|
DECENTRALIZOVANI
SISTEMI AUTOMATIZACIJE
Zašto decentralizovani sistemi merenja, regulacijei i
automatizacije?
Klasična rešenja automatizacije nekog procesa podrazumevala
su postojanje jednog elektro-ormara, od koga su ka izvršnim organima i davačima vodili
spletovi kablova sa mnoštvom žica. Takvi sistemi su bili komplikovani za projektovanje i
montažu, prilično skupi (troškovi kablaže i vremena provedenog na montaži), a posebni
problemi su nastajali pri detekciji i otklanjanju nekog kvara upravo zbog nepreglednosti
takvih sistema. Ideja kojom se, prateći savremene trendove u automatizaciji procesa,
rukovodila firma Delta Electronics, bila je:
1. Da se kompletan sistem “razbije” na module koji će i
fizički biti bliže procesu, smanjujući na taj način troškove ožičenja, uz
povećanje pouzdanosti rada i pojednostavljenje održavanja
2. Da ti moduli poseduju neki nivo “inteligencije” (otuda termin decentralizovana
inteligencija), date u vidu CPU-a i softvera, te da na taj način preuzmu na sebe neke od
zadataka automatizacije (prikupljanje ulaznih signala, njihova obrada i ažuriranje
izlaza)
3. Da pomoću jeftinog prenosnog medijuma (dvožični provodnik) ti moduli komuniciraju
međusobno i sa “višim nivoom” u hijerarhiji automatizacije procesa, i primaju od
njega komandne i upravljačke signale
4. Da ceo takav sistem bude otvorene arhitekture, omogućujući jednostavno dodavanje
modula i njihovo priključenje na magistralu.
5. Da se kompletno softversko rešenje realizuje programiranjem po standardu IEC 1131-3,
čime se obezbeđuje kompatibilnost sa sistemima drugih proizvođača.
Decentralizovani sistem automatizacije
Ko upravlja, pokreće i komunicira sa decentralizovanom inteligencijom ?
Delta Electronics, u saradnji sa firmom Selectron Lyss Ltd. u oblasti Modularnih Sistema
Automatizacije (MAS), sa firmom SIKA u oblasti merne opreme i davača, i korišće-njem
sopstvenih proizvoda iz oblasti industrijske elektronike (davači, prekidači, brojači,
kontroleri) realizovala je više aplikacija koje se kreću od “stand-alone” regulatora
temperature, pritiska, protoka, do kompletnih decentralizovanih sistema automatizacije.
Pri izboru partnera u poslovima re-alizacije decentralizovanih sistema automatizacije,
Delta Electronics je polazila od renomea proizvođača, koji se ogleda u učešću
njegovih proizvoda u složenim sistemima procesnog upravljanja. Primeri koji slede
prikazuju neke od takvih sistema:
Roboti za manipulaciju uzorcima krvi
Zadaci koje izvršava robot:
- uklanjanje poklopaca sa epruveta
- očitavanje i dekodiranje bar-koda
- razmena podataka sa računarom
- sortiranje i razmeštanje uzoraka pomoću XYZ manipulatora (3D kretanje)
- kombinovanje kontrolnog i pozicionog algoritma
Mašine za izradu štampanih ploča:
Komparativne prednosti u odnosu na klasično rešenje:
- smanjeno ožičenje
- zanemariv uticaj smetnji
- modularnost
Mašine za obradu dizni karburatora:
Karakteristike:
- upravljanje sa 5 step-motora
- upotreba frekventnog konvertora u cilju kontrole vretena mašine
- praćenje procesa preko ekrana
- jeftinije rešenje od klasičnog CNC upravljanja
Uređaji u transportnoj industriji, bazirani na upotrebi CAN modula:
CAN magistrala – karakteristike:
- originalno razvijena za potrebe automobilske industrije
- multi-master arhitektura
- velika brzina rada, pouzdanost i ekonomičnost
- zasnovana na sistemu kontrole prenosa poruka
Upotreba CAN uređaja u železničkom saobraćaju
Upotreba CAN uređaja u drumskom saobraćaju.
Kako, i sa čim realizovati komunikaciju u
decentralizovanim sistemima automatizacije ?
