MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4

background image

1

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

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

Mechatronika

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

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do

Wst

ę

p do

mechatroniki

mechatroniki

Sterowniki (PLC, CNC, RC), mikrokontrolery,

systemy wbudowane ES, sieci komunikacyjne

Dr in

ż

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

4 (1 – 89)

Wrocław, 2009

Rodzaje zada

ń

automatyzacji realizowanych przez

sterowniki (komputery) przemysłowe

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Sterowanie przebiegiem procesów,

Zadania regulacji.

Wymagania czasu

Wymagania czasu

rzeczywistego

rzeczywistego

Kierowanie procesami, zarz

ą

dzanie

recepturami,

Interfejs człowiek-maszyna (HMI),

Planowanie i sterowanie produkcj

ą

,

Archiwizacja i oddziaływanie na
wsad (wytop) procesu.

Brak

Brak

wymaga

ń

czasu

wymaga

ń

czasu

rzeczywistego

rzeczywistego

background image

2

Wymagania komputerowych sterowników przemysłowych

stosowanych w systemach automatyzacji

Ogólne wymagania systemów mechatronicznych dotycz

ą

w

szczególno

ś

ci sterowników (komputerów) przemysłowych.

Zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym:

Zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym:

systemy operacyjne, architektura pami

ę

ci.

Wprowadzanie

Wprowadzanie

wyprowadzanie sygnałów procesu:

wyprowadzanie sygnałów procesu:

przył

ą

czenie sensorów i elementów wykonawczych, systemy

komunikacyjne.

Pewno

ść

i niezawodno

ść

działania:

Pewno

ść

i niezawodno

ść

działania:

wysokiej jako

ś

ci składniki, układy redundantne.

Odporno

ść

na oddziaływanie otoczenia:

Odporno

ść

na oddziaływanie otoczenia:

specjalne obudowy, monta

ż

przewodów ł

ą

cz

ą

cych.

Rodzaje sterowników przemysłowych

W zasadzie sterowniki przemysłowe s

ą

klasyfikowane ze

W zasadzie sterowniki przemysłowe s

ą

klasyfikowane ze

wzgl

ę

du na swoj

ą

budow

ę

oraz realizowane przez nie funkcje.

wzgl

ę

du na swoj

ą

budow

ę

oraz realizowane przez nie funkcje.

Budowa

Budowa

System kompaktowy,

System modułowy,

System specjalny.

Kryteria doboru:

Kryteria doboru:

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

Przestrze

ń

do zabudowy,

Mo

ż

liwo

ść

rozbudowy,

Wymagana moc obliczeniowa.

Funkcje

Funkcje

Sterowanie procesem:

dyskretnie,

analogowo,

Sterowanie torem ruchu,

Interfejs u

ż

ytkownika.

Kryteria doboru:

Kryteria doboru:

Zadanie automatyzacji,

Spektrum zada

ń

(IPC).

background image

3

Obecne komputery przemysłowe składaj

ą

si

ę

z architektur mikroprocesorowych.

Zale

ż

nie od budowy mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

nast

ę

puj

ą

ce podstawowe typy

komputerów:

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

do realizacji jednego zadania, najcz

ęś

ciej z mikrokontrolerem jako jednostk

ą

centraln

ą

.

2. Systemy PC (Personal Computer).

3. Modułowe systemy mikrokomputerowe, skalowalne systemy

mikrokomputerowe dla ró

ż

nych zada

ń

automatyzacji.

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

komputerowe okrojone do realizacji zada

ń

sterowania i regulacji.

We wszystkich przypadkach zawieraj

ą

one:

j

ą

dro mikroprocesorowe, procesory sygnałowe lub mikrokontrolery

(mikrosterowniki),

pami

ęć

,

Interfejsy do urz

ą

dze

ń

peryferyjnych,

magistral

ę

systemow

ą

.

Podstawowe typy komputerów (sterowników)

Wymagania funkcjonalne sterowników przemysłowych

Sterowanie przebiegiem procesów:

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):

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Przetwarzanie danych geometrycznych,

ż

ne pogramy technologiczne dla ka

ż

dego przedmiotu (procesu),

Układ sterowania numerycznego CNC

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

RC

RC (ang. Robot Control).

Zadania ogólne (wł

ą

cznie z wy

ż

ej wymienionymi):

Zadania ogólne (wł

ą

cznie z wy

ż

ej wymienionymi):

Obsługa i obserwacja, technika kierowania wytwarzaniem,

Du

ż

a ró

ż

norodno

ść

aplikacyjna,

Przemysłowy komputer (PC) IPC

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

background image

4

Techniczne mo

ż

liwo

ś

ci realizacji układów sterowania

Układ sterowania programowany przez poł

ą

czenia

Wcze

ś

niej

Wcze

ś

niej

Obecnie

Obecnie

elektromechaniczny

elektroniczny

Zbudowany z

styczników, przeka

ź

ników, ...

tranzystorów,

zintegrowanych
układów scalonych, ..

Program zawarty w

okablowaniu

Zalety i wady

Wysokie zu

ż

ycie energii, du

ż

e zapotrzebowanie

miejsca, trudna rozbudowa

Sterownik
swobodnie
programowalny PLC

Procesora, pami

ę

ci,

magistrali

oprogramowaniu

Elastyczno

ść

Zastosowanie sterownik

Zastosowanie sterownik

ó

ó

w

w

komputerowych (np.

komputerowych (np.

PLC

PLC

)

)

w uk

w uk

ł

ł

adach sterowania, w por

adach sterowania, w por

ó

ó

wnaniu z uk

wnaniu z uk

ł

ł

adami

adami

konwencjonalnymi, ma nast

konwencjonalnymi, ma nast

ę

ę

puj

puj

ą

ą

ce zalety:

ce zalety:

mo

ż

liwo

ść

powtórnego wykorzystywania napisanych programów,

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

mo

ż

liwo

ść

elektronicznego dokumentowania realizowanych

aplikacji,

mo

ż

liwo

ść

nadzorowania i diagnostyki podczas przebiegu procesu,

oszcz

ę

dno

ść

czasu podczas wykonywania projektu układu

sterowania i opracowywania oprogramowania,

du

ż

a niezawodno

ść

działania,

prosta i szybka instalacja oraz małe gabaryty,

niskie koszty budowy.

Zalety zastosowania sterowników komputerowych

background image

5

Obraz procesu

Obraz procesu

w pami

ę

ci

w pami

ę

ci

wyj

ś

ciowej

wyj

ś

ciowej

Obraz procesu

Obraz procesu

w pami

ę

ci

w pami

ę

ci

wej

ś

ciowej

wej

ś

ciowej

Program

Program

aplikacyjny

aplikacyjny

PLC

PLC

Proces w

Proces w

systemie

systemie

technicznym

technicznym

Sygnały do

elementów

wykonawczych

Sygnały z

czujników

(sensorów)

Cykliczna praca sterownika PLC

Sprz

ę

towe składniki PLC

Moduły

wej

ś

ciowe

Moduły

wyj

ś

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

Zasilacz

binarne,

binarne,

analogowe

analogowe

i cyfrowe

i cyfrowe

sygnały

sygnały

binarne,

binarne,

analogowe

analogowe

i cyfrowe

i cyfrowe

sygnały

sygnały

ą

czniki

Przyciski

Bariera

ś

wietlna

.
.
.

M

924

Zawór

Lampka

Silnik

Wska

ź

nik

.
.
.

background image

6

Sposób działania sterownika PLC

Cykliczne przetwarzanie programu

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

PLC

Utworzenie stanu pocz

ą

tkowego

Zał

ą

czenie

Aktualizacja sygnałów wej

ś

ciowych

Wykonanie 1. instrukcji

Wykonanie 2. instrukcji

Wykonanie ostatniej instrukcji

Transmisja sygnałów wyj

ś

ciowych

. . .

Zapis wyj

ść

Zapis wej

ść

F

iz

y

c

z

n

y

p

ro

c

e

s

C

z

a

s

w

y

k

o

n

a

n

ia

j

e

d

n

e

g

o

p

e

łn

e

g

o

c

y

k

lu

p

ro

g

ra

m

u

C

z

a

s

p

rz

e

b

ie

g

u

p

ro

g

ra

m

u

Cykliczne przetwarzanie programu

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

PLC

Odczyt wej

ść

Odczyt wej

ść

Instrukcja

Wywołanie podprogramu 1

Instrukcja

Instrukcja

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

background image

7

Sensory, dajniki sygnałów

Sterownik

Moduł

wprowadzania

Moduł

wyprowadzania

Jednostka

przetwarzaj

ą

ca

Obraz

procesu

Merker

AKKU

Licznik

adresów

Człony

czasowe

Człony wykonawcze (aktuator’y)

M

e

c

h

a

n

iz

m

M

e

c

h

a

n

iz

m

o

b

li

c

z

e

n

io

w

y

o

b

li

c

z

e

n

io

w

y

Separacja galwaniczna

Separacja galwaniczna

Magistrala

Magistrala

I

/

Q

Budowa sterownika PLC

Budowa sterownika przemysłowego

Zewn

ę

trzna RAM

Zewn

ę

trzna ROM

Mikrokontroler

(

µµµµ

C) wzgl.

mikroprocesor

(

µµµµ

P)

Płyta

Sterownik

Komunikacja

Obudowa

Pozostałe urz

ą

dzenia

peryferyjne i moduły

background image

8

Budowa mikrokontrolerów

Fieldbus

(np. CAN)

Aktuator

Aktuator

A/C

C/A

RAM, ROM – pami

ę

ci

CPU – jednostka centralna

A/C – przetwornik analogowo-cyfrowy

C/A – przetwornik cyfrowo-analogowy

PWM – modulacja szeroko

ś

ci

impulsów

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

ą

dzenia steruj

ą

cego,

Małe gabaryty (µP

procesor),

Na jednym układzie (Chip’ie).

Mikrokomputer jednoukładowy (Single
Chip
),

Pełny komputer na jednym układzie
składaj

ą

cy si

ę

(minimum) z:

• mikroprocesora (µP),

• wewn

ę

trznej pami

ę

ci,

• urz

ą

dze

ń

peryferyjnych I/O (ang.

Input/Output),

• magistrali systemowej.

Mikrokontroler

mikroprocesor

µC

(mikrokontroler)

µP

(mikroprocesor)

background image

9

Budowa systemu mikrokomputerowego

Mechanizm steruj

ą

cy

Mechanizm obliczeniowy

Jednostka centralna (CPU)

Jednostka centralna (CPU)

Pami

ęć

główna

Pami

ęć

główna

(dla programów i danych)

Interfejsy wej

ść

/

Interfejsy wej

ść

/

wyj

ść

wyj

ść

Urz

ą

dzenie ł

ą

cz

ą

ce

Urz

ą

dzenie ł

ą

cz

ą

ce

(Magistrala systemowa)

Urz

ą

dzenia

peryferyjne

Mikroprocesor

Mikroprocesor

Mikrokomputer

Mikrokomputer

System mikrokomputerowy

System mikrokomputerowy

Koszty odgrywaj

ą

istotn

ą

rol

ę

.

Nie s

ą

stosowane najszybsze i najnowsze

procesory, lecz takie, które spełniaj

ą

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

RESET

Zasilanie

Sygnały

wej

ś

ciowe

Sygnały

wyj

ś

ciowe

Wewn

ę

trzna

magistrala

adresowa

Wewn

ę

trzna

magistrala

danych

m

m

n

n

.
.
.

