Smutný, L. - referát XXVI. seminář ASŘ´2001 - Fakulta strojní
Transkript
Smutný, L. - referát XXVI. seminář ASŘ´2001 - Fakulta strojní
XXVI. Seminar ASR '2001, Instruments and Control, Ostrava, April 26 - 27, 2001 Paper 62 Vývojový systém pro návrh inteligentních měřicích a řídicích zařízení SMUTNÝ, Lubomír Doc. Dr. RNDr. VŠB-TU Ostrava, Katedra ATŘ, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, 708 33, [email protected] , http://www.vsb.cz/~smu50 Abstract: Paper deals with an original solution of the development system for smart devices and instruments, which enable to connect hardware and software tools to the special measurement, diagnostic or control system. Main module of development system is Microchip PIC 17C4X microcontroller. This microcontroller controls another communication, analog and digital modules. All properties of the development system were tested in three devices: ultrasonic smart sensor, incremental smart sensor and module for two DC motors control. Each device can be connected to CAN bus and supports standard application layer (UNICAN). All devices were connected to the model of distributed control system controlled by PC. The presented results have been obtained during the solving of research projects MSM 272300011, GAČR 101/00/0189 and FR VŠ F1/0255/2001. Key words: smart device, sensor, control system, microcontroller, development system 1 Úvod Novým a stále sílícím trendem při realizaci sběru technologických informací je využívání inteligentních senzorových subsystémů (tzv. SMART SENSORS a SMART INSTRUMENTS), které komunikují s vyhodnocovací nebo řídicí jednotkou po technologické síťové sběrnici (tzv. fieldbusu, ILAN) a umožňují dosahovat velmi dobrých funkčních parametrů při vyšší spolehlivosti, flexibilitě, údržbě a testování [SMUTNÝ 2000A]. Přenos informace v distribuovaných průmyslových měřicích a řídicích systémech je poněkud odlišný od komunikace v systémech sestavených v laboratorním prostředí nebo v informačních systémech umístěných v podmínkách bez vyšší úrovně průmyslového rušení. Průmyslové prostředí má svá specifika určená úrovní rušení silnoproudých spotřebičů s předem neznámým dosahem a velikostí rušivých polí. Základní prvky počítačových sítí LAN a ILAN (Industrial Local Area Network) jsou si podobné, protože rozvoj průmyslových komunikačních systémů nastal s poměrně větším odstupem za počátečním rozvojem lokálních počítačových sítí a bylo možno převzít již osvědčené prvky. Ve světě bylo doposud vyvinuto a realizováno více jak 60 typů procesních sběrnic. V dohledné době se blíží k mezinárodní standardizaci čtyři skupiny průmyslových sběrnicových systémů ILAN: a) Univerzální sběrnice pro spojení inteligentních (Smart) subsystémů s uživatelsky definovanými protokoly (např. PROFIBUS, FIP - Factory Instrumentation Protocol). b) Procesní sběrnice pro senzory a aktory pro přímé napojení senzorů a akčních členů prostřednictvím integrovaného rozhraní s minimalizovanými náklady (např. ASI Actuator Sensor Interface, SDS - Smart Distributed Systems). -1- c) Sběrnice pro rychlý přenos dat v reálném čase se zaručenou dobou odezvy určená především pro komunikaci mezi inteligentními senzory a aktuátory (např. INTERBUS-S, SERCOS, ASI). d) Sběrnice s velkou odolností proti rušení určená pro kratší vzdálenosti a pro mobilní zařízení (např. CAN - Controller Area Network, FF - Foundation Fieldbus ) Pokud chceme vyhovět všem požadavkům, které jsou kladeny na vlastnosti inteligentních senzorů, musíme vhodným způsobem propojit analogové a číslicové systémy. Zatímco analogová technika se skládá většinou z čistě hardwarových prvků, musíme v oblasti číslicové techniky kromě vhodného hardwaru většinou přidat také patřičné programové vybavení. Příspěvek