CAN magistrala
Razvijena sredinom 80.-ih godina u kooperaciji Intela i
Bosch-a za potrebe automobilske industrije, CAN magistrala se danas intenzivno koristi i u
procesnoj industriji, posebno u real - time aplikacijama distribuiranih sistema
automatskog upravljanja. CAN bus je serijska magistrala koja predstavlja kombinaciju
jeftinog dvožičnog prenosnog medijuma (po ISO 11898), i multi - masterskog protokola
prenosa podataka otpornog na uticaj elektromagnetnih smetnji, sa ugrađenim mehanizmom
korekcije grešaka prenosa. Na grafiku koji sledi dat je uporedni prikaz zastupljenosti
pojedinih field - bus-ova u procesnoj industriji, izražen u broju “čvorova” (tj.
ukupnog broja priključaka na magistrale u današnjim aplikacijama)
Osobine protokola CAN komunikacije
-multi - master arhitektura
-prioritet pristupa sabirnici definiše identifikator poruke koja se šalje
-moguće je definisati 2032 identifikatora poruka
-garantovano maksimalno vreme čekanja (latency time) od 1ms (vreme koje protekne od
trenutka definisanja zahteva za slanje - Transmission Request - do početka slanja poruke)
za poruke visokog pri- oriteta
-veličina poruke od 0 do 8 bajtova
-programabilna brzina prenosa (1Mbit/sec maksimalno)
-mehanizam detektovanja i otklanjanja grešaka prenosa - Hemingov dekoder
-s obzirom na činjenicu da svi čvorovi CAN magistrale istovremeno primaju poslatu
poruku, moguće je izvršiti sinhronizaciju rada uređaja priključenih na CAN
Posebno je važno istaći da su svi bitni proizvođači elektronskih komponenti (Philips,
Siemens, Motorola, NEC) ponudili tržištu širok spektar CAN proizvoda, i svojom
konkurencijom doprineli smanjenju cena i visokom stepenu kompatibilnosti CAN
komponenti.Kao nedostaci CAN komunikacije mogli bi se navesti zavisnost brzine prenosa
podataka od udaljenosti (tabela ispod), kao i fizički medijum. Naime aplikacije sa
optičkim vlaknima još su u fazi razvoja.
SELECTRON CAN uređaji
Firma SELECTRON je još 1991. godine realizovala prve CAN
uređaje, a danas je promovisala kompletan modularni sistem automatizacije (u daljem
tekstu SELECONTROL MAS - Modular Automation System) koji predstavlja hijerarhijski sistem
distribuiranog automatskog upravljanja, čije pojedine module (PLC-ove, decentralizovane
I/O uređaje, operator displej/terminale) povezuje CAN magistrala. To je i razlog što je
SELECTRON jedan od osnivača i aktivni učesnik u međunarodnoj organizaciji CiA (CAN in
Automation) koja se bavi popularizacijom CAN proizvoda i pružanjem pomoći kori-snicima.
Načini realizacije CAN komunikacije
Kooperativnost, u terminologiji CAN komunikacija, znači
mogućnost da različiti uređaji (npr. PLC-i, pozicioneri, I/O moduli) razmenjuju podatke
preko zajedničke sabirnice podataka. Da bi sa ta kooperativnost ostvarila, moraju biti
definisani sledeći lejeri (layers) ISO/OSI mo-dela:
LAYER1 - korišćenje istog fizičkog medijuma (definisan po ISO 11898)
LAYER2 - definisanje načina prenosa bitova, data-frame -ova (takođe po ISO 11898)
LAYER3 - definisanje protokola prenosa (SeleCAN, CANopen)
SeleCAN je protokol prenosa podataka koji je razvio SELECTRON za komunikaciju između
pomenutih SELECONTROL MAS modula). Što se korisnika (programera) tiče, korišćenje ovog
protokola je potpuno transparentno – naime korisnik ne mora da vodi računa o
komunikaciji, data-frame - u, greškama prenosa itd.; njegov posao se svodi da programski
definiše konfiguraciju CAN mreže (više reči o konfiguraciji biće u da-ljem tekstu) ,
a o svemu ostalom brine run-time sistem.
