Brno University of Technology Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Microelectronics. Czech Republic

Transkript

1 Brno University of Technology Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Microelectronics Údolní 53, CZ Brno Czech Republic Používan vané průmyslov myslové sběrnice, základnz kladní typy, možnost galvanického oddělen lení.. Inteligentní periferie (senzory a aktuátory tory), využit ití Bluetooth a ZigBee pro bezdrátov tové připojení. Ondřej Sajdl sajdl@feec.vutbr.cz 1

2 Průmyslov myslové sběrnice - CAN Controller Area Network Seriová komunikační sběrnice - ISO decentralizované řízení v reáln lném čase s vysokým stupněm m spolehlivosti přenosu p dat rychlostí až 1 Mb/s Pro zajištění kompatibility nasazení sběrnice CAN byly definovány ny funkční vrstvy: CAN vrstva objektů, CAN transportní vrstva, fyzická vrstva. 2

3 Průmyslov myslové sběrnice - CAN Souhrnně lze uvést hlavní rysy CAN sběrnice rnice jako: příjem a vysílání zpráv v s posouzením m priorit, zajištění minimáln lních prodlev při p i režijn ijních činnostech (arbitrážní procedura, adresování,, přenos p příkazp kazů,, aktivace/deaktivace vysíla lačů a přijímačů, řešení kolize přístupu p na sběrnici), jednoduchá a flexibilní možnost konfigurace sběrnicov rnicového systému (připojen ipojení koncového zařízen zení,, využit ití a segmentace adresového prostoru, vyhrazené,, všeobecnv eobecné a urgentní adresy), zajištění centralizovaného příjmu p zpráv v z více zdrojů a řešení časové synchronizace, odstíněný ný přenos p libovolného typu zprávy, kompatibilita formátu a členění zpráv v a rámcr mců, možnost decentralizovaného vícenv cenásobného řízení (multimaster), předávání oprávn vnění k vysílání, detekce a signalizace chyb přenosu, p automatické opakování přenosů poškozených rámcr mců, blokace částí sběrnicov rnicového systému způsobuj sobujících ch časté nebo trvalé chyby přenosu p dat. 3

4 HPIB a GPIB Hewlett-Packard Interface Bus (1965) General-Purpose Interface Bus (IEEE.488) definuje fyzikáln lně elektrické,, operační a funkční vlastnosti spojení přístrojů různých výrobců IEEE (1975) popisuje mechanické a elektrické vlastnosti rozhraní a také základní přenosové protokoly IEEE (1987) doplňuje specifikaci pro minimáln lní HW konfiguraci portu v koncových přístrojp strojích, definuje základní příkazy a formát t přenp enášených dat. SCPI (Standard( Commands for Programmable Instrumentation) ) podává bližší popis příkazp kazů komunikace přes sběrnici HPIB, ale i jiné sběrnice (sériov riová linka RS- 232, 485, VXI a další ší). 4

