Materiały dydaktyczne. Systemy automatyki okrętowej. Semestr VI. Wykłady

Transkrypt

1 Materiały dydaktyczne Systemy automatyki okrętowej Semestr VI Wykłady 1

2 Temat: Przetworniki analogowe / cyfrowe Większość urządzeń pomiarowych lub rejestratorów sygnałów w systemach pomiarowych kontaktujących się bezpośrednio z obiektami badań reaguje na oddziaływania fizyczne (np. temperatura, napięcie elektryczne. itp.) zmieniające się w sposób ciągły (nazywane sygnałami analogowymi). Aby te informacje mogły być wykorzystane przez system komputerowy muszą być przetworzone w kodowane sygnały cyfrowe. Rolę tę spełniają przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C lub A/D). Przetwornik analogowo / cyfrowy jest układ elektroniczny, który dokonuje konwersji wartości wielkości analogowej (ciągłej) na wartość cyfrową - w określonych momentach czasu (rys.1). Kwantowanie i kodowanie Rys. 1. Ilustracja operacji kwantowania i kodowania w przetworniku analogowo cyfrowym: a - kwantowanie i kodowanie, b zmiany błędu kwantowania. 2

3 Parametry przetworników cyfrowo/analogowych C/A rozdzielczość N przetwornika (długość słowa kodowego), zakres U FS przetwornika unipolarnego (wartość maksymalna), krok kwantowania q, q U FS N 2 błąd kwantowania (wartość szczytowa szumu kwantowania, jego wartość średnia wynosi 0) q 2 Metody konwersji wartości analogowej na cyfrową stosowane w przetwornikach analogowo cyfrowych Istnieją następujące metody: konwersji bezpośredniej (równoległa), prób i błędów (stochastyczne), całkowe, kolejnych przybliżeń (kompensacyjne). Metoda konwersji bezpośredniej polega na klasyfikacji napięcia wejściowego do jednego z 2 N przedziałów napięć i przypisaniu każdemu przedziałowi słowa kodowego. Jest to przetwarzanie równoległe (równoczesne porównywanie sygnału wejściowego z odpowiednimi częściami napięcia odniesienia), bardzo trudne do technicznej realizacji, bo wymaga dużej liczby dokładnych komparatorów napięcia. Metoda ta jest stosowana w przetwornikach o małej rozdzielczości, cechuje się krótkim czas konwersji rzędu kilkadziesiąt nanosekund, częstotliwość przetwarzania przekracza 5 MHz. Schemat układu przedstawia rys. 2. 3

4 Rys. 2. Przetwornik konwersji bezpośredniej (równoległego). Tabela 1. Konwersja analogowo - cyfrowa w przetworniku trzybitowym U we K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K0 Binarny kod cyfrowy 1 0 U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref U ref

5 W N bitowym przetworniku równoległym przetwarzane napięcie U we porównywane jest jednocześnie za pomocą 2 N 1 komparatorów z częściami napięcia odniesienia U ref wytworzonymi przy pomocy drabinki oporowej. Sygnały z komparatorów przetwarzane są w konwerterze kodu na sygnał cyfrowy. Rys. 2. przedstawia zasadę pracy przetwornika równoległego trzybitowego. Tabela 1 prezentuje sposób przyporządkowania słów kodowych poszczególnym zakresom napięcia wejściowego. Przetworniki równoległe (bezpośrednie) są najszybsze z wszystkich przetworników A/C, wymagają jednak rozbudowanego układu. Metoda prób i błędów klasyfikacja napięcia wejściowego do jednego z 2 N przedziałów napięć, porównanie metodą prób i błędów (np. napięcie zmienia się skokami o wartość Q od 0 V w kierunku wartości napięcia wejściowego), poziomy napięcia potrzebne do porównania z napięciem przetwarzanym wytwarzane są przez przetwornik C/A, czas konwersji zależy od wartości napięcia wejściowego, stosowana w przetwornikach o większej rozdzielczości, długi czas konwersji od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund. W przetworniku stochastycznym (rys.3) układ sterujący generuje losowo liczbę N bitową, która jest w przetworniku C/A przetwarzana na napięcie, które jest porównywane w komparatorze K z napięciem przetwarzanym U we. Zależnie od wyniku porównania układ sterowania generuje kolejną liczbę N bitową (napięcia różne) lub sygnalizuje zakończenie przetwarzania (napięcia równe). 5

