MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4 (2)

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

p do

Wst

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Sterowniki (PLC, CNC, RC), mikrokontrolery,

systemy wbudowane ES, sieci komunikacyjne

Dr in

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

ęść

4 (1 – 89)

Wrocław, 2009

Rodzaje zada

automatyzacji realizowanych przez

sterowniki (komputery) przemysłowe

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Sterowanie przebiegiem procesów,

Zadania regulacji.

Wymagania czasu

rzeczywistego

Kierowanie procesami, zarz

dzanie

recepturami,

Interfejs człowiek-maszyna (HMI),

Planowanie i sterowanie produkcj

Archiwizacja i oddziaływanie na
wsad (wytop) procesu.

Brak

wymaga

czasu

wymaga

czasu

rzeczywistego

Wymagania komputerowych sterowników przemysłowych

stosowanych w systemach automatyzacji

Ogólne wymagania systemów mechatronicznych dotycz

szczególno

ci sterowników (komputerów) przemysłowych.

Zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym:

Zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym:

systemy operacyjne, architektura pami

ci.

Wprowadzanie

–

wyprowadzanie sygnałów procesu:

przył

czenie sensorów i elementów wykonawczych, systemy

komunikacyjne.

Pewno

ść

i niezawodno

ść

działania:

Pewno

ść

i niezawodno

ść

działania:

wysokiej jako

ci składniki, układy redundantne.

Odporno

ść

na oddziaływanie otoczenia:

Odporno

ść

na oddziaływanie otoczenia:

specjalne obudowy, monta

przewodów ł

cych.

Rodzaje sterowników przemysłowych

W zasadzie sterowniki przemysłowe s

klasyfikowane ze

W zasadzie sterowniki przemysłowe s

klasyfikowane ze

wzgl

du na swoj

budow

oraz realizowane przez nie funkcje.

wzgl

du na swoj

budow

oraz realizowane przez nie funkcje.

Budowa

System kompaktowy,

System modułowy,

System specjalny.

Kryteria doboru:

Liczba I/O (ang. Input/ Output),

Przestrze

do zabudowy,

liwo

ść

rozbudowy,

Wymagana moc obliczeniowa.

Funkcje

Sterowanie procesem:

• dyskretnie,

• analogowo,

Sterowanie torem ruchu,

Interfejs u

ytkownika.

Kryteria doboru:

Zadanie automatyzacji,

Spektrum zada

(IPC).

Obecne komputery przemysłowe składaj

z architektur mikroprocesorowych.

Zale

nie od budowy mo

na wyró

nast

puj

ce podstawowe typy

komputerów:

1. Systemy jednopłytkowe ES (ang. Embedded Systems), systemy okrojone

do realizacji jednego zadania, najcz

ęś

ciej z mikrokontrolerem jako jednostk

centraln

2. Systemy PC (Personal Computer).

3. Modułowe systemy mikrokomputerowe, skalowalne systemy

mikrokomputerowe dla ró

nych zada

automatyzacji.

4. Komputerowe sterowniki przemysłowe, np. CNC, RC, PLC, systemy

komputerowe okrojone do realizacji zada

sterowania i regulacji.

We wszystkich przypadkach zawieraj

one:

dro mikroprocesorowe, procesory sygnałowe lub mikrokontrolery

(mikrosterowniki),

pami

ęć

Interfejsy do urz

dze

peryferyjnych,

magistral

systemow

Podstawowe typy komputerów (sterowników)

Wymagania funkcjonalne sterowników przemysłowych

Sterowanie przebiegiem procesów:

Przetwarzanie sygnałów procesu,

Jeden program aplikacyjny, który jest „parametryzowany” przez dane procesu,

Sterownik swobodnie programowalny PLC

Sterownik swobodnie programowalny PLC (ang. Programmable Logical
Controller).

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Przetwarzanie danych geometrycznych,

Ró

ne pogramy technologiczne dla ka

dego przedmiotu (procesu),

Układ sterowania numerycznego CNC

Układ sterowania numerycznego CNC (ang. Computerized Numerical Control),

RC (ang. Robot Control).

Zadania ogólne (wł

cznie z wy

ej wymienionymi):

Zadania ogólne (wł

cznie z wy

ej wymienionymi):

Obsługa i obserwacja, technika kierowania wytwarzaniem,

a ró

norodno

ść

aplikacyjna,

Przemysłowy komputer (PC) IPC

Przemysłowy komputer (PC) IPC (ang. Industrial Personal Computer).

Techniczne mo

liwo

ci realizacji układów sterowania

Układ sterowania programowany przez poł

czenia

Wcze

niej

Wcze

niej

Obecnie

elektromechaniczny

elektroniczny

Zbudowany z

styczników, przeka

ników, ...

tranzystorów,

zintegrowanych
układów scalonych, ..

Program zawarty w

okablowaniu

Zalety i wady

Wysokie zu

ycie energii, du

e zapotrzebowanie

miejsca, trudna rozbudowa

Sterownik
swobodnie
programowalny PLC

Procesora, pami

ci,

magistrali

oprogramowaniu

Elastyczno

ść

Zastosowanie sterownik

komputerowych (np.

PLC

)

w uk

adach sterowania, w por

wnaniu z uk

adami

konwencjonalnymi, ma nast

puj

ce zalety:

liwo

ść

powtórnego wykorzystywania napisanych programów,

modułowa i blokowa budowa programów, co znacznie skraca czas
wykonania aplikacji,

liwo

ść

elektronicznego dokumentowania realizowanych

aplikacji,

liwo

ść

nadzorowania i diagnostyki podczas przebiegu procesu,

oszcz

dno

ść

czasu podczas wykonywania projektu układu

sterowania i opracowywania oprogramowania,

a niezawodno

ść

działania,

prosta i szybka instalacja oraz małe gabaryty,

niskie koszty budowy.

Zalety zastosowania sterowników komputerowych

Obraz procesu

w pami

wyj

ciowej

wyj

ciowej

Obraz procesu

w pami

wej

ciowej

wej

ciowej

Program

aplikacyjny

PLC

Proces w

systemie

technicznym

Sygnały do

elementów

wykonawczych

Sygnały z

czujników

(sensorów)

Cykliczna praca sterownika PLC

Sprz

towe składniki PLC

Moduły

wej

ciowe

Moduły

wyj

ciowe

Magistrala systemowa

Pami

ęć

programu

(EEPROM, RAM)

CPU (Procesor

słowowy,

bitowy)

Interfejs

komputerowy

(V.24, RS485)

Pami

ęć

systemowa

(ROM)

Pami

ęć

danych

(RAM)

Zasilacz

binarne,

analogowe

i cyfrowe

sygnały

binarne,

analogowe

i cyfrowe

sygnały

Wł

czniki

Przyciski

Bariera

wietlna

.
.
.

924

Zawór

Lampka

Silnik

Wska

nik

.
.
.

Sposób działania sterownika PLC

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

Utworzenie stanu pocz

tkowego

Zał

czenie

Aktualizacja sygnałów wej

ciowych

Wykonanie 1. instrukcji

Wykonanie 2. instrukcji

Wykonanie ostatniej instrukcji

Transmisja sygnałów wyj

ciowych

. . .

Zapis wyj

ść

Zapis wej

ść

łn

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

Odczyt wej

ść

Odczyt wej

ść

Instrukcja

Wywołanie podprogramu 1

Instrukcja

Wywołanie podprogramu n

Instrukcja

Ustawienie wyj

ść

Ustawienie wyj

ść

Instrukcja

. . .

Podprogram 1

Instrukcja

. . .

Powrót

Podprogram n

Instrukcja

. . .

Powrót

Realizacja programu w sterowniku PLC

Sensory, dajniki sygnałów

Sterownik

Moduł

wprowadzania

Moduł

wyprowadzania

Jednostka

przetwarzaj

Obraz

procesu

Merker

AKKU

Licznik

adresów

Człony

czasowe

Człony wykonawcze (aktuator’y)

Separacja galwaniczna

Magistrala

Budowa sterownika PLC

Budowa sterownika przemysłowego

Zewn

trzna RAM

Zewn

trzna ROM

Mikrokontroler

(

µµµµ

C) wzgl.

mikroprocesor

(

µµµµ

Płyta

Sterownik

Komunikacja

Obudowa

Pozostałe urz

dzenia

peryferyjne i moduły

Budowa mikrokontrolerów

Fieldbus

(np. CAN)

Aktuator

A/C

C/A

RAM, ROM – pami

CPU – jednostka centralna

A/C – przetwornik analogowo-cyfrowy

C/A – przetwornik cyfrowo-analogowy

PWM – modulacja szeroko

impulsów

Logiczna jednostka centralna CPU
(ang. Central Processor Unit)
urz

dzenia steruj

cego,

Małe gabaryty (µP

⇒

procesor),

Na jednym układzie (Chip’ie).

Mikrokomputer jednoukładowy (Single
Chip),

Pełny komputer na jednym układzie
składaj

cy si

(minimum) z:

• mikroprocesora (µP),

• wewn

trznej pami

ci,

• urz

dze

peryferyjnych I/O (ang.

Input/Output),

• magistrali systemowej.

Mikrokontroler

⇔

mikroprocesor

µC

(mikrokontroler)

µP

(mikroprocesor)

Budowa systemu mikrokomputerowego

Mechanizm steruj

Mechanizm obliczeniowy

Jednostka centralna (CPU)

Pami

ęć

główna

Pami

ęć

główna

(dla programów i danych)

Interfejsy wej

ść

Interfejsy wej

ść

wyj

ść

wyj

ść

Urz

dzenie ł

Urz

dzenie ł

(Magistrala systemowa)

Urz

dzenia

peryferyjne

Mikroprocesor

Mikrokomputer

System mikrokomputerowy

Koszty odgrywaj

istotn

rol

Nie s

stosowane najszybsze i najnowsze

procesory, lecz takie, które spełniaj

postawione

zadanie przy minimalnych kosztach.

Zegar

Jednostka centralna

(CPU)

Pami

ęć

programu (ROM

lub FLASH)

Pami

ęć

danych

(np. SRAM)

Układy wej

ść

wyj

ść

i peryferyjne

Rezonator

kwarcowy

RESET

Zasilanie

Sygnały

wej

ciowe

Sygnały

wyj

ciowe

Wewn

trzna

magistrala

adresowa

Wewn

trzna

magistrala

danych

.
.
.