CANopen je komunikacioni protokol namenjen za aplikacije gde se, pored SELECTRON- ovih
modula, u istoj mreži koriste i uređaji drugih proizvođača prilagođeni CAN
magi-strali. Od korisnika se zahteva solidno poznavanje CAN-a, a i program mora da bude
značajno proširen usled implementiranih funkcija protokola. SELECTRON I/O moduli su
referenca za CANopen tržište, jer mnogi proizvođači u fazi testiranja svojih I/O
modula i CANopen komunikacije kao partnera u mreži koriste SELECTRON uređaje.
Iz dosad navedenog može se zaključiti zašto je SELECTRON, kao osnovu svog modularnog
sistema automatizacije (MAS) izabrao CAN magistralu, jer nijedan drugi proizvođač
field-bus komponenti ne nudi uređaje takvog odnosa cene/performanse, otvorene arhitekture
i pouzdanosti. Projektovanje softverskih aplikacija pomoću programa izvedenih po
standardu IEC 1131-3 je još jedan veoma bitan argument koji korisnika opredeljuje za
izbor sistema kojim će automatizovati proces.
Pregled SELECONTROL MAS hardvera
Već je rečeno da su u SELECTRON-ovom sistemu SELECONTROL
MAS (Modular Automation System) svi decentralizovani periferni moduli povezani sa
centralnim PLC-om preko CAN magistrale. Ukoliko se želi povezivanje preko nekog drugog
field-bus-a, SELECTRON nudi svoj INTEL BITBUS bus interfejs.
Procesorski moduli
Procesorski moduli CPU 751/752, odnosno CPU 714/715 čine
osnovu SELECONTROL MAS sistema; oni “izvršavaju” korisnički program, obezbeđuju
funkcije programiranja i dijagnostike, i preko CAN magistrale vode ceo proces komunikacije
sa decentralizovanim perifernim mo-dulima.
Pored ovih funkcija, procesorski moduli na sebi sadrže određen broj I/O kanala, sa
mogućnošću proširenja preko ekstenzionih I/O modula DIM/DOM 751, odnosno DIT/DOT
701/702.
Procesorski modul čine sledeće hardverske i softverske komponente:
a. CPU 80C167 i memorija (flash-EPROM, EEPROM, back-up RAM)
b. Run-time sistem - real-time, multi-tasking operativni
sistem
c. Komunikacioni interfejsi za:
-Centralne i decentralizo vane I/O komponente (lokalni i CAN bus)
-Programirajuće uređaje
(RS232, CAN)
-Field-bus (INTEL BIT BUS)
d. Lokalni I/O moduli
e. Napajanje
f. Programiranje po standardu
IEC 1131
Procesorski moduli CPU 714/715 se uglavnom koriste kao
decentralizovani CPU moduli u sistemima distribuiranog upravljanja, mada mogu da rade i
kao stand-alone PLC-ovi. U odnosu na CPU 751/752 njihove mogućnosti su nešto
ograničene, uglavnom u pogledu mogućnosti proširenja ekstenzionim I/O modulima.
Pozicioneri (osni kontroleri), servo i step-motor
drajveri
Osni kontroleri SMM 751/752, SVM 751 su idealni za
korišćenje u proce-sima kod kojih se zahteva pozicioniranje (npr. u numeričkim
mašinama, mašinama pakericama, mašinama za štampanje, itd.). Ovi moduli, osim
prikupljanja i obrade analognih i digitalnih signala, ujedno obavljaju i zadatke
pozicioniranja pojedinih osa koje pokreću step ili servo motori. Jednom rečju, ovi
kontroleri objedi-njuju funkcije koje u klasičnim numerički upravljanim mašinama
posebno obavljaju PLC sistem i NC sistem.
Karakteristike:
- mogućnost kontrole do 12 osa
- implementirane funkcije interpolacije
- PID algoritam upravljanja
- Kombinovanje servo i step
motora
Decentralizovane I/O periferije
Ovi moduli MAS-a se preko CAN -a povezuju sa centralnim
CPU-om i nude niz prednosti, od kojih su naj-značajnije:
- jednostavno proširenje
konfiguracije instalacije
- do 64 čvorova po jednoj CAN magistrali
- brzina prenosa 20 kbit/s do 1Mbit/s, zavisno od rastojan ja
Zavisno od korišćene decentralizovane I/O periferije, u komunikaciji sa CPU-om se
koristi protokol SeleCAN, odnosno CANopen.