6 Rys. 3. Schemat blokowy N bitowego stochastycznego przetwornika, działającego metodą prób i błędów. Metody całkowe - dwustopniowy proces konwersji - krok 1. przetworzenie napięcia wejściowego na wartość pośrednią (czas lub częstotliwość) - krok 2. pomiar wartości pośredniej za pomocą dokładnych metod cyfrowych (na zasadzie zliczania impulsów) - wynik zliczania reprezentuje słowo kodowe odpowiadające napięciu wejściowemu - długi czas konwersji od kilku do kilkudziesięciu milisekund - bardzo duża dokładność. Metoda kolejnych przybliżeń (kompensacyjna) Metoda ta składa się z następujących kroków: porównanie napięcia przetwarzanego z N różnymi napięciami wzorcowymi z 2 N możliwych), wybór kolejnego napięcia wzorcowego jest zależny od wyniku porównania w poprzednim kroku, w każdym kroku klasyfikacja sygnału przebiega z dwukrotnie wyższą dokładnością (najstarszy bit ustalany jest poprzez porównanie napięcia wejściowego z napięciem odpowiadającym połowie wartości przetwarzania), pełny cykl przetwarzania obejmuje N porównań (dla przetwornika N-bitowego), 6

7 czas konwersji wynosi od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund. W przetwornikach kompensacyjnych napięcie przetwarzane U we porównywane jest w komparatorze K kolejno z szeregiem napięć wzorcowych, z których każde następne jest 2 razy mniejsze od poprzedniego. Jeżeli napięcie przetwarzane jest większe od wzorcowego, napięcie wzorcowe jest od niego odejmowane i generowany jest stan 1, jeżeli jest mniejsze generowane jest 0. Z kolei porównanie następuje z napięciem wzorcowym dwukrotnie mniejszym i generowany jest następny bit. Ilość porównań równa jest ilości bitów przetwornika. Rys. 4 przedstawia 8 - bitowy schemat przetwornika kompensacyjnego A/C. Rys. 4. Przetwornik kompensacyjny. Metoda kolejnych przybliżeń (kompensacyjna) jest stosowana w przyrządach wymagających dużej dokładności przetwarzania. Podstawowa trudność w ich budowie to polega na generacji odpowiednio dokładnych napięć wzorcowych. Rzeczywisty przetwornik A/C Idealna charakterystyka przetworników A/C może być przedstawiona jako linia schodkowa przyporządkowująca poszczególnym przedziałom przetwarzanego napięcia wejściowego określony sygnał cyfrowy (słowo kodowe). Rzeczywiste przetworniki wykazują odstępstwa od charakterystyki idealnej. W rzeczywistych przetwornikach A/C mogą wystąpić następujące odstępstwa od charakterystyki idealnej (rys. 5): błąd zera - równoległe przesunięcie charakterystyki, błąd wzmocnienia zmiana nachylenia charakterystyki, 7

8 błąd liniowości całkowitej charakterystyka nie jest zbliżona do liniowej. Rys. 5. Ilustracja definicji: a - błędu zera, b - błędu wzmocnienia, c - błędu liniowości całkowitej. Przetworniki cyfrowo / analogowe C/A W układach automatyki często zachodzi konieczność zmiany sygnału cyfrowego na analogowy, np. w celu podania sygnału napięcia na element wykonawczy. Rolę tę spełniają przetworniki cyfrowo analogowe (C/A lub D/A). Przetwornik cyfrowo / analogowy jest to układ elektroniczny, który na podstawie wejściowego słowa binarnego kodowego A i analogowego sygnału odniesienia R (w postaci napięcia odniesienia U ref lub prądu odniesienia I ref ) wytwarza analogowy sygnał wyjściowy. Do podstawowych parametrów przetwornika C/A należą: rozdzielczość N przetwornika (długość słowa kodowego), 8

9 zakres U FS przetwornika unipolarnego (wartość maksymalna), krok kwantowania q (najmniejszy skok sygnału wyjściowego), liczba poziomów (2 N ) kwantowania sygnału wyjściowego. Liczba bitów N Liczba poziomów kwantyzacji Max. błąd kwantyzacji [%] , , , ,0005 Cechy idealnego przetwornika C/A (rys. 6, rys. 7) : - charakterystyka przejściowa jest funkcja nieciągłą - sygnał wyjściowy (napięcie lub prąd) zmienia się skokami - kształt idealnej charakterystyki przejściowej nie zależy od liczby bitów przetwornika - nie występuje błąd kwantowania. Rys. 6. Charakterystyka przejściowa unipolarnego przetwornika cyfrowo analogowego. 9

