Aktuální vydání

celé číslo

12

2018

Automatizační technika v energetice a teplárenství

celé číslo

Laboratoř pro výuku průmyslových komunikačních sběrnic

číslo 5/2002

Laboratoř pro výuku průmyslových komunikačních sběrnic

V rámci řešení projektu Fondu rozvoje vysokých škol (FRVŠ) byla skupinou průmyslové automatizace Ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického (FEKT VUT) v Brně navržena a vybudována laboratoř průmyslových komunikačních sběrnic určená nejen pro výuku studentů řádného studia oboru Kybernetika, automatizace a měření, ale také pro první seznámení i pokročilý trénink odborníků z praxe. Aby se účastníci pořádaných kursů řádného i jiných typů studia mohli do potřebné hloubky seznámit s jejich problematikou, byly zhotoveny názorné elektromechanické laboratorní přípravky ovládané prostřednictvím dosud nejčastěji používaných sériových průmyslových sběrnic. Úlohy jsou úmyslně koncipovány tak, aby v průběhu kursu postupně rostly požadavky na znalosti frekventantů. Trénink začíná jednoduchými konfigurovatelnými sběrnicemi a jejich protokoly a vrcholí naprogramováním aplikace pro sběrnici Profibus-DP.

Charakter laboratoře
Ve shodě s projektem byl vytvořen cyklus šesti nových laboratorních cvičení, založených na čtyřech nových pracovištích tvořících dohromady tréninkovou laboratoř. Byly realizovány a oživeny:

  • výukový panel s instalovanou sítí AS-interface;

  • segment sítě LonTalk s použitím techniky LonWorks, zahrnující konfigurační stanici, profesionální jednočipový experimentální prostředek GIZMO Board a modul distribuovaných vstupů a výstupů (I/O) WAGO;

  • segment proprietární sítě Host Link firmy Omron, k němuž byla v rámci diplomové práce vytvořena nadřízená stanice (master) sítě Host Link na bázi mikrořadiče s jednoduchým LCD; v paměti nadřízené stanice sítě Host Link je nahrána modelová úloha velmi odolného (fault tolerant) řízení modelu technologického celku;

  • zcela nová laboratorní úloha pro procvičování komunikace prostřednictvím protokolu CAN na modelu automobilu v úrovni peer-to-peer mezi několika ovládacími prvky a jim příslušnými funkcemi modelu (pedál plynu a brzdy, řadicí páka, volant);

  • úloha řízení odolného vůči poruše (fault tolerant) – řízení modelu železničního kolejiště se dvěma spolupracujícími programovatelnými automaty Simatic S7-200 a S7-300 s využitím Profibus-DP jako nejkomplikovanější ze sběrnic použitých v laboratoři.

Obr. 1.

Tréninkový cyklus doplňují laboratorní cvičení na fyzických rozhraních RS-485 a RS-232 a trénink na protokolech Modbus a TCP/IP. Důvodem je skutečnost, že protokol Modbus je v podstatě jednoduchým a otevřeným standardem uživatelské vrstvy pro oblast automatizace a používá se mimo jiné v kombinaci s fyzickou vrstvou podle standardu RS-485. Naproti tomu protokoly TCP/IP tvoří základ internetových technologií nad fyzickým rozhraním Ethernet, které je všeobecně rozšířeno a postupně proniká i do oblasti automatizace.

Dále jsou v příspěvku stručně charakterizována čtyři základní tréninková pracoviště. Ve skutečnosti je ke každému pracovišti vypracován podrobný popis a návod k experimentům. K dispozici studentům jsou také podrobné informace o daném sériovém protokolu.

LonWorks
Pracoviště sítě LonWorks obsahuje tyto komponenty (obr. 1):

  • počítač s interní síťovou kartou LonWorks (karta NSS),
  • vývojový kit sítě LonWorks (modul GIZMO a periferní deska),
  • modul periferií WAGO s kartou digitálních vstupů a kartou digitálních výstupů.

Obr. 2.

Úloha je primárně zaměřena na zvládnutí tvorby jednoduché aplikace pro NeuronChip. Napsanou aplikaci je třeba nahrát do modulu GIZMO a s využitím periferní desky ověřit její správnou činnost. Pokročilí uživatelé mohou detekovat další zařízení připojené k síti (modul WAGO) a např. vytvořit složitější aplikaci, která využije síťové proměnné a naváže spojení s moduly interní svorkovnice WAGO.

