Mikroprocesorsko upravljanje

Transcription

1 Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojarsku automatiku Mikroprocesorsko upravljanje Dr. Sc. Davor Zorc 2015.

2 MIKROPROCESORSKO UPRAVLJANJE KOLEGIJ SE BAVI PRIMJENOM MIKRORAČUNALA U UPRAVLJANJU STROJEVA I PROCESA, TE PRIPADNIM SKLOPOVIMA I POSTUPCIMA. SADRŽAJ: 1. UVOD 2. STRUKTURA MIKRORAČUNALA 3. ANALOGNO/DIGITALNI PRETVORNICI 4. DIGITALNO/ANALOGNI PRETVORNICI 5. SENZORI I PRIHVAT SIGNALA 6. AKTUATORI 7. IMPLEMENTACIJA UPRAVLJAČKIH ALGORITAMA 8. DISTRIBUIRANO I PARALELNO PROCESIRANJE 9. INDUSTRIJSKI RAČUNALNI SUSTAVI I MREŽE 10. PROGRAMIRANJE DODACI: DIGITALNI SUSTAVI UPRAVLJANJA LABORATORIJSKE VJEŽBE: DIGITALNI SUSTAVI UPRAVLJANJA PRAKTIKUM IZ MIKROPROCESORA PRAKTIKUM IZ PLC PROGRAMABILNO LOGIČKIH KONTROLERA 2

3 Potrebno predznanje: OSNOVE AUTOMATSKE REGULACIJE OSNOVE ELEKTRONIKE OSNOVE DIGITALNIH RAČUNALA LITERATURA AUTOMATSKA REGULACIJA - DIGITALNO UPRAVLJANJE Phillips: Digital control systems, Analysis & Design, 3th-edition, Mc Graw Hill Int., Fadali: Digital Control Engineering Analysis and Design, Elsevier, 2009 Šurina: Automatska regulacija, Školska knjiga, RAČUNALA Gibson: Computer systems, concepts and design, Prentice Hall Int, Ribarić: Građa računala - arhitektura i organizacija računarskih sustava, Algebra učilište, 2011 PARALELNO I DISTRIBUIRANO PROCESIRANJE Hwang, Briggs: Computer architecture and parallel processing, Mc Graw Hill Int Sharp: An Introduction to distributed and parallel processing, Blackwell, London, (Alfred Waller Ltd), PROGRAMABILNI LOGIČKI KONTROLERI W. Bolton: Programmable Logic Controllers, 5th-edition, Elsevier- Newnes, STRUKTURNO PROGRAMIRANJE Goodman: Introduction to the design and analysis of algorithms, Mc Graw Hill, Knuth: The art of Computer programming, Addison-Wesley Professional; 1st edition, 1998 H.Schildt : C - the complete reference, Osborne-McGraw-Hill,

4 1. UVOD Procesno računalo opremljeno je sklopovima za fizičko povezivanje s vanjskim uređajima/ strojevima Veze (signali) mogu biti analognog ili digitalnog tipa u(t) u(t) MJ. PODRUČJE t 1"" "0" t ANALOGNI SIGNAL DIGITALNI SIGNAL Signali mogu nadalje biti: ulazni (prihvat informacije), izlazni (generirani signal), Sustavi mogu biti: Akvizicijski sustav (mjerni sustav, nadzorni sustav), samo primaju informacije iz procesa. Upravljački sustavi - šalju informacije u proces Regulacijski sustavi - Primaju informacije i, na osnovu obrade, generiraju izlazne signale, koji preko aktuatora utječu na proces. 4

5 REGULACIJSKA PETLJA POREMEĆAJI OSTALE UL. VELIČINE UPRAV. VELIČINE OBJEKT OSTALE IZLAZNE VELIČINE VOĐENE VELIČINE AKTUATOR SENZORI REGULATOR VODEĆE (REFERENTNE) VELIČINE Cilj regulacije je dovesti vođene (upravljane) veličine na iznos vodećih (željenih, referentnih) veličina ϑ A ϑ +U BAT R T NTC POJAČALO SNAGE +U REF U i POJAČALO A + U B U A REFERENTNA VELIČINA Jednostavni analogni regulator ϑ RNTC UB Ui PRT ϑ 5