10 Rys. 7. Charakterystyka przejściowa bipolarnego przetwornika cyfrowo analogowego. Zasadę działania czterobitowego przetwornika cyfrowo-analogowego, działającego na zasadzie sumowania prądów, przedstawiono na rysunku 8. Poszczególnym bitom liczby zapisanej w rejestrze wejściowym (zawierającym słowo kodowe) są przyporządkowane prądy na wejściu wzmacniacza proporcjonalne do wagi bitu. Rys. 8. Przetwornik cyfrowo-analogowy: U ref napięcie odniesienia, U wy analogowy sygnał wyjściowy, MSB najbardziej znaczący bit słowa kodowego, LSB najmniej znaczący bit słowa kodowego. Napięcia wyjściowe odpowiadające poszczególnym bitom są również proporcjonalne do wagi bitu. Klucze podłączające oporniki do źródła napięcia odniesienia sterowane są sygnałem cyfrowym. Napięcie wynikowe odpowiadające kombinacji bitów uzyskuje się w układzie sumatora analogowego; jest ono sumą napięć odpowiadających poszczególnym bitom. Przedstawiony przetwornik czterobitowy generuje 16 różnych poziomów napięcia o skoku A, 10

11 zależnym od doboru U ref, R, oraz R S. Tabela 2 prezentuje sposób przyporządkowania kolejnym słowom kodowym analogowej wartości wyjściowej. Tabela 2. Konwersja cyfrowo analogowa w przetworniku czterobitowym. Wejście cyfrowe Wartość analogowego sygnału wyjściowego U wy U U U U ref R 8R ozn. S RS 4R A ref 2 A 1 1 RS ( ) 8R 4R ref 3 A RS ( ) 8R 4R 2R R ref 15 A Sygnałem wyjściowym w przetwornikach cyfrowo-analogowych jest prąd lub napięcie. Przeciętne czasy działania przetwornika cyfrowo-analogowego wynoszą niecałą mikrosekundę. Rzeczywisty przetwornik C/A odstępstwa od charakterystyki idealnej (rys.9). błąd przesunięcia zera (rys. 9a) błąd wzmocnienia (rys. 9b) błąd nieliniowości (rys. 9c). 11

12 Rys. 9. Błędy rzeczywistego przetwornika analogowo cyfrowego. Parametry przetworników A/D i D/A Parametry przetworników A/D i D/A, charakteryzują: Rozdzielczość: określa się ją jako liczbę bitów używaną przez przetwornik do reprezentacji sygnału analogowego. Przetwornik n-bitowy dzieli sygnał analogowy na poziomów. Najmniej znaczący bit przetwornika A/D n-bitowego na zakresie napięciowym [0, U max ] odpowiada zmianie napięcia q=u max /2 n. Często podaje się ją też w procentach: 100% q n 2 100% 100% q 12,5% dla przetwornika 3-bitowego % 100% q 6, 25% dla przetwornika 4-bitowego % 100% q 0, 09765% 0, 1% dla przetwornika 10-bitowego % 100% q 0, % 0, 02% dla przetwornika 12-bitowego Na rys. 10 przedstawiono charakterystykę 3-bitowego przetwornika A/D o ośmiu (23) stanach wyjściowych. Poszczególnym stanom przyporządkowano kolejne słowa kodu dwójkowego, naturalnego od 000 do

13 Syg wy q /8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/ % Syg we Rys. 10. Charakterystyka przetwarzania idealnego 3-bitowego przetwornika A/D (n = 3) Kondycjonowanie sygnału (pre-processing) Celem kondycjonowania jest przygotowanie sygnału do przetwarzania A/C (zmiana jego parametrów, usunięcie części informacji itp.) identyfikacja głównych własności sygnału, oszacowanie wartości średniej, minimalnej i maksymalnej (zakresu w dziedzinie amplitudy), oszacowanie zakresu częstotliwości harmonicznych tworzących sygnał, kontrola stacjonarności sygnału, wybór miar sygnału mających podlegać analizie, dobór parametrów przetwornika A/C. Post-processing Celem post-processingu jest przygotowanie cyfrowego sygnału (uzyskanego z wyjścia przetwornika A/C) do przechowywania oraz dalszej obróbki. Jest to między innymi: wstępna kontrola poprawności przetwarzania A/C (kontrola przekroczeń zakresu, kontrola stacjonarności), eliminacja danych przypadkowych (określenie typowych parametrów sygnału, np.: wartości średniej, odchylenia standardowego, przedziału ufności), resampling (redukcja ilości danych (oszczędność pamięci, usunięcie części danych w pliku wynikowym pozostaje, jedynie co druga, co trzecia,..., próbka). Należy 13