popisuje strukturu a vlastnosti vývojového systému pro návrh inteligentních měřicích, diagnostických a řídicích zařízení, komunikujících po průmyslové sběrnici CAN. 2 Vlastnosti vývojového systému pro návrh inteligentních senzorů a aktuátorů Chceme-li vyhovět všem požadavkům, které jsou kladeny na vlastnosti inteligentních zařízení, musíme vhodným způsobem zajistit propojení analogové a číslicové části systému. Zatímco analogové obvody se skládají většinou z čistě hardwarových komponent, musíme v oblasti číslicové techniky kromě vhodného hardwaru většinou přidat také patřičné programové vybavení. Vývoj inteligentního zařízení umožňujícího připojení k průmyslové sběrnici pak můžeme rozdělit do těchto čtyř etap: Návrh vhodné struktury hardwarové koncepce zařízení. Tím se myslí výběr senzoru (převodníku), analogových obvodů pro zpracování signálů, AD/DA převodníků, jednočipového mikropočítače, komunikačních obvodů, případně výkonové části akčního členu, apod. Návrh koncepce a funkčních algoritmů programového vybavení. Zde musíme vzít v úvahu nejen programové moduly jednočipového mikropočítače, ale rovněž servisní programy pro počáteční nastavení parametrů měření, komunikaci apod. Tyto programové moduly jsou spouštěny na PC a se samotným senzorem většinou komunikují přes standardní rozhraní RS232. Realizace a ověření celé sestavy inteligentního zařízení. Je nejnáročnější etapou vývoje, protože se zde mohou projevit nepříznivé vlivy, se kterými jsme v návrhu zařízení nepočítali. Chyby se navíc obtížněji hledají, protože musíme zjistit, je-li chyba v hardwarové složce nebo softwarových modulech. Koncepce vývojového systému přitom musí umožnit zjištěné nedostatky rychle odstranit. Finální provedení inteligentního zařízení. Sem patří především návrh a výroba plošného spoje, jeho osazeni vhodnou technologií (např. povrchovém montáže), montáž do pouzdra apod. Vývojový systém musí splňovat dva požadavky: modularitu a otevřenost. Modularita znamená, že každý funkční blok zařízení (např. analogový zesilovač) bude samostatným modulem s definovanými vstupy, výstupy a funkcí. Takovýto modul pak lze v případě potřeby snadno vyměnit jiným modulem stejných nebo podobných vlastností. Tím zároveň umožníme snadnou inovaci vyvíjeného zařízení s ohledem na technický pokrok nebo konkrétní požadavky na konstrukci. Otevřenost znamená především nezávislost na konkrétním výrobci či systému. Vývojový systém musí umožňovat snadné doplnění o nové moduly založené na součástkách od různých výrobců. -2- Nejdůležitějším znakem vývojového systému je modulární koncepce, která zajišťuje maximální možnou pružnost při vývoji nového zařízení. Používanější propojení samostatných modulů je výhodné umístit na jednu desku plošných spojů. Příkladem může být deska pro vývoj zařízení připojených ke sběrnici CAN, která obsahuje řadič sběrnice CAN, mikroprocesor, paměť EEPROM a rozhraní RS232. Každý samostatný modul se skládá z těchto funkčních bloků: o Hardwarová část, která se skládá z jedné nebo více navzájem propojených komponent. Tato část má definované analogové nebo číslicové vstupy a výstupy. o Softwarová část obsahuje programové moduly pro jednočipový mikropočítač případně spolupracující PC. Softwarové moduly slouží k ovládání hardwarových komponent. Software by měl být v rámci možnosti programování jednočipových mikropočítačů modulární, čímž zvýšíme jeho spolehlivost a bezpečnost. o Důležitou součástí je CAD dokumentace, která umožní snadnou kompletaci již odzkoušeného senzoru. Ve výše uvedených bodech byly definovány vlastnosti všech části inteligentního modulárního zařízení, přičemž některé mohou být u konkrétního modulu vynechány. Hardwarové komponenty jsou tvořeny nejpoužívanějšími součástkami, ze kterých se