U principu, svaki od decentralizovanih I/O modula sastoji se od jednog “čvornog”
(node) modula (DIC 701, DOC 701, DIOC 701) i max. 6 ekstenzionih (DIT 701, DOT 701)
modula; izuzetak su analogni moduli AIC 701, AOC 701 koji se sastoje samo od čvornog
modula, bez mogućnosti proširenja ekstenzionim.
Operator/displej paneli
MMIC 701, 702, 752 se koriste za interaktivnu komunikaciju
korisnika sa procesom koji je u toku, i koji se odvija pod nadzorom MAS-a. Sa CPU- om se
povezuju preko CAN, odnosno preko RS232 interfejsa (MMIC 751). Čine ih displej (2x20,
odnosno 2x40 karaktera), određen broj funkcijskih tastera i LED indikatora.
CAP 1131 softver
IEC 1131 je međunarodni standard koji definiše osnovne
postavke za planiranje i razvoj projekata iz oblasti automatizacije procesa. Standard je
formiran sa namerom da se sve buduće aplikacije koje podrazumevaju korišćenje
industrijskih računara, PLC-ova, upravljačkih i drajverskih tehnologija, “dovedu” na
zajedničko polazište što se tiče terminologije, softvera, komunikacionih medija, itd.
Standard čine 5 delova:
Deo 1: opšti pregled i definicije. Ustanovljava osnovne definicije iz sveta automatike,
kako bi se osiguralo da korisnici i proizvođači “govore istim jezikom” (npr. “Šta
je to IL Instruction List?)
Deo 2: Hardver (I/O signali, okruženje) - ustanovljava definicije električnih,
mehaničkih i funkcijskih karakteristika automatizacionog procesa, informacije koje se
očekuju od proizvođača kao i način testiranja opreme
Deo 3: Programski jezici - ustanovljava softverski model, koji definiše semantiku i
sintaksu programskih jezika
Deo 4: Korisničke informacije - informacije koje pomažu korisnicima pri projektovanju
rešenja iz oblasti automatizacije
Deo 5: Komunikacije - ustanovljavaju se definicije vezane za komunikacije unutar i između
pojedinih subjekata mreže
Deo 3: Softverski model IEC 1131
Podrazumevaju se sledeći programski jezici:
Tekstualni: IL (Instrukcijska lista) - sastoji se od niza instrukcija, podseća na
asembler
ST (Strukturni tekst, npr. C jezik)
Grafički: FBD (Funkcijski blok dijagram) LD (Leder dijagram) SFC (Sequential Function
Chart) koji i nije programski jezik u pravom smislu reči; SFC grafički predstavlja
redosled izvršavanja nekog procesa (procesnu sekvencu). Svaka od “faza” izvršenja
nekog procesa predstavlja se u vidu simbola i može se programirati u nekom od pomenutih
programskih jezika
Standard IEC 1131 propisuje da se svako automatsko rešenje mora sastojati od sledećih
komponenti:
Konfiguracija - definiše kompletan PLC sistem, zajedno sa svim korišćenim podsistemima
Resursi - konfiguraciju mogu da čine više PLC- ova (resursa) koji komuniciraju jedni sa
drugim
Task - resursi izvršavaju jedan ili više taskova, a task čine jedan ili više programa.
Task kontroliše izvršavanje programskih sekvenci koje su mu pridružene.
Postoje tri načina izvršavanja programskih sekvenci:
1. Ciklično izvršavanje - program se izvršava naredbu po naredbu; kada se izvrši
poslednja instrukcija, automatski se prelazi na prvu, i tako ciklično. Ovo je klasičan
način izvršavanja programa koji se inače koristi kod većine PLC kontrolera. Pošto je
već rečeno da jedan task mogu činiti više programa (subprograma), koji se izvršavaju
jedan za drugim, u ciklusima, to se kaže da ciklični task omogućava kvazi-simultano
izvršavanje subprograma. Primeri ovakvih subprograma su: glavna procedura, komunikacija
sa operator terminalom MMIC, komunikacija sa decentralizovanim modulima itd.
