК-задачи начинается с адреса 0x00004040 = 16448.

Теперь, обращаясь через байтовые смещения, мы можем адресовать только часть переменной. Заменим имя этой переменной на адрес области памяти — Group: 0x4040, Offset: 0, длина 16 разрядов (тип ushort или WORD):

client.AdsNotificationEx += Client_AdsNotificationEx;
client.AddDeviceNotificationEx(0x4040, 0, AdsTransMode.OnChange, 0, 0, null, typeof(ushort));

[...]

private void Client_AdsNotificationEx(object sender, AdsNotificationExEventArgs e)
{
    Log(e.Value);
}

Система работает — как и было задумано: уведомления приходят в метод Client_AdsNotificationEx, значение переменной доступно через поле e.Value.

Часть вторая

Подпишемся теперь на младший байт переменной MAIN.a, то есть на ту половину переменной, которая увеличивается каждый цикл. Для этого мы изменим тип данных с ushort (16-разрядов — эквивалент WORD) на byte (8 разрядов):

client.AddDeviceNotificationEx(0x4040, 0, AdsTransMode.OnChange, 0, 0, null, typeof(byte));

Уведомления по прежнему приходят.

Теперь подпишемся на старшую половину переменной. Для этого достаточно увеличить смещение (Offset) на единицу, то есть перейти на один байт дальше:

client.AddDeviceNotificationEx(0x4040, 1, AdsTransMode.OnChange, 0, 0, null, typeof(byte));

Старший байт переменной искусственно обнуляется каждый цикл (* А *), поэтому старшая часть переменной остается неизменной. И всё — сообщения больше не приходят, кроме самого первого после подписки.

Так было задумано разработчиками — всегда приходит первое сообщение. До подписки мы не знали значение переменной, поэтому для нас оно было неопределенным. После подписки неизвестное значение сразу же может стать известным, поэтому система отправляет нам первое (и возможно единственное) сообщение о текущем значении переменной.

Теперь, когда мы знаем, что можно подписаться только на часть переменной, воспользуемся этим знанием и объявим большой массив. В дальнейшем, будем подписываться на его части, увеличивая количество частей с каждым разом все больше и больше. Параллельно будем отслеживать нагрузку процессора.

Подписываемся и замеряем

В качестве испытуемого возьмем CX9020. Начнем проверку с TwinCAT 2, а чуть позже сравним с третьей версией. Сейчас же идея такая: подписываемся на пару сотен переменных, а затем смотрим через System Manager нагрузку на процессор. Пишем код:

PROGRAM MAIN
VAR
    Arrgh : ARRAY [1..10000] OF WORD;
    i     : INT;
END_VAR

[...]

FOR i := 1 TO 1000 DO
    Arrgh[i] := Arrgh[i] + 1;
END_FOR

Подписываемся:

for (int i = 0; i < 200; i++)
    client.AddDeviceNotificationEx(0x4040, i * 2, AdsTransMode.OnChange, 0, 0, null, typeof(ushort));

Замеряем:

Очень много для программы, которая практически ничего не делает. Давайте попробуем приблизиться к заявленному пределу в 550 переменных (Асинхронные функции TwinCAT.Ads API):

Здесь 500 переменных. Результат ужасный.

Полл Шред

Не будем подписываться, будем опрашивать вручную.

[...]

Прошел час. Пропустим несколько итераций эксперимента и сразу рассмотрим опрос 10 000 переменных. Для этого нам просто необходим отдельный поток:

CancellationTokenSource cancelTokenSource;

private void StartButton_Click(object sender, EventArgs e)
{
    cancelTokenSource = new CancellationTokenSource();
    SynchronizationContext uiContext = SynchronizationContext.Current;
    Thread pollThread = new Thread(() => PollThread(cancelTokenSource.Token, uiContext));
    pollThread.Start();

[...]

