Distribuované systémy a počítačové sítě

Distribuované systémy a počítačové sítě Téma 8: Základní komunikační technologie, IEEE1451 centralizované a distribuované systémy základní analogové a číslicové technologie porovnání průmyslových distribuovaných systémů a počítačových sítí pojem inteligentní senzor standard IEEE 1451

Centralizované a distribuované systémy Centralizovaný systém Krokový motor Kamera Modem Řidicí počítač systému Sensor výšky hladiny Senzor vzdálenosti Snímač tlaku Termočlánek

Centralizované a distribuované systémy Centralizovaný systém hvězdicovité propojení senzorů a akčních členů s řídicím uzlem řídicí uzel zpracovává data ze senzorů a vyhodnocuje akční zásahy vyhrazený komunikační kanál komunikace s kterýmkoli senzorem či akčním členem je možná kdykoliv pro přenos informace je obvykle využito napětí nebo proud citlivé na rušivé vlivy omezená přenosová kapacita, jednosměrná komunikace senzory i akční členy jsou obvykle hloupá zařízení bez lokální inteligence, ale levnější nízká flexibilita totální závislost na centrálním uzlu

Centralizované a distribuované systémy Distribuovaný systém vzhledem k dále uvedeným přednostem se stále více využívají v praxi Snímač tlaku Krokový motor Sensor polohy T Modem Bus T Sensor výšky hladiny Kamera Termočlánek Řídicí počítač systému

Centralizované a distribuované systémy Distribuovaný systém rozlehlé systémy byly téměř vždy realizovány jako distribuované toto dělení je zajímavé především pro oblast průmyslové automatizace a vozidel číslicový přenos dat vysoká odolnost vůči vnějšímu rušení, detekce chyb možnost přenosu více různých hodnot a parametrů dostupnost dat pouze v časově diskrétních okamžicích typicky obousměrná komunikace vyšší flexibilita jednodušší rozšiřování fyzické infrastruktury uzly systému jsou inteligentní senzory a akční členy lze budovat systémy nezávislé na centrálním uzlu zcela distribuované aplikace zálohovaný centrální uzel

Základní analogové technologie Pro přenos informace je využita okamžitá hodnota napětí nebo proudu Napěťový přenos hodnota výstupního napětí je lineárně závislá na hodnotě měřené veličiny (někdy existuje i aditivní konstanta) typické jsou rozsahy 0 10 V, -5 V + 5 V, 0 24 V Analogová proudová smyčka hodnota výstupního napětí je lineárně závislá na hodnotě měřené veličiny (někdy existuje i aditivní konstanta) typické rozsahy jsou 0 20 ma, 4 20 ma druhá varianta umožňuje detekci přerušení smyčky a případné napájení senzoru Analogové technologie jsou citlivé na vnější rušení jsou však velmi rozšířené (především proudová smyčka)

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) asi nejrozšířenější standard pro spojení bod bod podporuje synchronní i asynchronní komunikaci existuje v mnoha variantách nejrozšířenější je varianta implementovaná v počítačích IBM PC kompatibilních původně byla určena pro propojení mezi terminálem a modemem při komunikaci prostřednictvím nějaké jiné technologie (např. veřejné telefonní sítě) terminál je označován jako DTE (Data Terminal Equipment) modem je označován jako DCE (Data Circuit-terminating Equipment)

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) DTE1 TALK / D ATA TALK R S CS T R R D TD C D PSTN T ALK / DAT A TALK RS CS TR RD TD CD DTE2 DCE1 DCE2 Přenosový okruh může být realizován i jinou technologií radiomodemy sítí GSM kabelové modemy

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) SG DTR TD RD DCD 5 4 3 2 1 9 8 RI CTS 7 RTS 6 DSR přijímá DTE vysílá DTE signály rozhraní jsou správně značeny na obou typech zařízení shodně tzn. např. signál TD je vysílán zařízením typu DTE a přijímán zařízením typu DCE Pozor!!! Často se nedodržuje!!!

