Distribuované průmyslové měřicí systémy vývoj směřuje k rozdělení měř. systémů na laboratorní a průmyslový provoz. 1. Základní charakteristiky laboratorního a průmyslového provozu Laboratorní provoz Průmyslový provoz Malá souhlasná napětí (CMV) Velká CMV nízká rušivá napětí Vysoká rušivá napětí Většinou nevadí galvanická spojení galvanická spojení mohou být příčinou poruch Rychlé dotazovací cykly Průměrné dotazovací cykly(1-100 s- 1 ) Krátká vedení snímač-řídící jednotka dlouhá vedení snímač- řídící jednotka Centralizovaná měření decentralizovaná měření Stolní provedení měřicích přístrojů skříňové provedení měřicích přístrojů Častá změna použití a konfigurace měř. systému Méně frekventované změny použití (projekt pro snímání a zpracování se nemění) 1.1 Požadavky na automatizované průmyslové systémy AČ převod a další zpracování co nejblíže senzoru, nejlépe integrováno do senzoru, aby naměřené hodnoty mohly být přenášeny v číslicové formě definovaná doba odezvy, přístup na jednotlivé snímače (periferie) v ekvidistantních krocích vysoká spolehlivost detekce chyby a v případě, že chyba nastane, data se ignorují řídící jednotka musí mít možnost dotazu na stav zařízení automatická diagnostika mělo by být použito galvanické oddělení mezi senzorem a řídící jednotkou (eliminace CMV) pro přenos použít sběrnici se sériovým přenosem dat pro zjednodušení kabeláže Téma 12, Distribuované systémy strana 1
2. Časový vývoj snímačů 1. pouze čidlo (tenzom. můstek, termočlánek, RTD aj.), tab. 1 schéma A. 2. snímač se zesilovačem, který je součástí snímače nebo blízko čidla). typickým příkladem jsou moduly řady 5B původně vyvinuté firmou Analog Devices, které pod stejným číselným označením vyrábí řada dalších výrobců. Snímače mají normalizovaný výstup ±5V nebo proudový výstup 0-20mA, 4-20mA. Různé provedení snímače tlaku je zobrazeno v Tab.1. Poslední dvě schémata F,G ukazují provedení 2 a 3 drátové s proudovým výstupem. Signál je poté snímán na odporu R z, který by měl mít optimální hodnotu blízkou R max., kterou nesmí převýšit. U N U min Rz max =, kde U 3 N je napájecí napětí a U min je minimální přípustné napětí 20. 10 obvodu. 3. inteligentní senzor s číslicovým výstupem sériovou linkou obr.1 Blokové schéma inteligentního senzoru s číslic. výstupem Charakteristiky inteligentního senzoru předzpracování v µp rozhodování, nastavení mezí linearizace převodní charakteristiky snímače analogová tabulka, linearizace po úsecích přímá převodní tabulka look up table matematická funkce Pozn. Na přednáškách budou snímače probrány podrobněji Téma 12, Distribuované systémy strana 2
Tab. 1 Téma 12, Distribuované systémy strana 3
3. Komunikace v distribuovaném systému Blokové schéma distribuovaného systému je na obr. 2 a 3 Obr.2 Obr.3 Distribuovaný systém přestavuje jednoduchou síť se sběrnicovou topologií. Tato struktura je nejvíce používanou pro měřící a řídící systémy, její rozlehlost je nepřímo úměrná požadovanému přenosovému výkonu. U sběrnicové struktury vždy vysílá pouze jeden vysílač, proto při větším počtu stanic může být doba čekání na přístup k přenosovému médiu relativně dlouhá. Tento problém řeší Téma 12, Distribuované systémy strana 4
různé metody řízení přístupu popsané v [1]. Ve standardních aplikacích vystačí metoda cyklické výzvy. Centrální stanice Master cyklicky vyzívá všechny podřízené stanice. Jestliže podřízená stanice má data pro vyslání, vyšle je. V opačném případě pouze potvrdí výzvu nebo neodpoví a řídící stanice po uplynutí definovaného intervalu vyzve další stanici. Jak již bylo řečeno, cyklická výzva je vhodná pro menší počet stanic a sítě které nejsou rozsáhlé. 