Budowa mikrokontrolera

Potencjał rozwoju systemów mechatronicznych

1975

1985

2005

Rok

MIPS

0,01

0,1

1,0

25,0

500,0

4004

8080

8086

80286

80386

80486

Procesor

Pentium

Micro

2000

Moc obliczeniowa procesora (INTEL)

MIPS – milionów operacji obliczeniowych na sekund

Skumulowane
nakłady
badawcze i
rozwojowe

liwo

ci w liczbie

zintegrowanych funkcji
samochodu

10.000

1000

100

Obecnie

Funkcje

oparte na

mechanice

Funkcje

oparte na

elektronice

Funkcje oparte
na oprogramo-

waniu

Potencjał innowacyjny

Potencjał integracyjny

Architektura sterownika swobodnie programowalnego PLC

(ang. Programmable Logical Controller)

Bateria

RAM dla

programu

aplikacyjnego

CPU

Dajnik

taktu

ROM dla

danych

systemowych

RAM

dla

danych

Moduł

wej

ciowy/

wyj

ciowy

Programator

Bufor

Pami

ęć

rednia

Optoizolacja

Interfejs driver’a

Driver

Kanały wyj

ciowe

Kanały wej

ciowe

Magistrala systemowa I/O

Magistrala danych

Magistrala sterowania

Magistrala adresowa

Optoizolator

Dzielnik

napi

cia

Dioda

ochronna

Wej

cie

Sygnał do CPU

PLC

Kanał wej

ciowy z separacj

galwaniczn

sygnału

Cechy charakterystyczne PLC

Sterownik PLC jest specjalnym systemem komputerowym do realizacji zada

automatyzacji, które s

rozwi

zywane przewa

nie przez binarne układy

sterowania logicznego i sekwencyjnego.

Typowymi cechami charakterystycznymi PLC s

• obszar zastosowa

: automatyzacja z (PSR), tzn. pomiarami (P), sterowaniem

(S) i regulacj

(R)

• odporna budowa urz

dzenia dla pracy w surowych warunkach produkcyjnych,

• odporno

ść

na działanie

rodowiska, du

a odporno

ść

na zakłócenia i

niezawodno

ść

• okre

lone przebiegi w przypadku zakłóce

i ponownym uruchomieniu,

• brak pami

ci masowych takich jak twardy dysk czy CD-ROM,

• binarne, analogowe i cyfrowe wej

cia i wyj

cia (najcz

ęś

ciej odkłócone, z

separacj

galwaniczn

i odporne na zwarcie),

• komunikacja z innymi (sterownikami) przez systemy magistralowe (sieciowe),

• brak lub proste i odporne urz

dzenia obsługi (HMI),

• programowanie za pomoc

oddzielnego programatora lub PC,

• zorientowane na aplikacje j

zyki programowania (IL, LD, FBD, ST, SFC),

• cykliczne wykonywanie programu.

Rodzaje budowy sterowników PLC

Konwencjonalny PLC

Zintegrowany ze sterowaniem

Slot-PLC w PC

Soft-PLC z PC

Zalety:

• du

a odporno

ść

• wysoka niezawodno

ść

Wady:

• funkcje obsługowe na zewn

trz,

• komunikacja wymaga du

ych nakładów.

Bazowe układy sterowania:

• układy sterowania

numerycznego CNC (ang.
Computerized Numerical
Control),

• układy sterowania

robotów RC (ang. Robot
Control).

Wady:

• elastyczno

ść

zmniejsza niezawodno

ść

• I/O przył

czane tylko przez sie

Wady:

• I/O przył

czane tylko przez sie

• koszty karty PLC.

Zalety:

• elastyczno

ść

PC,

• dobrze realizowalne funkcje

obsługowe,

• ró

norodna komunikacja

Zalety:

• odporno

ść

i niezawodno

ść

dzi

specjalnym kartom PLC,

• cz

ęść

stanowi

ca PC dla funkcji

obsługowych i komunikacyjnych

Przykład zastosowania sterownika PLC

Rozpatrzmy proste wymaganie dotycz

ce urz

dzenia, które zał

cza człon wykonawczy np. silnik elektryczny na

okre

lony czas.

Rozwi

zaniem konwencjonalnym

(mechanicznym) tego problemu mo

e by

krzywka, która obraca si

ze stał

dko

powoduje uruchomienie ł

cznika. Czas trwania

zał

czenia jest zale

ny od kształtu tej krzywki.

Natomiast rozwi

zaniem mechatronicznym tego problemu mo

zastosowanie sterownika swobodnie programowalnego PLC

(ang. Programmable Logical Controller) z odpowiednim programem
aplikacyjnym. Takie rozwi

zanie, w porównaniu z obracaj

krzywk

, ma t

zalet

e czasy zał

czania i wył

czania mo

na w

prosty sposób zmienia

za pomoc

warto

ci parametrów zegara

(Timer’a) w programie aplikacyjnym. Natomiast w układzie
mechanicznym taka zmiana powoduje konieczno

ść

zastosowania

innej krzywki. Rozwi

zanie programowe jest znacznie prostsze w

realizacji ani

eli rozwi

zanie sprz

towe.

Merker

Wej

cie Start

uruchamia (zał

cza)

Merker, wej

cie jest

pami

tane i

uruchamiany jest
Timer 1.

Koniec

Timer 1

Timer 2

Timer 1

Merker

Start

Timer 2

Wyj

cie

Stop

Program aplikacyjny PLC

Timer 1 ustawia
wymagany czas dla
zał

czenia Wyj

cia.

Styk Timer 1 jest
zamykany, aby
wł

czy

Wyj

cie

Timer 2 jest
uruchamiany, je

eli

zamkni

te s

styki

Timer 1 i okre

la on

czas, po którym
nast

puje

wył

czenie wyj

cia

Merker

Krzywka

Styki

Napi

cie

zasilania

Zasilanie w energi

Wyj

cie

Wej

cie

+ 24 V

Wł

cznik

PLC

Stop

Zasilacze

Kondensatory

Transformatory

Oporniki

Wentylatory

wietlacze

Klawiatury

Baterie

Cewki

...

Urz

dzenia peryferyjne i zespoły

Systemy operacyjne

Rozró

nia si

dwa podstawowe rodzaje systemów operacyjnych:

Standardowe systemy operacyjne

Standardowe systemy operacyjne:

- w tle wykonywane s

dodatkowe programy (wygaszacz ekranu, skaner wirusów, ...),

- przerwania usług z urz

dze

peryferyjnych (mysz, klawiatura, ...),

⇒

nie mo

na zapewni

determinizmu pracy.

Systemy operacyjne czasu rzeczywistego RTOS

Systemy operacyjne czasu rzeczywistego RTOS (ang Real Time Operating System):

- system Scheduling’u zapewnia wykonywanie zada

o wysokim priorytecie,

- maj

bezpo

redni

kontrol

priorytetów,

- zadania o wy

szym priorytecie wypieraj

task’i (procesy) o niskim priorytecie,

- urz

dzenia peryferyjne nie mog

przerwa

algorytmów sterowania (regulacji),

⇒

zapewniony jest determinizm pracy.

Pod kontrol

standardowych systemów operacyjnych (np. Windows) pracuj

komputery

biurowe, a tak

e np. graficzne panele operatorskie HMI (interfejsy człowiek-maszyna).

Natomiast pod kontrol

systemów operacyjnych czasu rzeczywistego (np. Vx Works, OS-9)

pracuj

komputerowe sterowniki przemysłowe (np. PLC), a tak

e komputery przemysłowe,

systemy wbudowane.

Poj

cie „czas rzeczywisty” lub konkretne dane przebiegów czasu rzeczywistego daj

zdefiniowa

tylko w powi

zaniu z okre

lon

aplikacj

. Je

eli jej czasowe wymagania mog

le spełnione,

to wtedy system – w odniesieniu do tej aplikacji – jest czasu rzeczywistego. Równie

ne jest to,

e ma on wyra

nie przewidywalne, zapewnione dla wszystkich warunków pracy przebiegi czasowe.

Dla przebiegów czasowych systemu istotne s

cztery mierzalne kryteria. Oprócz czasu

przebiegu, cyklu lub reakcji nale

żą

do nich Jitter, synchroniczno

ść

oraz przepustowo

ść

danych.

W zale

ci od aplikacji istotn

wielko

e by

maksymalny czas transmisji informacji (czas

przebiegu), zadana siatka czasowa (czas cyklu), lub czas pomi

dzy zdarzeniem (sygnałem) i

wynikaj

z niego reakcj

(czas reakcji). We wszystkich tych przypadkach wychodzi si

z tego,

na poda

pewn

okre

lon

górn

granic

czasu, której w

adnym przypadku nie mo

przekroczy

przy realizacji wszystkich działa

sto wychodzi si

równie

z tego,

e działanie nie powinno przekroczy

zadanego maksymalnego

czasu, co nie stanowi problemu, gdy działanie (akcja) wymaga niewiele czasu. Istniej

jednak

równie

takie aplikacje, w których reakcja musi nast

wewn

trz dokładnie zdefiniowanego okresu

czasu, z mo

liwie małymi wahaniami pomi

dzy poszczególnymi zdarzeniami. W takim przypadku

istnieje wymaganie minimalnego Jitter’a, a zatem mo

liwie małego odchylenia od warto

ci zadanej.

eli ró

ne działania ró

norodnych urz

dze

powinny by

wykonane w jednakowym czasie, to

wyst

puje wymaganie dotycz

ce synchroniczno

ci. Daje si

to uzyska

albo za pomoc

rozproszonych i synchronicznie pracuj

cych zegarów, albo za pomoc

centralnie zadawanego taktu

synchronizacji, do którego s

odnoszone wszystkie działania. Wielko

mierzon

jest tutaj

dokładno

ść

synchronizacji.

Ponadto pewn

rol

ogrywa równie

ilo

ść

danych, któr

nale

y wymieni

w zadanym czasie.

Stanowi to specyficzne wymaganie przepustowo

ci danych systemu komunikacyjnego.

Systemy czasu rzeczywistego

Tryb czasu rzeczywistego jest takim działaniem systemu obliczeniowego, w którym programy s

stale gotowe

do wykonywania, dzi

ki czemu wyniki s

uzyskiwane w okre

lonym czasie. Dane mog

dostarczane w

sposób stochastyczny lub deterministyczny.

Działanie w czasie rzeczywistym (ang. Real Time)

Przetwarzanie

danych

Dane wej

ciowe

Dane wyj

ciowe

Przetwarzanie danych

nie w czasie rzeczywistym

nie w czasie rzeczywistym:

Przetwarzanie danych

w czasie rzeczywistym

w czasie rzeczywistym:

Przetwarzanie

danych

Dane wej

ciowe

Dane wyj

ciowe

Czas

System czasu rzeczywistego
jest takim systemem, w
którym jest istotny czas
uzyskiwania danych
wyj

ciowych.

Definicja czasu
rzeczywistego: “Zdolno

ść

systemu operacyjnego do
udost

pniania usług w

deterministycznie
ograniczonym czasie
odpowiedzi”.
Czas rzeczywisty nie
oznacza szybko

ci, lecz

okre

la dopasowan

czasowo interakcj

, tzn.

odpowied

na zewn

trzne

lub wewn

trzne zdarzenie

procesu (np. sygnał).

µµµµ

s 10

µµµµ

s 100

µµµµ

s 1 ms 10 ms 100 ms 1 s 10 s

Czas reakcji

Klasy

Real

Time

Budynki, poziom

kierowania i automatyzacji,

systemy magazynowe

Instalacje transportowe,

regulacja, wi

kszo

ść

instalacji automatyzacji

Obrabiarki, szybkie

procesy, roboty

Wysokodynamiczne

synchronizowane

procesy, „przekładnie

elektroniczne”

Klasa 2

Klasa 3

Klasa 4

Klasa 1

Rozwój układów sterowania numerycznego NC/CNC

Sprz

t (układy

sterowania NC)

Oprogramowanie (układy

sterowania CNC)

Czas

ródło: Salib

Relacja kosztów

oprogramowanie /

sprz

Zakres

funkcyjny

Przeka

nikowe NC

Lampowe NC

Tranzyst.