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) TD (Transmitted Data) data vysílaná z DTE RD (Received Data) data přijímaná DTE SG (Signal Ground) signálová zem RTS (Request To Send) připravenost DTE k příjmu CTS (Clear To Send) připravenost DCE k příjmu DTR (DTE Ready) indikuje obecnou připravenost DTE DST (DCE Ready) indikuje obecnou připravenost DCE DCD (Data Carrier Detect) indikace příjmu nosné nový název je RLSD (Received Line Signal Detect) RI (Ring Indicator) indikuje detekci vyzvánění

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) často se využívají jen některé signály, a to zejména v případě přímého propojení dvou DTE zařízení např. varianta nulový modem 6 6 8 8 9 9 vzájemné propojení DTR na jedné a DSR + DCD na druhé straně signalizuje obecnou připravenost a existenci spojení signály RTS a CTS jsou využity pro řízení toku dat

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) často se využívají jen některé signály, a to zejména v případě přímého propojení dvou DTE zařízení např. třídrátová varianta 6 6 8 8 9 9 jsou propojeny pouze datové signály není možné HW řízení toku dat (lze využít SW prostřednictvím znaků X ON a X OFF

Základní komunikační technologie EIA/TIA 232 (RS 232) jedná se o nesymetrická vedení (unbalanced, singleended) signalizace využívá inverzní logiku napětí -3 V -25 V reprezentuje log. 1 napětí +3 V +25 V reprezentuje log. 0 maximální doporučená rychlost je 20 kbit/s PC implementace podporuje až 115,2 kbit/s další implementace podporují i vyšší rychlosti maximální doporučená délka kabelu je 15 m v praxi závisí na: použité komunikační rychlosti na okolním elektromagnetickém prostředí (úrovni rušení)

Základní komunikační technologie EIA/TIA 423 (RS 423) na rozdíl od EIA/TIA 232 definuje pouze parametry fyzické vrstvy opět se jedná o nesymetrickou linku s inverzní logikou napětí -3 V -6 V reprezentuje log. 1 napětí +3 V +6 V reprezentuje log. 0 jeden vysílač může budit až 10 přijímačů (point to point, multi-drop) maximální doporučená přenosová rychlost je 100 kbit/s v závislosti na délce kabelu a úrovni rušení maximální doporučená délka kabelu je 1200 m

Základní komunikační technologie EIA/TIA 422 (RS 422) podobná standardu EIA/TIA 423 vhodná pro point to point i pro multi-drop komunikaci jedná o symetrickou (balanced, differential) linku rozdílové napětí -2 V -6 V reprezentuje log. 1 rozdílové napětí +2 V +6 V reprezentuje log. 0 odolná vůči souhlasnému rušení maximální doporučená přenosová rychlost je 10 Mbit/s v závislosti na délce kabelu, jeho kvalitě a úrovni rušení maximální doporučená délka kabelu je 1200 m impedance 120 Ω zakončen terminátory lze realizovat jak simplexní, tak plně duplexní kanál hodně se využívá v průmyslových aplikacích

Základní komunikační technologie EIA/TIA 485 (RS 485) podobný standardu EIA/TIA 422 kromě point to point a multi-drop komunikace lze využít i pro sběrnicovou komunikaci (multipoint) budič může budit až 32 tzv. jednotkových zátěží odtud pramení omezení mnoha standardů průmyslových distribuovaných systémů I i 1 ma -7V -3V 5V -0,8 ma 12V U AB

Základní komunikační technologie EIA/TIA 485 (RS 485) jedná o symetrickou (balanced, differential) linku rozdílové napětí -2 V -6 V reprezentuje log. 1 rozdílové napětí +2 V +6 V reprezentuje log. 0 odolná vůči souhlasnému rušení maximální doporučená přenosová rychlost je 10 Mbit/s v závislosti na délce kabelu, jeho kvalitě a úrovni rušení maximální doporučená délka kabelu je 1200 m impedance 120 Ω zakončen terminátory lze realizovat jak poloduplexní, tak plně duplexní kanál hodně se využívá v průmyslových aplikacích

