Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Snímače s přímým připojením k internetu

číslo 7/2004

Snímače s přímým připojením k internetu

Článek je věnován problematice použití sítě Ethernet, protokolů TCP/IP a internetových protokolů a metod na nejnižší z komunikačních úrovní vyskytujících se v průmyslovém podniku – na úrovni „sběrnice pro snímače„ (sensor bus). Pojednává o otázkách napájení těchto snímačů prostřednictvím sítě Ethernet (podle standardu IEEE 802.3af), mechanickém provedení konektorů a obvodovém řešení elektroniky snímačů, včetně postupu při výběru nejvhodnějšího procesoru. Popisuje experimentální modul pro síť Ethernet vestavěný do standardního pouzdra snímače a řešení programového vybavení, tvořeného webovým serverem, serverem aplikačního protokolu Modbus TCP, konfiguračním serverem a vlastním aplikačním programem pro zpracování naměřených dat. Závěrem je popsána světově první konstrukce snímače tlaku s přímým připojením na internet.

Obr. 1.

1. Úvod

Komunikační síť Ethernet (IEEE 802.3) se pro své výhodné vlastnosti stala v podstatě komunikačním standardem v oblasti lokálních sítí (Local Area Network – LAN). Stále klesající cena komponent, velká a neustále rostoucí rychlost přenosu, přirozená kompatibilita s internetem a především obecné rozšíření sítě Ethernet – s Transmission Control Protocol (TCP) a Internet Protocol (IP) v transportní a síťové vrstvě – v oblasti počítačů v kancelářích, laboratořích i v odděleních technické a technologické přípravy výroby lákají i obor průmyslové automatizace. Ethernet TCP/IP, který byl dříve uváděn jako příklad nevhodného komunikačního prostředku pro řízení a komunikaci v systémech pracujících v reálném čase, a zvláště v reálném čase s vysokými požadavky na dodržení doby odezvy (hard real-time systems), se díky nynějšímu vývoji (přepínaný bezkolizní Ethernet v elektromechanickém provedení vhodném do těžkého průmyslového prostředí) začal používat jako komunikační systém také v průmyslovém prostředí (Industrial Ethernet). V současné době je průmyslový Ethernet využíván pro komunikaci mezi hierarchicky uspořádanými řídicími úrovněmi i mezi prvky a systémy první úrovně řízení (programovatelné automaty, průmyslové počítače typu PC, složitější vestavěné přístroje a koncentrátory dat, včetně odloučených jednotek analogových i digitálních vstupů a výstupů). Prozatím však nebyl aplikován na úrovni snímačů jako tzv. sensor bus [1]. Autoři článku jsou přesvědčeni o tom, že blízká budoucnost prokáže perspektivu Ethernetu i v této oblasti [2], [3]. Ta je zatím doménou jednoduchých průmyslových sběrnic (Interbus, CAN, Foundation Fieldbus, Profibus-DP, AS-interface). Použití Ethernetu i na této nejnižší komunikační úrovni by totiž vedlo k větší transparentnosti komunikace od nejvyšších úrovní řízení až po úroveň jednotlivých snímačů a akčních členů, a to bez spojů a bran (gateway) mezi sběrnicemi, dosud nutných pro transformaci navzájem odlišných protokolů [4].

Obr. 2.

V článku je naznačený vývoj dokumentován na příkladu. Ve spolupráci s firmou BD Sensors s. r. o., předním českým výrobcem tlakoměrné techniky, a s podporou programu Konsorcia (program Ministerstva průmyslu a obchodu ČR) a Grantové agentury ČR byl vyvinut světově první jednotlivý snímač tlaku s rozhraním pro síť Ethernet a vestavěným webovým serverem vyznačující se možností parametrizace a monitorování snímače po internetu.

2. Problematika rozhraní pro Ethernet vestavěného ve snímačích

Přímé připojení snímačů (a akčních členů) k síti Ethernet sice odstraňuje jinak nezbytné spoje mezi sběrnicemi a brány pro transformaci protokolů, avšak přináší jiné problémy, které je třeba řešit. Jsou to zejména:

  • napájení snímače,
  • robustní konstrukce konektoru pro ethernetové rozhraní,
  • rozměry vestavěné elektroniky,
  • cenové relace.