AS-interface
Cílem úlohy je osvojit si základy projektování a konfigurování sítě AS-interface (AS-i), vytvořit jednoduchou aplikaci a nahrát ji do nadřízeného zařízení (master) tak, aby byla využita některá z dostupných podřízených zařízení (slave). Pracoviště využívá přenosný demonstrační panel, obsahující mj. tyto automatizační prostředky (obr. 2):

  • nadřízenou stanici (master) AS-i,
  • inteligentní maják,
  • inteligentní čidlo přítomnosti (kapacitní),
  • inteligentní čidlo přítomnosti (indukční),
  • inteligentní čidlo průtoku vzduchu,
  • čtyři inteligentní moduly digitálních I/O,
  • modul rozbočovače,
  • programovatelné relé Siemens Logo! s rozhraním AS-i (AS-i slave).

Profibus-DP
Úloha jako celek představuje redundantní řízení charakteru horké zálohy s využitím sběrnice Profibus-DP. Je koncipována tak, aby se frekventanti kursu seznámili s použitím, konfigurováním a základními principy funkce průmyslové sběrnice Profibus a současně s ukázkou jejího pokročilejšího využití v konkrétní aplikaci řídicího systému s redundancí.

Obr. 3.

Programovatelné automaty S7-300 a S7-200 jsou propojeny sběrnicí Profibus-DP pracující v režimu mono-master (S7-300 je master a S7-200 slave). Oba automaty jsou standardními kabelovými svazky I/O-A a I/O-B připojeny k modelu kolejiště (obr. 3). Vytváří se tak redundantní záloha vodičů, což umožňuje dynamicky měnit řídicí člen úlohy.

CAN
Sběrnice CAN (Controller Area Network) byla původně vyvinuta pro účely vzájemného propojení jednotlivých zařízení v automobilu. Protože komunikace uvnitř automobilu musí být velmi spolehlivá, byla sběrnice CAN navržena takovým způsobem, že je téměř vyloučeno selhání komunikace z důvodu rušení po celou dobu života zařízení (s výjimkou fyzického přerušení sběrnice).

Připravená úloha je inspirována právě použitím sběrnice CAN v automobilech. K dispozici je model auta, jehož jednotlivé části lze ovládat posíláním zpráv (rámců dat) po sběrnici (obr. 4).

Obr. 4.

Úkolem je vytvořit ovládací program, který zajistí běžnou činnost, tzn. přední kola se budou natáčet podle natočení volantu, otáčky motoru budou určeny polohou plynového pedálu, brzdový pedál zajistí zastavení motoru a rozsvícení brzdových světel. Ovládací program je vytvořen v jazyce C a běží na osobním počítači spojeném se sběrnicí CAN prostřednictvím adaptéru na paralelním portu. K dispozici je knihovna základních funkcí pro práci s CAN adaptérem.

Závěr
Text stručně popisuje tréninkovou laboratoř pro práci s průmyslovými komunikačními sběrnicemi LonWorks, AS-interface, Profibus-DP a CAN vytvořenou a využívanou na pracovišti autorů pro účely výuky studentů nejvyššího ročníku i pro účely postgraduálních dvoudenních kursů průmyslových sběrnic pořádaných pro odbornou technickou veřejnost a hospodářské partnery z oboru průmyslové automatizace.

Tréninková pracoviště vznikla s podporou projektu FRVŠ F1/0167/2001. Náplň laboratorních cvičení je dále rozšiřována s podporou Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci výzkumných záměrů JC MSM 262200012 Výzkum informačních a řídicích systémů, JC MSM 262200022 Výzkum mikroelektronických systémů a technologií, grantů FRVŠ 61/1969/2002, FRVŠ 61/1967/2002 a FRVŠ 61/1955/2002 a za podpory FEKT VUT v Brně.

Příspěvek je redigovanou verzí referátu předneseného na doprovodné konferenci veletrhu Pragoregula/Elexpo 2002 [1].

Literatura:

[1] ZEZULKA, F. a kol.: Tréninková laboratoř průmyslových komunikačních sběrnic. In: Sborník přednášek z doprovodné konference Pragoregula 2002, MAP ČVUT, Praha, březen 2002, ISBN 80-902131-8-9.

[2] ZEZULKA, F. a kol.: Průmyslová síť Profibus a programové prostředí STEP7. Učební text FEI VUT, červen 2001.

[3] CACH, P. – FIEDLER, P. – ZEZULKA, F.: Sensor/actuator web oriented interface. In: PDS2001 IFAC Workshop, Gliwice, Polsko, November 22-23, 2001, pp. 2-5.

[4] Neuron C Programmer’s Guide. Echelon Corp., Palo Alto, CA, USA 1995.

[5] LonWorks Engineering Bulletins. Echelon Corp., Palo Alto, CA, USA 1995.

doc. Ing. František Zezulka, CSc.,
Ing. Zdeněk Bradáč, Ing. Petr Fiedler,
Ing. Petr Cach, Ing. Pavel Kučera,
Ing. Pavel Fojtík, Ústav automatizace a měřicí techniky FEKT VUT v Brně,
zezulka@feec.vutbr.cz

Inzerce zpět