Základní komunikační technologie Porovnání probraných standardů kabel 24AWG, 50 pf/m 1200 300 Délka kabelu (m) 30 EIA-423 EIA-422 EIA-485 15 EIA-232 0.1 1.0 10 100 1000 10000 Přenosová rychlost (kbit/s)

Porovnání PDS a počítačových sítí Průmyslový distribuovaný systém (Fieldbus) byly navrhovány pro průmyslové prostředí pro aplikace průmyslové automatizace a sběru dat jsou optimalizovány pro přenos malých bloků dat krátké linkové rámce nízká přenosová rychlost (desítky až stovky kbit/s) nízká režie přenosu zotavení se z chyb je obvykle implementováno v linkové vrstvě tedy HW a rychlé Počítačová síť (LAN) byly navrhovány pro kancelářské prostředí především pro aplikace sdílení prostředků a zdrojů jsou optimalizovány pro přenos velkých bloků dat dlouhé rámce linkové vrstvy přenosová rychlost je obvykle vysoká (desítky až stovky Mbit/s) vysoká režie přenosu zejména pro malé bloky dat zotavení se z chyb je implementováno ve vyšších vrstvách tedy SW a pomalé

Porovnání PDS a počítačových sítí Průmyslový distribuovaný systém (Fieldbus) obvykle deterministické MAC algoritmy předpoklad pro aplikace pracující v reálném čase lze dosáhnout definovaných a omezených latencí a odezev možnost napájení po datovém vedení možnost nasazení v prostředí s nebezpečím výbuchu snadnější certifikace pro bezpečnostně kritické systémy Počítačová síť (LAN) nejrozšířenější standard (Ethernet) využívá CSMA/CD není zaručeno doručení linkového rámce v limitu dosažení definovaných odezev není za standardních podmínek zajištěno ale existují metody řešení! možnost napájení po datovém vedení existuje velké rozšíření a nízká cena síťových prvků napomáhá pronikání LAN i do aplikací, které byly donedávna vyhrazeny technologiím PDS

Inteligentní senzor (akční člen) Kromě vlastní funkce (tj. převod měřené fyzikální veličiny na veličinu elektrickou) implementuje celou řadu dalších funkcí, umožňujících: zvýšení linearity a přesnosti snížení vlivu jiných fyzikálních veličin omezení vlivu vnějšího rušení autodiagnostiku lokální zpracování a vyhodnocení vybraných parametrů průměrná hodnota, překročení maxima či minima dočasná archivace dat číslicová komunikace vzdálená parametrizace přenos různých hodnot měřené veličiny lokální uživatelské rozhraní

Inteligentní senzor Blokové schéma ne všechny bloky musí být implementovány! Klasický senzor Buzení Komunikační rozhraní Senzor/ Převodník Úprava signálu A/D převod On-line zpracování dat & řízení Off-line zpracování dat Pomocné senzory analogová část číslicová část Uživatelské rozhraní

Klasický senzor Inteligentní senzor Funkce bloků senzor/převodník vlastní snímač fyzikální veličiny (termočlánek, fotodioda ) různé formy elektrického výstupu (napětí, proud, náboj, odpor ) Buzení Senzor/ Převodník Pomocné senzory Úprava signálu analogová část blok úpravy signálu zesílení a konverze signálu (obvykle na napětí) galvanická izolace, filtrace, detekce korekce nelinearity korekce vlivu jiných fyzikálních veličin buzení senzoru napájení ss. nebo st. proudem nebo napětím elektromechanické buzení apod. A/D převod číslicová část On-line zpracování dat & řízení Komunikační rozhraní Off-line zpracování dat Uživatelské rozhraní