.
.
.

Budowa mikrokontrolera

background image

10

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

ę

Skumulowane
nakłady
badawcze i
rozwojowe

Mo

ż

liwo

ś

ci w liczbie

zintegrowanych funkcji
samochodu

10.000

1000

100

10

Obecnie

Funkcje

oparte na

mechanice

Funkcje

oparte na

elektronice

Funkcje oparte
na oprogramo-

waniu

Potencjał innowacyjny

Potencjał innowacyjny

Potencjał integracyjny

Potencjał integracyjny

Architektura sterownika swobodnie programowalnego PLC

(ang. Programmable Logical Controller)

Bateria

RAM dla

programu

aplikacyjnego

CPU

CPU

Dajnik

Dajnik

taktu

taktu

ROM dla

danych

systemowych

RAM

dla

danych

Moduł

wej

ś

ciowy/

wyj

ś

ciowy

Programator

Bufor

Pami

ęć

po

ś

rednia

Optoizolacja

Interfejs driver’a

Driver

Kanały wyj

ś

ciowe

Kanały wej

ś

ciowe

Magistrala systemowa I/O

Magistrala danych

Magistrala sterowania

Magistrala adresowa

Optoizolator

Dzielnik

napi

ę

cia

Dioda

ochronna

Wej

ś

cie

Sygnał do CPU

PLC

Kanał wej

ś

ciowy z separacj

ą

galwaniczn

ą

sygnału

background image

11

Cechy charakterystyczne PLC

Sterownik PLC jest specjalnym systemem komputerowym do realizacji zada

ń

automatyzacji, które s

ą

rozwi

ą

zywane przewa

ż

nie przez binarne układy

sterowania logicznego i sekwencyjnego.

Typowymi cechami charakterystycznymi PLC s

ą

:

• obszar zastosowa

ń

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

(S) i regulacj

ą

(R)

• odporna budowa urz

ą

dzenia dla pracy w surowych warunkach produkcyjnych,

• odporno

ść

na działanie

ś

rodowiska, du

ż

a odporno

ść

na zakłócenia i

niezawodno

ść

,

• okre

ś

lone przebiegi w przypadku zakłóce

ń

i ponownym uruchomieniu,

• brak pami

ę

ci masowych takich jak twardy dysk czy CD-ROM,

• binarne, analogowe i cyfrowe wej

ś

cia i wyj

ś

cia (najcz

ęś

ciej odkłócone, z

separacj

ą

galwaniczn

ą

i odporne na zwarcie),

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

• brak lub proste i odporne urz

ą

dzenia obsługi (HMI),

• programowanie za pomoc

ą

oddzielnego programatora lub PC,

• zorientowane na aplikacje j

ę

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:

Zalety:

• du

ż

a odporno

ść

,

• wysoka niezawodno

ść

.

Wady:

Wady:

• funkcje obsługowe na zewn

ę

trz,

• komunikacja wymaga du

ż

ych nakładów.

Bazowe układy sterowania:

Bazowe układy sterowania:

• układy sterowania

numerycznego CNC (ang.
Computerized Numerical
Control
),

• układy sterowania

robotów RC (ang. Robot
Control
).

Wady:

Wady:

• elastyczno

ść

zmniejsza niezawodno

ść

,

• I/O przył

ą

czane tylko przez sie

ć

.

Wady:

Wady:

• I/O przył

ą

czane tylko przez sie

ć

.

• koszty karty PLC.

Zalety:

Zalety:

• elastyczno

ść

PC,

• dobrze realizowalne funkcje

obsługowe,

• ró

ż

norodna komunikacja

.

Zalety:

Zalety:

• odporno

ść

i niezawodno

ść

dzi

ę

ki

specjalnym kartom PLC,

• cz

ęść

stanowi

ą

ca PC dla funkcji

obsługowych i komunikacyjnych

.

background image

12

Przykład zastosowania sterownika PLC

Rozpatrzmy proste wymaganie dotycz

ą

ce urz

ą

dzenia, które zał

ą

cza człon wykonawczy np. silnik elektryczny na

okre

ś

lony czas.

Rozwi

ą

zaniem konwencjonalnym

(mechanicznym) tego problemu mo

ż

e by

ć

krzywka, która obraca si

ę

ze stał

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

i

powoduje uruchomienie ł

ą

cznika. Czas trwania

zał

ą

czenia jest zale

ż

ny od kształtu tej krzywki.

Natomiast rozwi

ą

zaniem mechatronicznym tego problemu mo

ż

e

by

ć

zastosowanie sterownika swobodnie programowalnego PLC

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

ą

zanie, w porównaniu z obracaj

ą

c

ą

si

ę

krzywk

ą

, ma t

ą

zalet

ę

,

ż

e czasy zał

ą

czania i wył

ą

czania mo

ż

na w

prosty sposób zmienia

ć

za pomoc

ą

warto

ś

ci parametrów zegara

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

ść

zastosowania

innej krzywki. Rozwi

ą

zanie programowe jest znacznie prostsze w

realizacji ani

ż

eli rozwi

ą

zanie sprz

ę

towe.

Merker

Wej

ś

cie Start

uruchamia (zał

ą

cza)

Merker, wej

ś

cie jest

pami

ę

tane i

uruchamiany jest
Timer 1
.

Koniec

Timer 1

Timer 2

Timer 1

Timer 1

Merker

Start

Timer 2

Wyj

ś

cie

Stop

Program aplikacyjny PLC

Timer 1 ustawia
wymagany czas dla
zał

ą

czenia Wyj

ś

cia.

Styk Timer 1 jest
zamykany, aby

ą

czy

ć

Wyj

ś

cie

Timer 2 jest
uruchamiany, je

ż

eli

zamkni

ę

te s

ą

styki

Timer 1 i okre

ś

la on

czas, po którym
nast

ę

puje

wył

ą

czenie wyj

ś

cia

Merker

Krzywka

Styki

Napi

ę

cie

zasilania

Zasilanie w energi

ę

Wyj

ś

cie

Wej

ś

cie

+ 24 V

ą

cznik

PLC

PLC

Stop

Zasilacze

Kondensatory

Transformatory

Oporniki

Wentylatory

Wy

ś

wietlacze

Klawiatury

Baterie

Cewki

...

Urz

ą

dzenia peryferyjne i zespoły

background image

13

Systemy operacyjne

Rozró

ż

nia si

ę

dwa podstawowe rodzaje systemów operacyjnych:

Standardowe systemy operacyjne

Standardowe systemy operacyjne:

- w tle wykonywane s

ą

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

- przerwania usług z urz

ą

dze

ń

peryferyjnych (mysz, klawiatura, ...),

nie mo

nie mo

ż

ż

na zapewni

na zapewni

ć

ć

determinizmu pracy.

determinizmu pracy.

Systemy operacyjne czasu rzeczywistego RTOS

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

- system Scheduling’u zapewnia wykonywanie zada

ń

o wysokim priorytecie,

- maj

ą

bezpo

ś

redni

ą

kontrol

ę

priorytetów,

- zadania o wy

ż

szym priorytecie wypieraj

ą

task’i (procesy) o niskim priorytecie,

- urz

ą

dzenia peryferyjne nie mog

ą

przerwa

ć

algorytmów sterowania (regulacji),

zapewniony jest determinizm pracy.

zapewniony jest determinizm pracy.

Pod kontrol

ą

standardowych systemów operacyjnych (np. Windows) pracuj

ą

komputery

biurowe, a tak

ż

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

Natomiast pod kontrol

ą

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

pracuj

ą

komputerowe sterowniki przemysłowe (np. PLC), a tak

ż

e komputery przemysłowe,

systemy wbudowane.

Poj

ę

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

ą

si

ę

zdefiniowa

ć

tylko w powi

ą

zaniu z okre

ś

lon

ą

aplikacj

ą

. Je

ż

eli jej czasowe wymagania mog

ą

by

ć

ś

ci

ś

le spełnione,

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

ż

wa

ż

ne jest to,

ż

e ma on wyra

ź

nie przewidywalne, zapewnione dla wszystkich warunków pracy przebiegi czasowe.

Dla przebiegów czasowych systemu istotne s

ą

cztery mierzalne kryteria. Oprócz czasu

przebiegu, cyklu lub reakcji nale

żą

do nich Jitter, synchroniczno

ść

oraz przepustowo

ść

danych.

W zale

ż

no

ś

ci od aplikacji istotn

ą

wielko

ś

ci

ą

mo

ż

e by

ć

maksymalny czas transmisji informacji (czas

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

ę

dzy zdarzeniem (sygnałem) i

wynikaj

ą

c

ą

z niego reakcj

ą

(czas reakcji). We wszystkich tych przypadkach wychodzi si

ę

z tego,

ż

e

mo

ż

na poda

ć

pewn

ą

okre

ś

lon

ą

górn

ą

granic

ę

czasu, której w

ż

adnym przypadku nie mo

ż

na

przekroczy

ć

przy realizacji wszystkich działa

ń

.

Cz

ę

sto wychodzi si

ę

równie

ż

z tego,

ż

e działanie nie powinno przekroczy

ć

zadanego maksymalnego

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

ą

jednak

równie

ż

takie aplikacje, w których reakcja musi nast

ą

pi

ć

wewn

ą

trz dokładnie zdefiniowanego okresu

czasu, z mo

ż

liwie małymi wahaniami pomi

ę

dzy poszczególnymi zdarzeniami. W takim przypadku

istnieje wymaganie minimalnego Jitter’a, a zatem mo

ż

liwie małego odchylenia od warto

ś

ci zadanej.

Je

ż

eli ró

ż

ne działania ró

ż

norodnych urz

ą

dze

ń

powinny by

ć

wykonane w jednakowym czasie, to

wyst

ę

puje wymaganie dotycz

ą

ce synchroniczno

ś

ci. Daje si

ę

to uzyska

ć

albo za pomoc

ą

rozproszonych i synchronicznie pracuj

ą

cych zegarów, albo za pomoc

ą

centralnie zadawanego taktu

synchronizacji, do którego s

ą

odnoszone wszystkie działania. Wielko

ś

ci

ą

mierzon

ą

jest tutaj

dokładno

ść

synchronizacji.

Ponadto pewn

ą

rol

ę

ogrywa równie

ż

ilo

ść

danych, któr

ą

nale

ż

y wymieni

ć

w zadanym czasie.

Stanowi to specyficzne wymaganie przepustowo

ś

ci danych systemu komunikacyjnego.

Systemy czasu rzeczywistego

background image

14

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

ą

stale gotowe

do wykonywania, dzi

ę

ki czemu wyniki s

ą

uzyskiwane w okre

ś

lonym czasie. Dane mog

ą

by

ć

dostarczane w

sposób stochastyczny lub deterministyczny.

Działanie w czasie rzeczywistym (ang. Real Time)

Przetwarzanie

danych

Dane wej

ś

ciowe

Dane wyj

ś

ciowe

Przetwarzanie danych

nie w czasie rzeczywistym

nie w czasie rzeczywistym:

Przetwarzanie danych

w czasie rzeczywistym

w czasie rzeczywistym:

Przetwarzanie

danych

Dane wej

ś

ciowe

Dane wyj

ś

ciowe

Czas

Czas

Czas

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

ś

ciowych.