14 jednak sprawdzić czy ta liczba próbek zapewnia wystarczającą dokładność wyznaczanych miar statystycznych. Literatura 1. Dag Stranneby, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Metody, algorytmy, zastosowania, Wydawnictwo BTC Warszawa Steven W. Smith, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Praktyczny poradnik dla inżynierów i naukowców, Wydawnictwo BTC Warszawa Rudy van de Plassche Scalone przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe Warszawa, WKiŁ,

15 Temat: Struktura, własności i funkcje przykładowych, firmowych, zintegrowanych systemów automatyzacji siłowni statku. K-Chief 500 (firmy Kongsberg) jest obecnie standardowym, modułowym systemem alarmowania, monitoringu i sterowania siłownią okrętową dla statków handlowych. Spełnia rozszerzone wymagania bezpieczeństwa i niezawodności. Modułowa budowa umożliwia elastyczną konfigurację w zależności od indywidualnych potrzeb począwszy od systemu o małej złożoności do mocnego zintegrowanego systemu sterowania. Seria 500 może być zainstalowana na różnych rodzajach jednostek pływających, takich jak: masowce kontenerowce statki ro-ro tankowce promy statki rybackie Natomiast K-Chief 700 przeznaczony jest do zastosowań na jednostkach specjalistycznych takich jak: statki pasażerskie super jachty statki wiertnicze i FPSO (Floating Production, Storage and Offloading Unit) 1 statki do przewozu płynnego gazu LNG (Liquefied Natural Gas) i LPG (Liquefied Petroleum Gas) statki obsługi i wsparcia pól naftowych platformy wiertnicze System K-Chief 500 wykorzystuje sieć CAN z podwójną magistralą do komunikacji między modułami rozproszonymi. Każdy moduł jest przyłączony do dwóch odseparowanych magistrali w celu uzyskania maksymalnej redundancji. 1 jednostka pływająca do wydobycia, składowania i przeładunku. Jej zadaniem jest wydobywanie, wstępne oczyszczenie, przechowywanie i przeładunek ropy naftowej i gazu ze złóż podmorskich. 15

16 Na system K-Chief 500 składają się następujące główne komponenty: Stacja operatorska Zawiera komputer osobisty z monitorem kolorowym. Pozwala na dostęp do modułów rozproszonych. Zbierania danych pomiarowych i ich przetwarzanie w czasie rzeczywistym dokonują zdalne moduły sterujące RCU (Remote Controller Unit). Za pomocą niezależnej sieci komputerowej K-Chief 500 może być zintegrowany z systemem zarządzania FleetMaster firmy Kongsberg. Główne funkcje systemu K-Chief 500 to: 1. sygnalizacja i monitoring alarmów, 2. sterowanie mechanizmami pomocniczymi, 3. zarządzanie mocą na statku, 16

17 4. sterowanie napędem głównym, 5. automatyzacja balastów, 6. sterowanie i monitorowanie załadunku, 7. sterowanie klimatyzacją, 8. wykrywanie i sygnalizacja pożarów, 9. wsparcie zarządzania, 10. monitoring chłodni. Wszystkie dane wyświetlane w dowolnej stacji obsługi są zawsze aktualne, a ruch na magistrali danych i procesów w sieci lokalnej jest ograniczany do minimum, co daje bardzo szybki dostęp do danych. Każdy alarm lub zdarzenie jest ze znacznikiem czasowym z rozdzielczością 10 ms. Diagramy mimiczne (mimics diagrams) zawierają zrozumiałe i łatwe do odczytu informacje dotyczące silnika głównego (SG) i jego mechanizmów pomocniczych. Różnymi obiektami siłowni można sterować bezpośrednio ze stacji operatorskich. Pełny monitoring i urządzenia alarmowe występują zarówno w maszynowni jak i centrali manewrowo-kontrolnej (CMK). Pomiary ze wszystkich punktów pomiarowych są rejestrowane przez ostatnie 24 godziny (trend krótki). W przypadku trendu długiego (100 dni z przedziałem próbkowania 20 minut) można wybrać do 100 punktów pomiarowych. Trend krótki i długi są prezentowane w postaci diagramów trendu. Każdy moduł rozproszony został zaprojektowany jako odporny na jednostkowe usterki i posiada wewnętrzną trójprzewodową izolację galwaniczną między torami zasilania, komunikacyjnymi i wejść/wyjść. W ten sposób uszkodzenie danego modułu rozproszonego nie oddziałuje na źródło zasilania, magistralę komunikacyjną lub uszkodzenie czujników. K- Chief 500 posiada wbudowany system detekcji uszkodzeń, który wykrywa usterki okablowania, czy też uszkodzenia czujników. Wymiana uszkodzonego modułu nie wymaga wyłączenia zasilania, a po wymianie nowy moduł jest automatycznie konfigurowany i zdatny do pracy. 17