NC w technice układów

scalonych IC

CNC

Mikroprocesorowe

CNC

ESW
CAM

WOP

Obsługa graficzna

CIM

ONC

Koszty elementów

Wielko

ść

sprz

Wielko

ść

sprz

NC (ang. Numerical Control)

CNC (ang. Computerized Numerical Control)

Rozwój techniki NC/CNC

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Lampy elektronowe

Techn. tranzyst.

Techn. IC

Mini- i mikroprocesory (CNC)

Frezarki NC do zastosowania w przemy

Obrabiarki NC dla innych technik wytwarzania

Równol. ukł. kinemat.

Opracowanie pierwszej frezarki NC

(CNC)

Binarne ta

my perfor.

Symboliczny j

zyk programowania APT, tworzenie pliku CLDATA

Format PN-ISO 6983 (DIN 66025), tzw. G-kody

Graficzne wspomaganie programowania

NURBS

ła

Rok

Rozwój układów sterowania numerycznego NC/CNC

1960

1970

1980

1990

2000

Rok

100

Cena

Przeka

niki i lampy

Tranzystory

Minikomputery (CNC1)

Mikroprocesory (CNC2)

Jednoprocesorowe

CNC (CNC3)

VLSI, Technika SMD

PC-NC (CNC4)

Zakres funkcyjny i mo

liwo

(moc obliczeniowa) NC

IC (ang. Integrated Circuits)

VLSI (ang. Very Large-Scale Integration)

SMD (ang. Surface Mounted Devices)

PC-NC – układ CNC zintegrowany z PC

Pierwsza obrabiarka sterowana numerycznie

– MIT/ Boston (USA) 1953 r.

Regulacja poło

enia

Regulacja poło

enia

Tworzenie warto

ci zadanej

Tworzenie warto

ci zadanej

poło

enia

poło

enia

Informacje

o drodze

Informacje

o posuwie

Warunki

drogi

Rozdział danych NC

Dane geometryczne

Dane technologiczne

Pami

ęć

programu NC

Pami

ęć

programu NC

Sterowanie wczytywaniem programu i danych NC

Program NC

Maszyna wytwórcza

Nap

Układ

mechaniczny

Układ pomiaru

poło

enia

Sygnały

logiczne

Sterowanie

dopasowuj

Informacje o

zał

czaniu

Zespoły funkcyjne sterownika NC

Interpreter NC

Przetwarzanie

danych

geometrycznych

Interpolator

Regulacja

poło

enia

Regulacja

nap

dów

Programy NC

(kod ASCII)

Sygnały

PLC

Szybkie I/O

Warto

ci zadane/

rzeczywiste

nap

dów

Warto

ci zadane/

rzeczywiste

Wewn

trzny

blok danych

Zamienia bloki w kodach ASCII na wewn

trzny format

Steruje przebiegiem programu

Synchronizuje/ reorganizuje bufor bloków

Transformacja FRAME

Korekcja narz

dzi

Przygotowuje przebieg pr

dko

ci (LOCK AHEAD)

Interpolacja toru

Transformacja kinematyczna

Działania synchronizacyjne

Regulacja poło

enia

Regulacja pr

dko

Regulacja pr

Przepływ informacji w układzie NC

Przykład nowej rodziny

Solution

Line

Line układów CNC

SINUMERIK firmy Siemens

S840D sl

S840Di sl

S802D sl

Zabudowa modułowa

Uniwersalno

ść

zabudowy

SINAMICS

Do 31 osi/ wrzecion/10
kanałów

Zintegrowany PC-CNC

Synchroniczny PROFIBUS
dla SINAMICS i SIMATIC

Do 20 osi/ wrzecion/10
kanałów

Opcjonalnie analogowe
zł

cze dla nap

dów

Kompaktowy panel CNC

Do 4 osi/
1 wrzeciono/ 1 kanał lub
3 osie/
2 wrzeciona/ 1 kanał

Frezarka, tokarka

Struktura funkcjonalna robota

Planowanie

toru

Człon

nastawiaj

Nap

Sterowanie

robota

Układy

pomiarowe

Człon

nastawiaj

Przetwarzanie

ruchu

Narz

dzie

Narz

dzie

Obiekt

Programator

Informacja

Energia

Materiał

Otoczenie

Sensory

Układy

pomiaru

poło

enia

Wej

cia

cyfrowe

Układ

kinematyczny

(przeguby i człony)

Chwytaki/

narz

dzia

Nap

dy/

elementy

wykonawcze

Wyj

cia

cyfrowe

Układ sterowania RC robota

Program aplikacyjny

Interpreter

Warto

ci zadane/

Transformacje
współrz

dnych

Regulacja

poło

enia

PLC

Składniki robotów przemysłowych

Zadania układu sterowania RC:

sterowanie realizacj

przemieszcze

robota,

oddziaływanie na składniki procesu w systemie,

oddziaływanie na składniki transportu i dostarczania,

sterowanie funkcji chwytaka,

przyjmowanie i ocena sygnałów z sensorów,

przyjmowanie i ocena informacji procesowych dla oddziaływania na
proces,

funkcje diagnostyczne do rozpoznawania bł

dów robota i procesu,

wspomaganie obsługuj

cego,

wspomaganie programisty przy przygotowywaniu zada

automatyzacji.

Zadania układu sterowania RC robota

Aby wykona

wszystkie te zadania układ sterowania robota RC, oprócz jednostki o

ej mocy obliczeniowej, wymaga urz

dze

peryferyjnych do procesu i do

obsługi.

Składniki układu sterowania RC robota przemysłowego

Moduł komunikacyjny

Programy aplikacyjne,

instrukcje sterowania,

dane

Sterowanie sekwencyjne, interpreter

Sterowanie

ruchami/

Interpolator

Regulator

osi

ró

ła

łu

ła

ło

Przykład robota monta

owego SR6/8 (SCARA) firmy Bosch

Obszar roboczy

robota

Robot

- turboscara SR6, SR8

Urz

dzenia peryferyjne:

Urz

dzenia peryferyjne:

- 8 cyfrowych I,

- 4 cyfrowe O,

- 4 analogowe O.

Sie

Fieldbus

CAN

- warto

ci zadane,

- warto

ci rzeczywiste,

- rozproszone I/O.

Sie

Fieldbus

CAN

- rozproszone I/O.

Urz

dzenia peryferyjne:

Urz

dzenia peryferyjne:

- sensory,

- elementy wykonawcze,

- moduły I/O.

Obsługa

Diagnostyka

Touchscreen

Programowanie off-line

Programowanie on-line

Obsługa

Diagnostyka

Ustawianie parametrów robota

PHG2000

Programowanie on-line

Obsługa

Diagnostyka

Ustawianie parametrów
robota

Systemy wbudowane

sto w systemach mechatronicznych „wbudowane” s

mikroprocesory i mikrokontrolery, za

pomoc

których realizowane s

zadania sterowania lub regulacji. Przykładem takiego

rozwi

zania jest nowoczesna pralka automatyczna, która zawiera wbudowany mikrokontroler

słu

żą

cy do wybierania ró

nych programów prania. Obsługuj

cy pralk

musi jedynie przy pomocy

przeł

czników wybra

żą

dany program oraz dobra

parametry, a nast

pnie uruchomi

jego

wykonanie. Nie musi on jednak programowa

samego mikrokontrolera. Poj

cie system

wbudowany

ES (ang. Embedded System) jest u

ywane dla obiektów ze wspomaganiem

mikroprocesorowym, w których do sterowania wzgl. regulacji stosowana jest funkcja lub szereg
funkcji, ale bez ich programowania przez samego u

ytkownika. Programowanie układu

mikroprocesorowego zostało wykonane przez producenta maszyny (urz

dzenia), a poszczególne

programy zostały zapisane w pami

ci systemu i nie mog

przez u

ytkownika zmieniane.

Zmieniane mog

jedynie warto

ci parametrów wyst

puj

cych w tych programach.

Dla systemu wbudowanego producent wykonuje pami

ęć

ROM, która zawiera program. Jest to

opłacalne tylko wtedy, gdy wymagana jest du

a liczba takich chip’ów. Do wykonywania

prototypów lub aplikacji o małych wymaganiach program mo

e by

ładowany do sprz

ytkownika, tzn. pami

ci EPROM/EEPROM.

Systemy wbudowane znajduj

w prawie wszystkich nowoczesnych obiektach technicznych,

takich jak: samochody (np. asystent hamowania lub sterowanie dynamiki toru jazdy), samoloty,
systemy kierowania ruchem (sygnalizacja

wietlna), urz

dzenia medyczne, urz

dzenia

telekomunikacyjne, instalacje sterowania produkcj

i wiele artykułów konsumpcyjnych. Przejmuj

w nich one zło

one zadania sterowania, regulacji i przetwarzania danych oraz dzi

ki dodatkowym

własno

ciom zapewniaj

takim wyrobom przewag

konkurencyjn

na rynku. Dlatego te

systemy

wbudowane nale

żą

do najszybciej rozwijaj

cego si

obszaru w informatyce stosowanej.

Reaktywny system wbudowany

gła interakcja z procesem:

Wskazania, alarmy

optycznie, akustycznie itp.

Urz

dzenia obsługi

przyciski, klawiatura, itp.

Człowiek

kierowanie, nadzorowanie

Proces

techniczny

Aktuatory

styczniki, silniki itp.

Sensory

droga, pr

dko

ść

itp.

Sterowanie

Ingerencja,
parametryzacja

Dane o procesie

Wizualizacja

Oddziaływanie
na proces za
pomoc

aktuatorów

Procesy fizyczne:

– brak inteligencji (nie kognitywne),

– najcz

ęś

ciej sztywne interfejsy.

Wiele asynchronicznych zdarze

(sygnałów).

Twarde warunki czasu rzeczywistego:

– cz

sto wymagane izochroniczne przetwarzanie (regulator).

Bezpiecze

stwo.

Warunki otoczenia.