Klasický senzor Inteligentní senzor Funkce bloků A/D převod různé typy převodníků dle požadavků na rychlost a rozlišení s postupnou aproximací se sigma-delta modulací Buzení Senzor/ Převodník Pomocné senzory Úprava signálu analogová část A/D převod číslicová část On-line zpracování dat & řízení komparační (flash) převodníky on-line zpracování dat součást úpravy signálu, ale již v digitální doméně linearizace, korekce vlivu jiných fyzikálních veličin řízení buzení senzoru off-line zpracování dat vyhodnocení požadovaných parametrů (např. extrémy) lokální uložení dat, odhad trendu, diagnostika Komunikační rozhraní Off-line zpracování dat Uživatelské rozhraní

Klasický senzor Inteligentní senzor Funkce bloků uživatelské rozhraní (HMI Human Machine Interface) není příliš časté, pouze tam, kde se předpokládá lokální přítomnost či zásahy uživatele display, klávesnice Buzení Senzor/ Převodník Pomocné senzory Úprava signálu analogová část A/D převod číslicová část On-line zpracování dat & řízení Komunikační rozhraní Off-line zpracování dat obvykle poskytuje přístup pouze k základním funkcím komunikační rozhraní implementuje technické a programové prostředky pro začlenění do distribuovaného systému požadovaného typu existuje mnoho desítek různých standardů těchto systémů, ať již otevřených nebo proprietárních pokusem o modulární konstrukci senzorů umožňující relativně snadné připojení do libovolného systému je standard IEEE1451 Uživatelské rozhraní

Standard IEEE1451 standard dělí inteligentní senzor na 2 části, komunikující prostřednictvím definovaného rozhraní NCAP (Network Capable Application Processor) blok zajišťující přístup k síti vlastní senzor vybavený popisem ve formě TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) TEDS obsahuje popis samotného senzoru, jednotlivých kanálů pro načítání dat a také kalibrační data standard definuje příkazy a protokoly pro komunikaci mezi těmito bloky nezávisle na fyzické vrstvě existuje několik variant připojení NCAP bloku k samotným senzorům TII (Transducer Independent Interface) TBIM (Transducer Bus Interface Module) rádiový přenos (WiFi, ZigBee) CANopen

Standard IEEE1451 struktura standardu Distribuovaný systém 1451.1, P1451.0 1451.1, P1451.0 NCAP NCAP 1451.1, P1451.0 1451.1, P1451.0 NCAP or NCAP or Instrument Access Point 1451.1, P1451.0 NCAP S TII/UART P1451.2 STIM A S S 1451.3 TBIM 1451.3 TBIM A A MMI (Mixed Mode Interface) S S 1451.4 MMX 1451.4 MMX A A WiFi ZigBee P1451.5 S A Bluetooth P1451.5 S A S A CANopen P1451.6 S A - senzor - akční člen

Příklady inteligentních senzorů Micronas HAL805 programovatelná Hallova sonda měření vzdálenosti či úhlu natočení lze programovat: citlivost polohu nuly rozsah výstupního napětí lze kompenzovat vliv charakteristiky magnetického materiálu výstup je buď analogový (viz následující blokové schéma) nebo PWM programování se děje číslicově prostřednictvím napájecího pinu, odezvy jsou na výstupním pinu

Příklady inteligentních senzorů Blokové schéma Hallovy sondy HAL805 firmy Micronas V CC supply circuits temperature compensation oscillator circuit protection switched Hall probe A/D converter DSP D/A converter 100Ω OUT GND supply level decoding EEPROM parameters lock digital output

Příklady inteligentních senzorů Yokogawa EJA510 rezonanční senzor tlaku měření tlaku kapalin v potrubích je kompenzován vliv okolní teploty lze programovat: hodnotu nuly snímače rozsah výstupních číslicových hodnot maximální a minimální hodnoty alarmu senzor je vybaven autodiagnostikou senzor lze připojit prostřednictvím sběrnic HART nebo Foundation Fieldbus

Příklady inteligentních senzorů Blokové schéma snímače tlaku EJA510 firmy Yokogawa sensor parameters (EEPROM) setup parameters (EEPROM) Microprocessor excitation circuit Signal processing, computing, self-diagnostics, communication control communication controller MAU fieldbus communication lowpressure side highpressure side clock generator external zero adjust Converter block Capsule LCD display (optiona)