18 Architektura systemu rozproszonego K-Chief 500 System K-Chief 500 (rys.1) bazuje na oprogramowaniu the DataChief C20. Tworzą go stacje operatorskie i moduły wejść/wyjść połączone między sobą za pomocą lokalnej sieci danych. Jest to system całkowicie mikroprocesorowy i zdecentralizowany z punktu widzenia bezpieczeństwa, lecz praca na nim odbywa się jak na zcentralizowanym, a to dzięki zastosowaniu lokalnych stacji operatorskich. Sercem systemu są inteligentne moduły przetwarzające (Distributed Processing Units), które realizują proces komunikacji (w sieci CAN (Control Area Network) i LAN (Local Area Network) ) i wszystkie funkcje automatyzacji, podczas gdy stacje operatorskie zapewniają tylko interfejs użytkownika (human machine interface). Stosuje się różne rodzaje modułów w zależności od konkretnych ich zastosowań. Wszystkie stacje operatorskie są przemysłowymi komputerami osobistymi pracującymi w systemie operacyjnym Microsoft Windows XP 32-bit i są połączone zdublowaną redundantną siecią lokalną. Wszystkie stacje pracują zawsze równolegle, co oznacza, że żadna z nich nie jest stacją (komputerem) nadrzędną (master) i chociaż wszystkie są identyczne mogą być różnie skonfigurowane przez co osiąga się dostęp do różnych ich funkcji. Niektóre stacje operatorskie są używane tylko do monitoringu, na przykład w biurze pokładowym. Zmiany parametrów określonych urządzeń dokonane na jednej stacji operatorskiej przenoszą się automatycznie ze znacznikiem czasowym na inne stacje operatorskie. Poza tym dane na stacjach są odświeżane automatycznie. Dwie lub więcej stacji operatorskich można skonfigurować jako redundantne. Stacje operatorskie mogą być standardowymi konsolami dostarczanymi przez Kongsberg Maritime lub jako niezależne elementy do pracy na biurku. 18

19 Rys.1. Schemat K-Chief 500 Ostrzegawczy system wywoławczy (Watch Calling System, WCS) jest rozbudowanym okrętowym systemem alarmowym. System monitoruje ładunek i alarmy w siłowni. Dedykowane panele alarmowe są zlokalizowane w różnych miejscach na statku wyświetlając alarmy i warunki ich powstania. Rys.2. Ostrzegawczy system wywoławczy (może zawierać do 28 paneli wywoławczych połączonych siecią CAN; panele są sterowane za pomocą stacji operatorskich; WBU Watch Bridge Unit). 19

20 Sieć komputerowa w systemie K-Chief 500 System K-Chief 500 jest obsługiwany przez stacje operatorskie. Sygnały wejściowe i wyjściowe do i z urządzeń polowych miedzy stacją operatorską i urządzeniami polowymi przesyłane są za pomocą sieci LAN, CAN i liniami szeregowymi. Sieć LAN jest wykorzystywana do komunikacji między stacjami operatorskimi i innymi urządzeniami bazującymi na PC. Sieć CAN łączy rozproszone moduły. Sieć LAN jest otwartą, standardową siecią Ethernet z protokołem TCP/IP, co umożliwia dołączanie dodatkowych komputerów zewnętrznych, jak na przykład programów interfejsowych firmy Kongsberg Maritime. CAN jest wysoce niezawodną magistralą procesową wykorzystywaną do komunikacji między stacjami operatorskimi a modułami rozproszonymi. Sieć może być uzupełniona bramkami (gateways) pozwalającymi na przykład na oddzielenie różnych sekcji alarmów i monitoringu. Bramki te pozwalają też uczynić autonomicznymi podsystemy lokalne będące częścią całego systemu zintegrowanego, na przykład sterowanie zaworami, pompami, zarządzanie mocą, sterowanie napędem lub załadunkiem, etc. System bramek nie pogarsza jakości pracy całego systemu K-Chief 500. Komunikacja pomiędzy modułami rozproszonymi a urządzeniami polowymi odbywa na bazie protokołów szeregowych RS-422 i RS-485. W systemie zastosowano podwójną redundantną sieć procesową (co jest standardem we wszystkich produktach Kongsberg Maritime). Własności sieci komputerowych są następujące: W obu sieciach przesyłane są identyczne informacje, Uszkodzenie jednej sieci nie wpływa na działanie całego systemu, Uszkodzenia jednej sieci nie powoduje wzrostu opóźnienia przesyłanych danych, Ruch w sieci jest monitorowany na wszystkich stacjach operatorskich i alarmowany w przypadku uszkodzenia elementu sieci. 20