Definicja czasu
rzeczywistego: “Zdolno

ść

systemu operacyjnego do
udost

ę

pniania usług w

deterministycznie
ograniczonym czasie
odpowiedzi
”.
Czas rzeczywisty nie
oznacza szybko

ś

ci, lecz

okre

ś

la dopasowan

ą

czasowo interakcj

ę

, tzn.

odpowied

ź

na zewn

ę

trzne

lub wewn

ę

trzne zdarzenie

procesu (np. sygnał).

1

µµµµ

s 10

µµµµ

s 100

µµµµ

s 1 ms 10 ms 100 ms 1 s 10 s

Czas reakcji

Czas reakcji

Klasy

Klasy

Real

Real

Time

Time

Budynki, poziom

kierowania i automatyzacji,

systemy magazynowe

Instalacje transportowe,

regulacja, wi

ę

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

ę

t (układy

sterowania NC)

Oprogramowanie (układy

sterowania CNC)

Czas

K

o

s

z

ty

,

w

ie

lk

o

ś

ć

,

z

a

k

re

s

f

u

n

k

c

y

jn

y

Ź

ródło: Salib

Relacja kosztów

Relacja kosztów

oprogramowanie /

oprogramowanie /

sprz

ę

t

sprz

ę

t

Zakres

Zakres

funkcyjny

funkcyjny

Przeka

ź

nikowe NC

Lampowe NC

Tranzyst.

NC w technice układów

scalonych IC

NC

CNC

Mikroprocesorowe

CNC

CNC

CNC

ESW
CAM

WOP

Obsługa graficzna

CIM

PC

ONC

Koszty elementów

Koszty elementów

Wielko

ść

sprz

ę

tu

Wielko

ść

sprz

ę

tu

NC (ang. Numerical Control)

CNC (ang. Computerized Numerical Control)

background image

15

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

ś

le

Obrabiarki NC dla innych technik wytwarzania

Równol. ukł. kinemat.

Opracowanie pierwszej frezarki NC

(CNC)

(CNC)

Binarne ta

ś

my perfor.

Symboliczny j

ę

zyk programowania APT, tworzenie pliku CLDATA

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

Graficzne wspomaganie programowania

NURBS

O

b

ra

b

ia

rk

i

U

k

ła

d

y

s

te

ro

w

a

n

ia

P

ro

g

ra

m

o

w

a

n

ie

Rok

Rozwój układów sterowania numerycznego NC/CNC

1960

1970

1980

1990

2000

Rok

10

20

50

75

100

Cena

%

Przeka

ź

niki i lampy

Tranzystory

Minikomputery (CNC1)

Mikroprocesory (CNC2)

Jednoprocesorowe

CNC (CNC3)

VLSI, Technika SMD

PC-NC (CNC4)

IC

Zakres funkcyjny i mo

ż

liwo

ś

ci

(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

background image

16

Pierwsza obrabiarka sterowana numerycznie

– MIT/ Boston (USA) 1953 r.

Regulacja poło

ż

enia

Regulacja poło

ż

enia

C

C

C

A

Tworzenie warto

ś

ci zadanej

Tworzenie warto

ś

ci zadanej

poło

ż

enia

poło

ż

enia

Informacje

o drodze

Informacje

o posuwie

Warunki

drogi

Rozdział danych NC

Rozdział danych NC

Dane geometryczne

Dane technologiczne

Pami

ęć

programu NC

Pami

ęć

programu NC

Sterowanie wczytywaniem programu i danych NC

Sterowanie wczytywaniem programu i danych NC

Program NC

Program NC

Maszyna wytwórcza

Maszyna wytwórcza

Nap

ę

d

Układ

mechaniczny

Układ pomiaru

poło

ż

enia

Sygnały

logiczne

Sterowanie

Sterowanie

dopasowuj

ą

ce

dopasowuj

ą

ce

Informacje o

zał

ą

czaniu

D

D

A

A

N

N

E

E

G

G

E

E

O

O

M

M

E

E

T

T

R

R

Y

Y

C

C

Z

Z

N

N

E

E

D

D

A

A

N

N

E

E

T

T

E

E

C

C

H

H

N

N

O

O

L

L

O

O

G

G

I

I

C

C

Z

Z

N

N

E

E

S

S

T

T

E

E

R

R

O

O

W

W

N

N

I

I

K

K

N

N

C

C

Zespoły funkcyjne sterownika NC

background image

17

Interpreter NC

Przetwarzanie

danych

geometrycznych

Interpolator

Regulacja

poło

ż

enia

Regulacja

nap

ę

dów

Programy NC

(kod ASCII)

Sygnały

PLC

Szybkie I/O

Warto

ś

ci zadane/

rzeczywiste

nap

ę

dów

Warto

ś

ci zadane/

rzeczywiste

Wewn

ę

trzny

blok danych

Zamienia bloki w kodach ASCII na wewn

ę

trzny format

Steruje przebiegiem programu

Synchronizuje/ reorganizuje bufor bloków

Transformacja FRAME

Korekcja narz

ę

dzi

Przygotowuje przebieg pr

ę

dko

ś

ci (LOCK AHEAD)

Interpolacja toru

Transformacja kinematyczna

Działania synchronizacyjne

Regulacja poło

ż

enia

Regulacja pr

ę

dko

ś

ci

Regulacja pr

ą

du

Przepływ informacji w układzie NC

Przykład nowej rodziny

Solution

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

ą

cze dla nap

ę

dów

Kompaktowy panel CNC

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

Frezarka, tokarka

background image

18

Struktura funkcjonalna robota

Planowanie

Planowanie

toru

toru

Człon

Człon

nastawiaj

ą

cy

nastawiaj

ą

cy

Nap

ę

d

Nap

ę

d

Sterowanie

Sterowanie

robota

robota

Układy

Układy

pomiarowe

pomiarowe

Człon

Człon

nastawiaj

ą

cy

nastawiaj

ą

cy

Przetwarzanie

Przetwarzanie

ruchu

ruchu

Narz

ę

dzie

Narz

ę

dzie

Obiekt

Obiekt

Programator

Programator

Informacja

Energia

Materiał

Otoczenie

Otoczenie

Sensory

Układy

pomiaru

poło

ż

enia

Wej

ś

cia

cyfrowe

Układ

kinematyczny

(przeguby i człony)

Chwytaki/

narz

ę

dzia

Nap

ę

dy/

elementy

wykonawcze

Wyj

ś

cia

cyfrowe

Układ sterowania RC robota

Układ sterowania RC robota

Program aplikacyjny

Interpreter

Warto

ś

ci zadane/

Transformacje
współrz

ę

dnych

Regulacja

poło

ż

enia

PLC

PLC

Składniki robotów przemysłowych

background image

19

Zadania układu sterowania RC:

Zadania układu sterowania RC:

sterowanie realizacj

ą

przemieszcze

ń

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

ę

dów robota i procesu,

wspomaganie obsługuj

ą

cego,

wspomaganie programisty przy przygotowywaniu zada

ń

automatyzacji.

Zadania układu sterowania RC robota

Aby wykona

ć

wszystkie te zadania układ sterowania robota RC, oprócz jednostki o

du

ż

ej mocy obliczeniowej, wymaga urz

ą

dze

ń

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

Pr

z

e

tw

a

rz

a

n

ie

d

a

n

y

c

h

z

s

e

n

s

o

w

St

e

ro

w

a

n

ie

d

z

ia

ła

n

ia

m

i

O

b

s

łu

g

a

i

p

ro

g

ra

m

o

w

a

n

ie

N

a

p

ę

d

y

U

k

ła

d

k

in

e

m

a

ty

c

z

n

y

U

k

ła

d

p

o

m

ia

ru

p

o

ło

ż

e

n

ia

S

e

n

s

o

ry

E

fe

k

to

ry

te

c

h

n

o

lo

g

ic

z

n

e

El

e

m

e

n

ty

n

a

s

ta

w

ia

j

ą

c

e

background image

20

Przykład robota monta

ż

owego SR6/8 (SCARA) firmy Bosch

Obszar roboczy

Obszar roboczy

robota

robota

Robot

Robot

- turboscara SR6, SR8

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

- 8 cyfrowych I,

- 4 cyfrowe O,

- 4 analogowe O.

Sie

ć

Sie

ć

Fieldbus

Fieldbus

CAN

CAN

- warto

ś

ci zadane,

- warto

ś

ci rzeczywiste,

- rozproszone I/O.

Sie

ć

Sie

ć

Fieldbus

Fieldbus

CAN

CAN

- rozproszone I/O.

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

- sensory,

- elementy wykonawcze,

- moduły I/O.

Obsługa

Diagnostyka

Touchscreen

Programowanie off-line

Programowanie on-line

Obsługa

Diagnostyka

Ustawianie parametrów robota

PHG2000

PHG2000

Programowanie on-line

Obsługa

Diagnostyka

Ustawianie parametrów
robota

Systemy wbudowane

Cz

ę

sto w systemach mechatronicznych „wbudowane” s

ą

mikroprocesory i mikrokontrolery, za

pomoc

ą

których realizowane s

ą

zadania sterowania lub regulacji. Przykładem takiego

rozwi

ą

zania jest nowoczesna pralka automatyczna, która zawiera wbudowany mikrokontroler

słu

żą

cy do wybierania ró

ż

nych programów prania. Obsługuj

ą

cy pralk

ę

musi jedynie przy pomocy

przeł

ą

czników wybra

ć

żą

dany program oraz dobra

ć

parametry, a nast

ę

pnie uruchomi

ć

jego

wykonanie. Nie musi on jednak programowa

ć

samego mikrokontrolera. Poj

ę

cie system

wbudowany

ES

ES (ang. Embedded System) jest u

ż

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

ż

ytkownika. Programowanie układu

mikroprocesorowego zostało wykonane przez producenta maszyny (urz

ą

dzenia), a poszczególne

programy zostały zapisane w pami

ę

ci systemu i nie mog

ą

ju

ż

by

ć

przez u

ż

ytkownika zmieniane.

Zmieniane mog

ą

by

ć

jedynie warto

ś

ci parametrów wyst

ę

puj

ą

cych w tych programach.

Dla systemu wbudowanego producent wykonuje pami

ęć

ROM, która zawiera program. Jest to

opłacalne tylko wtedy, gdy wymagana jest du

ż

a liczba takich chip’ów. Do wykonywania

prototypów lub aplikacji o małych wymaganiach program mo

ż

e by

ć

ładowany do sprz

ę

tu

u

ż

ytkownika, tzn. pami

ę

ci EPROM/EEPROM.

Systemy wbudowane znajduj

ą

si

ę

w prawie wszystkich nowoczesnych obiektach technicznych,

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

ś

wietlna), urz

ą

dzenia medyczne, urz

ą

dzenia

telekomunikacyjne, instalacje sterowania produkcj

ą

i wiele artykułów konsumpcyjnych. Przejmuj

ą

w nich one zło

ż

one zadania sterowania, regulacji i przetwarzania danych oraz dzi

ę

ki dodatkowym

własno

ś

ciom zapewniaj

ą

takim wyrobom przewag

ę

konkurencyjn

ą

na rynku. Dlatego te

ż

systemy

wbudowane nale

żą

do najszybciej rozwijaj

ą

cego si

ę

obszaru w informatyce stosowanej.

background image

21

Reaktywny system wbudowany

Ci

ą

gła interakcja z procesem:

Wskazania, alarmy

optycznie, akustycznie itp.

