Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR)

Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR) Systemy czasu rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania - Przykład realizacji uniwersalnej platformy sterowania cyfrowego Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV Opracowanie: dr inż. Tomasz Rutkowski Katedra Inżynierii Systemów Sterowania SCR 2015 1

Systemy Czasu Rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania Przemysłowe sieci informatyczne Urządzenia sterowania cyfrowego Przemysłowe bazy danych Systemy operacyjne czasu rzeczywistego SCR 2014 2

Systemy Czasu Rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania Przemysłowe sieci informatyczne SCR 2014 3

Systemy Czasu Rzeczywistego - przemysłowe sieci informatyczne Ograniczony, deterministyczny czas przekazywania komunikatów Wysoka efektywność przenoszenia dużej liczby krótkich komunikatów Łatwość dołączania urządzeń Wysoka niezawodność Zdolność tolerowania błędów i awarii Zabezpieczenie przed nieupoważnionym dostępem SCR 2014 4

Systemy Czasu Rzeczywistego - przemysłowe sieci informatyczne Profibus DP Profibus NET CAN SCR 2014 5

Systemy Czasu Rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania Urządzenia sterowania cyfrowego SCR 2014 6

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Podstawowe rodzaje (typy) urządzeń sterowania cyfrowego wykorzystywanych w przemysłowych systemach sterowania: sterowniki jednofunkcyjne i wielofunkcyjne specjalizowane mikrosterowniki rozwiązania oparte o procesory sygnałowe (DSP) rozwiązania oparte o układy o wysokiej skali integracji (FPGA) programowalne sterowniki logiczne (PLC) programowalne sterowniki automatyki (PAC) komputery przemysłowe (zgodne z IBM PC) SCR 2015 7

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Sterownik wielofunkcyjny RM-20 http://www.zpda.com.pl SCR 2015 8

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Sterownik wielofunkcyjny RF-537 http://www.zpda.com.pl SCR 2015 9

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Komputer przemysłowy Marka ASEM Model: WS600TE 2x Ethernet (w opcji 1 GB), 6x USB, 2x RS232, 2x PS/2, VGA, 2x SATA/150 oraz jeden ATA/100, 1x Compact Flash. http://www.logismarket.pl SCR 2015 10

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Komputer przemysłowy (wbudowany) Marka: Axiomtek Model: ebox611 procesor klasy Intel Celeron M 1,8GHz odporny na wibracje 4 kanałowy systemem przechwytu video 2 kanały audio WiFi, 10/100Base-T Ethernet RS232, USB 2.0, VGA 7-in/7-out Digital I/O 1 x Line-out connector PS/2 http://marketeo.com SCR 2014 11

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Komputer jednopłytkowy http://www.evoc.com SCR 2014 12

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Komputer jednopłytkowy http://www.evoc.com SCR 2014 13

System Czasu Rzeczywistego - urządzenia sterowania cyfrowego Sterowniki PLC i PAC wielu producentów Na przykład: Marka: GE Fanuc Modele: RX3i 90-30 90-70 VersaMax http://www.gefanuc.com/ SCR 2015 14

Systemy Czasu Rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania Przemysłowe bazy danych SCR 2014 15

interfejs operatora na produkcji System Czasu Rzeczywistego - przemysłowe bazy danych serwer przemysłowej bazy danych kolektor danych procesowych kopia bazy danych raportowanie produkcji Sterowniki PLC na linii produkcyjnej stacja operatorska Źródło : Control Engineering - Program4 Engineering stacja obliczeniowa 16

System Czasu Rzeczywistego - przemysłowe bazy danych Kolektor danych procesowych to punkt zbiorczy dla wszystkich danych produkcyjnych. Zadania kolektora: - zbieranie danych pochodzących z systemu produkcyjnego - przechowywanie danych w czasie rzeczywistym, w wersji lite produkcyjnej bazy danych - zapewnianie transakcyjnego zarządzania zapisami dla procesowego serwera danych produkcyjna baza danych w kolektorze przechowuje wartości danych w takiej samej strukturze tabeli oraz formatach danych jak serwer danych procesowych 17

System Czasu Rzeczywistego - przemysłowe bazy danych Industrial SQL Server PROFICY Historian 18

System Czasu Rzeczywistego - przemysłowe bazy danych - IndustrialSQL IndustrialSQL Server jest to oprogramowanie wykorzystujące Microsoft SQL Server do ciągłego pobierania dużej ilości szybkozmiennych danych z procesu technologicznego. IndustrialSQL Server jest rozszerzeniem MS SQL Server a. IndustrialSQL Server został zaprojektowany dla zbierania danych historycznych z dużej ilości punktów pomiarowych. Dane procesowe mogą być pobierane w dwóch trybach: cyklicznym z minimalnym gwarantowanym czasem 1 s lub zdarzeniowym - w tym trybie gwarantowana rozdzielczość czasowa wynosi 3 ms. Testy IndustrialSQL Server 8.0 na komputerze PC (Pentium IV 1.4 GHz) wykazały poprawną pracę przy logowaniu 30000 zmian wartości różnych zmiennych na sekundę. Chwilowe zwiększenie prędkości napływu danych może osiągnąć na takim komputerze nawet 60000 zmian na sekundę. 19

