Vestavný systém pro automatizaci s použitím webu

Vestavný systém pro automatizaci s použitím webu

V automatizační technice existuje několik úrovní komunikace. Celý komunikační systém se obvykle zobrazuje jako pyramida, na jejímž vrcholu je podniková síť, v níž se sice přenášejí velké objemy dat, ale bez zvláštních požadavků na rychlost přenosu. Směrem k základům pyramidy se zmenšuje objem dat přenášených mezi jednotlivými prvky sítě, ale rostou požadavky na rychlost přenosu. Nejnižší úroveň průmyslových komunikačních sběrnic představují sběrnice typu AS-interface, sloužící k připojení snímačů a akčních členů. Současně se na jednotlivých úrovních datové komunikace v automatizační technice používají různé standardy sběrnic, obvykle navzájem nekompatibilní. Jak je patrné z tab. 1, přes veškeré obecné snahy o standardizaci se téměř každý z významných světových výrobců automatizační techniky opírá o svůj vlastní komunikační standard, který také aktivně prosazuje.

V kancelářských počítačových sítích je na rozdíl od průmyslu nejrozšířenější a téměř obecně používaný jediný standard – Ethernet. Rychlost přenosu v prostředí Ethernetu neustále roste a tato síť dosahuje i přes svou nedeterministickou podstatu vlastností vyžadovaných při řízení průmyslových procesů. Jestliže sběrnicové komunikační standardy uvedené v tab. 1 disponují variantou určenou pro síť Ethernet, tato zpravidla vyžaduje speciální hardware, a nelze tudíž používat běžná kancelářská zařízení, obvykle zajímavá svou cenou.

Diplomová práce [1], vypracovaná na Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) v Lipsku a obhájená na VUT v Brně, je zaměřena na oblast vestavných modulů umožňujících efektivní použití sítě Ethernet a webu v průmyslové automatizaci (web-based embedded devices for automation). Cílem práce bylo navrhnout způsob činnosti vybrané univerzální součástky ve funkci vestavného převodníku mezi přenosovým kanálem na bázi standardu IEEE 802.3, běžně nazývaným Ethernet, a univerzálním portem UART vhodným ke komunikaci s různými inteligentními vestavnými zařízeními (dále vestavný webový převodník).

Řešená úloha

Schematicky je řešená úloha naznačena na obr. 1. Přínosem komunikace na bázi standardu Ethernet je především náhrada drahých a navzájem nekompatibilních systémů jedním standardem, který umožňuje navzájem komunikovat mnoha různým zařízením, včetně počítačové sítě Internet. Obecně je vhodné uvažovat i bezdrátový přenos dat, kdy je komunikační protokol, využívaný stejně obecně jako Ethernet, určen specifikací IEEE 802.11, definovanou v bezlicenčním frekvenčním pásmu 2,4 GHz. Řešený webový převodník je jako vestavný navržen proto, že v současné době je již dostupný hardware s výkonností dostačující i pro zvládání složitějších řídících a jim podobných úloh a přitom jde o řešení výhodnější než připojení zařízení k internetu při použití např. PC. Na trhu jsou nabízeny vestavné systémy podporující Ethernet v osmibitové, šestnáctibitové i 32bitové verzi.

Obr. 1. Princip funkce vestavného webového převodníku

Pro cíle diplomové práce bylo vhodné za hardware zvolit kompaktní zařízení poskytující co možná největší výkon a variabilitu z hlediska programování a schopné pracovat i v bezdrátových systémech. Na bezdrátové komunikace je kladen důraz proto, že mohou uspořit náklady či zjednodušit řešení v případech, kdy vést kabeláž je komplikované nebo zcela nemožné. Každé bezdrátové zařízení je, bez ohledu na další výhody, v podstatě také mobilní.

Popis řešení

Za hardwarový základ vestavného webového převodníku byl vybrán modul Digi Connect ME, kompaktní zařízení s 32bitovým procesorem NetSilicon a operačním systémem Linux podporující komunikační protokoly TCP/IP a Ethernet 802.3 a v případě bezdrátové varianty standard Ethernet 802.11b.