Struktura systemu wbudowanego (ES)

W zale

ci od rodzaju zastosowania i zwi

zanych z nim aspektów kosztów struktura fizyczna systemów

wbudowanych znacznie si

zmienia. Rozci

ga si

ona od jednoukładowych komputerów (cena ok. 1 EURO)

stosowanych w tanich artykułach konsumpcyjnych, takich jak np. zegary czy odtwarzacze, a

do komputerów

przemysłowych stosowanych w liniach produkcyjnych. Pomimo du

ych ró

nic w strukturze fizycznej wszystkie

systemy wbudowane maj

tak

sam

budow

logiczn

. Zamiast tradycyjnego interfejsu człowiek-maszyna HMI, jaki

jest stosowany w przypadku komputerów do ogólnego przetwarzania danych, w systemach wbudowanych wyst

puje

interfejs do otoczenia systemu technicznego. Oznacza to,

e zamiast zwykłych urz

dze

wprowadzania i

wyprowadzania danych takich jak klawiatura, monitor, gło

niki itp. stosowane s

urz

dzenia sensoryczne, za

pomoc

których system wbudowany okre

la własno

ci otoczenia oraz aktuatoryka, za pomoc

której ES realizuje

oddziaływanie na swoje otoczenie. Urz

dzenia sensoryczne zawieraj

zwykle czujniki, które mierz

okre

lone

wielko

ci otoczenia, przy czym przekazywane przez nie informacje nie musz

koniecznie zró

nicowanymi

danymi pomiarowymi, takimi jak np. temperatura w

C, lecz mog

to by

równie

najprostsze informacje

dwustanowe, takie jak np. dostarczane przez termostat. Natomiast aktuatoryka mo

e si

składa

z dowolnego

sterowanego przez wbudowany komputer członu nastawiaj

cego (wykonawczego), takiego jak np. zawory

elektromagnetyczne lub silniki krokowe. Poniewa

wła

ciwie ró

nica pomi

dzy zwykłymi komputerami do

przetwarzania danych i systemami wbudowanymi zawiera si

tylko w rodzaju interfejsu wprowadzania/

wyprowadzania, to wydaje si

ona pocz

tkowo mało znacz

ca. Jednak ma ona daleko id

ce konsekwencje, tak

i wła

nie dla rozwoju oprogramowania. Ponadto, zamiast bardzo zró

nicowanych interakcji u

ytkownika, jakie

wyst

puj

w ogólnym w przetwarzaniu danych, w systemach wbudowanych wyst

puje tylko konieczno

ść

reakcji na

mało zró

nicowane dane pomiarowe. Wymaga to zapewnienia systemowi wbudowanemu wystarczaj

co dokładnego

wewn

trznego modelu swojego otoczenia, który pozwala mu na interpretacj

danych pomiarowych i wybór

odpowiedniej reakcji. Do tego dochodzi jeszcze to,

e u

ytkownik (człowiek) dysponuje znacznie elastyczniejszymi

liwo

ciami reakcji ni

otoczenie techniczne, dzi

ki czemu mo

e on np. sensownie reagowa

na meldunki

bł

dów, rozpoznawa

zawieszenie si

programu, a tak

e tolerowa

spó

nion

reakcj

systemu (nawet gdy tego nie

chce). Jest to tak

e zwi

zane z tym,

e dostarczone wraz z masowymi wyrobami systemy wbudowane s

trudne do

korekcji (np. przez Internet), co powoduje szczególne wymagania dotycz

ce sprz

tu, a zwłaszcza oprogramowania.

Wreszcie musz

uwzgl

dnione wszystkie mo

liwe scenariusze wyst

puj

ce podczas zastosowania, tzn. ka

liwy lub przynajmniej prawdopodobny ci

g interakcji pomi

dzy układem technicznym i systemem wbudowanym.

dy nieprzewidziany scenariusz mo

e bowiem prowadzi

do bł

dnego zachowania si

systemu wbudowanego,

co w nast

pstwie mo

e spowodowa

fatalne skutki dla ciała,

ycia lub

rodowiska.

System wbudowany ES (ang. Embedded System):

(Prawie) wszystkie systemy czasu rzeczywistego RT (ang. Real Time) s

systemami

wbudowanymi, ale nie ka

dy system wbudowany jest systemem RT.

Systemy wbudowane maj

m.in. nast

puj

ce własno

ci:

system techniczny

, w którym wbudowany jest sterowany programowo układ

obliczeniowy,

układ obliczeniowy najcz

ęś

ciej

steruje

steruje,

reguluje

reguluje lub

nadzoruje

nadzoruje proces

techniczny,

układ obliczeniowy najcz

ęś

ciej

nie jest widoczny z zewn

trz

nie jest widoczny z zewn

trz (a zatem nie jest to

PC z klawiatur

, monitorem, ... ),

systemy wbudowane najcz

ęś

ciej (na szcz

ęś

cie)

nie s

swobodnie

nie s

swobodnie

programowalne

programowalne,

interfejsy u

ytkownika s

sto bardzo specyficzne albo nawet ich nie ma,

platforma rozwojowa

platforma rozwojowa (ang. development platform) i

platforma docelowa

platforma docelowa (ang.

target platform) dla oprogramowania s

wła

ciwie zawsze ró

ne,

ce do dyspozycji

zasoby sprz

towe

zasoby sprz

towe (ang. hardware) s

sto bardzo

ograniczone (przyczyna: koszty, zu

ycie energii, ci

ęż

ar, ograniczone miejsce, ... ).

Systemy czasu rzeczywistego RT - wprowadzenie

Typowe własno

ci systemu RT (Real Time):

jest wbudowany

jest wbudowany (ang. embedded): RT-(Software-)system jest składnikiem
wi

kszego układu sprz

towo/ programowego i najcz

ęś

ciej steruje/ reguluje

obiekt techniczny,

interakcja z zewn

trznym otoczeniem

interakcja z zewn

trznym otoczeniem: system RT współdziała z otoczeniem

zewn

trznym, które najcz

ęś

ciej nie jest „człowiekiem” – sensory do

nadzorowania

rodowiska systemu technicznego i aktuatory do kontroli

otoczenia,

jest reaktywny

jest reaktywny (ang. reactive): systemy RT s

sto „nap

dzane”

zdarzeniami i musz

reagowa

na zewn

trzn

stymulacj

– odpowied

/ reakcja

jest cz

sto zale

na od stanu (sygnału),

warunki czasowe

warunki czasowe (ang. timing constraints): dane wej

ciowe/ zdarzenia

musz

przetworzone w zadanym (okre

lonym) czasie; wymagana jest nie

tylko poprawno

ść

realizacji zada

, ale tak

e wykonanie ich we wła

ciwym

czasie,

współbie

ść

współbie

ść

(ang. concurrent): wiele działa

jest wykonywanych albo

rzeczywi

cie równocze

nie (równolegle), albo s

one czasowo powi

zane,

rozproszenie

rozproszenie (ang. distributed): rozproszony system RT działa na wielu
w

złach (procesorach), które s

poł

czone sieci

komunikacyjn

Typowe własno

ci systemu RT

Przykłady systemów wbudowanych

Poszczególne urz

dzenia i maszyny:

Poszczególne urz

dzenia i maszyny:

sprz

t codziennego u

ytku: urz

dzenia kuchenne,

odtwarzacze CD, aparaty fotograficzne i kamery, gry
video,

urz

dzenia peryferyjne komputerów: drukarka, modem,

telekomunikacja: urz

dzenia transmisyjne, telefony

komórkowe,

wytwarzanie: obrabiarki, roboty przemysłowe,

transport: samochody, poci

gi, sygnalizacja

wietlna,

technika medyczna: tomograf komputerowy,

automatyzacja produkcji.

Przykłady systemów wbudowanych

Zło

one instalacje techniczne:

Zło

one instalacje techniczne:

instalacje wytwórcze, elektrownie,

kierowanie ruchem w transporcie,

systemy satelitarne, komunikacja w skali
globalnej,

technika budowlana,

instalacje i automatyzacja procesów.

Technika i

rodki transportowe:

•

systemy kierowania ruchem l

dowym, morskim i lotniczym, takie jak lampy, elektroniczne tablice nad drogami, systemy

parkowania, instalacje pozyskiwania informacji o ruchu, nastawniki, instalacje radarowe, radiowe układy namierzania i
kierowania,

•

samochody, poci

gi, samoloty i statki, które zawieraj

ró

norodne systemy wbudowane, np. sterowanie układami

nap

dowymi, systemy Fly-by-wire, stabilizacja poło

enia samolotu, systemy zapobiegaj

ce blokowaniu hamulców i

regulacji dynamiki toru jazdy, sterowanie poduszek powietrznych, blokowanie dróg jazdy, centralna blokada, sterowanie
podnoszenia szyb, sterowanie

wiatłem wewn

trznym, regulacja instalacji klimatyzacyjnej.

Technika komunikacyjna:

•

telefony komórkowe,

•

urz

dzenia ko

cowe sieci stacjonarnych: telefon, fax, modem,

•

urz

dzenia poł

cze

sieciowych.

Sprz

t gospodarstwa domowego:

•

kuchenki mikrofalowe, pralki, zmywarki do naczy

•

zdalna obsługa,

•

telewizory, radiobudziki, odtwarzacze CD, urz

dzenia satelitarne, odtwarzacze CD,

•

konsole do gier, zabawki z efektami

wietlnymi i d

kowymi,

•

aparaty fotograficzne, kamery wideo.

Budynki:

•

sterowanie ogrzewaniem, sterowanie o

wietleniem, centralne zamki, magistrale domowe,

•

instalacje przeciwpo

arowe i przeciwłamaniowe.

Technika ochrony

rodowiska:

•

sterowanie i nadzorowanie w elektrowniach,

•

kontrola emisji.

Technika medyczna:

•

systemy dla pacjentów takie jak stymulatory serca, urz

dzenia słuchowe, funkcjonalne protezy,

•

urz

dzenia medycyny ratunkowej takie jak np. defibrylatory, urz

dzenia oddechowe,

•

urz

dzenia pomiarowe, systemy diagnostyczne i systemy nadzorowania pacjentów, takie jak elektrokardiograf,

elektroencefalograf, tomograf, monitor funkcji

yciowych,

•

urz

dzenia do na

wietlania, urz

dzenia do terapii ruchowej.

Przykłady zastosowania systemów wbudowanych

Zwi

kszenie komfortu w prostych wyrobach (np. pralki

automatyczne, itp.)

Zmniejszenie wielko

ci i masy (np. przeno

ny telewizor, itp.)

Zwi

kszenie mobilno

ci (telefony, pagery, itp.)

Zwi

kszenie efektywno

ci/ funkcjonalno

ci (np. aparat

fotograficzny w telefonie komórkowym, itp.)

Zwi

kszenie bezpiecze

stwa (np. ABS, ESP)

Zwi

kszenie mo

liwo

ci piel

gnacji (np. jednostki diagnostyczne,

itp.)

Zmniejszenie kosztów produkcji (mechanika

→

elektronika)

Zmniejszenie zu

ycia energii (np. elektroniczna regulacja

temperatury)

Personalizacja urz

dze

Przyczyny stosowania systemów wbudowanych

Gospodarcze znaczenie systemów wbudowanych:

Uzyskiwanie korzy

ci wynikaj

cych z konkurencji na rynku dzi

kombinacji oprogramowania i sprz

tu (szybsza realizacja zło

onych

funkcji, ... ),

Koszty wbudowanej elektroniki np. w nowoczesnym samolocie z
500 procesorami s

ksze ni

30%, z czego 80% przypada na

oprogramowanie,

Udział kosztów w obszarze pojazdów (samochodów) jest podobny
(obecnie do 100 procesorów),

Prawie 90% wszystkich elementów elektronicznych jest
stosowanych w systemach wbudowanych,

Rynek procesorów w 2003 r.:

- 200 mln procesorów w komputerach PC i serwerach,

- 8 mld procesorów w systemach wbudowanych.