5 Průmyslov myslové sběrnice - CAN 5

6 HPIB a GPIB Základní vlastnosti sběrnice HPIB lze shrnout do několika n bodů: možné připojení 15 přístrojp strojů k jedné obousměrn rné sběrnici, zařízen zení jsou ve stavu "listen" listen" nebo "talk" talk", nazvány ny jsou "Listener" Listener" " a "Talker" Talker", standardní zapojení jediného řídícího prvku "master" master", nazván n je "Controller" Controller", možné rozší šíření na většív počet, délka sběrnice rnice obvykle nepřevy evyšuje 20 m, resp. 2 m pro spojení jediného přístroje p s řídícím prostředkem (spojení "end-to-end"), sběrnici lze prodloužit zapojením m opakovačů "bus extension technique", hvězdicov zdicové nebo standardní sběrnicov rnicové uspořádání linky, maximáln lní přenosová rychlost 1 MB/s je v praxi málo m využívána, určuj ují ji zapojená zařízen zení, obvykle v mezích 250 aža 500 kb/s, 16 aktivních signálových vodičů čů,, 8 datových a 8 pro řízení přenosu, asynchronní způsob sob přenosu p dat: po bytech sériovs riově,, po bitech paralelně,, potvrzování zpráv "handshake"" provedeno 3 vodiči, i, v případě více kontrolerů (zařízen zení typu "master" master") v jednom okamžiku jen jeden aktivní, pasivní může e vyžadovat převzetp evzetí řízení,, pouze "master" master" " typu "System" Controller" " můžm ůže vynutit převzetp evzetí řízení na sběrnici, koncové zařízen zení ve dvou stavech: "local" ocal" - ruční řízení z předního panelu, "remote" remote" - vzdálen lené řízení přes sběrnici HPIB, možnost funkce "polling" polling", kdy koncové zařízen zení oznámí kontroleru schopnost provést službu, vzdálený reset přístroje, ovládání přístrojů pomocí přerušení - ("Service Request", SR), standardní mechanický konektor 25-pin D-SUB kompatibilní s RS-232 na obr. 3, napěť ěťové úrovně TTL, 3 vodiče e potvrzovaného přenosu p enosu zpráv: DAV (Data( Valid) - signál l zdroje dat potvrzující jejich platnost pro převzetp evzetí,, NRFD (Not( Ready For Data) - signál l příjemce p dat indikující nepřipravenost pro převzetp evzetí dat, NDAC (Not( Data Accepted) - signál l příjemce p dat o jejich neukončen eném m převzetp evzetí,, aktivní úroveň je nízkn zká, 6

7 HPIB a GPIB 7

8 Profibus Vrstvově orientovaný systém průmyslových komunikačních zařízen zení v nižší ších vrstvách (předev edevším m ve vrstvě fyzické) ) navazuje na senzorový systém AS-Interface a ve vrstvě aplikační navazuje na systém ProfiNet umožň žňující přenos libovolných dat přes p počíta tačové sítě 8

9 Profibus Průmyslovou komunikaci lze rozdělit do třít vrstev: vrstva senzorů a akčních členů AS-Interface se společným přenosem digitáln lních měřm ěřených dat a regulačních zásahz sahů spolu s přenosem napájec jecí energie, doporučen ení IEC 62026, vrstva přenosových p sběrnicových polí ProfiBus propojujících ch vstupně-výstupn výstupních moduly, měřm ěřicí a ovládac dací zařízen zení v reáln lném čase; data řídící kontinuáln lní procesy jsou přenp enášeny cyklicky s síti, měřm ěřící data, asynchronní hláš ášení a nepravidelná konfigurační data jsou posílána dle aktuáln lní potřeby, doporučen ení IEC 61158/61784, vrstva kooperujících ch komunikačních buněk složen ená z programovatelných kontrolérů tvořících ch funkční IT systémy podporující standardy sítís Ethernet,, Intranet, Internet. Takto obecný tok tak vyžaduje rychlý jednotně adresovatelný prostor s asynchronním m tokem paketů,, doporučen ení IEC 61158/

10 Profibus 10

11 Profibus ProfiBus využívá vrstvy 1, 2 a 7 referenčního modelu ISO/OSI - fyzickou, spojovou (linkovou) a aplikační Hlavní úkoly funkčních vrstev jsou: fyzická vrstva - definice přenosovp enosového média, m proces kódovk dování a vysílání/p /příjmu dat, spojová vrstva - protokol přístupu p stupu ke sběrnicov rnicovému systému MAC (Medium( Access Control), aplikační vrstva - spojení sběrnice rnice s procesem, aplikační programování podporovaných funkcí. 11

12 Profibus Systém ProfiBus byl vyvinut s cílem integrovat dříve nekompatibilní přenosové technologie: symetrická linka RS-485, stíněný ný kroucený pár p s přenosovými rychlostmi do 12 Mb/s, nová verze RS IS (Intrinsic( Safety) - čtyřvodičové médium speciáln lně upravené pro potenciáln lně výbušná prostřed edí, MBP (Manchester( Coded,, Bus Powered) - dle doporučen ení IEC , uplatnění ve výrobní automatizaci při p i zajištěné vysoké kvality přenp enášených dat na dlouhé vzdálenosti, speciáln lní požadavek na bezpečnost přístrojp strojů, přenos enos trasami s optickými vlákny - vysoká odolnost vůči i elektromagnetickému mu rušen ení,, přenos p dat na velké 12