V porovnání s průmyslovými komunikačními sítěmi a rozhraními (Profibus, DeviceNet, Foundation Fieldbus, LonWorks, CAN, Interbus, AS-interface aj.) vykazuje rozhraní pro Ethernet větší spotřebu. Avšak podobně jako některé průmyslové sběrnice i Ethernet dovoluje díky novému standardu IEEE 802.3af zajistit napájení stanic se spotřebou do asi 15 W (senzorů s přímým ethernetovým rozhraním a dalších vestavěných systémů) přímo po ethernetovém kabelu. K napájení lze použít buď nevyužitý pár vodičů v kabelu kategorie 5 (CAT 5) nebo přímo signálové vedení. Standard IEEE 802.3af umožňuje automaticky rozpoznat, zda je připojované zařízení kompatibilní (ve smyslu tohoto standardu). Pokud ne, napájecí zdroj pro Ethernet, označovaný jako PSE (Power Sourcing Equipment), nedovolí přivést napájecí napětí do kabelu a zabrání tak možnému poškození nekompatibilních prvků. Standard IEEE 802.3af zajišťuje také správu napájecího zdroje PSE a může tak dávat výstrahu systému správy sítě v případě, že některé z připojovaných komunikujících zařízení má nějaké problémy.

Obr. 3.

Co se týče konektoru pro rozhraní Ethernet do průmyslového prostředí, mnoho výrobců nabízí průmyslovou variantu standardu RJ45 (do krytí IP25) a v poslední době se objevují konektory kompatibilní s RJ45 i pro vyšší stupeň krytí (IP67). Avšak vzhledem k tomu, že je vyrábějí různí výrobci, nejsou tyto konektory navzájem vždy zcela slučitelné. Dalším možným řešením je zvolit konektor M12, standardně používaný u mnoha snímačů i v průmyslových sítích. Jeho významnou předností je ověřená velká spolehlivost v průmyslových aplikacích. Z pohledu zástavby do pouzdra snímače má konektor M12 také velmi příznivé rozměry. Současně je pro protokol EtherNet IP (EtherNet Industrial Protocol) doporučen organizací ODVA a je akceptován i organizací IAONA. Pro průmyslový Ethernet tedy konektor M12 do budoucna představuje vhodnější řešení než konektory na bázi RJ45.

Rozměry vestavěné elektroniky musejí umožňovat její zástavbu do pouzdra snímače. Součástí elektroniky musí být procesor pro zpracování signálu ze snímače a generování protokolů TCP a IP, paměť RAM pro data i ROM pro komunikační protokoly a pro uživatelský program a dále řadič Ethernetu. Všechny tyto komponenty jsou již na trhu v podobě miniaturních procesorů s plně integrovaným rozhraním pro Ethernet (např. procesor Ubicom IP 2022).

Důležitým hlediskem je také cena vestavných systémů. Podle některých evropských výrobců vestavných systémů je ekonomické teprve jedno ethernetové rozhraní pro nejméně osm vstupních a osm výstupních signálů. Avšak výrobce snímače SEN2000P i autoři tohoto článku jsou přesvědčeni o tom, že i jednotlivý velmi přesný snímač tlaku bude v blízké budoucnosti požadován ve volitelném provedení s vestavěným rozhraním pro Ethernet a zavedeným webovým serverem.

3. Univerzální vestavný modul s rozhraním pro Ethernet Obr. 4.

3.1 Kostrukce modulu
S cílem umožnit rychlý vývoj snímačů a systémů s rozhraním pro síť Ethernet byl v ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně (UAMT) v těsné spolupráci s firmou BD Sensors v průběhu let 2002 a 2003 vyvinut univerzální elektronický modul určený pro vestavbu do standardních snímačů tlaku, které jsou ve výrobním programu uvedené firmy. Základ modulu tvoří mikroprocesor IP 2022 firmy Ubicom. Jde o velmi rychlý procesor (120 MHz) typu RISC (s přídavnou 64kB pamětí typu flash a 20kB RAM). Součástí procesoru nejsou obvody pro rozhraní Ethernet, avšak díky dalšímu obsaženému hardwaru a rychlosti s ním lze softwarově realizovat přenos po Ethernetu rychlostí 10 Mb/s. To jej, jako nejvhodnější prvek v současnosti, předurčuje pro realizaci snímače s vestavěným rozhraním pro Ethernet/internet. Ostatní podobné procesory (např. Dallas 80C400, IPC@CHIP, NET+ARM) nemají v porovnání s IP 2022 žádné podstatné přednosti. V důležitých parametrech (rozměry, cena, cena vývojového systému) za ním naopak zaostávají. Pro zvětšení paměťového prostoru byla do modulu přidána 512kB sériová paměť typu flash pro technologická data, webový server a jako paměť pro uživatelský program. Modul je doplněn externím 16/24bitovým A/D převodníkem AD 7714. Celý modul, kompatibilní se standardem 802.3af a napájený po ethernetovém kabelu, je ukázán na obr. 1. Pro jeho připojení k síti je použita průmyslová varianta konektoru RJ45 s krytím IP67 (je součástí pouzdra snímače).