skládá inteligentní zařízení. Patří sem: Číslicové obvody - jednočipové mikropočítače. Analogové prvky - zesilovače, komparátory, dále AD a DA převodníky, převodníky napětí-frekvence, analogové multiplexory, zdroje referenčního napětí, napájecí zdroje atd. Komunikační prvky - slouží k připojení inteligentního senzoru k průmyslové sběrnici ILAN. Patří sem převodníky signálu TTL/RS-232, TTL/RS-485, řadiče sběrnice CAN apod. Vstupně/výstupní prvky – umožňují indikaci stavu zařízení, případně jeho funkční nastavení. Patří sem například LED diody, displeje, tlačítka apod. Jak již bylo uvedeno výše, bývá hlavní částí inteligentního zařízení jednočipový mikropočítač. Softwarová část vývojového systému proto bude zaměřena především na programování jednočipových mikropočítačů. Problematiku softwarové části modulu můžeme rozdělit na dvě samostatné oblasti: ¾ Volba vhodného programovacího jazyka. ¾ Způsob zpřístupnění vyvinutých podprogramů a jejich vzájemné propojení. Prvním problémem při návrhu softwarové části vývojového systému je volba vhodného programovacího jazyka. Pro odzkoušení chování některých částí inteligentního zařízení, bez nároků na rychlost provádění programu, můžeme využít jednodušší jednočipový mikropočítač s vyšším programovacím jazykem (například UCB/PIC-2 s programovacím jazykem BASIC). Pro vývoj konečné varianty inteligentního senzoru však potřebujeme mít k dispozici programovací jazyk, který musí splňovat následující podmínky: Dostatečná rychlost provádění programu. Vyvíjená zařízení budou pracovat na nejnižší úrovni řízení, kde potřebujeme dodržet stanovenou maximální dobu odezvy. Toto je hlavní kritérium pro volbu programovacího jazyka. Navíc matematické rutiny pro vyhodnocování měřeného signálu v reálném čase bývají časově náročné. Umožnit v plném rozsahu využití schopností konkrétního jednočipového mikropočítače a dalších zařízení k němu připojených. Důležitost této podmínky roste s počtem vyráběných zařízení, protože správným využitím možností jednoduchého a levného jednočipového mikropočítače můžeme ušetřit množství finančních prostředků. Vývoj programového vybavení musí být dostatečně rychlý a pohodlný. -3- Požadavek na rychlost provádění programů a využití schopností mikropočítače nejlépe splňují nižší programovací jazyky jako je asembler (jazyk symbolických adres) nebo jazyk C. Z pohledu programátora je výhodnější si zvolit vyšší programovací jazyk, který umožní rychlý a pohodlný vývoj aplikací. Nevýhodou vyšších programovacích jazyků však bývá menší rychlost spustitelných programových modulů a omezená možnost plně využít vlastností konkrétního jednočipového mikropočítače. Rozhodujícím kritériem pro výběr programovacího jazyka však zůstává rychlost a využití funkčních vlastností mikropočítače. V oboru jednočipových mikropočítačů tyto nároky prakticky splňují pouze dva programovací jazyky: asembler a jazyk C. Pro programování jednočipových mikropočítačů existuje ještě třetí cesta, kterou je kombinace obou jazyků. Části programu kritické na rychlost provádění se napíší v asembleru a méně náročné části v C. Obě části se mohou spojit na úrovni zdrojového textu nebo linkováním. 3 Modulární sestava vývojového systému pro návrh zařízení Na katedře automatizační techniky a řízení Fakulty strojní VŠB – TU Ostrava byl navrženo původní řešení vývojového systému (VS) pro návrh inteligentních senzorů a aktuátorů s modulární a otevřenou koncepcí [JANDA 2000]. Obrázek 1 – Ukázka vybraných modulů vývojového systému pro návrh inteligentních zařízení Hlavními částmi hardwarové struktury jsou elementární funkční modulární subsystémy jsou: Dva typy mikropočítačových modulů (UCB PIC 16C57 nebo PIC 17C44), RISC 33 MHz, RAM 454 B, ROM 16 KB, 58 instrukcí, 33 I/O, 4 CTC, 2 