Znaczenie systemów wbudowanych

Rodzaje systemów wbudowanych (1): zamkni

te,

lokalne systemy

Sterownik komputerowy wykorzystuje wiele sensorów i aktuatorów.

System ma jedno (rzadko wi

cej) na stałe zdefiniowane zadanie (-a).

Otoczenie

Sensor

Sterownik

komputerowy

Aktuator

Typowe własno

ci:

Typowe własno

ci:

- do czasu pracy stała konfiguracja,

- najcz

ęś

ciej stałe wymagania,

- wysoka niezawodno

ść

- sterowanie zdarzeniami,

- praca w czasie rzeczywistym.

Typowe przykłady:

- sprz

t gospodarstwa domowego,

- sterowanie maszyn (urz

dze

- urz

dzenia medyczne,

- elektronika domowa.

Rodzaje systemów wbudowanych (2): zamkni

te,

rozproszone systemy

Wiele sterowników komputerowych komunikuje si

przez dedykowane

poł

czenia lub sieci miejscowe.

Od czasu do czasu dochodz

nowe aplikacje.

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Typowe własno

ci:

Typowe własno

ci:

- do czasu pracy stała konfiguracja,

- od czasu do czasu dodatkowe

wymagania,

- „graceful degradation” – fail safe,

- sterowanie zdarzeniami,

- praca w czasie rzeczywistym.

Typowe przykłady:

- sterowanie pojazdów,

- linie produkcyjne,

- sterowanie d

wigów

osobowych (wind).

Rodzaje systemów wbudowanych (3): otwarte,

rozproszone systemy

Zmieniaj

ce si

urz

dzania komunikuj

przez dynamicznie tworzone

poł

czenia (np. przez Internet lub fale radiowe).

Nowe aplikacje daj

instalowa

podczas pracy systemu .

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Fale

radiowe

Internet

Typowe własno

ci:

Typowe własno

ci:

- zmienna konfiguracja,

- szybko zmieniaj

ce si

wymagania,

- niezawodna identyfikacja i pewne

poł

czenia,

- elastyczno

ść

i odporno

ść

Typowe przykłady:

- Webcams,

- sieci Bluetooth,

- inteligentne sieci domowe,

- rozproszone aplikacje

SmartCard.

Systemów wbudowanych wokół nas jest coraz wi

cej. Wielko

ść

rynku systemów operacyjnych typu embedded

liczona jest w setkach milionów dolarów, a by

e przekroczyła ju

nawet miliard dolarów. Oznacza to,

producenci maj

o co walczy

. Kilkadziesi

t lat temu systemy wbudowane wyst

powały głównie w

wyrafinowanych urz

dzeniach zwi

zanych z automatyk

przemysłow

i medyczn

, lotnictwem czy satelitami.

Przeci

tny u

ytkownik nie miał z nimi do czynienia i nawet nie wiedział o ich istnieniu. Rewolucja informatyczna i

miniaturyzacja, które nast

piły w latach osiemdziesi

tych XX w. kompletnie zmieniły ten stan rzeczy.

Do urz

dze

przemysłowych doł

czyły w ci

gu ostatnich kilkunastu latach ró

ne urz

dzenia domowe – np.

tunery satelitarne, odtwarzacze DVD i urz

dzenia podr

czne, np. handheldy, palmtopy i telefony komórkowe.

Znakomita wi

kszo

ść

urz

dze

embedded – niezale

nie od tego, czy mówimy o nowoczesnym telefonie

komórkowym, czy o marsja

skim łaziku musi by

wyposa

ona w system operacyjny czasu rzeczywistego

RTOS (ang. Real Time Operating System). Jest to konieczne, aby zagwarantowa

odpowiedni

szybko

ść

reakcji na zachodz

ce zdarzenia. Co wi

cej, bior

c pod uwag

e 98% produkowanych procesorów

wykorzystywanych jest wła

nie w urz

dzeniach typu embedded, to rynek i potencjalne zyski do podziału s

gigantyczne.

Istnieje kilkadziesi

t systemów operacyjnych wykorzystywanych w urz

dzeniach typu embedded, ale takich,

które maj

licz

na rynku pozycj

jest tylko kilka. Najpopularniejsze z nich to Microsoft Windows CE,

VxWorks firmy Wind River Systems i Symbian zaprojektowany przez Symbian Ltd. Te trzy systemy maj

razem

prawie 70% rynku. W

ród nich dominuje Microsoft Windows CE, który w 2005 r. miał blisko 30% udziału w

rynku. Warto jednak pami

e rynek RTOS jest pełen wyspecjalizowanych nisz, rz

cych si

własnymi

prawami. O ile Microsoft ma niemal 30% całego rynku systemów wbudowanych, to w przypadku nowoczesnych
telefonów komórkowych jest to ju

tylko 15%. W tej dziedzinie króluje Symbian, który instalowany jest w 67%

tego typu urz

dze

Rynek urz

dze

embedded rozwija si

niezwykle dynamicznie, głównie za spraw

urz

dze

przeno

nych. Nic

c dziwnego,

e producenci systemów operacyjnych intensyfikuj

prace nad ulepszeniem swoich produktów,

zwi

kszaj

c ich niezawodno

ść

i minimalizuj

c wymagania sprz

towe. Cho

moc obliczeniowa i pami

ęć

staj

z roku na rok coraz ta

sze, to rosn

równie

wymagania u

ytkowników i stopie

zło

ono

ci urz

dze

, a co za

tym idzie - wymagania stawiane u

ywanym systemom operacyjnym staj

coraz wi

ksze. Przykładem takiej

ewolucji jest Windows CE.

Rozwój systemów wbudowanych

Technologie informacyjne w wyrobach – systemy wbudowane

Systemy wbudowane ES (ang. Embedded Systems):

to układy mikroprocesorowe stosowane w systemach technicznych (np. samochodach, samolotach),

najcz

ęś

ciej s

one ukryte oraz zwykle s

reaktywnymi lub hybrydowymi systemami z wymaganiami czasu

rzeczywistego,

podlegaj

silnie ograniczaj

cym warunkom brzegowym:

przejmuj

zadania regulacji,

maj

sze wymagania dotycz

ce jako

ci i bezpiecze

stwa,

maj

zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym oraz wysok

niezawodno

ść

• minimalne zu

ycie energii,

• minimalna wielko

ść

(gabaryty),

• minimalna masa,

• minimalne koszty,

•

…

Technologie informacyjne w wyrobach - samochód

ksze bezpiecze

stwo przez zastosowanie systemów wbudowanych ES (ang.

Embedded Systems) w samochodach:

do 40% kosztów i 90% innowacji uzyskuje si

dzi

ki technologiom informacyjnym IT

(ang. Information Technology),

do 80 mikroprocesorów w samochodzie i ponad 100 MB oprogramowania.

Mecha-
nicznie

Elektro-
mecha-
nicznie

Mecha-
tronicznie
(obecnie)

Mecha-
tronicznie
(za 5 lat)

100

Udział kosztów wytwarzania w %

Mechanika

Układy
elektryczne

Elektronika

Oprogra-
mowanie

Wg Audi

Sterowanie

klimatyzacj

Sterowanie silnikiem

ABS

Informacje

Skrzynia

biegów

Technologie informacyjne w wyrobach

mechatronicznych

Systemy wbudowane ES (ang. Embedded Systems):

- systemy (mikro-) komputerowe, które s

wbudowane w

obiekty techniczne (np. samochody, samoloty, …),

- najcz

ęś

ciej niewidoczne i zwykle reaktywne lub hybrydowe,

- systemy z wymaganiami czasu rzeczywistego,

- podlegaj

silnie ograniczaj

cym warunkom brzegowym:

• minimalne zu

ycie energii,

• minimalna wielko

ść

(gabaryty),

• minimalny ci

ęż

ar,

• minimalne koszty,

• …

Wbudowane oprogramowanie:

- przejmuje zadania regulacji w ES,

- wy

sze wymagania dotycz

ce jako

ci i bezpiecze

stwa:

• zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym, niezawodno

ść

, ...

Fale elektromagnetyczne w transmisji danych

f [Hz] 10

wiatło

widzialne

Radio

Mikro-

fale

Podczer-

wie

Promienio-

wanie X

Promienio-

wanie Gamma

f [Hz] 10

Pasmo LF MF HF VHF UHF SHF EHT THF

Skr

tka

Maritime

radio

Koncentryk

Satelity

Mikrofale

naziemne

wiatło-

wód

stotliwo

ść

Media transmisyjne jako no

niki fal elektromagnetycznych

Zwi

zane z kablami:

Zwi

zane z kablami:

• transmisja elektryczna:

- skr

tka dwuparowa (ang. Twisted Pair Kabel),

- kabel koncentryczny (ang. Koaxial Kabel),

• transmisja optyczna:

wiatłowód (jedno- i wielomodowy).

Bezprzewodowe:

• transmisja za pomoc

fal radiowych:

- wykorzystanie nielicencjonowanych zakresów pasma,

- wykorzystanie licencjonowanych zakresów pasma,

• transmisja za pomoc

wiatła:

- promienie lasera na

rednie odległo

ci,

- podczerwie

na małe odległo

ci.

Komunikacja sieciowa jest stosowana w trzech głównych obszarach

automatyzacji:

Automatyzacja w przemy

le: poł

czenie w sie

urz

dze

(sensorów,

aktuatorów, PLC, komputerów, …) w instalacjach przemysłowych
(wytwarzanie, technika procesowa, elektrownie, …)

rodki transportu (samochody, samoloty): poł

czenie w sie

urz

dze

sterowniczych (sterowników, komputerów), członów wykonawczych
(aktuatorów), sensorów, …

Automatyzacja budynków: poł

czenie w sie

urz

dze

i instalacji w

budynkach (ogrzewanie, o

wietlenie, wentylacja, ...).

Sieciowe systemy komunikacyjne - wprowadzenie

Systemy magistralowe,

Systemy komunikacyjne w tym obszarze s

okre

lane jako magistrale,

poniewa

najcz

ęś

ciej stosowana jest topologia liniowa (ale nie wył

cznie),

Sie

sensorów/ aktuatorów: na najni

szym poziomie hierarchii,

Sie

miejscowa (ang. Fieldbus): na poziomie sterowników i komputerów,

Ró

norodne architektury i mechanizmy (magistrala/ pier

cie

/ gwiazda/

drzewo, Polling/ Token-Passing/ dost

p losowy / TDMA, …).

W sieciowym systemie komunikacyjnym (magistrala szeregowa) wiele

składników (urz

dze

) elektronicznych dzieli si

wspólnym medium

transmisyjnym. Dane s

transmitowane szeregowo w postaci bitów i mog

w zasadzie odbierane przez wszystkich uczestników magistrali (ang.

Broadcasting), okre

lanych tak

e jako w

zły sieci.

W odró

nieniu do poł

cze

typu punkt-z-punktem nakłady zwi

zane z

okablowaniem s

tutaj znacznie mniejsze. Powoduje to zmniejszenie

zarówno kosztów jak i ci

ęż

aru. Ponadto zwi

ksza si

niezawodno

ść

całego

systemu mechatronicznego, a jego projektowanie staje si

przejrzyste.