3.1.Síťový protokol OSI Aby byly sjednoceny zásady komunikace, byla v roce 1981 vydána norma IEEE 802. Ta v obecné podobě určuje způsob komunikace mezi stanicemi od úrovně fyzického připojení až po přenos programů či dat. Vydala jí ISO pod označením OSI (Open System Interconnection). Protokol ve zmíněné normě je rozdělen do následujících sedmi vrstev: fyzická - definuje přenosové médium, konektory, topologii, kódování atd. linková - definuje způsob přenášení zpráv v síti a jejich zajištění proti chybám a ztrátě informace síťová - definuje způsob pohybu datových paketů v síti z hlediska přepojovacích uzlů transportní - definuje adresaci zařízení a aplikačních programů v síti relační - vytváří logické rozhraní pro aplikační programy využívajících služeb sítě prezentační transformuje data do přenosové formy, provádí konverzi kódů, kompresi, šifrování dat atd. aplikační - charakterizuje aplikační programy využité k podpoře sítě. Jednoduché komunikační protokoly mají pevně definovánu linkovou vrstvu a částečně i fyzikou. Zbývající vrstvy nejsou specifikovány a jsou zcela závislé na konkrétním technickém zařízení. 4.Sběrnice RS 422 & RS 485 Signály RS 232 jsou reprezentovány napěťovými úrovněmi vzhledem k zemi. Pro každý signál jeden vodič a společný zemní vodič, vůči němuž jsou napěťové úrovně vztaženy. Tím se dostáváme k omezené délce vodičů maximálně 30 až 60 metrů (odpor dlouhého vedení a snadná zarušitelnost). RS 232 je tedy vhodné k point to point komunikaci lokálních zařízení. RS 422 & 485 používá odlišný princip. Pro každý signál používá jedno twistedpair - (TP) vedení, vetšinou kroucenou dvoulinku. Z elektrického hlediska mluvíme tzv. Balanced data transmision, nebo také Differential voltage transmission. Jedná se o diferenci napětí mezi jednotlivými vodiči, označenými jako A a B. Signál je aktivní, je li napětí na A kladné a B záporné, v opačném případě je signál neaktivní. Pro RS 422 & 485 může délka vedení dosahovat až 1200 metrů. Obě sběrnice používají diferenční vysílače s napětím 0 a 5V. RS 422 je však určena, podobně jako RS 232 pro point-to-point komunikaci. RS 422 používá dva oddělené TP vodiče a data mohou být přenášena v obou směrech současně. RS 422 se často používá na prodloužení vedení RS 232, nebo v průmyslovém prostředí. RS 485 se používá pro multipoint komunikaci, více zařízení může být připojeno na jedno signálové vedení. Většina RS 485 systémů používá Master/Slave architekturu, kde má každá Slave jednotka svojí unikátní adresu a odpovídá pouze na jí určené pakety. Tyto pakety generuje Master (v našem případě PC) a periodicky obesílá všechny připojené slave jednotky. Téma 12, Distribuované systémy strana 5
RS 485 existuje ve dvou variantách: 1 TwistedPair a 2 TwistedPairs Single TwistedPair V této verzi jsou všechny zařízení připojená na jeden TwistedPair. Všechny tudíž musí mít třístavové budiče (včetně Master). Komunikace probíhá po tomtéž vedení v obou směrech. Je tedy důležité, aby nezačalo vysílat více zařízení najednou, což je softwarová záležitost. Double TwistedPair V tomto zapojení Master nemusí mít třístavový výstup, protože Slave zařízení vysílají do druhého twistedpairu, určeného pro komunikaci od Slave zařízení k Masteru. Toto řešení často umožňuje implementovat multipoint řešení v systémech, které byly původně (jak HW, tak i SW) určeny pro RS 232. Samozřejmá je ovšem nutnost úpravy Master software tak, aby obesílal všechny Slave zařízení dotazovacími pakety. Zřejmé je také zvýšení datové propustnosti při větších objemech dat. Někdy je možné vidět RS 485 systém v point-to-point zapojení, je to vlastně virtuálně totožné s RS 422 s tím, že není využita možnost vysoké impedance na výstupu budiče RS 485. Hardwarově je tato možnost uvést výstup do vysoké impedance jediným rozdílem mezi obvody pro RS 485 a RS 422. 4.1 Diferenciální zapojení signálu RS 422/485 Pro základní zapojení RS 422/485 systému potřebujeme IO budič s diferenciálními výstupy a IO přijímač s diferenciálními vstupy. Do přenosového vedení se indukuje šum a rušení. Protože se však signál přenáší párem vodičů jdoucích stejnou trasou, je napěťová diference (rozdíl napětí mezi A a B) tohoto rušení téměř nulová. Vzhledem k diferenciální funkci vstupního zesilovače RS 422/485 přijímače je toto rušení eliminováno. Platí to také pro přeslechy ze sousedních vodičů, a pro jakékoli jiné zdroje šumů, dokud nejsou překročeny napěťové hranice vstupních obvodů přijímacího IO. Diferenciální vstup také eliminuje rozdíl zemních potenciálů vysílače