21 Zasilanie systemu K-Chief 500 System zasilany jest napięciem przemiennym 230 V (stacje operatorskie) i 24 V napięciem stałym (moduły rozproszone). Zasilanie uzupełniają przełączalne zasilacze UPS (Uninterruptible Power Supplies), podtrzymujące zasilanie przez 30 minut. Midi Operator Stations (MOS) Ważną rolę w systemie K-Chief 500 odgrywają stacje operatorskie typu midi (rys.3). Rys.3. Stacja operatorska typu MIDI Stacje operatorskie MIDI są stacjami operatorskimi ogólnego przeznaczenia, które mogą być rozmieszczone w dowolnym miejscu na statku, a nawet poza pokładem. Sygnalizują alarmy, sterownie procesem i zarządzanie mocą. Operacje na stacjach operatorskich przeprowadzane są za pomocą klawiszy funkcyjnych i kolorowego wyświetlacza. Na stacji wyświetlane są diagramy mimiczne sterowanych układów okrętowych. 21

22 Własności modułów rozproszonych Widok jednego z modułów rozproszonych przedstawia rys.4. Rys.4. Moduł systemu rozproszonego Własności modułów rozproszonych: Każdy moduł zawiera własny mikroprocesor, Możliwość zdalnego konfigurowania każdego modułu, Dioda sygnalizacyjna wielofunkcyjna (watch dog, uruchomienie, informacje ogólne, inicjacja modułu, polaryzacja napięcia) na obudowie, Tró jdrożna izolacja między I/O a zasilaniem, I/O a szyną procesową i między zasilaniem a szyną procesową, Tylko jedna płytka drukowana (stąd zwiększona odporność na drgania i wstrząsy), Łatwa wymiana płytki drukowanej bez konieczności ponownego ustawiania przełączników, gniazd, itp. Brak wewnętrznych części serwisowych, Wszystkie połączenia są rozłączalne, Beznapięciowa pamięć, Synchronizacja czasowa, Podwójny interfejs magistrali CAN, Możliwość wgrywania oprogramowania (software download), 22

23 Wbudowany monitoring temperatury, zasilania i przeciążenia czujnika (Built In Self- Test (BIST)), Zapamiętywanie wszystkich parametrów w każdym module, Interfejs użytkownika - Human machine interface (HMI) HMI odgrywa bardzo ważną rolę dlatego, że umożliwia efektywną i bezpieczną pracę w systemie pomagając operatorowi podejmować optymalne decyzje i zredukować ryzyko błędów człowieka. W projektowaniu HMI kładzie się nacisk na operacje logiczne, efektywną prezentację odpowiednich informacji i przyjazność interfejsu dla użytkownika. Standardowy hardware owy interfejs K-Chief 500 zawiera następujące części: Monitory typu kolor, Panele operatorskie z klawiaturą i manipulatorem kulowym, Opcjonalny ekran dotykowy, Wykonywane operacje są kompatybilne z przeprowadzanymi w systemie Windows. Wyświetlane obrazy w systemie K-Chief 500 W systemie K-Chief 500 wyświetlane są następujące typy obrazów: Obrazy procesów - graficzna prezentacja obsługiwanego procesu (rys.5.). 23

24 Rys.5. Graficzna prezentacja systemu napędowego Obraz listy lista urządzeń w danym układzie automatyzacji, Rys.6. Lista w systemie K-Chief 500 Obraz trendów krótko lub długoterminowych, 24