System Czasu Rzeczywistego - przemysłowe bazy danych - IndustrialSQL Źródło : IndustrialSQL Server PRODUCT DATA SHEET 20

System Czasu Rzeczywistego - przemysłowe bazy danych - PROFICY Historian PROFICY Historian to rozproszony system archiwizacji i analizy danych procesowych, alarmów i zdarzeń w skali korporacyjnej. Wykorzystuje otwarte standardy przemysłowe: OPC, OPC A&E, VBA, SQL, OLE DB, XML, rozproszona architektura Klient/Serwer. Zawiera relacyjną bazę danych zorientowaną na gromadzenie alarmów, zdarzeń i podpisów elektronicznych. Ma możliwość rejestracji do 250 000 zmiennych na jeden serwer. Rejestruje dane procesowe z milisekundowymi okresami próbkowania, rozdzielczość 1 ms. Szybkość działania (ponad 20 000 zapisów/odczytów na sekundę, czas oczekiwania na długoterminowy raport z wartościami agregowanymi w arkuszu Excel nie przekracza 1 sekundy). 21

Systemy Czasu Rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania Systemy operacyjne czasu rzeczywistego SCR 2014 22

System Czasu Rzeczywistego - w Systemach Sterowania producent a użytkownik Przykładowe systemy operacyjne czasu rzeczywistego: VxWorks QNX RTLinux Windows CE OS-9 C/OS-II ecos EtherNut - Nut/OS.. SCR 2015 23

System Czasu Rzeczywistego producent a użytkownik sytemu sterowania Producenci: unikatowe rozwiązania dla konkretnych gałęzi przemysłu przywiązanie użytkownika do określonego producenta Użytkownicy: oczekują otwartości architektury sprzętowej umożliwiającej jego dalszą rozbudowę możliwości integracji z istniejącymi systemami sterowania możliwości współpracy z sieciami lokalnymi przy równoczesnym wykorzystaniu różnorodnych protokołów transmisji SCR 2015 24

Systemy Czasu Rzeczywistego w komputerowych systemach sterowania Przykład realizacji sterowania cyfrowego uniwersalnej platformy SCR 2014 25

Założenia projektowe Ogólne założenia projektowe projektowanej platformy sterowania cyfrowego: uniwersalność: szeroka gama układów we/wy wykorzystywanie popularnych technologii komunikacyjnych niskobudżetowy oparty o popularne i łatwo dostępne elementy przyjazny w konfiguracji, programowaniu oraz użytkowaniu SCR 2015

SCR 2015 Specyfikacja sterownika Układy we/wy Wejścia cyfrowe (6): 3 wejścia pracujące w zakresie 10-30V 3 wejścia pracujące w standardzie TTL Wyjścia cyfrowe (4): 4 wyjścia typ ujście Wejścia analogowe (2): 2 wejścia pracujące w zakresie 0-10V Wyjścia analogowe (2): 2 wyjścia pracujące w zakresie 0-10V Interfejs enkodera inkrementalnego (1): 1 wejście pracujące w zakresie 10-30V

Specyfikacja sterownika Interfejsy komunikacyjne USB RS-232 CAN Protokoły: Modbus RTU Inne: zegar czasu rzeczywistego podtrzymywany bateryjnie (około 5 lat) wyświetlacz LCD 4 przyciski konfiguracyjne SCR 2015

Specyfikacja sterownika Pamięć 80 kb pamięci RAM oraz 1 MB FLASH 256 kb nieulotnej pamięci EEPROM Mikrokontroler: ARM STM32F103VGT6 Zasilanie: 12VDC SCR 2015

SCR 2015 Specyfikacja sterownika

Projektowanie sterownika: - platforma sprzętowa SCR 2015

Projektowanie Schematy elektroniczne oraz płytkę drukowaną zaprojektowano z wykorzystaniem pakietu oprogramowania KiCAD: oprogramowanie typu EDA (ang. Electronic Design Automation), oprogramowanie darmowe, możliwość wykorzystywania bez ograniczeń, oprogramowanie typu open source, wieloplatformowe. Protypowe układ we/wy testowano w środowisku Multisim opracowanym przez National Instrument (versia trial) SCR 2015

Projektowanie W części sprzętowej sterownika wyodrębnia się następujące moduły funkcjonalne obsługiwane przez mikrokontroler : moduł wejść/wyjść analogowych, moduł wejść/wyjść cyfrowych, moduł zegara czasu rzeczywistego moduł pamięci FLASH, moduł interfejsów komunikacyjnych, moduł programatora JTAG, moduł wyświetlacza LCD, oraz modułu przycisków użytkownika. SCR 2015

SCR 2015 Projektowanie

SCR 2015 Projektowanie KiCAD schemat elektroniczny mikroprocesora i jego peryferiów