3.2 Software modulu
Jednou z výhod Ethernetu a protokolů TCP/IP je možnost využívat množství aplikačních protokolů existujících nad TCP/IP. Je tak možné zvolit jak standardní internetové protokoly jako HTTP (Hypertext Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol) a SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), tak i problémově orientované protokoly pro aplikaci v průmyslu. V této oblasti je k dispozici buď nejčastěji používaný jednoduchý aplikační protokol Modbus ve variantě Modbus TCP nebo aplikační protokoly EtherNet IP, ProfiNet, OPC-DX apod.

Popsaný univerzální modul používá dva aplikační protokoly. Prvním je HTTP pro realizaci webového serveru (vybrané webové stránky snímače tlaku popsaného v následujícím textu či výřezy z nich jsou ukázány na obr. 2 až obr. 5). Druhým aplikačním protokolem je Modbus TCP. Ten je široce využíván pro komunikaci v řídicích systémech. Podporovány jsou také standardy OPC (OLE for Process Control) a DDE (Dynamic Data Exchange).

4. Realizace snímače tlaku s rozhraním pro Ethernet

S využitím výsledků již zmíněného vývoje byl ve spolupráci s firmou BD Sensors vyvinut a sestrojen prototyp snímače tlaku SEN2000P s vestavěným rozhraním Ethernet. Realizace uvedeného snímače vychází z předcházejícího teoretického rozboru a ze zkušeností firmy BD Sensors s vývojem a výrobou klasických i inteligentních snímačů tlaku. Základní technické charakteristiky snímače SEN2000P jsou v tab. 1.

Tab. 1. Základní technické parametry snímače SEN2000P

Procesorová jednotka IP2022 (RISC), 120 MHz
Flash EPROM kapacita 512 kB
Snímač tlaku:
– měřicí rozsah
– rozlišení A/D převodu
– perioda měření
 
od 0 až 350 Pa do 0 až 250 Mpa
šestnáct bitů
100 ms
Snímač teploty:
– měřicí rozsah
– přesnost
– perioda měření
 
–20 až +80 °C
±1 K
100 ms
Rozhraní Ethernet 10BaseT:
– přenosová rychlost
– konektor
– komunikační protokol
 
10 Mb/s
RJ45 s krytím IP67
HTTP, Modbus/TCP
Záznamník dat (datalogger):
– kapacita
– perioda zápisu
– spare
 
až 64 000 záznamů s možností rozdělit je do dvou nezávislých databází
1 s až 410 dní (s krokem 1 s)
při splnění definované podmínky omezuje počet zápisů do paměti
Pouzdro korozivzdorná ocel
Krytí IP67
Pracovní teplota –40 až +85 °C
Skladovací teplota –65 až +150 °C
Rozměry Ć 39,5 × 146 mm
Napájecí napětí 44 až 57 V, podle normy IEEE 802.3af
Příkon max. 1,2 W, v klidu 0,8 W

Programové vybavení (firmware) prototypu SEN2000P tvoří:

  • program pro realizaci vlastní funkce snímače tlaku,
  • webový server,
  • server protokolu Modbus TCP,
  • konfigurační server.
Obr. 5.

Webový server snímače SEN2000P poskytuje především statická data (soubory v HTML, obrázky, javové aplety) uložená ve flash EPROM. Dále poskytuje data dynamicky generovaná za běhu programu (skripty CGI). V paměti snímače jsou uloženy statické webové stránky, které jsou určeny především ke konfigurování a základnímu ovládání snímače. Uživatel také může uložit do paměti snímače vlastní webové stránky.

Server protokolu Modbus TCP reaguje na dva základní povely (Read multiple register a Read input registers) a umožňuje obousměrný přenos dat mezi snímačem (server) a klientem (PCL, průmyslový počítač apod.) prostřednictvím protokolu Modbus TCP jako varianty protokolu Modbus, určeného pro sériový přenos dat.