Urz

ą

dzenia obsługi

przyciski, klawiatura, itp.

Człowiek

kierowanie, nadzorowanie

Proces

techniczny

Aktuatory

styczniki, silniki itp.

Sensory

droga, pr

ę

dko

ść

itp.

Sterowanie

Ingerencja,
parametryzacja

Dane o procesie

Wizualizacja

Oddziaływanie
na proces za
pomoc

ą

aktuatorów

Procesy fizyczne:

– brak inteligencji (nie kognitywne),

– najcz

ęś

ciej sztywne interfejsy.

Wiele asynchronicznych zdarze

ń

(sygnałów).

Twarde warunki czasu rzeczywistego:

– cz

ę

sto wymagane izochroniczne przetwarzanie (regulator).

Bezpiecze

ń

stwo.

Warunki otoczenia.

Struktura systemu wbudowanego (ES)

W zale

ż

no

ś

ci od rodzaju zastosowania i zwi

ą

zanych z nim aspektów kosztów struktura fizyczna systemów

wbudowanych znacznie si

ę

zmienia. Rozci

ą

ga si

ę

ona od jednoukładowych komputerów (cena ok. 1 EURO)

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

ż

do komputerów

przemysłowych stosowanych w liniach produkcyjnych. Pomimo du

ż

ych ró

ż

nic w strukturze fizycznej wszystkie

systemy wbudowane maj

ą

tak

ą

sam

ą

budow

ę

logiczn

ą

. Zamiast tradycyjnego interfejsu człowiek-maszyna HMI, jaki

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

ę

puje

interfejs do otoczenia systemu technicznego. Oznacza to,

ż

e zamiast zwykłych urz

ą

dze

ń

wprowadzania i

wyprowadzania danych takich jak klawiatura, monitor, gło

ś

niki itp. stosowane s

ą

urz

ą

dzenia sensoryczne, za

pomoc

ą

których system wbudowany okre

ś

la własno

ś

ci otoczenia oraz aktuatoryka, za pomoc

ą

której ES realizuje

oddziaływanie na swoje otoczenie. Urz

ą

dzenia sensoryczne zawieraj

ą

zwykle czujniki, które mierz

ą

okre

ś

lone

wielko

ś

ci otoczenia, przy czym przekazywane przez nie informacje nie musz

ą

by

ć

koniecznie zró

ż

nicowanymi

danymi pomiarowymi, takimi jak np. temperatura w

o

C, lecz mog

ą

to by

ć

równie

ż

najprostsze informacje

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

ż

e si

ę

składa

ć

z dowolnego

sterowanego przez wbudowany komputer członu nastawiaj

ą

cego (wykonawczego), takiego jak np. zawory

elektromagnetyczne lub silniki krokowe. Poniewa

ż

wła

ś

ciwie ró

ż

nica pomi

ę

dzy zwykłymi komputerami do

przetwarzania danych i systemami wbudowanymi zawiera si

ę

tylko w rodzaju interfejsu wprowadzania/

wyprowadzania, to wydaje si

ę

ona pocz

ą

tkowo mało znacz

ą

ca. Jednak ma ona daleko id

ą

ce konsekwencje, tak

ż

e

i wła

ś

nie dla rozwoju oprogramowania. Ponadto, zamiast bardzo zró

ż

nicowanych interakcji u

ż

ytkownika, jakie

wyst

ę

puj

ą

w ogólnym w przetwarzaniu danych, w systemach wbudowanych wyst

ę

puje tylko konieczno

ść

reakcji na

mało zró

ż

nicowane dane pomiarowe. Wymaga to zapewnienia systemowi wbudowanemu wystarczaj

ą

co dokładnego

wewn

ę

trznego modelu swojego otoczenia, który pozwala mu na interpretacj

ę

danych pomiarowych i wybór

odpowiedniej reakcji. Do tego dochodzi jeszcze to,

ż

e u

ż

ytkownik (człowiek) dysponuje znacznie elastyczniejszymi

mo

ż

liwo

ś

ciami reakcji ni

ż

otoczenie techniczne, dzi

ę

ki czemu mo

ż

e on np. sensownie reagowa

ć

na meldunki

ę

dów, rozpoznawa

ć

zawieszenie si

ę

programu, a tak

ż

e tolerowa

ć

spó

ź

nion

ą

reakcj

ę

systemu (nawet gdy tego nie

chce). Jest to tak

ż

e zwi

ą

zane z tym,

ż

e dostarczone wraz z masowymi wyrobami systemy wbudowane s

ą

trudne do

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

ą

ce sprz

ę

tu, a zwłaszcza oprogramowania.

Wreszcie musz

ą

by

ć

uwzgl

ę

dnione wszystkie mo

ż

liwe scenariusze wyst

ę

puj

ą

ce podczas zastosowania, tzn. ka

ż

dy

mo

ż

liwy lub przynajmniej prawdopodobny ci

ą

g interakcji pomi

ę

dzy układem technicznym i systemem wbudowanym.

Ka

ż

dy nieprzewidziany scenariusz mo

ż

e bowiem prowadzi

ć

do bł

ę

dnego zachowania si

ę

systemu wbudowanego,

co w nast

ę

pstwie mo

ż

e spowodowa

ć

fatalne skutki dla ciała,

ż

ycia lub

ś

rodowiska.

background image

22

System wbudowany ES (ang. Embedded System):

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

ą

systemami

wbudowanymi, ale nie ka

ż

dy system wbudowany jest systemem RT.

Systemy wbudowane maj

ą

m.in. nast

ę

puj

ą

ce własno

ś

ci:

system techniczny

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

ą

trz

nie jest widoczny z zewn

ą

trz (a zatem nie jest to

PC z klawiatur

ą

, monitorem, ... ),

systemy wbudowane najcz

ęś

ciej (na szcz

ęś

cie)

nie s

ą

swobodnie

nie s

ą

swobodnie

programowalne

programowalne,

interfejsy u

ż

ytkownika s

ą

cz

ę

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

ą

wła

ś

ciwie zawsze ró

ż

ne,

b

ę

d

ą

ce do dyspozycji

zasoby sprz

ę

towe

zasoby sprz

ę

towe (ang. hardware) s

ą

cz

ę

sto bardzo

ograniczone (przyczyna: koszty, zu

ż

ycie energii, ci

ęż

ar, ograniczone miejsce, ... ).

Systemy czasu rzeczywistego RT - wprowadzenie

Typowe własno

ś

ci systemu RT (Real Time):

jest wbudowany

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

ę

kszego układu sprz

ę

towo/ programowego i najcz

ęś

ciej steruje/ reguluje

obiekt techniczny,

interakcja z zewn

ę

trznym otoczeniem

interakcja z zewn

ę

trznym otoczeniem: system RT współdziała z otoczeniem

zewn

ę

trznym, które najcz

ęś

ciej nie jest „człowiekiem” – sensory do

nadzorowania

ś

rodowiska systemu technicznego i aktuatory do kontroli

otoczenia,

jest reaktywny

jest reaktywny (ang. reactive): systemy RT s

ą

cz

ę

sto „nap

ę

dzane”

zdarzeniami i musz

ą

reagowa

ć

na zewn

ę

trzn

ą

stymulacj

ę

– odpowied

ź

/ reakcja

jest cz

ę

sto zale

ż

na od stanu (sygnału),

warunki czasowe

warunki czasowe (ang. timing constraints): dane wej

ś

ciowe/ zdarzenia

musz

ą

by

ć

przetworzone w zadanym (okre

ś

lonym) czasie; wymagana jest nie

tylko poprawno

ść

realizacji zada

ń

, ale tak

ż

e wykonanie ich we wła

ś

ciwym

czasie,

współbie

ż

no

ść

współbie

ż

no

ść

(ang. concurrent): wiele działa

ń

jest wykonywanych albo

rzeczywi

ś

cie równocze

ś

nie (równolegle), albo s

ą

one czasowo powi

ą

zane,

rozproszenie

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

ę

złach (procesorach), które s

ą

poł

ą

czone sieci

ą

komunikacyjn

ą

.

Typowe własno

ś

ci systemu RT

background image

23

Przykłady systemów wbudowanych

Poszczególne urz

ą

dzenia i maszyny:

Poszczególne urz

ą

dzenia i maszyny:

sprz

ę

t codziennego u

ż

ytku: urz

ą

dzenia kuchenne,

odtwarzacze CD, aparaty fotograficzne i kamery, gry
video,

urz

ą

dzenia peryferyjne komputerów: drukarka, modem,

telekomunikacja: urz

ą

dzenia transmisyjne, telefony

komórkowe,

wytwarzanie: obrabiarki, roboty przemysłowe,

transport: samochody, poci

ą

gi, sygnalizacja

ś

wietlna,

technika medyczna: tomograf komputerowy,

automatyzacja produkcji.

Przykłady systemów wbudowanych

Zło

ż

one instalacje techniczne:

Zło

ż

one instalacje techniczne:

instalacje wytwórcze, elektrownie,

kierowanie ruchem w transporcie,

systemy satelitarne, komunikacja w skali
globalnej,

technika budowlana,

instalacje i automatyzacja procesów.

background image

24

Technika i

ś

rodki transportowe:

systemy kierowania ruchem l

ą

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

ą

gi, samoloty i statki, które zawieraj

ą

ż

norodne systemy wbudowane, np. sterowanie układami

nap

ę

dowymi, systemy Fly-by-wire, stabilizacja poło

ż

enia samolotu, systemy zapobiegaj

ą

ce blokowaniu hamulców i

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

ś

wiatłem wewn

ę

trznym, regulacja instalacji klimatyzacyjnej.

Technika komunikacyjna:

telefony komórkowe,

urz

ą

dzenia ko

ń

cowe sieci stacjonarnych: telefon, fax, modem,

urz

ą

dzenia poł

ą

cze

ń

sieciowych.

Sprz

ę

t gospodarstwa domowego:

kuchenki mikrofalowe, pralki, zmywarki do naczy

ń

,

zdalna obsługa,

telewizory, radiobudziki, odtwarzacze CD, urz

ą

dzenia satelitarne, odtwarzacze CD,

konsole do gier, zabawki z efektami

ś

wietlnymi i d

ź

wi

ę

kowymi,

aparaty fotograficzne, kamery wideo.

Budynki:

sterowanie ogrzewaniem, sterowanie o

ś

wietleniem, centralne zamki, magistrale domowe,

instalacje przeciwpo

ż

arowe i przeciwłamaniowe.

Technika ochrony

ś

rodowiska:

sterowanie i nadzorowanie w elektrowniach,

kontrola emisji.

Technika medyczna:

systemy dla pacjentów takie jak stymulatory serca, urz

ą

dzenia słuchowe, funkcjonalne protezy,

urz

ą

dzenia medycyny ratunkowej takie jak np. defibrylatory, urz

ą

dzenia oddechowe,

urz

ą

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

elektroencefalograf, tomograf, monitor funkcji

ż

yciowych,

urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania, urz

ą

dzenia do terapii ruchowej.

Przykłady zastosowania systemów wbudowanych

Zwi

ę

kszenie komfortu w prostych wyrobach (np. pralki

automatyczne, itp.)

Zmniejszenie wielko

ś

ci i masy (np. przeno

ś

ny telewizor, itp.)