private void PollThread(CancellationToken token, object uiContext)
{
    using (var client = new TcAdsClient())
    {
        client.Connect("5.24.134.118.1.1", 801);

        while (!token.IsCancellationRequested)
        {
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                if (token.IsCancellationRequested)
                    goto EndOfThread;

                ushort a = (ushort)client.ReadAny(0x4040, i * 2, typeof(ushort));
            }

            Thread.Sleep(0);
        }

        EndOfThread:;
    }
}

Старт. Результат:

Это был регулярный опрос 10 000 переменных за раз. Если понравилось — давайте попробуем регулярно считывать целиком весь массив. Для этого заменим цикл for на чтение массива целиком:

ushort[] buf = new ushort[10000];
buf = (ushort[])client.ReadAny(0x4040, 0, buf.GetType(), new int[] { buf.Length });

Результат аналогичный — нагрузка не превышает 20%.

Грузите апельсины бочками

Асинхронные функции сильно нагружают систему контроллера. Для старших моделей ПЛК слово "сильно" можно заменить на "значительно", но легче от этого не станет. Тем не менее, если нужно следить за десятком переменных, то можно обойтись асинхронными функциями. Если же переменных много, то есть два выхода: сделать опрос вручную или объединить переменные в структуру/массив.

Рассмотрим второй вариант. Я изменил код и подписался сразу на целый массив из 10 000 ячеек типа WORD. Теперь, чтобы пришло сообщение, достаточно изменить значение только одной ячейки массива (или одного поля структуры, если мы объединили переменные в структуру):

ushort[] buf = new ushort[10000];
client.AddDeviceNotificationEx("Main.Arrgh", AdsTransMode.OnChange, 0, 0, null, buf.GetType(), new int[] { buf.Length});

Результат:

Вывод: перед отправкой упаковывайте данные в структуры и отслеживайте их как единое целое.

TwinCAT 3.1

В третьем твинкате все замечательно — можно смело выкинуть огорчения из предыдущих пунктов и смело использовать подписку на переменные. И хотя нагрузка на ПЛК снизилась в разы, асинхронные функции по прежнему дают ощутимую нагрузку на процессор ПЛК.

Подписываемся на 1000 переменных (контроллер тот же — CX9020):

Но(!) по прежнему нельзя подписаться на 10 000 переменных — большое количество подписок приведет к ошибке: "Ads-Error 0x751 : A hashtable overflow has occured". Это внутренняя ошибка переполнения словаря переменных в библиотеке TwinCAT.Ads, то есть по прежнему имеем ограничение на количество переменных. Мелочь, а неприятно.

Замыкаем

Пора найти плюсы и минусы и замкнуться в сферах применения:

Подписка на события (событийная модель):
+ Удобство использования: методы обработки данных вызываются только тогда, когда переменная изменилась.
+ Регулярность сообщений не зависит от программы на ПК.
+ Снижение нагрузки на сеть: обменом данными занимаются AMS-роутеры, которые отправляют только измененные данные.
– Ограничение на частоту уведомлений (не быстрее 1 миллисекунды).
– Ограниченное количество переменных: 550 штук — TwinCAT 2, несколько тысяч в TwinCAT 3.
– Чем больше переменных, тем выше нагрузка на процессор контроллера.

Регулярный опрос (поллинг):
+ Неограниченное количество переменных.
+ Низкая нагрузка на процессор ПЛК.
+ Максимальная скорость обмена данными (до 50 мкс, быстрее TwinCAT просто не умеет).
– Требуется вручную обмениваться и обрабатывать значения переменных.
– Дополнительная нагрузка на сеть. Запросы и ответы ходят по сети регулярно, независимо от того — изменились данные или нет.
– Дополнительная нагрузка на программу ПК и сложность в синхронизации данных в многопоточном приложении.

Если есть десяток переменных, то проще воспользоваться подпиской. Если же переменных много или их количество заранее неизвестно, или нужно максимальное быстродействие, то лучше реализовать механизм опроса вручную.

И в любом случае TwinCAT 3 работает быстрее и легче.