Počet průmyslových komunikačních standardů dnes roste ruku v ruce s počtem nově vznikajících výrobců automatizačních řešení. Část takto vzniklých norem přejde postupem času do veřejného povědomí a začne být široce využívána a rozvíjena dalšími firmami. Druhá část norem však zůstane navždy uzavřena a využívá ji pouze jediný výrobce.
V oblasti komunikačních rozhraní, senzorů a automatizačních procesů dnes existuje více než 100 různých norem. Hlavním důvodem pro vývoj nových standardů byl v minulosti především velký nedostatek těch, které by splnily náročné požadavky automatizačních technologií. Tak například rozhraní jako je UART nebo Ethernet zajišťují rychlou komunikaci v reálném čase, na velkou vzdálenost a s dostatečným zabezpečením. Do automobilového průmyslu se naopak rozšířilo rozhraní typu CAN, nabízející až 10x vyšší rychlost a větší dosah než mohlo nabídnout například rozhraní Profibus. V automobilovém průmyslu jsou však u pohonných jednotek využívány i zpětné vazby, vyžadující použití vlastních komunikačních rozhraní. Mezi takové patří například informace o aktuální poloze a rychlosti vozidla. Zde se z bezpečnostních důvodů nevyužívají žádné standardizované komunikační formáty a pouze se rozlišuje mezi použitým analogovým nebo digitálním protokolem. Rozhraní EnDat 2.2, které splňuje bezpečnostní nařízení podle normy DIN EN ISO 13849, je vhodné pouze pro čtení pomocných hodnot systému, jako je například teplota motoru nebo stav palivové nádrže. Hlavní výrobci snímačů a polohových enkodérů si však návratnosti technologií zvyšují i tím, že své produkty nabízejí zároveň pro spojení se standardními systémy.
Existence velkého množství komunikačních standardů však zcela vylučuje integraci všech rozhraní do jediného systému. Pro koncové zákazníky se proto nabízí celá řada specifických řešení. Mezi ty nejběžnější patří dostupnost jednoúčelových komunikačních modulů, které jsou ve své řadě navzájem kompatibilní a podporují specifické požadavky dané aplikace. Někteří výrobci jdou ale ještě dál a snaží se omezit i výrobní náklady jednotlivých modulů. Nejčastěji k tomu využívají navzájem zaměnitelné obvody ASIC, nebo přímo volně konfigurovatelné obvody typu FPGA. V takovém případě mívá zákazník přístup i k programovacím a konfiguračním nástrojům.
PRU (Programmable Realtime Unit)
Zpracování strojového kódu je ve standardních mikrokontrolérech (MCU) a mikroprocesorech (MPU) rozdělené do několika samostatných kroků (tzv. pipeline). V nejjednodušším případě se používají tři kroky: Načtení – dekódování – zpracování. V náročnějších obvodech jich může být až deset, což je při jejich vysoké rychlosti mnohem optimálnější.
Problém je v tom, že strojový kód nikdy neběží pouze lineárně. Téměř vždy se skládá z celé řady podmíněných a skokových instrukcí, které mají za následek neustálé přerušování zpracovávaných a již přednačtených instrukcí a skoky na jiné adresy. Tím ale vzniká v celém systému poměrně velké zpoždění a vykonávání řídicího programu je mnohem pomalejší. Z tohoto důvodu se jádro hlavního procesoru nepoužívá pro obsluhu real-time procesů a datových vrstev komunikačních rozhraní.
Obr. 1: Programovatelná PRU jednotka snímače polohy s rozhraním EnDat 2.2
Komunikace po datových sítích bývá sice časově značně deterministická, každé zařízení musí ale vždy v první řadě zajistit dostatečnou analýzu přijatých dat – navíc pouze s minimálním zpožděním. Proto jsou v procesorech k dispozici obvody PRU (programovatelné obvody, pracující v reálném čase), navržené speciálně pro zpracovávání síťových paketů. Jejich 32bitová jádra architektury RISC nepoužívají při zpracování kódu žádné zřetězení a díky tomu jsou vhodná právě pro zpracování paketů v reálném čase. PRU totiž v každém svém cyklu pracuje přímo na úrovni jednotlivých bitů. Na obr. 1 je nastíněn vývoj PRU subsystému, který je složen ze dvou jader typu RISC, kdy každé pracuje s hodinovou frekvencí 200 MHz. Díky deterministickému zpracování programu je možné případné problémy zachytit i v intervalu, kratším než 5 ns. Dva obvody PRU jsou schopné realizovat rozhraní až do rychlosti 100 Mbit/s.