PWM, 1 USART. Interfejsový modul CAN busu s řadičem Intel 82527. Převodníkový modul TTL - RS232. Modul paměti EEPROM, řady AT24Cxx. Modul A/D převodníků (12 bitové, vzorkovací frekvence 2,5 KHz, sériový výstup). Modul převodníku napětí-frekvence s obvodem AD654. Modul s RC členem. -4- Modul zesilovače s dolnopropustným filtrem prvního řádu. Modul analogového multiplexoru (spínající 8 vstupních napěťových signálů). Modul displeje s 6 číslicovými zobrazovacími moduly. Modul připojení CAN busu k mikropočítači PIC 17C4X. (s řadičem sběrnice CAN Intel AN82527, převodník TTL/RS232. Příklad blokového schématu modulu AD převodníku s připojením k jednočipovému mikropočítači je uveden na obr. 2. Přesná napěťová reference LTC1021-5 CS# Měřené napětí 0-5 V AD převodník LTC1286 DOUT CLK Jednočipový mikropočítač PIC Obrázek 2 – Blokové schéma modulu AD převodníku s připojením k jednočipovému mikropočítači. Příklady realizovaných konfigurací se “smart sensory” a “smart aktuátory”: Experimentální deska pro vývoj inteligentních senzorů (komplexní modul). Ultrazvukový inteligentních senzorů s CAN interfacem (zahrnuje ultrazvukový převodník UC2000-30GM-UI-V1 Pepperl+Fuchs) – viz Obr. 2. Modul inkrementálního senzoru s obvod HCTL-2016 (500 impulsů na 1 otáčku, 33 ot/s) – viz Obr. 2. Modul analogových výkonových výstupů pro stejnosměrné (DC) motory a CAN interface (2 PWM výkonové výstupy). HCTL-2016 Inkrementální senzor Ultrasound sensor Čítač 0-10V Interface RS-232 MAX 232 AMUX Single chip Reference voltage microcomputer Voltage 0-10V PIC 17C44 AD converter Interface CAN AN 82527 + 82C250 Memory EEPROM AT24C08 LTC 1286 Obrázek 3 – Blokové schéma ultrazvukového senzoru a inkrementálního senzoru jako příklad inteligentního modulárního zařízení vytvořeného pomocí vývojového systému -5- V modulární sestavě jsou dále využívány moduly od externích dodavatelů: CAN komunikační deska PCL-841 (Advantech) s dvojitým CAN řadičem, ISA sběrnice Převodník CAN – PC pro paralelní port (Amit). I/O modulární jednotka UniCAN Softwarové moduly pro programovou podporu vývojového systému, komunikaci a prezentaci: Ö Programový modul MPLAB pro operační systém DOS a Windows (integrovaný vývojový programový systém). Ö PICMASTER emulátor. Ö Knihovna matematických modulů (výpočetní část, filtrace). Ö Podpora protokolu UNICAN pro vývoj „smart sensorů“. Ö Servisní programové moduly pro nastavování parametrů Ultrazvukového snímače SS (Win95/98). Ö Servisní programové moduly pro nastavování parametrů inkrementální senzor (Win95/98). Ö Servisní programové moduly pro nastavování parametrů modulu s dvojicí DC motorů (Win95/98). Ö DDE server pro PCL-841 CAN busovou interfejsovou desku (programový modul pro Win95/98). Ö Aplikační programový modul UNICAN ve SCADA/HMI prostředí programu InTouch 7.0 (Wonderware). Ö Řídicí Real time programový modul (OS DOS) – master.exe (PID algoritmus). Ö Měřicí programový modul (OS DOS) – mereni.exe (minimální vzorkovací perioda 0,5 ms). 4 Příklady vlastností realizovaných inteligentních senzorů pomocí vývojového systému Vlastnosti a funkčnost popsaných modulů byla ověřena na reálném fyzikálním laboratorním modelu. Celkové schéma sestavy je na Obr. 5. Model se skládá z těchto částí: ¾ Zapisovače s umístěným objektem ve tvaru desky, který může být detekován inteligentním ultrazvukovým senzorem. Pohyb ve směru x umožňuje změnu vzdálenosti detekovaného objektu od ultrazvukového snímače a tím měřené vzdálenosti udávané senzorem. Pohybem objektu ve směru y můžeme objekt dostat do pozice, kdy není ultrazvukovým snímačem detekován. ¾ Inteligentního inkrementálního senzoru, který měří vzdálenost objektu ve směru x. Inkrementální senzor slouží k porovnání údajů udávaných ultrazvukovým senzorem. Vzdálenost