SCR 2015 Projektowanie KiCAD obudowy elementów

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł zasilania

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł wejść cyfrowych

SCR 2015 Projektowanie Multisim weryfikacja działania wejść cyfrowych

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł enkodera

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł wyjść cyfrowych

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł wejść analogowych

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł wyjść analogowych

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł komunikacji CAN

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł komunikacji RS232

SCR 2015 Projektowanie KiCAD moduł zegara czasu rzeczywistego

SCR 2015 Projektowanie KiCAD obwód drukowany

SCR 2015 Projektowanie KiCAD obwód drukowany wizualizacja 3D

Projektowanie Opis płytki z modułami SCR 2015

Projektowanie Gotowa płytka SCR 2015

Projektowanie Gotowa płytka z elementami SCR 2015

Projektowanie sterownika: - platforma programowa SCR 2015

Projektowanie Platforma programowa składowa się z następujących elementów: dedykowanego środowiska narzędziowego dla komputera PC, przystosowanego dla opracowanej platformy sprzętowej systemu operacyjnego czasu rzeczywistego CooCox CoOS. SCR 2015

Projektowanie Dedykowane środowisko narzędziowe dla komputera PC umożliwia: tworzenie oprogramowania sterownika (programu użytkownika) w języku graficznym FBD (ang. Function Block Diagram), kompilowanie i wgrywanie oprogramowania do sterownika, konfigurację sterownika, dokonywanie zmian w ustawieniach systemu operacyjnego czasu rzeczywistego oraz interfejsów komunikacyjnych, monitorowanie wartości zmiennych oraz możliwość zmiany ich wartości (praca w trybie on-line - wykorzystanie protokołu Modbus RTU). SCR 2015

Projektowanie Dedykowane środowisko narzędziowe opracowano w C#, wykorzystano silnik / technologię WPF Diagram Designer (ang. Windows Presentation Foundation) opracowaną przez Microsoft, z oprogramowaniem narzędziowym zintegrowano kompilator Sourcery G++ Lite dla mikrokontrolerów ARM oraz program umożliwiający programowanie pamięci flash OpenOCD, obsługę protokołu Modbus RTU zaimplementowano z wykorzystaniem biblioteki Nmodbus. SCR 2015

SCR 2015 Projektowanie środowisko narzędziowe

SCR 2015 Projektowanie środowisko narzędziowe

SCR 2015 Projektowanie środowisko narzędziowe

SCR 2015 Projektowanie środowisko narzędziowe

Projektowanie środowisko narzędziowe Konwersja FBD na C SCR 2015

Projektowanie środowisko narzędziowe Kompilacja SCR 2015

Projektowanie środowisko narzędziowe Wgrywanie programu (OS + program użytkownika) do sterownika SCR 2015

SCR 2015 Projektowanie środowisko narzędziowe

SCR 2015 Projektowanie OS sterownika System operacyjny sterownika: oparty o darmowy i otwarty system operacyjny czasu rzeczywistego CooCox CoOS, który charakteryzuje się: prostą implementacją oraz rozbudowaną dokumentacją, biblioteką bogatą funkcji zarządzających: czasem, pamięcią, wątkami oraz ich synchronizacją, CooCox CoOS po inicjalizacji sterownika zarządza dwoma podstawowymi wątkami odpowiedzialnymi za: realizację logiki programu sterującego (program użytkownika), oraz obsługę wbudowanego wyświetlacza LCD, do obsługi przycisków oraz interfejsów komunikacyjnych wykorzystano mechanizmy przerwań CooCox, do obsługi Modbus RTU wykorzystano bibliotekę FreeModbus.

SCR 2015 Projektowanie OS sterownika

Projektowanie środowisko narzędziowe Podgląd zmiennych on-line (Modbus RTU) SCR 2015

Projektowanie środowisko narzędziowe Podgląd zmiennych on-line (Modbus RTU) SCR 2015

Bibliografia S.Wójcicki, T.Rutkowski.. Projekt i budowa uniwersalnego sterownika programowalnego. Pomiary Automatyka Robotyka nr 2/2013 http://www.kicad-pcb.org Oficjalna strona oprogramowania KiCad (18 listopada 2012) http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms742119.aspx] - Windows Presentation Foundation Getting Started (18 listopada 2012) http:// www.codeproject.com/articles/22952/wpf-diagram-designer-part-1 - Silnik wyświetlania bloków WPF Diagram Designer (18 listopada 2012) http://modbus.org - Oficjalna strona organizacji zajmującej się protokołem Modbus (18 listopada 2012) http:// www.mentor.com/embedded-software/codesourcery - Strona projektu Codesourcery (18 listopada 2012) http:// www.coocox.org/coos.htm - CooCox CoOS (18 listopada 2012). http://code.google.com/p/nmodbus/ - A C# imple-mentation of the Modbus protocol (18 listopada 2012) http://freemodbus.berlios.de/ - A Modbus ASCII/RTU and TCP implementation for embedded systems (18 listopada 2012) SCR 2015

Dziękuję za uwagę!!! SCR 2014 69