Zwi

ę

kszenie mobilno

ś

ci (telefony, pagery, itp.)

Zwi

ę

kszenie efektywno

ś

ci/ funkcjonalno

ś

ci (np. aparat

fotograficzny w telefonie komórkowym, itp.)

Zwi

ę

kszenie bezpiecze

ń

stwa (np. ABS, ESP)

Zwi

ę

kszenie mo

ż

liwo

ś

ci piel

ę

gnacji (np. jednostki diagnostyczne,

itp.)

Zmniejszenie kosztów produkcji (mechanika

elektronika)

Zmniejszenie zu

ż

ycia energii (np. elektroniczna regulacja

temperatury)

Personalizacja urz

ą

dze

ń

Przyczyny stosowania systemów wbudowanych

background image

25

Gospodarcze znaczenie systemów wbudowanych:

Uzyskiwanie korzy

ś

ci wynikaj

ą

cych z konkurencji na rynku dzi

ę

ki

kombinacji oprogramowania i sprz

ę

tu (szybsza realizacja zło

ż

onych

funkcji, ... ),

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

ą

wi

ę

ksze ni

ż

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

ę

te,

lokalne systemy

Sterownik komputerowy wykorzystuje wiele sensorów i aktuatorów.

System ma jedno (rzadko wi

ę

cej) na stałe zdefiniowane zadanie (-a).

Otoczenie

Sensor

Sterownik

komputerowy

Aktuator

Typowe własno

ś

ci:

Typowe własno

ś

ci:

- do czasu pracy stała konfiguracja,

- najcz

ęś

ciej stałe wymagania,

- wysoka niezawodno

ść

,

- sterowanie zdarzeniami,

- praca w czasie rzeczywistym.

Typowe przykłady:

Typowe przykłady:

- sprz

ę

t gospodarstwa domowego,

- sterowanie maszyn (urz

ą

dze

ń

),

- urz

ą

dzenia medyczne,

- elektronika domowa.

background image

26

Rodzaje systemów wbudowanych (2): zamkni

ę

te,

rozproszone systemy

Wiele sterowników komputerowych komunikuje si

ę

przez dedykowane

poł

ą

czenia lub sieci miejscowe.

Od czasu do czasu dochodz

ą

nowe aplikacje.

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Typowe własno

ś

ci:

Typowe własno

ś

ci:

- do czasu pracy stała konfiguracja,

- od czasu do czasu dodatkowe

wymagania,

- graceful degradation” – fail safe,

- sterowanie zdarzeniami,

- praca w czasie rzeczywistym.

Typowe przykłady:

Typowe przykłady:

- sterowanie pojazdów,

- linie produkcyjne,

- sterowanie d

ź

wigów

osobowych (wind).

Rodzaje systemów wbudowanych (3): otwarte,

rozproszone systemy

Zmieniaj

ą

ce si

ę

urz

ą

dzania komunikuj

ą

si

ę

przez dynamicznie tworzone

poł

ą

czenia (np. przez Internet lub fale radiowe).

Nowe aplikacje daj

ą

si

ę

instalowa

ć

podczas pracy systemu .

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Sterownik

komputerowy

Fale

radiowe

Internet

Typowe własno

ś

ci:

Typowe własno

ś

ci:

- zmienna konfiguracja,

- szybko zmieniaj

ą

ce si

ę

wymagania,

- niezawodna identyfikacja i pewne

poł

ą

czenia,

- elastyczno

ść

i odporno

ść

.

Typowe przykłady:

Typowe przykłady:

- Webcams,

- sieci Bluetooth,

- inteligentne sieci domowe,

- rozproszone aplikacje

SmartCard.

background image

27

Systemów wbudowanych wokół nas jest coraz wi

ę

cej. Wielko

ść

rynku systemów operacyjnych typu embedded

liczona jest w setkach milionów dolarów, a by

ć

mo

ż

e przekroczyła ju

ż

nawet miliard dolarów. Oznacza to,

ż

e

producenci maj

ą

o co walczy

ć

. Kilkadziesi

ą

t lat temu systemy wbudowane wyst

ę

powały głównie w

wyrafinowanych urz

ą

dzeniach zwi

ą

zanych z automatyk

ą

przemysłow

ą

i medyczn

ą

, lotnictwem czy satelitami.

Przeci

ę

tny u

ż

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

miniaturyzacja, które nast

ą

piły w latach osiemdziesi

ą

tych XX w. kompletnie zmieniły ten stan rzeczy.

Do urz

ą

dze

ń

przemysłowych doł

ą

czyły w ci

ą

gu ostatnich kilkunastu latach ró

ż

ne urz

ą

dzenia domowe – np.

tunery satelitarne, odtwarzacze DVD i urz

ą

dzenia podr

ę

czne, np. handheldy, palmtopy i telefony komórkowe.

Znakomita wi

ę

kszo

ść

urz

ą

dze

ń

embedded – niezale

ż

nie od tego, czy mówimy o nowoczesnym telefonie

komórkowym, czy o marsja

ń

skim łaziku musi by

ć

wyposa

ż

ona w system operacyjny czasu rzeczywistego

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

ć

odpowiedni

ą

szybko

ść

reakcji na zachodz

ą

ce zdarzenia. Co wi

ę

cej, bior

ą

c pod uwag

ę

,

ż

e 98% produkowanych procesorów

wykorzystywanych jest wła

ś

nie w urz

ą

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

ą

gigantyczne.

Istnieje kilkadziesi

ą

t systemów operacyjnych wykorzystywanych w urz

ą

dzeniach typu embedded, ale takich,

które maj

ą

licz

ą

c

ą

si

ę

na rynku pozycj

ę

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

ą

razem

prawie 70% rynku. W

ś

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

rynku. Warto jednak pami

ę

ta

ć

,

ż

e rynek RTOS jest pełen wyspecjalizowanych nisz, rz

ą

dz

ą

cych si

ę

własnymi

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

ż

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

tego typu urz

ą

dze

ń

.

Rynek urz

ą

dze

ń

embedded rozwija si

ę

niezwykle dynamicznie, głównie za spraw

ą

urz

ą

dze

ń

przeno

ś

nych. Nic

wi

ę

c dziwnego,

ż

e producenci systemów operacyjnych intensyfikuj

ą

prace nad ulepszeniem swoich produktów,

zwi

ę

kszaj

ą

c ich niezawodno

ść

i minimalizuj

ą

c wymagania sprz

ę

towe. Cho

ć

moc obliczeniowa i pami

ęć

staj

ą

si

ę

z roku na rok coraz ta

ń

sze, to rosn

ą

równie

ż

wymagania u

ż

ytkowników i stopie

ń

zło

ż

ono

ś

ci urz

ą

dze

ń

, a co za

tym idzie - wymagania stawiane u

ż

ywanym systemom operacyjnym staj

ą

si

ę

coraz wi

ę

ksze. Przykładem takiej

ewolucji jest Windows CE.

Rozwój systemów wbudowanych

Technologie informacyjne w wyrobach – systemy wbudowane

Systemy wbudowane ES (ang. Embedded Systems):

s

ą

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

najcz

ęś

ciej s

ą

one ukryte oraz zwykle s

ą

reaktywnymi lub hybrydowymi systemami z wymaganiami czasu

rzeczywistego,

podlegaj

ą

silnie ograniczaj

ą

cym warunkom brzegowym:

przejmuj

ą

zadania regulacji,

maj

ą

wy

ż

sze wymagania dotycz

ą

ce jako

ś

ci i bezpiecze

ń

stwa,

maj

ą

zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym oraz wysok

ą

niezawodno

ść

.

• minimalne zu

ż

ycie energii,

• minimalna wielko

ść

(gabaryty),

• minimalna masa,

• minimalne koszty,

background image

28

Technologie informacyjne w wyrobach - samochód

Wi

ę

ksze bezpiecze

ń

stwo przez zastosowanie systemów wbudowanych ES (ang.

Embedded Systems) w samochodach:

do 40% kosztów i 90% innowacji uzyskuje si

ę

dzi

ę

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

80

60

40

20

0

Udział kosztów wytwarzania w %

Mechanika

Układy
elektryczne

Elektronika

Oprogra-
mowanie

Wg Audi

Sterowanie

klimatyzacj

ą

Sterowanie silnikiem

ABS

Informacje

Skrzynia

biegów

Technologie informacyjne w wyrobach

mechatronicznych

Systemy wbudowane ES (ang. Embedded Systems):

- systemy (mikro-) komputerowe, które s

ą

wbudowane w

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

- najcz

ęś

ciej niewidoczne i zwykle reaktywne lub hybrydowe,

- systemy z wymaganiami czasu rzeczywistego,

- podlegaj

ą

silnie ograniczaj

ą

cym warunkom brzegowym:

• minimalne zu

ż

ycie energii,

• minimalna wielko

ść

(gabaryty),

• minimalny ci

ęż

ar,

• minimalne koszty,

• …

Wbudowane oprogramowanie:

- przejmuje zadania regulacji w ES,

- wy

ż

sze wymagania dotycz

ą

ce jako

ś

ci i bezpiecze

ń

stwa:

• zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym, niezawodno

ść

, ...

background image

29

Fale elektromagnetyczne w transmisji danych

f [Hz] 10

0

10

2

10

4

10

6

10

8

10

10

10

12

10

14

10

16

10

18

10

20

10

22

10

24

Ś

wiatło

widzialne

Radio

Mikro-

fale

Podczer-

wie

ń

UV

Promienio-

wanie X

Promienio-

wanie Gamma

f [Hz] 10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

14

10

15

10

16

Pasmo LF MF HF VHF UHF SHF EHT THF

Skr

ę

tka

Maritime

AM

radio

FM

radio

TV

Koncentryk

Satelity

Mikrofale

naziemne

Ś

wiatło-

wód

Cz

ę

stotliwo

ść

Media transmisyjne jako no

ś

niki fal elektromagnetycznych

Zwi

ą

zane z kablami:

Zwi

ą

zane z kablami:

transmisja elektryczna:

- skr

ę

tka dwuparowa (ang. Twisted Pair Kabel),

- kabel koncentryczny (ang. Koaxial Kabel),

transmisja optyczna:

-

ś

wiatłowód (jedno- i wielomodowy).

Bezprzewodowe:

Bezprzewodowe:

transmisja za pomoc

ą

fal radiowych:

- wykorzystanie nielicencjonowanych zakresów pasma,

- wykorzystanie licencjonowanych zakresów pasma,

transmisja za pomoc

ą

ś

wiatła:

- promienie lasera na

ś

rednie odległo

ś

ci,

- podczerwie

ń

na małe odległo

ś

ci.

background image

30

Komunikacja sieciowa jest stosowana w trzech głównych obszarach

automatyzacji:

Automatyzacja w przemy

ś

le: poł

ą

czenie w sie

ć

urz

ą

dze

ń

(sensorów,

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

Ś

rodki transportu (samochody, samoloty): poł

ą

czenie w sie

ć

urz

ą

dze

ń

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

Automatyzacja budynków: poł

ą

czenie w sie

ć

urz

ą

dze

ń

i instalacji w

budynkach (ogrzewanie, o

ś

wietlenie, wentylacja, ...).

