Fyzické A Logické Topologie Ds, Základní Komunikační Technologie, Pds A Poč. Sítě.

Transcript

Distribuované systémy a počítačové sítě Téma 8: Základní komunikační technologie, IEEE1451 • centralizované a distribuované systémy • základní analogové a číslicové technologie • porovnání průmyslových distribuovaných systémů a počítačových sítí • pojem „inteligentní senzor“ • standard IEEE 1451 Centralizované a distribuované systémy I Centralizovaný systém Krokový motor Modem Kamera Řidicí počítač systému Sensor výšky hladiny Senzor vzdálenosti Snímač tlaku Termočlánek Centralizované a distribuované systémy I Centralizovaný systém – hvězdicovité propojení senzorů a akčních členů s řídicím uzlem • řídicí uzel zpracovává data ze senzorů a vyhodnocuje akční zásahy – vyhrazený komunikační kanál • komunikace s kterýmkoli senzorem či akčním členem je možná kdykoliv • pro přenos informace je obvykle využito napětí nebo proud – citlivé na rušivé vlivy – omezená přenosová kapacita, jednosměrná komunikace – senzory i akční členy jsou obvykle „hloupá“ zařízení • bez lokální inteligence, ale levnější – nízká flexibilita – totální závislost na centrálním uzlu Centralizované a distribuované systémy I Distribuovaný systém – vzhledem k dále uvedeným přednostem se stále více využívají v praxi Sensor polohy Snímač tlaku Krokový motor Bus T T Modem Termočlánek Sensor výšky hladiny Kamera Řídicí počítač systému Centralizované a distribuované systémy I Distribuovaný systém – rozlehlé systémy byly téměř vždy realizovány jako distribuované • toto dělení je zajímavé především pro oblast průmyslové automatizace a vozidel – číslicový přenos dat • vysoká odolnost vůči vnějšímu rušení, detekce chyb • možnost přenosu více různých hodnot a parametrů • dostupnost dat pouze v časově diskrétních okamžicích • typicky obousměrná komunikace – vyšší flexibilita • jednodušší rozšiřování fyzické infrastruktury – uzly systému jsou inteligentní senzory a akční členy – lze budovat systémy nezávislé na centrálním uzlu • zcela distribuované aplikace • zálohovaný centrální uzel Základní analogové technologie I I Pro přenos informace je využita okamžitá hodnota napětí nebo proudu Napěťový přenos – hodnota výstupního napětí je lineárně závislá na hodnotě měřené veličiny (někdy existuje i aditivní konstanta) – typické jsou rozsahy 0 ÷ 10 V, -5 V ÷ + 5 V, 0 ÷ 24 V I Analogová proudová smyčka – hodnota výstupního napětí je lineárně závislá na hodnotě měřené veličiny (někdy existuje i aditivní konstanta) – typické rozsahy jsou 0 ÷ 20 mA, 4 ÷ 20 mA • druhá varianta umožňuje detekci přerušení smyčky a případné napájení senzoru I Analogové technologie jsou citlivé na vnější rušení – jsou však velmi rozšířené (především proudová smyčka) Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) – asi nejrozšířenější standard pro spojení bod – bod – podporuje synchronní i asynchronní komunikaci – existuje v mnoha variantách • nejrozšířenější je varianta implementovaná v počítačích IBM PC kompatibilních – původně byla určena pro propojení mezi terminálem a modemem při komunikaci prostřednictvím nějaké jiné technologie (např. veřejné telefonní sítě) • terminál je označován jako DTE (Data Terminal Equipment) • modem je označován jako DCE (Data Circuit-terminating Equipment) Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) DTE1 TALK / D ATA T ALK R S CS T R R D TD C D DCE1 I PSTN T ALK / DAT A TALK R S C S TR RD TD C D DTE2 DCE2 Přenosový okruh může být realizován i jinou technologií – radiomodemy – sítí GSM – kabelové modemy Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) SG DTR TD 5 4 3 RD 2 DCD 1 9 RI 8 CTS 7 RTS přijímá DTE 6 DSR vysílá DTE – signály rozhraní jsou správně značeny na obou typech zařízení shodně • tzn. např. signál TD je vysílán zařízením typu DTE a přijímán zařízením typu DCE • Pozor !!! Často se nedodržuje!!! Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) – – – – – – – – TD (Transmitted Data) – data vysílaná z DTE RD (Received Data) – data přijímaná DTE SG (Signal Ground) – signálová zem RTS (Request To Send) – připravenost DTE k příjmu CTS (Clear To Send) – připravenost DCE k příjmu DTR (DTE Ready) – indikuje obecnou připravenost DTE DST (DCE Ready) – indikuje obecnou připravenost DCE DCD (Data Carrier Detect) – indikace příjmu nosné • nový název je RLSD (Received Line Signal Detect) – RI (Ring Indicator) – indikuje detekci vyzvánění Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) – často se využívají jen některé signály, a to zejména v případě přímého propojení dvou DTE zařízení • např. varianta nulový modem 6 6 8 9 8 9 • vzájemné propojení DTR na jedné a DSR + DCD na druhé straně signalizuje obecnou připravenost a existenci spojení • signály RTS a CTS jsou využity pro řízení toku dat Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) – často se využívají jen některé signály, a to zejména v případě přímého propojení dvou DTE zařízení • např. třídrátová varianta 6 6 8 9 8 9 • jsou propojeny pouze datové signály • není možné HW řízení toku dat (lze využít SW prostřednictvím znaků XON a XOFF Základní komunikační technologie I EIA/TIA 232 (RS 232) – jedná se o nesymetrická vedení (unbalanced, singleended) – signalizace využívá inverzní logiku • napětí -3 V ÷ -25 V reprezentuje log. 1 • napětí +3 V ÷ +25 V reprezentuje log. 0 – maximální doporučená rychlost je 20 kbit/s • PC implementace podporuje až 115,2 kbit/s • další implementace podporují i vyšší rychlosti – maximální doporučená délka kabelu je 15 m • v praxi závisí na: – použité komunikační rychlosti – na okolním elektromagnetickém prostředí (úrovni rušení) Základní komunikační technologie I EIA/TIA 423 (RS 423) – na rozdíl od EIA/TIA 232 definuje pouze parametry fyzické vrstvy – opět se jedná o nesymetrickou linku s inverzní logikou • napětí -3 V ÷ -6 V reprezentuje log. 1 • napětí +3 V ÷ +6 V reprezentuje log. 0 – jeden vysílač může budit až 10 přijímačů (point to point, multi-drop) – maximální doporučená přenosová rychlost je 100 kbit/s • v závislosti na délce kabelu a úrovni rušení – maximální doporučená délka kabelu je 1200 m Základní komunikační technologie I EIA/TIA 422 (RS 422) – podobná standardu EIA/TIA 423 – vhodná pro point to point i pro multi-drop komunikaci – jedná o symetrickou (balanced, differential) linku • rozdílové napětí -2 V ÷ -6 V reprezentuje log. 1 • rozdílové napětí +2 V ÷ +6 V reprezentuje log. 0 • odolná vůči souhlasnému rušení – maximální doporučená přenosová rychlost je 10 Mbit/s • v závislosti na délce kabelu, jeho kvalitě a úrovni rušení – maximální doporučená délka kabelu je 1200 m • impedance 120 Ω • zakončen terminátory – lze realizovat jak simplexní, tak plně duplexní kanál – hodně se využívá v průmyslových aplikacích Základní komunikační technologie I EIA/TIA 485 (RS 485) – podobný standardu EIA/TIA 422 – kromě point to point a multi-drop komunikace lze využít i pro sběrnicovou komunikaci (multipoint) – budič může budit až 32 tzv. jednotkových zátěží • odtud pramení omezení mnoha standardů průmyslových distribuovaných systémů Ii 1 mA -7V -3V 5V -0,8 mA 12V UAB Základní komunikační technologie I EIA/TIA 485 (RS 485) – jedná o symetrickou (balanced, differential) linku • rozdílové napětí -2 V ÷ -6 V reprezentuje log. 1 • rozdílové napětí +2 V ÷ +6 V reprezentuje log. 0 • odolná vůči souhlasnému rušení – maximální doporučená přenosová rychlost je 10 Mbit/s • v závislosti na délce kabelu, jeho kvalitě a úrovni rušení – maximální doporučená délka kabelu je 1200 m • impedance 120 Ω • zakončen terminátory – lze realizovat jak poloduplexní, tak plně duplexní kanál – hodně se využívá v průmyslových aplikacích Základní komunikační technologie Porovnání probraných standardů – kabel 24AWG, 50 pF/m 1200 Délka kabelu (m) I 300 EIA-422 EIA-485 EIA-423 30 15 EIA-232 0.1 1.0 10 100 Přenosová rychlost (kbit/s) 1000 10000 Porovnání PDS a počítačových sítí I Průmyslový distribuovaný systém (Fieldbus) – byly navrhovány pro průmyslové prostředí – pro aplikace průmyslové automatizace a sběru dat – jsou optimalizovány pro přenos malých bloků dat • krátké linkové rámce • nízká přenosová rychlost (desítky až stovky kbit/s) • nízká režie přenosu – zotavení se z chyb je obvykle implementováno v linkové vrstvě • tedy HW a rychlé I Počítačová síť (LAN) – byly navrhovány pro kancelářské prostředí – především pro aplikace sdílení prostředků a zdrojů – jsou optimalizovány pro přenos velkých bloků dat • dlouhé rámce linkové vrstvy • přenosová rychlost je obvykle vysoká (desítky až stovky Mbit/s) • vysoká režie přenosu – zejména pro malé bloky dat – zotavení se z chyb je implementováno ve vyšších vrstvách • tedy SW a pomalé Porovnání PDS a počítačových sítí I Průmyslový distribuovaný systém (Fieldbus) – obvykle deterministické MAC algoritmy • předpoklad pro aplikace pracující v reálném čase • lze dosáhnout definovaných a omezených latencí a odezev – možnost napájení po datovém vedení – možnost nasazení v prostředí s nebezpečím výbuchu – snadnější certifikace pro bezpečnostně kritické systémy I Počítačová síť (LAN) – nejrozšířenější standard (Ethernet) využívá CSMA/CD • není zaručeno doručení linkového rámce v limitu • dosažení definovaných odezev není za standardních podmínek zajištěno • ale existují metody řešení ! – možnost napájení po datovém vedení existuje – velké rozšíření a nízká cena síťových prvků napomáhá pronikání LAN i do aplikací, které byly donedávna vyhrazeny technologiím PDS Inteligentní senzor (akční člen) I Kromě vlastní funkce (tj. převod měřené fyzikální veličiny na veličinu elektrickou) implementuje celou řadu dalších funkcí, umožňujících: – – – – – zvýšení linearity a přesnosti snížení vlivu jiných fyzikálních veličin omezení vlivu vnějšího rušení autodiagnostiku lokální zpracování a vyhodnocení vybraných parametrů • průměrná hodnota, překročení maxima či minima • dočasná archivace dat – číslicová komunikace • vzdálená parametrizace • přenos různých hodnot měřené veličiny – lokální uživatelské rozhraní Inteligentní senzor I Blokové schéma – ne všechny bloky musí být implementovány ! Klasický senzor Komunikační rozhraní Buzení Senzor/ Převodník Úprava signálu A/D převod On-line zpracování dat & řízení Pomocné senzory Off-line zpracování dat Uživatelské rozhraní analogová část číslicová část Klasický senzor Inteligentní senzor I Funkce bloků – senzor/převodník Komunikační rozhraní Buzení Senzor/ Převodník Úprava signálu A/D převod On-line zpracování dat & řízení Pomocné senzory Off-line zpracování dat Uživatelské rozhraní analogová část číslicová část • vlastní snímač fyzikální veličiny (termočlánek, fotodioda Y) • různé formy elektrického výstupu (napětí, proud, náboj, odpor Y) – blok úpravy signálu • • • • zesílení a konverze signálu (obvykle na napětí) galvanická izolace, filtrace, detekce korekce nelinearity korekce vlivu jiných fyzikálních veličin – buzení senzoru • napájení ss. nebo st. proudem nebo napětím • elektromechanické buzení apod. Klasický senzor Inteligentní senzor I Funkce bloků Komunikační rozhraní Buzení Senzor/ Převodník Úprava signálu A/D převod On-line zpracování dat & řízení Pomocné senzory – A/D převod Off-line zpracování dat Uživatelské rozhraní analogová část číslicová část • různé typy převodníků dle požadavků na rychlost a rozlišení – s postupnou aproximací – se sigma-delta modulací – komparační (flash) převodníky – on-line zpracování dat • součást úpravy signálu, ale již v digitální doméně • linearizace, korekce vlivu jiných fyzikálních veličin • řízení buzení senzoru – off-line zpracování dat • vyhodnocení požadovaných parametrů (např. extrémy) • lokální uložení dat, odhad trendu, diagnostika Y Klasický senzor Komunikační rozhraní Buzení Inteligentní senzor I Funkce bloků Senzor/ Převodník Úprava signálu A/D převod On-line zpracování dat & řízení Pomocné senzory Off-line zpracování dat Uživatelské rozhraní analogová část číslicová část – uživatelské rozhraní (HMI – Human Machine Interface) • není příliš časté, pouze tam, kde se předpokládá lokální přítomnost či zásahy uživatele • display, klávesnice • obvykle poskytuje přístup pouze k základním funkcím – komunikační rozhraní • implementuje technické a programové prostředky pro začlenění do distribuovaného systému požadovaného typu • existuje mnoho desítek různých standardů těchto systémů, ať již otevřených nebo proprietárních • pokusem o modulární konstrukci senzorů umožňující relativně snadné připojení do libovolného systému je standard IEEE1451 Standard IEEE1451 I standard dělí inteligentní senzor na 2 části, komunikující prostřednictvím definovaného rozhraní – NCAP (Network Capable Application Processor) • blok zajišťující přístup k síti – vlastní senzor vybavený popisem ve formě TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) • TEDS obsahuje popis samotného senzoru, jednotlivých kanálů pro načítání dat a také kalibrační data – standard definuje příkazy a protokoly pro komunikaci mezi těmito bloky nezávisle na fyzické vrstvě – existuje několik variant připojení NCAP bloku k samotným senzorům • TII (Transducer Independent Interface) • TBIM (Transducer Bus Interface Module) • rádiový přenos (WiFi, ZigBee) • CANopen Standard IEEE1451 I struktura standardu Distribuovaný systém 1451.1, P1451.0 NCAP or Instrument 1451.1, P1451.0 NCAP 1451.1, P1451.0 NCAP or Access Point 1451.3 TBIM S P1451.2 STIM S A A 1451.3 TBIM S A MMI (Mixed Mode Interface) TII/UART WiFi 1451.4 MMX S 1451.1, P1451.0 NCAP CANopen 1451.1, P1451.0 NCAP ZigBee P1451.5 A S P1451.6 A S Bluetooth 1451.4 MMX S A A P1451.5 S - senzor S A - akční člen A Příklady inteligentních senzorů I Micronas HAL805 – programovatelná Hallova sonda – měření vzdálenosti či úhlu natočení – lze programovat: • citlivost • polohu nuly • rozsah výstupního napětí – lze kompenzovat vliv charakteristiky magnetického materiálu – výstup je buď analogový (viz následující blokové schéma) nebo PWM – programování se děje číslicově prostřednictvím napájecího pinu, odezvy jsou na výstupním pinu Příklady inteligentních senzorů I Blokové schéma Hallovy sondy HAL805 firmy Micronas VCC supply circuits temperature compensation switched Hall probe A/D converter supply level decoding GND circuit protection oscillator DSP EEPROM parameters lock D/A converter digital output 100 Ω OUT Příklady inteligentních senzorů I Yokogawa EJA510 – – – – rezonanční senzor tlaku měření tlaku kapalin v potrubích je kompenzován vliv okolní teploty lze programovat: • hodnotu nuly snímače • rozsah výstupních číslicových hodnot • maximální a minimální hodnoty alarmu – senzor je vybaven autodiagnostikou – senzor lze připojit prostřednictvím sběrnic HART nebo Foundation Fieldbus Příklady inteligentních senzorů I Blokové schéma snímače tlaku EJA510 firmy Yokogawa sensor parameters (EEPROM) setup parameters (EEPROM) Microprocessor Signal processing, computing, self-diagnostics, communication control excitation circuit lowpressure side highpressure side clock generator fieldbus MAU external zero adjust Converter block LCD display (optiona) Capsule communication controller communication