Fyzické rozhraní, spojující obvod s vnějším světem, využívá flexibilně navržené vstupně / výstupní signály. Ty jsou dostupné buď v podobě jednotlivých registrů nebo jako samostatné celky, propojené datovým rozhraním. Výměna dat na úrovni vyšších vrstev s hostitelským procesorem probíhá pomocí přístupu k tzv. „sdílenému“ paměťovému prostoru. Jeho úkolem je příjem událostí prostřednictvím přerušení od řadiče PRU a následný přenos dále do systému. Mimoto má PRU obvykle přístup i k celému paměťovému prostoru hostitelského mikroprocesoru a může tedy využívat všechny systémové zdroje. Rychlá, kompletně 32bitová architektura minimalizuje latence při komunikaci s vyššími vrstvami software. Díky tomu může hlavní aplikace, běžící na CPU s jádrem ARM, využívat jednotlivá komunikační rozhraní přímo v reálném čase.
Procesory ARM s rozhraním Profibus
Rozhraní Profibus je dnes velice rozšířeným komunikačním standardem, používaným v oblasti automatizace. Své postavení si udržuje i přes rostoucí konkurenci v podobě Ethernetu a dalších dnes používaných řešení.
K jedinému rozhraní s maximální přenosovou rychlostí až 12 Mb/s lze připojit téměř všechny automatizační prvky. Jeho hlavní předností je rychlá doba odezvy mezi jednotlivými prvky systému, definovaná jako hodnota TSDR (Station Delay Time Responder). Ta obsahuje 11bitovou časovou jednotku, korespondující s maximální dobou odezvy rozhraní Profibus, která je 917 ns. V této lhůtě musí každé klientské zařízení přijatý dotaz vyhodnotit, zpracovat a odeslat svou odpověď. Tak rychlé odezvy se dosahuje pouze speciálně navrženými obvody, založenými na technologii ASIC nebo FPGA. Integrovaná řešení ARM CPU a PRU nabízí například modul AM1810 z rodiny Sitara.
Obr. 2: Procesor ARM s integrovaným 12 Mbps rozhraním typu Profibus DP
Na obr. 2 je uvedena integrovaná jednotka Profibus s izolovaným modulem rozhraní ISO1176T. Vhodnou integrací se zde dosahuje zásadních výhod v podobě nízké spotřeby energie a přiměřených nároků na prostor. Navíc rychlá komunikace, probíhající přes interní systémovou sběrnici, zkracuje dobu odezvy celé aplikace. Sdílená paměť velikosti 128 MB, která je v systému k dispozici, poskytuje zároveň dostatečný prostor pro výměnu dat mezi jednotlivými aplikacemi. Mikroprocesory ARM AM1810 mají díky použité 65 nm výrobní technologii nízký příkon, ale také vysoký stupeň integrace s celou řadou implementovaných periferií. Aplikace Profibusstack společnosti TMG usnadňuje spojení zařízení s Profibus aplikacemi.
Integrace pohonné jednotky
Pohonné jednotky jsou většinou navrženy jako modulární systémy. Jedině tak jsou schopné splnit rozdílné požadavky na komunikaci, bezpečnost, výkon a zpětnou vazbu. Z obr. 3 je patrné, že pohonná jednotka by měla být od řídicího a komunikačního počítače zcela izolována. Navíc i samotné řízení je obvykle z bezpečnostních důvodů zajišťováno samostatným procesorovým modulem. Zde použitá komunikační rozhraní a senzorové systémy jsou označovány jako „šedý komunikační kanál“, vyžadující vysokou úroveň bezpečnosti a vyloučení jakýchkoli chyb.
Obr. 3: Integrace pohonné jednotky
Programovatelné komunikační rozhraní s jednotkou PRU, včetně komunikačních modulů pro průmyslové systémy a čidla, jsou integrované přímo do řídicího počítače. Díky tomu je možné ušetřit velké množství místa a celé řešení integrovat buď do terminálu nebo přímo do řídicího systému motoru. Použití nízkopříkonových procesorů ARM a moderních výrobních technologií pomáhá splňovat náročnější požadavky na širší rozsah provozních teplot.
Použití nových technologií vyžadují i stále dokonalejší, víceosé snímače, které jsou náročnější na výpočetní výkon řídicích jednotek. Nové procesory s architekturou jádra ARM Cortex A8 nabízejí široké možnosti konfigurace a v budoucnu umožní řízení s větší přesností a účinností.
Odkazy:
Autor:
Thomas Leyrer, vedoucí laboratoře průmyslové automatizace, Texas Instruments