měřená tímto senzorem je od jedné krajní pozice ke druhé rozdělena na 18300 dílků. Přesnost měření tímto snímačem je tak více než čtyřnásobná ve srovnání s inteligentním ultrazvukovým senzorem (obsahuje 12 bitový A/D převodník). ¾ Inteligentního ultrazvukového senzoru měřícího vzdálenost detekovaného objektu ve směru x. ¾ Modulu pro ovládání stejnosměrných motorků řídicího pohyb detekovaného předmětu ve směru x a y. ¾ V/V modulu UniCan firmy Unicontrols měřícího analogová napětí z potenciometrů umístěných v zapisovači. Potenciometry umožňují měření vzdálenosti v obou směrech. -6- ¾ Počítače PC s programy pro řízení soustavy a měření veličin v reálném čase pro operační systém DOS. Počítač je ke sběrnici CAN připojen přes převodník CAN-paralelní port. ¾ Počítače PC s vizualizačním programem InTouch přehledně zobrazuje stav laboratorní sestavy a komunikace. Počítač je ke sběrnici CAN připojen přes kartu PCL-841. Pro komunikaci mezi InTouchem a kartou byl vyvinut DDE server s podporou protokolu UNICAN. Všechny HW části laboratorní sestavy jsou propojeny přes sběrnici CAN. Laboratorní sestavu můžeme provozovat ve dvou konfiguracích, které se liší podle použitého programu na počítači s operačním systémem DOS: 1. Konfigurace pro řízení využívá vizualizační program InTouch a řídicí program master.exe na počítači se systémem DOS. Parametry regulace se zadávají z vizualizace a program master.exe řídí laboratorní soustavu v reálném čase. V této konfiguraci jsou na sběrnici CAN zapojeny dvě zařízení typu master, které nezávisle na sobě komunikují s připojenými zařízeními. 2. Měření parametrů soustavy a testování regulací umožňuje program mereni.exe, ve kterém zadáme požadované parametry měření či regulace a program po ukončení měření uloží výsledky do textového souboru. Naměřené hodnoty pak můžeme zpracovat v libovolném programu (např. Excel) – viz např.obr. . V této konfiguraci není nutné mít připojený počítač s vizualizací. Inteligentní ultrazvukový senzor vyhodnocuje vzdálenost detekovaného objektu. Jako snímač je použit senzor UC2000-30GM-UI-V1 firmy Pepperl+Fuchs s analogovým výstupním signálem. V jednočipovém mikropočítači PIC 17C44 je vzdálenost přepočítána na vzdálenost ve fyzikálních jednotkách (mm), která může být dále číslicově filtrována, porovnávána se zadanými mezemi apod. Všechny parametry senzoru se dají nastavit přes COM port RS-232 ze servisního programu. Přesnost měření analogového signálu se kontroluje periodickým měřením referenčního napětí přivedeného na vstup měřicího řetězce. Senzor umožňuje připojení ke sběrnici CAN a komunikaci protokolem UNICAN – viz. Obr. 4. 400 400 350 250 vzdálenost, rychlost, zrychlení US [mm] 300 a b Lineární (a) 300 Lineární (b) 200 ya = 1,0019x + 0,1277 150 yb = 1,0001x + 0,5295 100 50 200 vzdálenost [m m] rychlost [mm /s] 100 zrychlení [mm /s^2] 0 0 1 2 3 4 5 -100 -200 -300 0 0 100 200 300 400 -400 IRC [mm] čas [s] Obrázek 4 – Charakteristiky a funkční vlastnosti ultrazvukového inteligentního senzoru a inkrementálního senzoru pro měření polohy detekovaného předmětu Inteligentní inkrementální senzor má jako základní převodník inkrementální modul série HEDS-5700 firmy Hewlett Packard. Signál z tohoto snímače je přiveden na vstup 16 b. čítače, který kromě polohy vyhodnocuje také směr otáčení. Jednočipový mikropočítač PIC 17C44 počítá vzdálenost, rychlost a zrychlení ve fyzikálních jednotkách. Komunikační možnosti a nastavení parametrů je stejné jako u ultrazvukového senzoru. Výhodou inteligentního inkrementálního senzoru je, že umožňuje připojení libovolného inkrementálního snímače, jehož výstupní signál TTL a je kvůli detekování směru fázově posunut - viz. Obr. 4. -7- Posledním ověřeným zařízením je modul pro ovládání stejnosměrných