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 I

Centralizovaný systém Krokový motor

Modem Kamera Řidicí počítač systému

Sensor výšky hladiny

Senzor vzdálenosti Snímač tlaku Termočlánek


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


Distribuovaný systém – vzhledem k dále uvedeným přednostem se stále více využívají v praxi Sensor polohy Snímač tlaku

Krokový motor

Bus

T

T

Modem

Termočlánek

Sensor výšky hladiny Kamera

Řídicí počítač systému


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 I

I

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

I

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

I

Analogové technologie jsou citlivé na vnější rušení – jsou však velmi rozšířené (především proudová smyčka)

Základní komunikační technologie I

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)


EIA/TIA 232 (RS 232)

DTE1

TALK / D ATA T ALK

R S CS T R R D TD C D

DCE1

I

PSTN

T ALK / DAT A TALK

R S C S TR RD TD C D

DTE2

DCE2

Přenosový okruh může být realizován i jinou technologií – radiomodemy – sítí GSM – kabelové modemy


EIA/TIA 232 (RS 232) SG DTR TD

5 4 3

RD

2

DCD

1

9

RI

8

CTS

7

RTS

přijímá DTE

6

DSR

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!!!


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



– často se využívají jen některé signály, a to zejména v případě přímého propojení dvou DTE zařízení • např. varianta nulový modem

6

6

8 9

8 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



– často se využívají jen některé signály, a to zejména v případě přímého propojení dvou DTE zařízení • např. třídrátová varianta

6

6

8 9

8 9

• jsou propojeny pouze datové signály • není možné HW řízení toku dat (lze využít SW prostřednictvím znaků XON a XOFF


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)


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


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


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

Ii 1 mA -7V

-3V 5V -0,8 mA

12V

UAB


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

Délka kabelu (m)

I

300 EIA-422 EIA-485

EIA-423

30 15

EIA-232

0.1

1.0

10

100

Přenosová rychlost (kbit/s)

1000

10000

Porovnání PDS a počítačových sítí I

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

I

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 I

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

I

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) I

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 I

Blokové schéma – ne všechny bloky musí být implementovány ! Klasický senzor Komunikační rozhraní

Buzení

Senzor/ Převodník

Úprava signálu

A/D převod

On-line zpracování dat & řízení

Pomocné senzory

Off-line zpracování dat

Uživatelské rozhraní analogová část

číslicová část

Klasický senzor


Funkce bloků – senzor/převodník

Komunikační rozhraní

Buzení

Senzor/ Převodník

Úprava signálu

A/D převod


Pomocné senzory



číslicová část

• vlastní snímač fyzikální veličiny (termočlánek, fotodioda Y) • různé formy elektrického výstupu (napětí, proud, náboj, odpor Y)

– 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.

Klasický senzor


Funkce bloků

Komunikační rozhraní

Buzení

Senzor/ Převodník

Úprava signálu

A/D převod


Pomocné senzory

– A/D převod



číslicová část

• různé typy převodníků dle požadavků na rychlost a rozlišení – s postupnou aproximací – se sigma-delta modulací – 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 Y

Klasický senzor Komunikační rozhraní

Buzení


Funkce bloků

Senzor/ Převodník

Úprava signálu

A/D převod


Pomocné senzory



číslicová část

– uživatelské rozhraní (HMI – Human Machine Interface) • není příliš časté, pouze tam, kde se předpokládá lokální přítomnost či zásahy uživatele • display, klávesnice • 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

Standard IEEE1451 I

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 I

struktura standardu Distribuovaný systém

1451.1, P1451.0 NCAP or Instrument

1451.1, P1451.0 NCAP

1451.1, P1451.0 NCAP or Access Point

1451.3 TBIM S

P1451.2 STIM S

A

A 1451.3 TBIM

S

A

MMI (Mixed Mode Interface)

TII/UART

WiFi 1451.4 MMX S

1451.1, P1451.0 NCAP CANopen

1451.1, P1451.0 NCAP

ZigBee P1451.5

A

S

P1451.6

A S

Bluetooth 1451.4 MMX S

A

A

P1451.5

S

- senzor

S

A

- akční člen

A

Příklady inteligentních senzorů I

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


Blokové schéma Hallovy sondy HAL805 firmy Micronas VCC

supply circuits

temperature compensation

switched Hall probe

A/D converter

supply level decoding GND

circuit protection

oscillator

DSP

EEPROM parameters lock

D/A converter

digital output

100 Ω

OUT


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


Blokové schéma snímače tlaku EJA510 firmy Yokogawa sensor parameters (EEPROM)

setup parameters (EEPROM)

Microprocessor Signal processing, computing, self-diagnostics, communication control

excitation circuit

lowpressure side

highpressure side

clock generator

fieldbus MAU

external zero adjust

Converter block

LCD display (optiona)

Capsule

communication controller

communication

Distribuované systémy a počítačové sítě

Recommend Documents