Sieciowe systemy komunikacyjne - wprowadzenie

Systemy magistralowe,

Systemy komunikacyjne w tym obszarze s

ą

te

ż

okre

ś

lane jako magistrale,

poniewa

ż

najcz

ęś

ciej stosowana jest topologia liniowa (ale nie wył

ą

cznie),

Sie

ć

sensorów/ aktuatorów: na najni

ż

szym poziomie hierarchii,

Sie

ć

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

ż

norodne architektury i mechanizmy (magistrala/ pier

ś

cie

ń

/ gwiazda/

drzewo, Polling/ Token-Passing/ dost

ę

p losowy / TDMA, …).

W sieciowym systemie komunikacyjnym (magistrala szeregowa) wiele

składników (urz

ą

dze

ń

) elektronicznych dzieli si

ę

wspólnym medium

transmisyjnym. Dane s

ą

transmitowane szeregowo w postaci bitów i mog

ą

by

ć

w zasadzie odbierane przez wszystkich uczestników magistrali (ang.

Broadcasting), okre

ś

lanych tak

ż

e jako w

ę

zły sieci.

W odró

ż

nieniu do poł

ą

cze

ń

typu punkt-z-punktem nakłady zwi

ą

zane z

okablowaniem s

ą

tutaj znacznie mniejsze. Powoduje to zmniejszenie

zarówno kosztów jak i ci

ęż

aru. Ponadto zwi

ę

ksza si

ę

niezawodno

ść

całego

systemu mechatronicznego, a jego projektowanie staje si

ę

przejrzyste.

W zastosowaniach sieciowych systemów komunikacyjnych konieczne jest

uwzgl

ę

dnienie m.in. nast

ę

puj

ą

cych aspektów:

tworzenie ramek (ang. Framing), czyli budowa wiadomo

ś

ci,

adresowanie (tworzenie jednoznacznego przyporz

ą

dkowania ramki i w

ę

zła

sieci),

dost

ę

p do magistrali wzgl. utrzymanie warunków czasowych,

ochrona danych wzgl. obsługa bł

ę

dów oraz

synchronizacja.

Sieciowe systemy komunikacyjne

background image

31

Szeregowe systemy komunikacyjne

Fieldbus

(szeregowy)

IrDA (ang. Infrared Data Acces)

IrDA

Magistrale i sieciowe systemy komunikacyjne

Magistrala

Magistrala (system komunikacyjny) ma wyra

ź

n

ą

struktur

ę

(topologi

ę

) tak

ą

jak: linia, pier

ś

cie

ń

czy drzewo i

jest przeznaczona do przesyłania (transmisji) informacji. Przez magistral

ę

okre

ś

la si

ę

układ przewodów, w

którym na zasadzie adresowania pracuj

ą

ż

ne urz

ą

dzenia. W automatyzacji procesów cz

ę

sto stosowane

s

ą

standardowe magistrale, za pomoc

ą

których mog

ą

pracowa

ć

ż

ne urz

ą

dzenia i składniki (komponenty).

W trybie pracy systemu komunikacyjnego Master-Slave urz

ą

dzenie nadrz

ę

dne (Master) kontroluje

działanie magistrali. Natomiast przył

ą

czone urz

ą

dzenia podrz

ę

dne (Slave’s) mog

ą

tylko odpowiada

ć

, gdy

s

ą

one odpytywane. W rozwi

ą

zaniu Multi-Master mo

ż

liwe jest rozpoczynanie komunikacji od ró

ż

nych

urz

ą

dze

ń

. Jednak wówczas musz

ą

by

ć

stosowane metody zapewniaj

ą

ce udost

ę

pnianie magistrali wzgl.

unikanie kolizji.

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

Cykliczne odpytywanie Slave’ów przez Master nazywa si

ę

Polling’iem.

System komunikacyjny Master-Slave

Master

Slave

Slave

Slave

Slave

background image

32

Sieciowe systemy komunikacyjne

Mechanizm sieciowy

Terminem mechanizmu sieciowego okre

ś

lany jest system komunikacyjny, który mo

ż

e mie

ć

równie

ż

zło

ż

on

ą

struktur

ę

z podsieciami, wieloma drogami transmisji lub ró

ż

norodnymi protokołami. Przez

podsieci (segmenty) i urz

ą

dzenia sieciowe z pami

ę

ci

ą

mo

ż

e by

ć

równocze

ś

nie przesyłanych wiele

informacji i wyrównywane ró

ż

ne szybko

ś

ci transmisji.

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

ą

oferowane informacje lub

usługi. Client jest aktywny i wysyła

żą

danie na adres okre

ś

lonego Server’a. Nast

ę

pnie on (tzn. Server)

dostarcza Client’owi odpowiedniej informacji lub te

ż

wykonuje za

żą

dan

ą

usług

ę

. Zatem Server sam w

sobie nie jest aktywny. Typowymi sieciami Client-Server s

ą

Intranet i Internet, które s

ą

oparte na

protokole TCP/IP Ethernet’u.

Poj

ę

cia system z magistral

ą

i mechanizm sieciowy cz

ę

sto w praktyce nie s

ą

wyra

ź

nie rozró

ż

niane.

Sie

ć

Client-Server

Server

Server

Server

Server

Client

Client

Client

Client

Sieci miejscowe (ang. Fieldbus)

Miejscowe sieci komunikacyjne (ang. Fieldbus) zwykle ł

ą

cz

ą

urz

ą

dzenia steruj

ą

ce (sterowniki, regulatory,

komputery) bezpo

ś

rednio z czujnikami i aktuatorami. Ró

ż

ni

ą

si

ę

one swoimi własno

ś

ciami technicznymi i s

ą

stosowane tam, gdzie wyst

ę

puj

ą

specjalne wymagania dotycz

ą

ce obiektu (procesu), takie jak :

• liczba adresowanych urz

ą

dze

ń

,

• system Multimaster, przy czym sterowanie przez magistral

ę

mo

ż

e by

ć

przekazane z jednego urz

ą

dzenia do

innego,

• krótkie czasy reakcji wzgl. mo

ż

liwo

ść

pracy w czasie rzeczywistym (deterministycznie),

• wysoka efektywno

ść

przesyłania pakietów przy krótkich informacjach,

• pakiety z du

żą

ilo

ś

ci

ą

danych,

• niezawodno

ść

transmisji,

• odporno

ść

na włamania z zewn

ą

trz sieci,

• wymiana urz

ą

dze

ń

podczas pracy systemu (ang. Hot Swap),

• rozszerzalno

ść

(skalowalno

ść

),

• nakłady i koszty zwi

ą

zane z okablowaniem,

• koszt przył

ą

czanych układów,

• odporno

ść

(mechaniczna, elektryczna),

• dost

ę

pno

ść

wymaganych składników (sensorów, aktuatorów, urz

ą

dze

ń

peryferyjnych),

• wsparcie techniczne, istniej

ą

ce do

ś

wiadczenia, rozpowszechnienie standardów,

• zasilanie urz

ą

dze

ń

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

ę

(przewody

sygnałowe).

background image

33

Protokół Hart (ang. Highway Addressable Remote Transducer) umo

ż

liwia transmisj

ę

sygnałów cyfrowych

przez analogow

ą

p

ę

tl

ę

pr

ą

dow

ą

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

ą

cy si

ę

wolno

sygnał analogowy jest nakładany sygnał o zmiennym napi

ę

ciu. Dla warto

ś

ci bitów 0 i 1 s

ą

do dyspozycji dwie

cz

ę

stotliwo

ś

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

komunikacji powinno by

ć

wykorzystane istniej

ą

ce ju

ż

okablowanie analogowe. Mo

ż

e wówczas pracowa

ć

wiele

urz

ą

dze

ń

z odpowiednimi własnymi adresami na jednym przewodzie z przeł

ą

cznikiem (ang. Multiplexer) i

adresowaniem.

Sie

ć

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

wykorzystywany jest interfejs RS-485.

Sie

ć

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

samochodach osobowych w celu integracji składników. Nast

ę

pnie została ona rozszerzona jako CANOpen

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

ę

sto stosowana.

Do transmisji jest wykorzystywany interfejs RS-485.

Sie

ć

Profibus (EN 50 170) jest natomiast stosowana w wi

ę

kszych instalacjach przemysłowych i do

niezawodnej transmisji wi

ę

kszych ilo

ś

ci danych. Jest ona rozpowszechniona głównie w Europie. Rozró

ż

nia si

ę

trzy odmiany sieci Profibus:

Profibus PA (do automatyzacji procesów, w obszarach zagro

ż

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

ń

.

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

ż

liwia ona wł

ą

czenie w sie

ć

,

za pomoc

ą

Ethernet’u, poszczególnych elementów równie

ż

na poziomie obiektowym (Ethernet do czujników i

nap

ę

dów). Mo

ż

na w niej nadal stosowa

ć

istniej

ą

ce ju

ż

standardy (Fieldbus, OPC). Wyst

ę

puj

ą

ce problemy

zwi

ą

zane ze sterowaniem w czasie (ang. Realtime) s

ą

rozwi

ą

zywane przez podział sieci na segmenty i

rozszerzenie do sterownika przez przeł

ą

czniki sieciowe (ang.Switche’s).

Sieci miejscowe (Fieldbus)

Za pomoc

ą

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

ś

lany system

komunikacyjny, w którym poszczególne składniki (urz

ą

dzenia) mo

ż

na przył

ą

czy

ć

bez stosowania narz

ę

dzi do

elastycznego kabla z zasilaniem i komunikacj

ą

. Ostre kołki przebijaj

ą

cienk

ą

izolacj

ę

kabla i ł

ą

cz

ą

si

ę

z

odpowiednimi przewodami (poł

ą

czenie na tzw. „wampirki”, bez u

ż

ycia zł

ą

czy z gniazdami wtykowymi).

Uzupełnienie: czas rzeczywisty (ang. Real time)

Wzmaganie dotycz

ą

ce zdolno

ś

ci do pracy w czasie rzeczywistym oznacza,

ż

e informacja w

ś

ci

ś

le

okre

ś

lonym czasie musi dotrze

ć

do odbiorcy. W zale

ż

no

ś

ci od aplikacji ten czas mo

ż

e wynosi

ć

kilka sekund

(np. zarz

ą

dzanie magazynem) lub te

ż

kilka milisekund (np. sterowanie obrabiarek). Rosn

ą

równie

ż

wymagania dotycz

ą

ce pewno

ś

ci transmisji danych (bezpiecze

ń

stwa, niezawodno

ś

ci). I tak np. komunikacja

pomi

ę

dzy obwodami bezpiecze

ń

stwa (ang. Safety) instalacji musi by

ć

wykonana w sposób niezawodny.

Dlatego te

ż

istniej

ą

ce sieci miejscowe s

ą

dalej rozwijane w kierunku bezpiecze

ń

stwa (DeviceNetSafety,

PROFISafe, AsiSafety at work).

Przemysłowa transmisja bezprzewodowa (radiowa)

Na obszarze Unii Europejskiej do transmisji bezprzewodowej z ograniczon

ą

moc

ą

sygnału nadawania s

ą

dost

ę

pne bez licencji cz

ę

stotliwo

ś

ci 869 MHz i w pa

ś

mie 2,4GHz. Te tzw. cz

ę

stotliwo

ś

ci ISM (ang. Industrial,

Scientific, Medical) mog

ą

by

ć

równie

ż

stosowane do bezprzewodowej transmisji danych w przemy

ś

le.