25 Rys.7. Okno trendów Lista zdarzeń analogicznie jak na rys.6. Obraz konfiguracyjny pokazuje aktualny status automatyzowanego systemu. Podgląd dla nawigatora jest obrazem na ekranie dotykowym (Touch Control Panel). Daje on dostęp do wszystkich wyświetlanych układów automatyzacji. Może on być widoczny także na stacji operatorskiej. Podgląd informacji o statku Pakiet ShipViewer może być zainstalowany na dowolnym komputerze PC, który może być dołączony do systemu K-Chief 500. Program ten umożliwia podgląd tych samych informacji co na stacjach operatorskich (rys.8). 25

26 Rys. 8. Rozbudowany system K-Chief 500 Literatura Materiały firmowe ze stron internetowych. 26

27 Temat: Standardowe interfejsy szeregowe Do najbardziej znanych interfejsów komunikacji szeregowej należą: RS-232, RS- 232C (V.24), RS-422, (RS-422A), RS-423, RS-485. Są one stosowane w prostych układach pomiarowych, regulatorach, komputerach i cechują się małą prędkością transmisji danych, ale pozwalają na budowę systemów pomiarowych i sterujących rozłożonych na dużej przestrzeni. Zasada pracy takiego interfejsu polega na tym, że blok danych (bajt) jest wpisywany do rejestru przesuwnego i bit po bicie transmitowany zgodnie z taktami zegara nadajnika (zakłada się, że zarówno nadajnik jak i odbiornik są taktowane z tą samą częstotliwością). Transmisja szeregowa oznacza, że dane są przesyłane bit po bicie. W celu zapewnienia poprawności transmisji stosowane są dwie metody koordynacji transmisji informacji: transmisja synchroniczna, która polega na nadawaniu i odbieraniu poszczególnych bloków danych poprzedzonych oddzielnym sygnałem synchronizującym nadajnik i odbiornik. Transmisja synchroniczna jest stosowana rzadko; transmisja asynchroniczna, która polega na tym, że przed i po każdym transmitowanym znaku (zwykle jest to 1 bajt tj. 8 bitów) występuje bit startu oraz bit stopu. Format przesyłania danych w transmisji asynchronicznej obejmuje bit startu, bity danych, bit kontrolny (opcjonalnie) i bity stopu. Innymi słowy każdy przesyłany bajt jest traktowany niezależnie i zawiera jeden lub więcej bitów synchronizacji; w ramach bajtu poszczególne bity są przesyłane synchronicznie zgodnie z taktami zegara nadajnika. Bit kontrolny pełni najczęściej funkcję kontroli parzystości, która polega na sprawdzeniu liczby jedynek w polu danych i ustawieniu bitu kontrolnego na logiczną 1 w przypadku nieparzystej liczby jedynek lub na logiczne 0 w przypadku parzystej liczby jedynek. W przypadku transmisji danych w obecności bardzo silnych zakłóceń stosowane są inne środki kontroli błędów, np. metoda sumy kontrolnej lub metoda cyklicznego sprawdzania redundancji Cyclic Redundancy Check-sum, CRC). W tym ostatnim przypadku transmitowane dane są traktowane jako wielomian danych D(x), który jest dzielony przez określony z góry wielomian generujący G(x) dając w wyniku wielomian ilorazu Q(x) i resztę R(x): 27

28 D(x)/G(x)=Q(x)+R(x) Wielomian R(x) nazywa się CRC i przedstawia dane 16 lub 8 bitowe. Odbiornik używa identycznego wielomianu generującego G(x) w celu odtworzenia R (x). Jeśli R(x)=R (x) to odbiornik wysyła sygnał: potwierdzenie pozytywne transmisji (ACK). Negatywny wynik porównania jest sygnalizowany negatywnym potwierdzeniem (NAK), które powoduje powtórzenie transmisji. Podstawową zaletą transmisji szeregowej jest możliwość stosowania tanich kabli o bardzo małej liczbie przewodów (dwa, trzy), co umożliwia tworzenie systemów rozłożonych na dużej przestrzeni. Interfejs RS-232C Standard RS-232 (Recommended Standard) został zdefiniowany w 1962 roku przez Electronic Industry Association (EIA) jako interfejs umożliwiający współpracę terminala (ekran z klawiaturą lub komputer pracujący w sieci) z modemem (urządzenie do przesyłania danych na duże odległości). Zmodernizowaną w 1969 roku wersję standardu RS-232 nazwano RS-232C. Standard ten określa szeregowy sposób transmisji danych na niedużych odległościach między terminalem (DTE, Data Terminal Equipment) a modemem (DCE, Data Communication Equipment). Interfejs RS-232C stanowi najczęściej 25-stykowe lub 9-stykowe złącze szufladkowe DB- 25 (rys. 3.9) lub DB-9 (rys. 3.10). Rys Interfejs RS-232C 25-stykowe złącze typu DB-25 Rys Interfejs RS-232C 9-stykowe złącze typu DB-9 28