6 DIGITALNA REGULACIJA Sklopovi potrebni za regulaciju izvode se u digitalnoj tehnici, najčešće pomoću mikroračunala. UPRAVLJAČKE VARIJABLE OBJEKT VOĐENE VAR. AKTUATORI SENZORI PRILAGOĐ SNAGE D/A I ZADRŽ. SIG. RAČUNALO + UPRAVLJAČKI ALGORITAM DIGIT. S. PRIHVAT SIGNALA TIPKA I A/D ANALOGNI SIGNALI IZLAZI ULAZI REFERENTNE VELIČINE 6

7 Prednosti i mane digitalnog upravljanja Prednosti: Upotreba digitalnih pretvornika (preciznost, linearnost, manja osjetljivost na smetnje) Digitalni signali lako se spremaju i prenose bez degradacije, prijenos više signala istim medijem Obrada digitalnim računalom Fleksibilnost (zamjena software-a) Složenost obrade po volji, proizvoljni operatori Velika preciznost proračuna Lako izvodivi hijerarhijski sustavi upravljanja Daljinska kontrola/ nadzor/ upravljanje Mane: Matematička analiza upravljanja je složenija Diskretizacija uzrokuje gubitak informacije po vremenu i amplitudi Kašnjenje reakcije zbog trajanja A/D pretvorbe, itd. Smanjena stabilnost uz iste parametre Greške u software-u kritično za sigurnost Otkazi su najčešće potpuni (u analognim sustavima degradacija je često postupna) Problem oporavka nakon smetnji i otkaza 7

8 UZORKOVANJE I KVANTIZACIJA SIGNALA x T x B A/D x D x x b x D T 2T t ( f ) T 2T t x ( f) Spektri signala x b T T 3T t f 1/T f X D RAČUNALO (OBRADA) Yb D/A Y Y b ( t) Y ( t ) T 2T 3T 4T t T 2T 3T 4T t 8

9 Uzorkovanje: Kontinuirana funkcija x (t) zamjenjuje se svojim vrijednostima na intervalima k * T Tako nastaje diskontinuirana funkcija Spektar uzorkovanog signala (x b ) razlikuje se od spektra ulaznog signala (x) Shannonov teorem uzorkovanja: Signal koji ne sadrži komponente f m, potpuno je određen nizom svojih vrijednosti na jednoliko raspodijeljenom intervalu T = 1/ ( 2 ). f = 1 ul max - maksimalna frekvencija koja će se moći 2T rekonstruirati iz uzoraka (= max. harmonička komponenta ulaznog signala po Fourierovoj transformaciji) Antialiasing filteri stavljaju se ispred A/D pretvornika i iza D/A pretvornika da se zadovolji teorem. Kvantizacija Vrijednost ulaznog signala aproksimira se cjelobrojnim višekratnikom koraka kvantizacije q, čime se čini greška kvantizacije. f m X i q X u Kodiranje Svakom iznosu X i = k q pridjeljuje se kôd (brojka) 9

10 Primjer: T = 100 ms - period uzorkovanja A = 10 V V = 20 - ulazni opseg N = 8 - dužina digit. riječi (D0...D7) f q ul _ max A = N 2 1 = 2T = = 1 0,2 = 5 Hz = 78mV u ul A/D T D 7 D 0 T AD < T (vrijeme A/D konverzije mora biti kraće od T) Ulazni signal mijenja se za vrijeme A/D konverzije T AD ( t) dx dt ( t) x = / t= ts T Ta promjena treba biti manja od nivoa kvantizacije AD q = A N 2 x A N 2 Za sinusni napon na ulazu --> maksimalna frekvencija: ω 1 um N 1 2 TAD 10

11 2. STRUKTURA MIKRORAČUNALA Mikroračunalo je digitalni automat sposoban za izvršenje računskih operacija, a na osnovu programa pohranjenog u memoriji. Izvedeno je od jednog ili više integriranih krugova. TAKT µp MEMORIJA ROM MEMORIJA RAM Input/ Output Vanjski uređaji SABIRNICA Mikroprocesor (µp, CPU) upravlja radom i izvršava instrukcije (program) koji se nalazi u memoriji Input/ Output (I/O) sklopovi povezuju računalo s okolinom Sabirnice su vodiči koji sve povezuju u cjelinu Program se u pravilu izvršava sekvencijalno, instrukciju po instrukciju. Mikrokontroler (MCU) je cijelo mikroračunalo u obliku jednog integriranog kruga. Može sadržavati A/D, D/A pretvornike i druge periferne sklopove. 11