Mo

ż

liwe s

ą

przy tym szybko

ś

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

ą

dwie metody transmisji, tzn.

DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z mo

ż

liwo

ś

ci

ą

wy

ż

szej szybko

ś

ci transmisji i FHSS (ang.

Frequence Hopping Spread Spectrum) o wi

ę

kszej odporno

ś

ci na zakłócenia.

Technika radiowa jest równie

ż

podstaw

ą

, na której zbudowane s

ą

sieci bezprzewodowe WLAN (ang. Wireles

Local Area Network) do komunikacji z komputerami. Rozwijane s

ą

tak

ż

e sieci do bezprzewodowej

komunikacji z sensorami, dzi

ę

ki czemu mo

ż

liwa jest transmisja danych pomiarowych, odpytywanie o status

urz

ą

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

ą

zaniach sieci (ang. mesh

network) urz

ą

dzenia podejmuj

ą

samoczynnie poł

ą

czenie z innymi dost

ę

pnymi urz

ą

dzeniami, nie wyst

ę

puje

ż

adne urz

ą

dzenie nadrz

ę

dne (Master), a dane mog

ą

by

ć

transmitowane z wykorzystaniem ró

ż

nych dróg

poł

ą

cze

ń

.

Sieci komunikacyjne c.d.

background image

34

Ethernet

Poj

ę

ciem Ethernet jest okre

ś

lany cały system techniczny, z którego zbudowane s

ą

zwykle lokalne sieci

komputerowe LAN (ang. Local Area Network). Nale

żą

do niego np.:

• kabel,

• zł

ą

cza (gniazda i wtyki),

• karty sieciowe w komputerze,

• przeł

ą

cznik sieciowy (ang. Switch), który wyodr

ę

bnia segmenty sieci,

Router (przej

ś

cie do innych sieci).

W pracy komputerowych sieci komunikacyjnych przyj

ę

ło si

ę

wiele standardów, np. dla:

• własno

ś

ci elektrycznych sygnałów (napi

ę

cia, szybko

ść

transmisji),

• rodzaju kodowania (np. kod Manchester),

• metod dost

ę

pu (np. z rozpoznawaniem kolizji),

• budowy pakietów.

Jakie znaczenie ma zawarto

ść

pakietów i jak jest uzyskiwana niezawodna transmisja nie s

ą

tutaj okre

ś

lone.

Dlatego te

ż

w jednej i tej samej sieci Ethernet mog

ą

by

ć

wymieniane dowolne zawarto

ś

ci informacji w ró

ż

nych

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

ą

tylko jednorazowo wyst

ę

puj

ą

cego adresu dla ka

ż

dego komputera

daje si

ę

utworzy

ć

poł

ą

czenie transmisyjne. Je

ż

eli wymiana informacji powinna si

ę

odbywa

ć

w obu kierunkach,

to dla ka

ż

dego protokołu w obu komputerach musi by

ć

zainstalowany serwer (program komputerowy), który ze

swojej strony tworzy poł

ą

czenie z programem aplikacyjnym (tutaj narz

ę

dzie wirtualne).

Aby Ethernet mógł by

ć

w sposób uniwersalny wykorzystywany w przemy

ś

le, to tak

ą

mo

ż

liwo

ść

daje m.in. jego

niestandardowy wariant, w którym magistrala danych zapewnia równie

ż

zasilanie urz

ą

dze

ń

o małej mocy (PoE:

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

ę

tka)

lub

ś

wiatłowód s

ą

zast

ę

powane przez fale radiowe. W ten sposób mo

ż

na uzyska

ć

zasi

ę

g w terenie do 300 m, a

w budynkach jest on znacznie mniejszy. Dane s

ą

przesyłane w protokole TCP/IP.

Data Socket Transfer Protocol (specjalny

protokół w LabVIEW)

Pomi

ę

dzy Server’ami daj

ą

si

ę

transmitowa

ć

dane z elementów ekranu monitora lub dane z przył

ą

czonych

urz

ą

dze

ń

. Ka

ż

de wirtualne urz

ą

dzenie VI (ang. Virtual Instrument) mo

ż

e przy tym zapisywa

ć

dane na swój

Server, który nast

ę

pnie mo

ż

e by

ć

odpytywany przez inne VI (jako Client).

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

background image

35

Protokoły i usługi w sieciowych systemach komunikacyjnych

Protokół:

Protokół:

znana liczba reguł i formatów, które s

ą

wykorzystywane do komunikacji pomi

ę

dzy procesami

w celu wykonania okre

ś

lonego zadania.

Usługa:

Usługa:

- realizacja zdefiniowanego zadania,

- usługobiorca i usługodawca komunikuj

ą

si

ę

za

pomoc

ą

okre

ś

lonego interfejsu.

Warunki fizyczne:

Warunki fizyczne:

zastosowanie odpowiednich metod, aby przez medium móc

transmitowa

ć

informacje.

Topologia:

Topologia:

fizyczna struktura sieci.

Sterowanie dost

ę

pem

Sterowanie dost

ę

pem (przy wspólnie wykorzystywanym medium):

koordynacja wielu nadajników, aby unikn

ąć

kolizji i tym samym

zniszczenia informacji,

rozwi

ą

zania dost

ę

pu:

- równouprawniony (ang. Fairness),

- z priorytetem.

Media transmisyjne

background image

36

Magistrale szeregowe

Magistrale szeregowe

Multipleksowanie

w czasie

Multipleksowanie

cz

ę

stotliwo

ś

ciowe

Transmisja synchroniczna

z centraln

ą

kontrol

ą

Transmisja

asynchroniczna

Jeden uczestnik

na kanał

Wielu uczestników

na kanał

Kontrolowany dost

ę

p

do magistrali

Losowy dost

ę

p

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

ę

pu do magistrali

Sieciowe systemy komunikacyjne - dost

ę

p do

magistrali

Dost

ę

p losowy:

Dost

ę

p losowy:

CSMA

CSMA: ka

ż

da stacja

mo

ż

e w ka

ż

dej chwili

przesyła

ć

informacj

ę

, a

w przypadku kolizji
nast

ę

puje powtórzenie.

Master

Master

/

/

Slave

Slave

:

:

Master

Master

okre

ś

la, która

okre

ś

la, która

stacja mo

ż

e si

ę

stacja mo

ż

e si

ę

komunikowa

ć

.

komunikowa

ć

.

Kontrolowany

Kontrolowany

rozproszony dost

ę

p

rozproszony dost

ę

p

do magistrali:

do magistrali:

Zasada

Zasada

token

token

’a

’a

:

:

tylko

tylko

stacja maj

ą

ca

stacja maj

ą

ca

token

token

mo

ż

e nadawa

ć

.

mo

ż

e nadawa

ć

.

A

B

C

D

A

B

C

A

D

B

C

Losowa metoda dost

ę

pu do magistrali

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
).

background image

37

Topologia sieci komunikacyjnych

Poł

ą

czenia logiczne i fizyczne

Poł

ą

czenia logiczne i fizyczne

Struktura logiczna:

Struktura logiczna:

A

B

C

D

Przykład:

struktura

struktura

hierarchiczna

hierarchiczna

B, C i D wymieniaj

ą

informacje tylko z A, a nie
miedzy sob

ą

Mo

ż

liwo

ś

ci poł

ą

cze

ń

fizycznych:

Mo

ż

liwo

ś

ci poł

ą

cze

ń

fizycznych:

A

Poł

ą

czenie punkt-punkt:

B, C i D mog

ą

wymienia

ć

dane tylko z A

B

C

D

Magistrala linowa:

B, C i D mog

ą

wymienia

ć

dane A i mi

ę

dzy sob

ą

Magistrala pier

ś

cieniowa:

Poł

ą

czenia jak w magistrali

liniowej, przy awarii jednej ze
stacji pier

ś

cie

ń

jest przerwany.

A

B

C

D

A

B

C

D

Topologie sieci komunikacyjnych

Szyna (ang. Bus)

Pier

ś

cie

ń

(ang. Ring)

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

Gwiazda (ang. Stern)

Stokrotka

(ang. Daisy)

background image

38

Sterowanie dost

ę

pem do medium transmisyjnego

Kto i kiedy ma mo

ż

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

W

a

rs

tw

y

z

o

ri

e

n

to

w

a

n

e

n

a

tr

a

n

s

p

o

rt

W

a

rs

tw

y

z

o

ri

e

n

to

w

a

n

e

n

a

a

p

li

k

a

c

j

ę

1011111010010110

Start Adres

A

B

%%I%%

Zobrazowanie

Transmisja bitów

Zabezpiecze

ń

Transmisji

Transportowa

Sesji

Zobrazowania

Aplikacji

Wytworzenie sygnałów elektrycznych

Sterowanie dost

ę

pem, poł

ą

czenia

systemowe, tworzenie sumy kontrolnej,
wysyłanie i odbiór pakietów danych

Poszukiwanie dróg transmisji,
ł

ą

czenie systemów ko

ń

cowych

Przetwarzanie nazw, adresy
sieciowe, ł

ą

czenie uczestników

Tworzenie poł

ą

cze

ń

jako

jednostek wirtualnych

Dopasowanie formatów
danych

Interfejs aplikacji

Przetwarzanie informacji

Model warstwowy ISO/OSI

background image

39

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

IP

ETH

TCP

IP

ETH

Zapytanie

Usługa

(1) Warstwa fizyczna

(1) Warstwa fizyczna

Gniazda/ wtyki, kabel, elektronika

(2) Warstwa poł

ą

cze

ń

(2) Warstwa poł

ą

cze

ń

Adres MAC Adres MAC

(3) Warstwa sieci

(3) Warstwa sieci

10.1.0.19

10.1.10.27

(4) Warstwa transportowa

(4) Warstwa transportowa

Port 80

Port 123

(5) Warstwa sesji

(5) Warstwa sesji

(6) Warstwa zobrazowania

(6) Warstwa zobrazowania

(7) Warstwa aplikacji

(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

ę

) przez analogowe sygnały o napi

ę

ciu przemiennym. Zera i

jedynki cyfrowego pakietu danych s

ą

transmitowane przez dwa zmienne sygnały napi

ę

ciowe o ró

ż

nych

cz

ę

stotliwo

ś

ciach.

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

ą

transmitowane tylko dane cyfrowe. Dzi

ę

ki temu

uzyskuje si

ę

zwi

ę

kszenie szybko

ś

ci transmisji (technologia DSL).

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

ą

wykorzystywane przede wszystkim w telefonach

komórkowych i palmtopach. S

ą

w nich tak

ż

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

ę

p

do Internetu otwiera tak

ż

e nowe mo

ż

liwo

ś

ci zastosowania tych sieci w systemach automatyzacji.

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

ą

transmisji, w której cz

ę

stotliwo

ś

ci radiowe GSM

s

ą

powi

ą

zane i w ten sposób uzyskuje si

ę

wi

ę

ksz

ą

przepustowo

ść

pakietów danych IP (ang. Internet Protocol).

Dalsz

ą

usług

ą

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

ę

dzie w niej mo

ż

liwa transmisja znacznie

wi

ę

kszych ilo

ś

ci danych. Ponadto du

żą

rol

ę

b

ę

d

ą

odgrywały aplikacje interaktywne.