W zastosowaniach sieciowych systemów komunikacyjnych konieczne jest

uwzgl

dnienie m.in. nast

puj

cych aspektów:

tworzenie ramek (ang. Framing), czyli budowa wiadomo

ci,

adresowanie (tworzenie jednoznacznego przyporz

dkowania ramki i w

zła

sieci),

dost

p do magistrali wzgl. utrzymanie warunków czasowych,

ochrona danych wzgl. obsługa bł

dów oraz

synchronizacja.

Sieciowe systemy komunikacyjne

Szeregowe systemy komunikacyjne

Fieldbus

(szeregowy)

IrDA (ang. Infrared Data Acces)

IrDA

Magistrale i sieciowe systemy komunikacyjne

Magistrala

Magistrala (system komunikacyjny) ma wyra

struktur

(topologi

) tak

jak: linia, pier

cie

czy drzewo i

jest przeznaczona do przesyłania (transmisji) informacji. Przez magistral

okre

la si

układ przewodów, w

którym na zasadzie adresowania pracuj

ró

ne urz

dzenia. W automatyzacji procesów cz

sto stosowane

standardowe magistrale, za pomoc

których mog

pracowa

ró

ne urz

dzenia i składniki (komponenty).

W trybie pracy systemu komunikacyjnego Master-Slave urz

dzenie nadrz

dne (Master) kontroluje

działanie magistrali. Natomiast przył

czone urz

dzenia podrz

dne (Slave’s) mog

tylko odpowiada

, gdy

one odpytywane. W rozwi

zaniu Multi-Master mo

liwe jest rozpoczynanie komunikacji od ró

nych

urz

dze

. Jednak wówczas musz

stosowane metody zapewniaj

ce udost

pnianie magistrali wzgl.

unikanie kolizji.

Przykłady: magistrala PCI w PC, sieci miejscowe (ang. Fieldbus).

Cykliczne odpytywanie Slave’ów przez Master nazywa si

Polling’iem.

System komunikacyjny Master-Slave

Master

Slave

Sieciowe systemy komunikacyjne

Mechanizm sieciowy

Terminem mechanizmu sieciowego okre

lany jest system komunikacyjny, który mo

e mie

równie

zło

struktur

z podsieciami, wieloma drogami transmisji lub ró

norodnymi protokołami. Przez

podsieci (segmenty) i urz

dzenia sieciowe z pami

e by

równocze

nie przesyłanych wiele

informacji i wyrównywane ró

ne szybko

ci transmisji.

W modelu komunikacji sieciowej typu Client-Server przez Server’y s

oferowane informacje lub

usługi. Client jest aktywny i wysyła

żą

danie na adres okre

lonego Server’a. Nast

pnie on (tzn. Server)

dostarcza Client’owi odpowiedniej informacji lub te

wykonuje za

żą

dan

usług

. Zatem Server sam w

sobie nie jest aktywny. Typowymi sieciami Client-Server s

Intranet i Internet, które s

oparte na

protokole TCP/IP Ethernet’u.

Poj

cia system z magistral

i mechanizm sieciowy cz

sto w praktyce nie s

wyra

nie rozró

niane.

Sie

Client-Server

Server

Client

Sieci miejscowe (ang. Fieldbus)

Miejscowe sieci komunikacyjne (ang. Fieldbus) zwykle ł

urz

dzenia steruj

ce (sterowniki, regulatory,

komputery) bezpo

rednio z czujnikami i aktuatorami. Ró

one swoimi własno

ciami technicznymi i s

stosowane tam, gdzie wyst

puj

specjalne wymagania dotycz

ce obiektu (procesu), takie jak :

• liczba adresowanych urz

dze

• system Multimaster, przy czym sterowanie przez magistral

e by

przekazane z jednego urz

dzenia do

innego,

• krótkie czasy reakcji wzgl. mo

liwo

ść

pracy w czasie rzeczywistym (deterministycznie),

• wysoka efektywno

ść

przesyłania pakietów przy krótkich informacjach,

• pakiety z du

żą

ilo

danych,

• niezawodno

ść

transmisji,

• odporno

ść

na włamania z zewn

trz sieci,

• wymiana urz

dze

podczas pracy systemu (ang. Hot Swap),

• rozszerzalno

ść

(skalowalno

ść

• nakłady i koszty zwi

zane z okablowaniem,

• koszt przył

czanych układów,

• odporno

ść

(mechaniczna, elektryczna),

• dost

pno

ść

wymaganych składników (sensorów, aktuatorów, urz

dze

peryferyjnych),

• wsparcie techniczne, istniej

ce do

wiadczenia, rozpowszechnienie standardów,

• zasilanie urz

dze

obiektowych (o małym poborze mocy, np. czujników) przez magistral

(przewody

sygnałowe).

Protokół Hart (ang. Highway Addressable Remote Transducer) umo

liwia transmisj

sygnałów cyfrowych

przez analogow

dow

4...20 mA, bez oddziaływania na sygnał analogowy. Na zmieniaj

cy si

wolno

sygnał analogowy jest nakładany sygnał o zmiennym napi

ciu. Dla warto

ci bitów 0 i 1 s

do dyspozycji dwie

stotliwo

ci (2200 Hz, 1200 Hz). Ten protokół jest stosowany przede wszystkim wtedy, gdy do cyfrowej

komunikacji powinno by

wykorzystane istniej

ce ju

okablowanie analogowe. Mo

e wówczas pracowa

wiele

urz

dze

z odpowiednimi własnymi adresami na jednym przewodzie z przeł

cznikiem (ang. Multiplexer) i

adresowaniem.

Sie

MOD-Bus ma prosto programowalny protokół dla systemu Master-Slave. Do transmisji danych

wykorzystywany jest interfejs RS-485.

Sie

CAN (ang. Controler Area Network, ISO 11898) została opracowana pierwotnie do zastosowania w

samochodach osobowych w celu integracji składników. Nast

pnie została ona rozszerzona jako CANOpen

(Europa) wzgl. DeviceNet (USA) z odpowiednim oprogramowaniem do automatyzacji i jest cz

sto stosowana.

Do transmisji jest wykorzystywany interfejs RS-485.

Sie

Profibus (EN 50 170) jest natomiast stosowana w wi

kszych instalacjach przemysłowych i do

niezawodnej transmisji wi

kszych ilo

ci danych. Jest ona rozpowszechniona głównie w Europie. Rozró

nia si

trzy odmiany sieci Profibus:

• Profibus PA (do automatyzacji procesów, w obszarach zagro

onych wybuchem),

• Profibus DP (niem. Dezentrale Peripherie),

• Profibus FMS (ang. Fieldbus Message Specification). Do transmisji wykorzystywany jest interfejs RS-485.
Ta odmiana jest wycofywana z zastosowa

• PROFInet (PROcess Field net). Ta technika jest jeszcze nadal rozwijana i umo

liwia ona wł

czenie w sie

za pomoc

Ethernet’u, poszczególnych elementów równie

na poziomie obiektowym (Ethernet do czujników i

nap

dów). Mo

na w niej nadal stosowa

istniej

ce ju

standardy (Fieldbus, OPC). Wyst

puj

ce problemy

zwi

zane ze sterowaniem w czasie (ang. Realtime) s

rozwi

zywane przez podział sieci na segmenty i

rozszerzenie do sterownika przez przeł

czniki sieciowe (ang.Switche’s).

Sieci miejscowe (Fieldbus)

Za pomoc

sieci miejscowej (obiektowej) AS-i (ang. Aktuator-Sensor-Interface) jest okre

lany system

komunikacyjny, w którym poszczególne składniki (urz

dzenia) mo

na przył

czy

bez stosowania narz

dzi do

elastycznego kabla z zasilaniem i komunikacj

. Ostre kołki przebijaj

cienk

izolacj

kabla i ł

odpowiednimi przewodami (poł

czenie na tzw. „wampirki”, bez u

ycia zł

czy z gniazdami wtykowymi).

Uzupełnienie: czas rzeczywisty (ang. Real time)

Wzmaganie dotycz

ce zdolno

ci do pracy w czasie rzeczywistym oznacza,

e informacja w

okre

lonym czasie musi dotrze

do odbiorcy. W zale

ci od aplikacji ten czas mo

e wynosi

kilka sekund

(np. zarz

dzanie magazynem) lub te

kilka milisekund (np. sterowanie obrabiarek). Rosn

równie

wymagania dotycz

ce pewno

ci transmisji danych (bezpiecze

stwa, niezawodno

ci). I tak np. komunikacja

pomi

dzy obwodami bezpiecze

stwa (ang. Safety) instalacji musi by

wykonana w sposób niezawodny.

Dlatego te

istniej

ce sieci miejscowe s

dalej rozwijane w kierunku bezpiecze

stwa (DeviceNetSafety,

PROFISafe, AsiSafety at work).

Przemysłowa transmisja bezprzewodowa (radiowa)

Na obszarze Unii Europejskiej do transmisji bezprzewodowej z ograniczon

moc

sygnału nadawania s

dost

pne bez licencji cz

stotliwo

ci 869 MHz i w pa

mie 2,4GHz. Te tzw. cz

stotliwo

ci ISM (ang. Industrial,

Scientific, Medical) mog

równie

stosowane do bezprzewodowej transmisji danych w przemy

le.

liwe s

przy tym szybko

ci transmisji do 54Mbit/s (IEEE 802.11g). Istniej

dwie metody transmisji, tzn.

DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z mo

liwo

szej szybko

ci transmisji i FHSS (ang.

Frequence Hopping Spread Spectrum) o wi

kszej odporno

ci na zakłócenia.

Technika radiowa jest równie

podstaw

, na której zbudowane s

sieci bezprzewodowe WLAN (ang. Wireles

Local Area Network) do komunikacji z komputerami. Rozwijane s

tak

e sieci do bezprzewodowej

komunikacji z sensorami, dzi

ki czemu mo

liwa jest transmisja danych pomiarowych, odpytywanie o status

urz

dzenia oraz zmiana jego parametrów (parametryzacja). W tego rodzaju rozwi

zaniach sieci (ang. mesh

network) urz

dzenia podejmuj

samoczynnie poł

czenie z innymi dost

pnymi urz

dzeniami, nie wyst

puje

adne urz

dzenie nadrz

dne (Master), a dane mog

transmitowane z wykorzystaniem ró

nych dróg

poł

cze

Sieci komunikacyjne c.d.

Ethernet

Poj

ciem Ethernet jest okre

lany cały system techniczny, z którego zbudowane s

zwykle lokalne sieci

komputerowe LAN (ang. Local Area Network). Nale

żą

do niego np.:

• kabel,

• zł

cza (gniazda i wtyki),

• karty sieciowe w komputerze,

• przeł

cznik sieciowy (ang. Switch), który wyodr

bnia segmenty sieci,

• Router (przej

cie do innych sieci).

W pracy komputerowych sieci komunikacyjnych przyj

ło si

wiele standardów, np. dla:

• własno

ci elektrycznych sygnałów (napi

cia, szybko

ść

transmisji),

• rodzaju kodowania (np. kod Manchester),

• metod dost

pu (np. z rozpoznawaniem kolizji),

• budowy pakietów.