Konfigurační server slouží ke konfigurování a parametrizaci snímače. Komunikace probíhá při použití protokolu UDP (User Datagram Protocol) přenosem zprávy typu broadcast (zpráva pro všechna zařízení v síti). Konfigurování snímače zajišťuje aplikační program dodávaný se snímačem.

Uživatelské rozhraní snímače tvoří vestavěné webové stránky. Vestavěný webový server umožňuje konfigurovat snímač, sledovat aktuálních hodnoty měřených veličin (tlaku a teploty) a vypisovat obsah databází (v podobě grafů nebo tabulek – obr. 5). Informace o aktuálních hodnotách je předávána ve formátu XML (eXtended Markup Language). To usnadňuje její přenos do nadřazených systémů [5]. Pro správnou funkci uživatelského rozhraní stačí nainstalovat:

  • webový prohlížeč Internet Explorer verze 6.0 nebo Mozzila 7.0 s aktivovanou podporou jazyka Java a JavaScript,

  • Java Sun plug-in verze 1.4 nebo vyšší.

Obr. 6.

5. Závěr

Článek popisuje výsledky výzkumu a vývoje v oblasti využití internetových metod na nejnižší komunikační úrovni v průmyslové automatizaci. V průběhu řešení projektu Sensvision – přímé připojení snímačů na Internet programu Konsorcia Ministerstva průmyslu a obchodu ČR vyvinuli autoři tohoto článku spolu s nositelem projektu, firmou BD Sensors s. r. o., soubor přístrojů s rozhraním pro Ethernet a přímým vstupem na síť Internet. V tomto příspěvku jsou prezentovány výsledky výzkumu a vývoje v oblasti problematiky vestavěného rozhraní pro Ethernet a použití webového serveru včetně webových stránek (HTTP, Java, Java Script) do jednotlivého snímače tlaku. V souvislosti s elektromechanickým provedením snímače pojednává článek rovněž o výběru nejvhodnějšího konektoru, procesoru a dalších elektronických prvků. Pozornost je věnována napájení snímače podle nového standardu IEEE 802.3af. Jsou uvedeny základní technické údaje o snímači a ukázky webových stránek integrovaných do vlastního snímače a je specifikována role klienta (programovatelný automat, průmyslový počítač apod.) v uvažované síti typu sensor bus.

Poděkování
Autoři touto cestou děkují za podporu, kterou shora popsaným pracím poskytly MPO programem Konsorcia (FD-K/104), MŠMT programem FRVŠ G1/2224 a GAČR projektem GA 102/03/1097.

Literatura:

[1] CACH, P. – FIEDLER, P. – ZEZULKA, F.: Sensor/Actuator web oriented interface. In: Proceedings of PDS2001 IFAC Workshop, Gliwice, Poland, 2001.

[2] FIEDLER, P. – CACH, P.: Internet – technologies that are missing. In: 1st International Workshop on Real-Time LANs in the Internet Age in frame of the 14th Euromicro Internatiponal Conference on Real-Time Systems, Vienna, Austria, June 18, 2002.

[3] CACH, P. – FIEDLER, P.: Ethernet Interface In Application – Case study. In: 1st Intl Workshop on real-Time LANs in the Internet Age in frame of the 14th Euromicro Intl Conference on Real-Time Systems, Vienna, Austria, June 18, 2002.

[4] LEBLAC, C.: The Future of Industrial Networking and Connectivity. Dedicated Systems Magazine, 1Q2000, Dedicated Systems, available online: http://www.realtime-info.be/magazine

[5] BIRKHOFER, R.: XML for Automation devices. In: XMLeurope 2001, Berlin, Germany, 21–25 May 2001.

Internetové odkazy
(naposled shlédnuty 21. 6. 2004):
http://www.bdsensors.cz (snímač tlaku SEN2000P)
http://grouper.ieee.org/groups/802/3/af (IEEE P802.3af, DTE Power via MDI Task Force)
http://www.yamaichi.de/Y-con (Yamaichi Electronics, Inc.)
http://www.siemon.com (Siemon, Inc.)
http://www.lumbergusa.com (Lumberg, Inc.)
http://www.odva.org (Open Device Vendor Association)
http://www.iaona.org/home/home.php (Industrial Automation Open Networking Alliance)
http://www.ubicom.com/home.htm (Ubicom, Inc.)

doc. Ing. František Zezulka, CSc.,
Ing. Petr Cach,
Ing. Zdeněk Bradáč,
Ing. Petr Fiedler,
ústav automatizace a měřicí techniky FEKT VUT v Brně
(zezulka@feec.vutbr.cz)

Inzerce zpět