13 Profibus Využit itím m symetrické sériové linky RS-485 očeko ekáváme parametry trasy přenosu p dat: kabel typu A, charakteristická impedance 135 aža 165 W, kapacita < 30 pf/m, odpor uzavřen ené smyčky < 110 W/km, průměr r kabelu > 0,64 mm, průř ůřez měděného m jádra j > 0,34 mm2, přímá, p, nerozvětven tvená topologie jednoho segmentu, maximáln lní délka segmentu bez použit ití opakovače e při p i přenosovp enosové rychlosti: 1200 m (9,6 kb/s, 19,2 kb/s, 45,45 kb/s, 93,75 kb/s), 1000 m (187,5 kb/s), 400 m (500 kb/s), 200 m (1500 kb/s), 100 m (3000 kb/s, k 6000 kb/s, kb/s), jednoduchá instalace aža 32 stanic na jediném m segmentu linky, potřeba eba oboustranného bezodrazového zakončen ení linky "bus" terminator", opakovače e "repeaters" repeaters" " jsou napájeny z energetické sítě a zajišťuj ují bezchybný přenos p dat, časté uzemnění stínění, konektor 9-pin9 D-SUB, při i použit ití opakovačů až 126 stanic, maximáln lně 9 opakovačů s obnovou signálu, vzdálen lené napájen jení po přídavných p vodičích v kabelu, 4 vodiče e ve stíněném m kabelu: RxD/TxD TxD-P P (Positive( Positive), RxD/TxD TxD-N (Negative), VP (Voltage( Power), DGND (Digital( Ground), zakončen ení 220 Ω mezi RxD/TxD TxD-P P a RxD/TxD TxD-N N a 390 Ω mezi RxD/TxD TxD-P P a VP a mezi RxD/TxD TxD-N N a DGND, charakteristická impedance 171,6 Ω, přenosový kód k d NRZ (Non( Return to Zero), zabezpečovac ovací Hammingova vzdálenost (Hamming( Distance) HD = 4, paritní bit, start bit, stop bit, 11 13

14 Profibus 14

15 FieldBus podobný systému ProfiBus sdílej lejí některé standardy týkající se fyzické vrstvy referenčního modelu OSI a jejich hlavním m cílem c je komunikační propojení nekompatibilních technických zařízen zení různých výrobců především m v automatizačním m a výrobním m procesu 15

16 FieldBus Významné rysy sběrnice rnice Fieldbus lze shrnout jako: číslicová sběrnice s poloduplexním sériovým přenosem určen ená ke komunikaci mezi regulačními a ovládac dacími prvky (senzory veličin, in, akční členy) a řídícími automaty, zachovány základnz kladní výhody dosavadních analogových komunikačních systémů s proudovou smyčkou 4-20 ma,, instalace s využit itím m původnp vodní kabeláže, e, standardizované fyzické rozhraní,, napájen jení koncových zařízen zení po komunikačním m vedení, aplikovatelnost ve výbušném m výrobním prostřed edí. 16

17 FieldBus Systém FieldBus zavádí některé další nové vlastnosti: obousměrný přenos p více v parametrů po páru p vodičů (proudová smyčka přenp enáší jednu veličinu), inu), úspora rozvodů,, na jeden pár p r vodičů může e být připojeno více v jednotek, schopnost funkční diagnostiky jednotek a jejich propojení, rychlá informace o výjimečných stavech, implementace principů distribuovaného řízení snižuje nároky na výkonnost a počet řídících ch terminálů. 17

18 FieldBus V referenčním m modelu ISO/OSI jsou z pohledu sběrnice FieldBus zastoupeny pouze fyzická,, spojová a aplikační vrstva. Vlastní architektura je rozdělena do 3 specifických vrstev: fyzická přenosová vrstva (Physical Layer), vrstva č.. 1 OSI, definována na standardy ISA S a IEC , 1993, převod zpráv v z komunikačního zásobnz sobníku na elektrické signály, synchronní přenos, kódovk dování Manchester Bipolar Phase-L, vysílání a příjem p analogových signálů do a z přenosovp enosového média, paket jako jednotka přenp enášených dat, doplnění znaků záhlaví "preamble", začátku a konce dat "start" / end delimiter" k vlastním m uživatelským u datům m o délce d 252 bitů, komunikační zásobník (Communication Stack), služby vrstev č.2 a 7 OSI (spojová a aplikační vrstva), uživatelská vrstva (User Application), konkrétn tní aplikace (např. SW řízení výroby automobilů). 18