2. Izvršavanje upravljano događajima, početak svakog ciklusa izvršavanja je uslovljen
ispunjavanjem nekog uslova (npr. interapt)
3. Izvršavanje upravljano vremenom - svakom ciklusu izvršavanja pridruženo je neko
vreme: ako ciklus traje kraće od tog vremena, čeka se dok ne istekne, i onda kreće
sledeći ciklus; ako ciklus traje duže od tog vremena, po njegovom završetku odmah
kreće sledeći ciklus.
- Globalne promenljive - deklarisanjem globalnih promenljivih omogućuje se da različiti
elementi konfiguracije koriste iste promenljive
- Putanje pristupa promenljivama, koriste se kako bi podaci mogli da se razmenjuju između
različitih taskova, resursa i sistema
Interna sinhronizacija (I/O faza)
Pristup lokalnim i decentralizovanim ulazima i izlazima vrši
se preko procesne mape, u okviru I/O faze jednog ciklusa izvršenja programa. Procesnu
mapu formira sam run-time sistem, na osnovu hardverske konfiguracije koju je definisao
programer. Tokom I/O faze, razmenjuju se podaci između procesne mape i fizičkih ulaza i
izlaza. Pri tome postoje dva načina definisanja I/O faze:
- vremenski sinhronizovan mod rada u kome se vrši sinhronizacija pristupa lokalnim i
decentralizovanim ulazima/izlazima: tačno je definisano u kojoj fazi ciklusa će se
izvršiti očitanje ulaza, a u kojoj ažuriranje izlaza. Koristi se kada je odziv sistema
regulacije determinističan
- vremenski optimizovan mod rada u kome čim se desi neka promena na decentralizovanim
ulaznim modulima, ne čeka se Input faza ciklusa, već se ta informacija odmah obradi.
Koristi se kada se zahteva brz odziv sistema regulacije. Obrada lokalnih i
decentralizovanih ulaza/izlaza nije sinhronizovana.
Tipovi podataka i načini predstavljanja
Osim tipova podataka koje podržava većina jezika visokog
nivoa (real, integer, string, boolean, byte, word, bit), CAP 1131 podržava i dva nova
tipa: TIME ( koristi se za promenljive koje definišu trajanje nekog vreme-nskog
intervala), i DATE (za promenljive koje definišu vreme i datum). Takođe, podržani su i
tzv. agregatni tipovi: strukture, nizovi, liste. Promenljive mogu biti specificirane preko
svoje fizičke adrese (npr. ulazi/izlazi), logičke adrese (interni registri - markeri),
ili kao simboli. Sistem automatski dodeljuje fizičku adresu svim I/O kanalima, a
korisniku je ostavljeno da svakoj od tih adresa pridruži, ako želi, i simboličko ime.
Primer jedne promenljive definisane preko fizičke adrese:
%QX1. 5. 0. 7
% označava promenljivu definisanu fizičkom adresom
Q označava digitalni izlaz
X označava veličinu podatka (1 bit)
1 označava CAN magistralu, tj. taj izlaz pripada decentralizovanom modulu
5 označava da je taj I/O modul peti čvor na CAN magistrali
0 označava da je taj izlaz na nultom (čvornom) modulu
7 označava redni broj izlaza na modulu (sedmi kanal)
Izbor režima startovanja CPU -a
Postoje dva načina startovanja CPU-a: tzv. Cold start i Warm
start. Izbor načina se vrši preko posebnog prekidača (CPU 751/752), ili preko svičeva
(CPU 714/715). Kod Cold starta sve promenljive se inicijalizuju na vre-dnosti koje je
korisnik definisao, ili na default - vrednosti; Kod Warm starta promenljive koje su
deklarisane kao VAR_RETAIN po uključenju uzimaju vrednost koju su imale neposredno pre
isključenja CPU-a; ostale promenljive se inicijalizuju korisničkim ili default
vrednostima
Zaključak
U ovom članku dat je opšti prikaz mogućnosti Delta
Electronics decentralizovanih sistema automatizacije, koji je neophodan za razumevanje
praktičnog primera koji će biti predstavljen sledećom prilikom.
| Kontakt
adresa: |
DELTA
ELECTRONICS |
|
PO 100, K.Milice 79, 37240
Trstenik
Tel/Fax: ++381-37/713-484 |
| Pročitajte
više o ovoj temi |
|
|
|