29 W komputerze PC złącze szeregowe RS-232C może służyć np. do podłączenia myszki lub modemu i jest 25-cio wtykowym gniazdem typu męskiego (z igłami). Opis końcówek interfejsu RS-232C przedstawia tabela 3.1. W magistrali interfejsu RS-232C można wyróżnić następujące grupy linii: linie danych, linie sterujące, linie synchronizacji, linie masy. Linie danych. W dwukierunkowym przesyłaniu danych wykorzystywane są 4 linie. Linie (TxD i RxD) tworzą kanał podstawowy; linie STxD i SRxD kanał powrotny, który nie zawsze jest wykorzystywany. Linie sterujące. Są to linie przekazujące sygnały gotowości urządzeń do pracy (DSR, DTR) oraz sygnały gotowości do transmisji (RTS, CTS). Linie synchronizacji. Po liniach danych przesyłanie informacji może być jak wiadomo realizowane synchronicznie lub asynchronicznie. Linie synchronizacji są wykorzystywane w transmisji synchronicznej jako tzw. linie podstawy czasu, którymi przesyłane są sygnały zegarowe. W RS-232C istnieją trzy linie tego typu: DA (styk nr 24), DB (styk nr 15), DD (styk nr 17). 29

30 Tabela 3.1 Złącze Najczęściej używane: Oznaczeni Opis styk. styk. e 1 PG masa ochronna 2 3 TxD dane nadawane (przesyłane) przez DCE 3 2 RxD dane odbierane przez DCE 4 7 RTS żądanie nadawania przez DTE 5 8 CTS gotowość do nadawania przez DCE 6 6 DCE gotowość do pracy DCE 7 5 SG masa sygnałowa (GND) 8 1 DCD śledzenie poziomu sygnału odbieranego przez DCE 9 zarezerwowane dla celów diagnostycznych 10 zarezerwowane dla celów diagnostycznych 11 nie wykorzystany 12 SRLSD poziom sygnału odbieranego w kanale powrotnym DCE 13 SCTS gotowość kanału powrotnego DCE 14 STxD dane nadawane w kanale powrotnym DTE 15 podstawa czasu z DCE dla nadawanych elementów 16 SRxD dane odbierane w kanale powrotnynm DCE 17 podstawa czasu wytwarzana w DCE 18 nie wykorzystany 19 SRTS żądanie nadawania w kanale powrotnym DTE 20 4 DTR gotowość DTE (terminala) 30

31 Złącze Najczęściej używane: 21 SOD jakość sygnału odbieranego przez DCE 22 9 RI wskaźnik wywołania DCE 23 wybór szybkości transmisji przez DTE 24 podstawa czasu z DTE dla elementów nadawanych 25 nie wykorzystany Uwaga: Część linii jest niewykorzystana przy bezpośredniej współpracy komputer-terminal. Linie masy. W RS-232C występują dwie masy: na styku 1, tzw. masa ochronna, oznaczona jako PG (Protective Ground); jest to masa zabezpieczająca połączona z obudową urządzenia; na styku 7, tzw. masa sygnałowa, oznaczona jako SG (Signal Ground) lub GND; stanowi ona odniesienie do wszystkich pozostałych sygnałów interfejsu. Parametry elektryczne interfejsu RS-232C. Na liniach danych obowiązuje logika ujemna (sygnały danych są aktywne w stanie niskim) oraz następujące poziomy U L sygnałów: logiczna 1 : 15 V U L 3V logiczne 0 : +3 V U L +15 V Na liniach sterujących i synchronizacji obowiązuje logika dodatnia (sygnały danych są aktywne w stanie wysokim) oraz następujące poziomy napięć U L sygnałów: logiczna 1 : +3 V U L +15 V logiczne 0 : 15 V U L 3V Zakres napięć 3 V U L +3 V nie określa jednoznacznie stanu obwodu, jednak dla linii RTS, DSR i SRTS napięcie to jest interpretowane jako logiczne 0. Dzięki przyjęciu takich poziomów sygnałów (dużej rozpiętości między dwoma poziomami logicznymi) transmisja danych jest bardzo odporna na zakłócenia, nawet przy zastosowaniu nie ekranowanych przewodów. 31