motorků, který může pulsně-šířkovou modulací nezávisle řídit otáčky dvou stejnosměrných motorků. Z nadřazeného systému se zadává výkon motorku v procentech. Funkčnost všech zařízení byla testována na laboratorním modelu distribuovaného řídicího systému pro řízení polohy objektu. Hlavním řídicím systémem je počítač PC, který v reálném čase reguluje polohu předmětu. Další počítač PC se SCADA/MMI programem InTouch zajišťuje vizualizační styk s uživatelem. Všechny části systému byly propojeny přes sběrnici CAN – viz Obr. 5. Obrázek 5 – Schéma realizované laboratorní sestavy pro ověření vlastností inteligentních senzorů polohy a otáček -8- 5 Závěr Vývojový systém pro návrh inteligentních zařízení navržený na katedře ATŘ FS VŠBTU Ostrava splňuje dva základní systémové požadavky, tj. modularitu a otevřenost. Modulární koncepce vývojového systému umožňuje v průběhu vývoje inteligentních zařízení nahradit nebo kombinovat jeden samostatný modul jiným modulem stejných nebo podobných vlastností. Otevřenost zajišťuje vzájemné propojení modulů založených na součástkách od různých výrobců. Každý samostatný modul se skládá ze tří částí: hardwarových komponent, softwarových modulů a CAD dokumentace. Některé systémové moduly mohou obsahovat všechny tři uvedené části (například modul A/D převodníku) a jiné jsou tvořeny jenom programovým vybavením (modul číslicové filtrace). Největší výhodou navrženého vývojového systému je propojení analogových a číslicových prvků do jednoho celku, což umožňuje najednou využít výhody obou přístupů. Realizovaný vývojový systém je dobrým příkladem nových implementačních trendů ve víceúrovňových měřicích, diagnostických a řídicích systémech. 6 Literatura ECKERT, G. 1997. Communication Networks, Buses Tie Controls to Real World. Raleigh (N.C., USA). Square D Company. Control Engineering.- November 1997. http://www.controleng.com/ archives/1997/ ctl1101.97/ 11abas.htm EHRLICH, J., ZERROUKI, A., COCHE, G. 1997. Smart sensor research at the Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Sensor Review, July 1997, vol. 17, no. 3, p. 240-247. JANDA, P. 2000. Inteligentní senzory v průmyslových měřicích a řídicích systémech s podporou ILAN. Ostrava: FS VŠB-TUO, 2000. Disertační práce. 109 s. a 10 příloh. Školitel: Smutný, L. MICROCHIP, 1996. PIC 17C4X High-Performance 8-Bit CMOS EPROM/ROM Microcontroller [online]. Microchip, 1998 [cited 1998-10-5]. Available from Internet: <URL: http://www.microchip.com>. PEPPERL+FUCHS, 1996. Ultrazvukové senzory. 1. vyd. Ústí nad Labem: Firemní literatura FCC Folprecht – průmyslové systémy s.r.o., 1996, 40 s. POWNER, E.T. & YALCINKAYA, F. 1995. Intelligent Sensors: Structure and System. Sensor Review, Vol. 15. No. 3. 1995. pp. 31-35. SMUTNÝ, L. 2000A. Nové přístupy v projektování distribuovaných měřicích a řídicích systémů. Ostrava: VŠB-TUO, FS, 2000. Habilitační práce. 117 s. SMUTNÝ, L. 2000B. Smart Sensors Working in the Network with Industrial LAN In Proceedings of International Carpathian Control Conference ´2000. Podbánské (Slovensko): Faculty BERG Technical University of Košice, 23-26 May, 2000, pp. 135138. ISBN 80-7099-510-6. VLACH, J. 1995. Počítačová rozhraní – přenos dat a řídicí systémy. Praha: BEN – technická literatura, 1995. 253 s. -9-
Podobné dokumenty
počítačové vidění - Control Engineering Česko
Spočívá v elektronicky řízeném nastavitelném zrcadle, ve kterém kamera vidí detail kontrolované plochy. Polohu zrcadla je
možné nastavovat ve dvou osách pomocí krokových motorů
řízených elektronick...
Odkaz ke stažení - Metodiky
Za účelem naplnění dílčích cílů byly prováděny provozní experimenty se dvěma typy
nejčastěji používaných horizontálních zemních výměníků: lineárním a typem Slinky (obr. 2 a
obr. 3). Pro splnění díl...