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

ą

równie

ż

tzw. usługi US (ang. Unified

Messaging), których zastosowanie w sieciach przemysłowych tak

ż

e nale

ż

y bra

ć

pod uwag

ę

. Ten rodzaj usługi

umo

ż

liwia przesyłanie informacji w sposób wybieralny przez ró

ż

ne kanały, w zale

ż

no

ś

ci od tego w jaki sposób

dost

ę

pny jest odbiorca. Typowymi takimi usługami s

ą

:

• fax,

• pager,

• SMS (ang. Short Messaging System),

• MMS (ang. Multimedia Messaging System),

Voice-Message,

• SMTP (e-mail).

background image

40

Urz

ą

dzenie sieciowe w systemie automatyzacji, w przypadku zakłóce

ń

w jego pracy, mo

ż

e przesła

ć

informacj

ę

, któr

ą

odbiorca mo

ż

e odebra

ć

przez jeden z wielu mo

ż

liwych kanałów i podj

ąć

odpowiednie

działanie, a nawet w niektórych przypadkach rozwi

ą

za

ć

problem przez te kanały.

PC

PC

Fieldbus

Sensor

/

Aktuator

Obiekt sterowania

Obiekt sterowania

Sterownik

LAN: segment sterowania

LAN: segment zarz

ą

dzania

Router

Bridge

Stacja

kierowania

PC

Internet

Internet

Firma

Firma

serwisowa

serwisowa

ISDN

ISDN

Zdalny dost

ę

p do systemów automatyzacji

Interoperacyjno

ść

(ang. Interoperability) sieci

Sie

ć

rozległa

WAN

WAN (ang.

Wide Area

Network)

Repeater

Bridge’s

Gateway

Podsie

ć

background image

41

Repeater

Repeater:

– nie ma zmiany protokołów i szybko

ś

ci transmisji.

Bridge

Bridge:

– nie ma zmiany protokołów, nie ma fragmentyzacji,

– zmiana szybko

ś

ci transmisji i metody dost

ę

pu.

Gateway

Gateway:

– zmiana protokołu, szybko

ś

ci transmisji, fragmentyzacji i metod dost

ę

pu,

– brak routing’u adresów.

Router

Router:

– zmiana protokołu, szybko

ś

ci transmisji, fragmentyzacji i metod dost

ę

pu,

– routing adresów.

Switche’

Switche’s:

– przeł

ą

czanie bezpo

ś

rednich poł

ą

cze

ń

pomi

ę

dzy portami wewn

ą

trz urz

ą

dzenia,

– mo

ż

na pracowa

ć

na ró

ż

nych poziomach stosu protokołów,

– mo

ż

na realizowa

ć

funkcjonalno

ść

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

Metody transmisji

Metody transmisji:

– przeł

ą

czanie pakietów (ang. packet switching),

– przeł

ą

czanie obwodów (ang. circuit switching).

Interoperacyjno

ść

(ang. Interoperability) sieci

Zastosowanie sieci komunikacyjnych wynika ze wzrostu układów elektronicznych
w samochodach:

Elektronika zamiast mechaniki:

Elektronika zamiast mechaniki:

• podnoszenie szyb, centralny zamek,

Elektroniczne urz

ą

dzania steruj

ą

ce:

Elektroniczne urz

ą

dzania steruj

ą

ce:

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

Składniki multimedialne:

Składniki multimedialne:

• system nawigacyjny, odtwarzacz CD,

• Internet.

Sieciowe systemy komunikacyjne umo

ż

liwiaj

ą

:

redukcj

ę

okablowania

maleje cena i ci

ęż

ar,

rozszerzenie zdolno

ś

ci komunikacyjnych,

kontrol

ę

dzi

ę

ki składnikom diagnostycznym,

zapewnienie bezpiecze

ń

stwa dzi

ę

ki redundancji,

modularyzacj

ę

.

Zastosowanie sieciowych systemów

komunikacyjnych w samochodach

background image

42

Rozwój i zastosowanie sieciowych systemów komunikacyjnych w samochodach

przynosi nast

ę

puj

ą

ce korzy

ś

ci:

zapewnienie komunikacji pomi

ę

dzy ró

ż

nymi modułami i urz

ą

dzeniami

sterowniczymi z mo

ż

liwie małymi nakładami na okablowanie,

prosta struktura magistrali, tzn. ka

ż

de urz

ą

dzenie powinno by

ć

tylko raz

przył

ą

czone,

zwi

ę

kszenie odporno

ś

ci na awarie i zakłócenia dzi

ę

ki redundantnym

przewodom,

zastosowanie prostych narz

ę

dzi diagnostycznych dzi

ę

ki implementacji pami

ę

ci

ę

dów w urz

ą

dzeniu steruj

ą

cym,

oszcz

ę

dno

ść

na kablach i tym samym równie

ż

kosztach oraz masie

samochodu,

proste Upgrade nowego oprogramowania, zarówno podczas monta

ż

u jak i

podczas piel

ę

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

ą

stosowane w celu redukcji nakładów zwi

ą

zanych z

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

ą

:

szeroko

ść

pasma przenoszenia (transmisji),

odporno

ść

na zakłócenia,

zdolno

ść

do pracy w czasie rzeczywistym,

liczba adresowanych w

ę

złów.

Rodzaj zastosowania sieci okre

ś

la wymagan

ą

szeroko

ść

pasma. Do transmisji komend dla nastawienia

klap w instalacjach klimatyzacyjnych wymagana jest mała szeroko

ść

pasma, ale liczba adresowanych

silników mo

ż

e by

ć

stosunkowo du

ż

a. Wymagania dotycz

ą

ce odporno

ś

ci sieci na zakłócenia zale

żą

od

stopnia istotno

ś

ci bezpiecze

ń

stwa sterowanych jednostek. I tak dla jednostek, które słu

żą

wył

ą

cznie

funkcjom komfortu stawiane s

ą

mniejsze wymagania ni

ż

jednostkom, które maj

ą

bezpo

ś

redni wpływ na

przebieg jazdy, takich jak ABS lub układy zapobiegaj

ą

ce po

ś

lizgom. Najwa

ż

niejszymi kryteriami

ekonomicznymi w doborze sieciowych systemów komunikacyjnych dla samochodów s

ą

:

koszty przewodów,

koszty składników.

Ponadto istotnymi czynnikami w zastosowaniu sieciowych systemów komunikacyjnych w samochodach

s

ą

:

kompatybilno

ść

elektromagnetyczna (EMC),

promieniowanie elektromagnetyczne,

tolerancja napi

ę

cia zasilania,

topologia okablowania.

Czynniki doboru sieci komunikacyjnych w samochodach

background image

43

Obecnie produkowane samochody

ś

redniej i wy

ż

szej klasy maj

ą

od 60 do 100

sterowanych elektronicznych urz

ą

dze

ń

ECU (ang. Electronic Control Units).

Klasyfikacja ró

ż

nych obszarów:

Sieciowe systemy komunikacyjne w samochodach

Nawigacja,
odtwarzacz CD, ...

Sterowanie silnikiem,
sterowanie skrzyni

ą

biegów, ABS, ...

Armatura, sterowanie
klimatyzacj

ą

, ...

Ś

wiatła

hamowania,
kierunkowskazy, ...

> 1 Mbit/s

> 250 kbit/s

40 kbit/s

10 kbit/s

Cz

ę

ste długie

informacje

Cz

ę

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

Drzwi

Dach

Siedze-

nie

Siedze-

nie

Klimaty-

zacja

Kompu-

ter

Gateway

Sensor

Sensor

Aktuator

ECU1

ECU1

Odtwa-

rzacz CD

Telefon

Tuner

TV

Nawi-
gacja

LIN

LIN

CAN

CAN

High

High

-

-

Speed

Speed

CAN

CAN

Low

Low

-

-

Speed

Speed

FlexRay

FlexRay

MOST

MOST

Multimedia

Sensor/ aktuator

Komfort

Nap

ę

d/ zespoły jazdy

ECU (ang. Electronic Control Units)

background image

44

Nowoczesne samochody zawieraj

ą

wiele ró

ż

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

ę

dzynarodowy. Przy czym

rozró

ż

nia si

ę

:

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

ą

czenia w sie

ć

urz

ą

dze

ń

steruj

ą

cych komfortem z

maksymaln

ą

szybko

ś

ci

ą

transmisji 125 kbit/s oraz

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

ą

czenia w sie

ć

urz

ą

dze

ń

steruj

ą

cych nap

ę

du i

mechanizmów jazdy o maksymalnej szybko

ś

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

ż

CAN, jako sterowany zdarzeniami szeregowy system magistralowy, przy rosn

ą

cym obci

ąż

eniu

magistrali mo

ż

e w coraz mniejszym stopniu zapewni

ć

prac

ę

w czasie rzeczywistym, to dla aplikacji

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

ż

nie

od obci

ąż

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

krytycznych czasowo chodzi najcz

ęś

ciej równie

ż

o układy istotne dla bezpiecze

ń

stwa. Rozwi

ą

zaniem tego

problemu jest zastosowanie systemu FlexRay, który ma maksymaln

ą

szybko

ść

transmisji 20 Mbit/s i

zapewnia deterministyczne przebiegi czasowe. Drugi kanał komunikacyjny umo

ż

liwia redundantn

ą

transmisj

ę

danych. W tym przypadku, gdy dane zostan

ą

zakłócone w jednym kanale, to zawsze jest

jeszcze dla nich do dyspozycji drugi kanał.

Natomiast urz

ą

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

ą

stosunkowo wysokiej

szeroko

ś

ci pasma, poniewa

ż

transmituj

ą

one nie tylko sygnały steruj

ą

ce, ale tak

ż

e sygnały wideo i audio.

Do poł

ą

czenia w sie

ć

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

System Transport). MOST daje do dyspozycji stosunkowo du

żą

szeroko

ść

pasma transmisji: dla

cz

ę

stotliwo

ś

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

transmisji sygnałów steruj

ą

cych.

Sieciowe systemy komunikacyjne w samochodach

linia, gwiazda

linia

linia, gwiazda

Topologia

skr

ę

tka dwuparowa,

ś

wiatłowód z tworzyw

sztucznych

Single Wire

skr

ę

tka dwuparowa

(ang. Twisted Paar)

Medium transmisyjne

254

8

8

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

20 kbit/s

20 kbit/s

1 Mbit/s

Max. szybko

ść

transmisji

informacje

informacje

informacje

Adresowanie

kontrolowany TDMA

(ang. Time Division

Multiple Access)

kontrolowany

(delegowany token)

losowy CSMA/CA

(ang. Carrier Sense

Multiple Access/ with

Collision Avoidance)

Dost

ę

p do magistrali

Multi-Master

Master-Slave

Multi-Master

Architektura

deterministyczne

deterministyczne

nie deterministyczne

Przebiegi czasowe

czas

czas

zdarzenia

Sterowanie

FlexRay

FlexRay

LIN

LIN

CAN

CAN

Sie

ć

Aspekt

Cechy sieciowych systemów komunikacyjnych

stosowanych w samochodach

background image

45

Rozwój zastosowania sieciowych systemów

komunikacyjnych w samochodach

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Rok

%

300

200

100

0

Pozostałe

Firmowe (prod. samoch.)

„Bezpiecze

ń

stwa” (ł

ą

cznie z FlexRay)

LIN

J1850

CAN

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


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 6
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8 Nieznany
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 1
Wstęp do MATLABA cz 1

więcej podobnych podstron