Jakie znaczenie ma zawarto

ść

pakietów i jak jest uzyskiwana niezawodna transmisja nie s

tutaj okre

lone.

Dlatego te

w jednej i tej samej sieci Ethernet mog

wymieniane dowolne zawarto

ci informacji w ró

nych

protokołach (np. http, ftp, dstp). Za pomoc

tylko jednorazowo wyst

puj

cego adresu dla ka

dego komputera

daje si

utworzy

poł

czenie transmisyjne. Je

eli wymiana informacji powinna si

odbywa

w obu kierunkach,

to dla ka

dego protokołu w obu komputerach musi by

zainstalowany serwer (program komputerowy), który ze

swojej strony tworzy poł

czenie z programem aplikacyjnym (tutaj narz

dzie wirtualne).

Aby Ethernet mógł by

w sposób uniwersalny wykorzystywany w przemy

le, to tak

liwo

ść

daje m.in. jego

niestandardowy wariant, w którym magistrala danych zapewnia równie

zasilanie urz

dze

o małej mocy (PoE:

Power over Ethernet). W sieciach bezprzewodowych WLAN (ang. Wireless LAN) kable miedziane (skr

tka)

lub

wiatłowód s

zast

powane przez fale radiowe. W ten sposób mo

na uzyska

zasi

g w terenie do 300 m, a

w budynkach jest on znacznie mniejszy. Dane s

przesyłane w protokole TCP/IP.

Data Socket Transfer Protocol (specjalny

protokół w LabVIEW)

Pomi

dzy Server’ami daj

transmitowa

dane z elementów ekranu monitora lub dane z przył

czonych

urz

dze

. Ka

de wirtualne urz

dzenie VI (ang. Virtual Instrument) mo

e przy tym zapisywa

dane na swój

Server, który nast

pnie mo

e by

odpytywany przez inne VI (jako Client).

LabView – oprogramowanie
firmy NI (National Instruments)
do tworzenia aplikacji dla
pomiarów, sterowania, warstw
obsługi itp.

Protokoły i usługi w sieciowych systemach komunikacyjnych

Protokół:

znana liczba reguł i formatów, które s

wykorzystywane do komunikacji pomi

dzy procesami

w celu wykonania okre

lonego zadania.

Usługa:

- realizacja zdefiniowanego zadania,

- usługobiorca i usługodawca komunikuj

pomoc

okre

lonego interfejsu.

Warunki fizyczne:

•

• zastosowanie odpowiednich metod, aby przez medium móc

transmitowa

informacje.

Topologia:

•

• fizyczna struktura sieci.

Sterowanie dost

pem

Sterowanie dost

pem (przy wspólnie wykorzystywanym medium):

•

• koordynacja wielu nadajników, aby unikn

ąć

kolizji i tym samym

zniszczenia informacji,

•

• rozwi

zania dost

pu:

- równouprawniony (ang. Fairness),

- z priorytetem.

Media transmisyjne

Magistrale szeregowe

Multipleksowanie

w czasie

Multipleksowanie

stotliwo

ciowe

Transmisja synchroniczna

z centraln

kontrol

Transmisja

asynchroniczna

Jeden uczestnik

na kanał

Wielu uczestników

na kanał

Kontrolowany dost

do magistrali

Losowy dost

do magistrali

Centralny przydział

magistrali

Rozproszony

przydział magistrali

CSMA/CD

CSMA/CA

Metoda z wykrywaniem kolizji CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) i metoda z unikaniem
kolizji CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid).

Metody dost

pu do magistrali

Sieciowe systemy komunikacyjne - dost

p do

magistrali

Dost

p losowy:

Dost

p losowy:

CSMA

CSMA: ka

da stacja

e w ka

dej chwili

przesyła

informacj

, a

w przypadku kolizji
nast

puje powtórzenie.

Master

Slave

Master

okre

la, która

okre

la, która

stacja mo

e si

stacja mo

e si

komunikowa

Kontrolowany

rozproszony dost

do magistrali:

Zasada

token

’a

tylko

stacja maj

token

e nadawa

Losowa metoda dost

pu do magistrali

z wykrywaniem kolizji CSMA/CD (ang.
Carrier Sense Multiple Access with
Collision

Detection)

metoda

unikaniem

kolizji

CSMA/CA

(ang.

Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoid).

Topologia sieci komunikacyjnych

Poł

czenia logiczne i fizyczne

Poł

czenia logiczne i fizyczne

Struktura logiczna:

Przykład:

struktura

hierarchiczna

B, C i D wymieniaj

informacje tylko z A, a nie
miedzy sob

liwo

ci poł

cze

fizycznych:

liwo

ci poł

cze

fizycznych:

Poł

czenie punkt-punkt:

B, C i D mog

wymienia

dane tylko z A

Magistrala linowa:

B, C i D mog

wymienia

dane A i mi

dzy sob

Magistrala pier

cieniowa:

Poł

czenia jak w magistrali

liniowej, przy awarii jednej ze
stacji pier

cie

jest przerwany.

Topologie sieci komunikacyjnych

Szyna (ang. Bus)

Pier

cie

(ang. Ring)

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Gwiazda (ang. Stern)

Stokrotka

(ang. Daisy)

Sterowanie dost

pem do medium transmisyjnego

Kto i kiedy ma mo

liwo

ść

transmisji?

Rozwiązanie scentralizowane:

Rozwiązanie scentralizowane: Polling

Rozwiązania rozproszone

Rozwiązania rozproszone (zdecentralizowane):

• oparte na token’ie: zapewnione Fairness, dalece deterministyczne

przebiegi czasowe,

• zdefiniowane Slot’y dla poszczególnych uczestników (TDMA

ang. Time Division Multiple Access):

- zapewniony Fairness, deterministyczne przebiegi czasowe,

• z rywalizacją (np. CSMA/CD – ang. Carrier Sense Multiple Access/

Collision Detection):

- oczekiwanie na ciszę (na magistrali),

- transmitowanie, a przez odbiór sprawdzanie kolizji,

- w przypadku kolizji przerwanie i losowe oczekiwanie w kolejce,

- stochastyczne uprawnienia (ang. Fairness), średnio małe

opóźnienia (ang. Latens),

• na bazie czasów oczekiwania.

Model odniesienia ISO/OSI

Model odniesienia ISO/OSI (ang. International Standard Organisation/
Open System Interconnection)

Warstwa 1

Warstwa 2

Warstwa 3

Warstwa 4

Warstwa 5

Warstwa 6

Warstwa 7

1011111010010110

Start Adres

%%I%%

Zobrazowanie

Transmisja bitów

Zabezpiecze

Transmisji

Transportowa

Sesji

Zobrazowania

Aplikacji

Wytworzenie sygnałów elektrycznych

Sterowanie dost

pem, poł

czenia

systemowe, tworzenie sumy kontrolnej,
wysyłanie i odbiór pakietów danych

Poszukiwanie dróg transmisji,
ł

czenie systemów ko

cowych

Przetwarzanie nazw, adresy
sieciowe, ł

czenie uczestników

Tworzenie poł

cze

jako

jednostek wirtualnych

Dopasowanie formatów
danych

Interfejs aplikacji

Przetwarzanie informacji

Model warstwowy ISO/OSI

Budowa (struktura) pakietu IP (Internet Protocol)

Preambuła

Adres docelowy

Adres nadawcy

Typ

Dane

Suma kontrolna

4 byte 6 byte 6 byte 2 byte 32 byte do 1500 byte 4 byte

Aplikacja I

Dane

Server

Protokół http

Aplikacja II

Dane

Client

Protokół http

TCP

ETH

TCP

ETH

Zapytanie

Usługa

(1) Warstwa fizyczna

Gniazda/ wtyki, kabel, elektronika

(2) Warstwa poł

cze

(2) Warstwa poł

cze

Adres MAC Adres MAC

(3) Warstwa sieci

10.1.0.19

10.1.10.27

(4) Warstwa transportowa

Port 80

Port 123

(5) Warstwa sesji

(6) Warstwa zobrazowania

(7) Warstwa aplikacji

Otrzymywanie danych

Konwersja danych z
formatu aplikacji do
formatu transmisji

Transport pakietów
w sieci z
automatycznym
wyszukiwaniem celu
(odbiorcy)

Przetworzenie
pakietów w sygnały
elektryczne (lub
optyczne)

Publiczne sieci komunikacyjne

Analogowa telekomunikacja przenosi głos (mow

) przez analogowe sygnały o napi

ciu przemiennym. Zera i

jedynki cyfrowego pakietu danych s

transmitowane przez dwa zmienne sygnały napi

ciowe o ró

nych

stotliwo

ciach.

Natomiast w sieci ISDN (ang. Integrated Service Data Network) s

transmitowane tylko dane cyfrowe. Dzi

ki temu

uzyskuje si

zwi

kszenie szybko

ci transmisji (technologia DSL).

Sieci GSM (ang. Global System for Mobile Communication) s

wykorzystywane przede wszystkim w telefonach

komórkowych i palmtopach. S

w nich tak

e transmitowane dane cyfrowe. Przesyłanie SMS’ów, obrazów i dost

do Internetu otwiera tak

e nowe mo

liwo

ci zastosowania tych sieci w systemach automatyzacji.

System GPRS (ang. General Packet Radio Service) jest metod

transmisji, w której cz

stotliwo

ci radiowe GSM

powi

zane i w ten sposób uzyskuje si

ksz

przepustowo

ść

pakietów danych IP (ang. Internet Protocol).

Dalsz

usług

jest CSD (ang. Circuit Switched Data).

Komunikacja przez UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunictions System) lub Wimax (ang. Worldwide
Interoperability Microwave Access) jest jeszcze w fazie rozwoju. B

dzie w niej mo

liwa transmisja znacznie

kszych ilo

ci danych. Ponadto du

żą

rol

odgrywały aplikacje interaktywne.

Dostawcy Internetu (Internet-Provider) wzgl. firmy telefoniczne oferuj

równie

tzw. usługi US (ang. Unified

Messaging), których zastosowanie w sieciach przemysłowych tak

e nale

y bra

pod uwag

. Ten rodzaj usługi

umo

liwia przesyłanie informacji w sposób wybieralny przez ró

ne kanały, w zale

ci od tego w jaki sposób

dost

pny jest odbiorca. Typowymi takimi usługami s

• fax,

• pager,

• SMS (ang. Short Messaging System),

• MMS (ang. Multimedia Messaging System),

• Voice-Message,

• SMTP (e-mail).

Urz

dzenie sieciowe w systemie automatyzacji, w przypadku zakłóce

w jego pracy, mo

e przesła

informacj

, któr

odbiorca mo

e odebra

przez jeden z wielu mo

liwych kanałów i podj

ąć

odpowiednie

działanie, a nawet w niektórych przypadkach rozwi

problem przez te kanały.