19 FieldBus 19

20 FieldBus Fyzická vrstva sběrnice zahrnuje 2 varianty přenosu p dat: varianta H1,, přenosovp enosová rychlost 31,25 kb/s, přenos enos informace na elementárn rní úrovni (snímání statických a nízkofrekvenn zkofrekvenčních veličin, in, ovládání kvazistatických dynamických jevů atd) varianta H2,, přenosovp enosová rychlost 1 Mb/s a 2,5 Mb/s, rychlé automatizační procesy (měř ěření a ovládání), možné napájen jení ze sběrnice 20

21 FieldBus Linková vrstva komunikačního zásobnz sobníku rozlišuje 3 typy připojených p zařízen zení: základní zařízen zení "basic device" - regulační a měřicí prvky bez schopností řadiče e sběrnice LAS (Link( Active Scheduler), řídící zařízen zení "link master" - funkce řadiče komunikace na sběrnici, přemostění "bridge" - spojení dvou segmentů linky a také spojení linek variant H1 a H2. 21

22 FieldBus Charakteristika uživatelsku ivatelské vrstvy: nezahrnuta v modelu ISO/OSI, standard FieldBus zajišťuje kompatibilitu zařízen zení různých výrobců, řídí síť a uživatelsku ivatelské aplikace, obsahuje SW moduly - bloky, blok charakteristiky zařízen zení (Resource Block) - obsahuje typové parametry zařízen zení, funkční blok (Function( Block) - akční členy v automatizačním m systému - analogový a diskrétn tní vstup a výstup, regulátor PD a PID, regulátor poměru, ruční nastavení,, výběr řízení a odchylka, převodní blok (Transducer( Block) - sběr r a poskytování informací o stavu senzoru a regulátoru, kalibrační křivky, zajištění převzetí a odevzdání dat, hláš ášení výstrahy atd. 22

23 AS-Interface System AS-I I (Actuator( Sensor Interface) ) a je vrstva senzorů a akčních členů - nejnižší vrstva hierarchie sběrnicov rnicového systému ProfiBus podle doporučen ení IEC (1991), takže e se vlastně jedná o část složit itého měřm ěřicího a regulačního telekomunikačního řetězce. Hlavní vlastnosti AS-I I lze shrnout jako: společný přenos p digitáln lních měřm ěřených a regulačních dat spolu s přenosem napájec jecí energie, libovolná topologie (lineárn rní sběrnicov rnicová,, hvězdicov zdicová či i stromová) ) bez koncových terminátor torů,, nestíněná dvoudrátov tová linka o délce d 100 m, při p i užitu ití opakovačů 300 m (obr. 7), maximáln lně 31 účastnických stanic na sběrnici resp. 124 senzorů a 124 akčních členů,, komunikace typu "master" master" - "slave", vysoká přenosová rychlost (nižší než 166 kb/s) s cyklickým sběrem a distribucí dat (cyklus 5 ms a kratší ší), velmi jednoduchá instalace pouhým zapojením m zvláš áštního typu dvouvodičov ového kabelu, výkonové akční členy s vlastním m lokáln lním m zdrojem napájen jení,, jmenovité napájec jecí napětí 24 V, přenos p informace pomocí vyhodnocování napěť ěťových impulsů superponovaných na napájec jecím m napětí, kód d Manchester, zabezpečen ení dat start a stop bitem, paritním m bitem, alternací impulsů,, mezerami mezi impulsy a nutností vyslat impuls ve druhé polovině telegramu, omezená délka telegramu (za stop bitem se již nevysílaj lají žádné impulsy). 23

24 AS-Interface System Typická konfigurace nejnižší úrovně měřícího řetězce podle technologie AS- Interface 24