Pro dosažení co největší rychlosti přenosu dat (co nejkratší doby odezvy modulu) byl pro komunikaci zvolen UDP. V praxi jde o přenosy dat, které jsou určeny k řízení uživatelského zařízení připojeného přes univerzální asynchronní port (UART). Protokol UDP je z hlediska rychlosti výhodný pro krátkou hlavičku zasílaných paketů. V modulu je v podobě serveru, který přijímá data a v závislosti na jejich obsahu volá případné další funkce, jejichž výsledky odesílá zpět. Pro ověřování tohoto přenosu byl v rámci řešení úkolu vytvořen program pro PC, ve kterém je možné nastavit množství zkušebních dat, počet zkušebních cyklů a IP adresu zkoušeného převodníku.

Obr. 2. Modul Digi Connect ME pro Ethernet IEEE 802.3 zapojený do vývojářské desky

Pro přístup k převodníku z webového prohlížeče byly naprogramovány dynamické webové stránky umožňující kontrolovat jeho další funkce. Tyto stránky jsou uloženy na webovém serveru, volaném jako funkce při spuštění zařízení. Webové stránky při svém načtení do prohlížeče přímo volají další funkce modulu Digi, takže lze např. sledovat stav portů GPIO, na které je možné připojit až pět volně nastavitelných I/O. Webová stránka je v podstatě volána též jako funkce, z níž je pak volána procedura kontrolující stav na těchto portech. Další webová stránka umožňuje odeslat na port UART převodníku libovolný údaj a ještě další www stránka slouží pro kontrolu vstupních portů čipu, který s navrženým převodníkem komunikuje po sběrnici I2C.

Webové stránky uložené v modulu Digi tedy umožňují snadné používání funkcí, jejichž prostřednictvím lze též nastavovat hodnoty na portech GPIO, popř. nastavovat různé parametry zařízení. Data se přes webové rozhraní posílají při použití HTTP, který využívá kontrolní informace pro doručování. Zaručuje tedy spolehlivost přenosu, nezaručuje však patřičnou rychlost, v průmyslové automatizaci často vyžadovanou. Pro tyto účely byl naprogramován UDP server. Oba tyto programy běží v modulu souběžně.

Přínos řešení

Vytvořené řešení nabízí nový způsob využití standartu Ethernet v průmyslové komunikaci. Zejména umožňuje řešit komunikaci a výstavbu sítě s využitím standardních zařízení používaných v kancelářích a domácnostech. Je využitelné v mnoha oborech a za určitých podmínek i na těch nejnižších úrovních průmyslové i domácí automatizace. Například lze uvažovat o systému řízení vlhkosti, zavlažování a vytápění skleníku realizovaném s použitím patřičných snímačů a akčních členů a modulu Digi, zprostředkujícím přístup k řídicímu systému přes internet. Podobně by mohla být řízena např. také činnost čističky odpadních vod, kde je třeba na několika místech sledovat polohu hladiny a složení vody. V tomto případě by bylo zapotřebí použít několik převodníků na bázi modulu Digi, které ovšem lze snadno propojit prostřednictvím přepínače. Řešení s vestavným webovým převodníkem by např. zde mohlo být náhradou PC používaného pro připojení na internet. Další možností použití je např. jednoduchá meteorologická stanice, u které by asi bylo vhodné bezdrátové připojení.

Poděkování
Práce, o níž článek referuje, vznikla za podpory HTWK v Lipsku a VUT v Brně a získala jednu z pěti Cen Siemens 2004 udělených v kategorii diplomových prací.

Literatura:
[1] KŘÍŽ, P.: Vestavěný systém na bázi webu pro automatizaci. [Diplomová práce.] FEKT VUT, Brno, 2004.

Ing. Pavel Kříž
(pavel.bery@seznam.cz)