Fieldbus

Sensor

Aktuator

Obiekt sterowania

Sterownik

LAN: segment sterowania

LAN: segment zarz

dzania

Router

Bridge

Stacja

kierowania

Internet

Firma

serwisowa

ISDN

Zdalny dost

p do systemów automatyzacji

Interoperacyjno

ść

(ang. Interoperability) sieci

Sie

rozległa

WAN

WAN (ang.

Wide Area

Network)

Repeater

Bridge’s

Gateway

Podsie

Repeater

Repeater:

– nie ma zmiany protokołów i szybko

ci transmisji.

Bridge

Bridge:

– nie ma zmiany protokołów, nie ma fragmentyzacji,

– zmiana szybko

ci transmisji i metody dost

pu.

Gateway

Gateway:

– zmiana protokołu, szybko

ci transmisji, fragmentyzacji i metod dost

pu,

– brak routing’u adresów.

Router

Router:

– zmiana protokołu, szybko

ci transmisji, fragmentyzacji i metod dost

pu,

– routing adresów.

Switche’

Switche’s:

– przeł

czanie bezpo

rednich poł

cze

pomi

dzy portami wewn

trz urz

dzenia,

– mo

na pracowa

na ró

nych poziomach stosu protokołów,

– mo

na realizowa

funkcjonalno

ść

repeter’ów, bridge’s, gateway’s i router’ów.

Metody transmisji

Metody transmisji:

– przeł

czanie pakietów (ang. packet switching),

– przeł

czanie obwodów (ang. circuit switching).

Interoperacyjno

ść

(ang. Interoperability) sieci

Zastosowanie sieci komunikacyjnych wynika ze wzrostu układów elektronicznych
w samochodach:

Elektronika zamiast mechaniki:

• podnoszenie szyb, centralny zamek,

Elektroniczne urz

dzania steruj

ce:

Elektroniczne urz

dzania steruj

ce:

• silnik, skrzynia biegów, ABS, ESP, Airbag,

Składniki multimedialne:

• system nawigacyjny, odtwarzacz CD,

• Internet.

Sieciowe systemy komunikacyjne umo

liwiaj

redukcj

okablowania

→

maleje cena i ci

ęż

ar,

rozszerzenie zdolno

ci komunikacyjnych,

kontrol

dzi

ki składnikom diagnostycznym,

zapewnienie bezpiecze

stwa dzi

ki redundancji,

modularyzacj

Zastosowanie sieciowych systemów

komunikacyjnych w samochodach

Rozwój i zastosowanie sieciowych systemów komunikacyjnych w samochodach

przynosi nast

puj

ce korzy

ci:

zapewnienie komunikacji pomi

dzy ró

nymi modułami i urz

dzeniami

sterowniczymi z mo

liwie małymi nakładami na okablowanie,

prosta struktura magistrali, tzn. ka

de urz

dzenie powinno by

tylko raz

przył

czone,

zwi

kszenie odporno

ci na awarie i zakłócenia dzi

ki redundantnym

przewodom,

zastosowanie prostych narz

dzi diagnostycznych dzi

ki implementacji pami

bł

dów w urz

dzeniu steruj

cym,

oszcz

dno

ść

na kablach i tym samym równie

kosztach oraz masie

samochodu,

proste Upgrade nowego oprogramowania, zarówno podczas monta

u jak i

podczas piel

gnacji,

przekształcenie samochodu w „Mobile Office“, integracja systemów
nawigacyjnych, telefonu itp.,

prosta integracja innych układów elektronicznych (np. asystent kierowcy).

Przyczyny rozwoju sieci komunikacyjnych w samochodach

Sieciowe systemy komunikacyjne w samochodach s

stosowane w celu redukcji nakładów zwi

zanych z

okablowaniem, co stanowi istotny czynnik minimalizacji kosztów wytwarzania i zmniejszenia masy
samochodów. Technicznymi kryteriami doboru sieciowych systemów komunikacyjnych dla
samochodów s

szeroko

ść

pasma przenoszenia (transmisji),

odporno

ść

na zakłócenia,

zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym,

liczba adresowanych w

złów.

Rodzaj zastosowania sieci okre

la wymagan

szeroko

ść

pasma. Do transmisji komend dla nastawienia

klap w instalacjach klimatyzacyjnych wymagana jest mała szeroko

ść

pasma, ale liczba adresowanych

silników mo

e by

stosunkowo du

a. Wymagania dotycz

ce odporno

ci sieci na zakłócenia zale

żą

stopnia istotno

ci bezpiecze

stwa sterowanych jednostek. I tak dla jednostek, które słu

żą

wył

cznie

funkcjom komfortu stawiane s

mniejsze wymagania ni

jednostkom, które maj

bezpo

redni wpływ na

przebieg jazdy, takich jak ABS lub układy zapobiegaj

ce po

lizgom. Najwa

niejszymi kryteriami

ekonomicznymi w doborze sieciowych systemów komunikacyjnych dla samochodów s

koszty przewodów,

koszty składników.

Ponadto istotnymi czynnikami w zastosowaniu sieciowych systemów komunikacyjnych w samochodach

kompatybilno

ść

elektromagnetyczna (EMC),

promieniowanie elektromagnetyczne,

tolerancja napi

cia zasilania,

topologia okablowania.

Czynniki doboru sieci komunikacyjnych w samochodach

Obecnie produkowane samochody

redniej i wy

szej klasy maj

od 60 do 100

sterowanych elektronicznych urz

dze

ECU (ang. Electronic Control Units).

Klasyfikacja ró

nych obszarów:

Sieciowe systemy komunikacyjne w samochodach

Nawigacja,
odtwarzacz CD, ...

Sterowanie silnikiem,
sterowanie skrzyni

biegów, ABS, ...

Armatura, sterowanie
klimatyzacj

, ...

wiatła

hamowania,
kierunkowskazy, ...

> 1 Mbit/s

> 250 kbit/s

40 kbit/s

10 kbit/s

ste długie

informacje

ste krótkie

informacje

Wiele/ krótkie
informacje

Mało/ krótkie
informacje

Multimedia

Krytyczne systemy
czasu rzeczywistego

Armatura

Elektronika z
chassis

Klasa D

Klasa C

Klasa B

Klasa A

Rozpowszechnione w samochodach sieciowe systemy komunikacyjne:

LIN (ang. Local Interconnect Network),

CAN (ang. Controller Area Network),

FlexRay,

MOST (ang. Media Oriented Systems Transport).

Przykład zastosowania sieci komunikacyjnych (magistrali

szeregowych) w nowoczesnych samochodach

Silnik

ABS

Przekła-

dnia

Kombi

Drzwi

Dach

Siedze-

nie

Siedze-

nie

Klimaty-

zacja

Kompu-

ter

Gateway

Sensor

Aktuator

ECU1

Odtwa-

rzacz CD

Telefon

Tuner

Nawi-
gacja

LIN

CAN

High

Speed

CAN

Low

Speed

FlexRay

MOST

Multimedia

Sensor/ aktuator

Komfort

Nap

d/ zespoły jazdy

ECU (ang. Electronic Control Units)

Nowoczesne samochody zawieraj

wiele ró

norodnych systemów komunikacyjnych (magistral szeregowych).

Najbardziej rozpowszechnionym sieciowym systemem komunikacyjnym w samochodach jest CAN (ang.

Controller Area Network), który w 1994 r. został uznany jako standard mi

dzynarodowy. Przy czym

rozró

nia si

wolny system CAN (CAN-Low-Speed) do poł

czenia w sie

urz

dze

steruj

cych komfortem z

maksymaln

szybko

transmisji 125 kbit/s oraz

szybki system CAN (CAN-High-Speed) do poł

czenia w sie

urz

dze

steruj

cych nap

du i

mechanizmów jazdy o maksymalnej szybko

ci transmisji 1 Mbit/s.

LIN (ang. Local Interconnected Network) jest stosowany do taniej i prostej transmisji danych w obszarze

sensorów/ aktuatorów. Szybko

ść

transmisji jest ograniczona do 20 kbit/s, co jednak zupełnie wystarcza do

transmisji niekrytycznych czasowo sygnałów sensorów i aktuatorów.

Poniewa

CAN, jako sterowany zdarzeniami szeregowy system magistralowy, przy rosn

cym obci

ąż

eniu

magistrali mo

e w coraz mniejszym stopniu zapewni

prac

w czasie rzeczywistym, to dla aplikacji

krytycznych czasowo w samochodach konieczny jest taki sieciowy system komunikacyjny, który niezale

nie

od obci

ąż

enia magistrali zapewnia twardy czas rzeczywisty (ang. Hard Real Time). W systemach

krytycznych czasowo chodzi najcz

ęś

ciej równie

o układy istotne dla bezpiecze

stwa. Rozwi

zaniem tego

problemu jest zastosowanie systemu FlexRay, który ma maksymaln

szybko

ść

transmisji 20 Mbit/s i

zapewnia deterministyczne przebiegi czasowe. Drugi kanał komunikacyjny umo

liwia redundantn

transmisj

danych. W tym przypadku, gdy dane zostan

zakłócone w jednym kanale, to zawsze jest

jeszcze dla nich do dyspozycji drugi kanał.

Natomiast urz

dzenia informacyjne, takie jak nawigacja, radio i telefon, wymagaj

stosunkowo wysokiej

szeroko

ci pasma, poniewa

transmituj

one nie tylko sygnały steruj

ce, ale tak

e sygnały wideo i audio.

Do poł

czenia w sie

multimediów w samochodach stosowany jest system MOST (ang. Media Oriented

System Transport). MOST daje do dyspozycji stosunkowo du

żą

szeroko

ść

pasma transmisji: dla

stotliwo

ci próbkowania 48 kHz jest to ok. 23 Mbit/s dla transmisji strumienia bitów i 768 kbit/s do

transmisji sygnałów steruj

cych.

Sieciowe systemy komunikacyjne w samochodach

linia, gwiazda

linia

linia, gwiazda

Topologia

skr

tka dwuparowa,

wiatłowód z tworzyw

sztucznych

Single Wire

skr

tka dwuparowa

(ang. Twisted Paar)

Medium transmisyjne

254

Max liczba byte’ów danych/
ramek (ang. Frame)

20 kbit/s

1 Mbit/s

Max. szybko

ść

transmisji

informacje

Adresowanie

kontrolowany TDMA

(ang. Time Division

Multiple Access)

kontrolowany

(delegowany token)

losowy CSMA/CA

(ang. Carrier Sense

Multiple Access/ with

Collision Avoidance)

Dost

p do magistrali

Multi-Master

Master-Slave

Multi-Master

Architektura

deterministyczne

nie deterministyczne

Przebiegi czasowe

czas

zdarzenia

Sterowanie

FlexRay

LIN

CAN

Sie

Aspekt

Cechy sieciowych systemów komunikacyjnych

stosowanych w samochodach

Rozwój zastosowania sieciowych systemów

komunikacyjnych w samochodach

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Rok

300

200

100

Pozostałe

Firmowe (prod. samoch.)

„Bezpiecze

stwa” (ł

cznie z FlexRay)

LIN

J1850

CAN

Znaczenie sieci CAN od 2006 r. ulega zmniejszeniu. Natomiast przewidywany jest znaczny
wzrost zastosowania sieci LIN i FlexRay.