a přijímače. Tato vlastnost je velmi důležitá pro komunikaci mezi různorodými systémy, kde by jinak vznikaly veliké problémy, např. pro různé zdroje napájecího napětí atd.. Použití kroucené dvoulinky a korektní zakončení (pro eliminovaní odrazů) dovoluje rychlost přenosu dat vetší než 10 Mb/s a délky kabelů až 1 km. V diferenciálním systému generuje vysílač napětí od 2 do 7V (přibližně) mezi A a B výstupy. Vysílač i přijímač jsou sice spojeny vodičem GND (zem), ale nepoužívá se pro určení logického stavu na AB vodičích. Z toho tedy vyplývá již uvedená tolerance rozdílného zemního potenciálu u vysílače a přijímače. Vysílače RS 485 mají Enable vstup, umožňující nastavit výstupy do stavu vysoké impedance a tím sdílet na jednom TP několik zařízení. RS 422 vysílače tento vstup většinou nemají (ale mít mohou). Napěťová úroveň většiny běžně prodávaných vysílačů je 0 a 5V. V klidovém stavu je na B vodiči +5V a na A 0V. RS 422/485 přijímače reagují na rozdíl napětí mezi A a B. Je-li větší než 200mV, pak je na výstupu přijímače definovaná logická úroveň. Pro rozdíl menší než 200mV je log. úroveň opačná. Téma 12, Distribuované systémy strana 6
4.2 EIA standard RS 422& RS 485 Diferenciální rozhraní popisují dva standardy. EIA RS 422 definuje rozhraní, kde může být zapojeno maximálně deset přijímačů na jeden vysílač. Limitující parametr je vstupní impedance přijímače Ri = 4 kohm. Zapojení deseti přijímačů se zakončovacím odporem 100 Ohm dává maximální zátěž vysílače. Základní parametry jsou RS 422 uvedeny na obr. 3. Obr. 4 Základní parametry RS 422 EIA RS 485 definuje vstupní impedanci RS 485 obvodů Ri = 12 kohm. Na jedno vedení je tak možno zapojit až 32 vysílačů / přijímačů. Jedná se o obousměrný přenos dat, vedení musí být proto zakončeno terminačním odporem na obou koncích. Hlavní důvody pro korektní zakončení jsou především odrazy na konci vedení, definování úrovně na vedení a podmínka minimálního zatížení vysílače. Pokud se vyskytne aplikace, kde 32 zařízení nedostačuje, máme dvě možnosti. Jednodušší z nich je použít, v současnosti již běžně dostupné, vysílače se 4 násobnou vstupní impedancí (48k ), umožňující připojit současně až 128 zařízení. V tomto případě je nutné přizpůsobit celou zakončovací soustavu. Druhou možností je použít RS 485 repeater. Jedná se o zařízení se dvěmi TP porty. Pokud se na jednom z těchto portů vyskytnou data, jsou vyslána na druhý port a opačně. Takto můžeme připojit dalších 31 (resp.127) stanic. Základní parametry jsou RS 485 uvedeny na obr. 5. Téma 12, Distribuované systémy strana 7
Obr. 5 Základní parametry RS 485 Porovnání RS 422 a RS 485 je zřejmé z obr. 6 Obr. 6 Porovnání RS 422 a RS 485 4.3 Přenos dat Ze síťového hlediska se u RS 485 jedná o sběrnicovou topologii. Jelikož Slave stanice nemají žádnou možnost, jak začít bez možné kolize vysílat, musí jím být přiděleno vysílat Master stanicí. Ta vyšle příkaz obsahující adresu Slave stanice. Všechny Slave stanice přijmou příkaz a adresovaná stanice odpoví. Tak jsou postupně obslouženy všechny Slave stanice. Téma 12, Distribuované systémy strana 8
5. Porovnání sériových sběrnic RS 232, RS 422, RS 485 Porovnání je přehledně uvedeno v následující tabulce. Norma RS 232 C RS 422 RS 485 Princip činnosti Vztažný bod Diferenciální Diferenciální uzemněný (single ended) Počet budičů 1 1 32 Počet přijímačů 1 10 32 Rozsah činnosti [m] 15 1200 1200 Maxim. rychlost 19 200 10M 10M [baud] Druh přenosu Plný duplex, bod - bod Plný duplex, bod - bod Poloviční duplex, multi-drop 6. Přehled nejběžnějších průmyslových sběrnic Vzájemné fyzické propojení několika prvků systému zajišťuje sběrnice. Často je pod tímto pojmem označována jak fyzická vrstva (např. RS 485 kroucený dvoudrát), tak vrstva linková (protokoly). Nejznámější průmyslové sběrnice jsou. Profibus Pod označením Profibus jsou v Evropské unii normalizovány tři průmyslové sběrnice. Původní Profibus (nyní značen jako Profibus FMS) je určen pro rozsáhlé a náročné aplikace, zejména pro komunikaci řídícího systému s podřízenými subsystémy. Maximální délka sběrnic je 1,2 km (4,8 km při použití opakovačů), přenosová rychlost je až 500 kb/s. Jako přenosové médium je použit kroucený dvoudrát se stíněním, všechny stanice jsou galvanicky oddělené. Přístupová metoda může být token passing, master slave nebo hybridní. Pro automatizaci a aplikace na úrovni jednoduchých procesů byla vyvinuta a normalizována verze Profibus DP. Ta využívá opět galvanicky oddělené a stíněné sběrnice RS 485, ale předpokládá vyšší maximální přenosovou rychlost. Je určena pro úroveň senzor akční člen. Další modifikace s názvem Profibus PA je určena pro jednoduché aplikace, nebo subsystémy. Používá též dvoudrátovou sběrnici, ta se však v tomto případě používá nejen pro přenos dat, ale i pro napájení čidel nebo akčních členů s malým příkonem. Téma 12, Distribuované systémy strana 9
CAN Průmyslová sběrnice CAN (Control Area Network) byla původně vyvinuta pro použití v automobilech a jiných mobilních prostředcích, aby síťové propojení senzorů a akčních členů nahradilo čím dál složitější klasickou kabeláž. V posledních letech je stále častěji používána i v oblasti průmyslové automatizace. Je tomu z následujících důvodů: jednoduchost komunikačního protokolu, objektově orientovaný přenos informací jedinečné vlastnosti a vysoký výkon zvláště v případě časově kritických aplikací (velmi krátká latentní doba pro prioritní zprávy, krátké délky datových segmentů umožňující rychlé reakce) dostupnost levných speciálních komunikačních procesorů od řady firem mezinárodní standardizace jednoduchá implementace pro distribuované aplikace dostupnost výkonných a přitom poměrně levných vývojových a testovacích prostředků CAN se hodí zejména pro realizaci jednoduchých distribuovaných systémů s větším množstvím senzorů a akčních členů. Jako přenosové médium se obvykle používá kroucený dvoudrát, přenosová rychlost je od 10 kb/s do 1 Mb/s podle délky sběrnice. Na základě sběrnice CAN vznikly i další průmyslové systémy využívající schodnou definici vrstvy 1 a 2, ale lišící se protokolem aplikační vrstvy 7. Jedná se zejména o systém Device Net rozšířený v USA a systém SDS firmy Honeywell, který ale může využívat i jiných typů fyzické vrstvy (RS 485, optické vlákno). FIP Zejména ve Francii (kde tato sběrnice vznikla a je normalizována) a v Itálii se prosadila průmyslová sběrnice FIP. Topologie je liniová s možností jak cyklického, tak acyklického přístupu. Řídící jednotka předává postupně pověření jednotlivým stanicím, které se tak stávají mluvčím a mohou vysílat zprávu, ostatní stanice se chovají jako posluchač. Toto byl přehled jen několika z používaných průmyslových sběrnic, z neuvedených jmenujme např. Modbus, LON, Interbus S, P NET, Foundation Fieldbus, AIBus 2 (používá firma Tedia) atd. Popis některých z nich najdeme v [2]. 6.1 Dostupné komerční distribuované systémy Nejznámějšími a nejvíce používanými komerčními distribuovanými systémy jsou moduly ADAM série 4000 A 5000 fy. ADVANTECH. Budou probrány samostatně. Z tuzemských je to firma TEDIA. Distribuovaný systém je možné sestavit z různých stavebnicových modulů dodávaných komerčními výrobci. Její skupina výrobků pro distribuované systémy je reprezentována stavebnicí modulů MicroUnit serie. Téma 12, Distribuované systémy strana 10
Stavebnice modulů MicroUnit serie je určena zejména pro realizaci distribuovaných systémů pro monitorování nebo řízení technologických procesů, uplatnění však nachází i v řadě dalších aplikací v oblasti laboratorních měření apod. Jednotlivé moduly plní funkci vzdálených inteligentních jednotek zpracovávajících analogové či digitální signály z technologických čidel a komunikujících s nadřízeným počítačem prostřednictvím sériové komunikační linky standardu RS-485. Přehled vlastností distrib. systémů ( fieldbusů) je uveden v následující tabulce Literatura: [1] Kocourek, P. a kol.: Číslicové měřící systémy, ČVUT, 1994 [2] Haasz. V., Roztočil J., Novák J.: Číslicové měřící systémy, ČVUT, 2000 [3] http://papouch.com, internetové stránky firmy Papouch [4] http://maxim-ic.com, internetové stránky firmy Maxim Téma 12, Distribuované systémy strana 11