12 Memorija RAM memorija se sastoji od niza paralelnih registara, svaki registar se sastoji od niza bistabila (8, 16, 32, ) Može se adresirati određeni registar i čitati ili mijenjati njegov sadržaj. N Adresnih linija može adresirati 2 N lokacija (registara) Memorija se spaja na sabirnicu podataka, adresa i upravljačku sabirnicu: Read/ Write, CS= chip select. Vrijeme pristupa ns D7 SADRŽAJ D D 1 D 2 D 3 D 4 D ADRESA A D R E S A A 0 A 1 RAM <> <> <> <> <> <> <> <> D 0 D 7 P O D A C I R/ W CS UPRAVLJANJE RAM statičke i dinamičke Read/ Write memorije ROM ne sadrži bistabile > samo za čitanje PROM programabilni ROM EPROM, EEPROM, FLASH izbrisivi programabilni 12

13 Sabirnice mikroračunala Sabirnicu čini niz fizičkih linija za internu vezu µp, memorije i sklopova za ulaz/izlaz Adresna sabirnica: postavlja adresu Sabirnica podataka: prenosi podatke Upravljačka sabirnica: signali R/ W itd. Sekvenca (vremenski tijek) događaja na sabirnici strogo je propisana za određeni procesor. Sabirnica može biti izvedena kao niz utičnica za dodatne pločice s memorijom, I/0 sklopovima, itd. Sklopovi za ulaz/ izlaz (input- output I/0) Povezuju računalo s perifernim dijelovima (disk, A/D, D/A, komunikacija s drugim sustavima, veza sa strojevima i procesima) Paralelni I/0. N-fizičkih linija= komunikacija riječ po riječ Serijski I/0. Jedna informacijska linija: komunikacija bit po bit. Pretvara se u paralelnu pomoću UART-a u( t) D 0 ST. D 0 D2 D 4 D7 t D 7 UART SERIJSKA VEZA R T 13

14 Primjer paralelnog izlaznog sklopa D 0 REGISTAR D Q D X Ž + SABIRNICA PODATAKA D 7 D D Q CL M + SABIRNICA ADRESE A 0 A 15 WRITE IO/MEM I DEKODER ADRESE Enable IZLAZI Primjer paralelnog ulaznog sklopa VRATA S TRI STANJA D 0 SABIRNICA PODATAKA ULAZ- TIPKA + D 7 O.E. SABIRNICA ADRESE A 0 A 15 READ 10/MEM I Enable 14

15 Memorijska mapa Memorijsko (adresno) polje radne memorije može biti popunjeno različitim vrstama memorije ili I/0 uređajima ADRESA FFF 2FFF ROM RAM 1 RAM 2 3FFF 4A00 I/0 Adresni dekoder je sklop koji prima adresne linije i za određeno polje adresa aktivira pripadni memorijski (ili I/0) krug (daje signal CS). I/O krugovi mogu biti spojeni i na posebne adresne linije. UPRAVLJANJE Podaci P ROM µ CS R ADRESE RAM R/ w I/O CS D Q PCS DEKODER ADRESE TAKT 15

16 Struktura mikroprocesora opće namjene Procesna snaga mikroprocesora najviše zavisi o vremenu izvršenja instrukcija i dužini riječi Proizvođač: Dužina: INTEL: MOTOROLA: Frekv. [MHz]: , , , Pentium 4 PowerPC KONTROLNA JEDINICA PROGRAMSKO BROJILO PC REGISTAR INSTRUKC. IR µ PROCESOR KONTROLNA MEMORIJA STATUSNA RIJEČ DA P Z N C PSW POKAZIVALO SLOŽAJA SP INTERNA MEMORIJA/SLOŽAJ TAKT GENERATOR REGISTRI µ P ARIT./LOG. JED UPRAVLJ. SABIRNICOM A B ALU PODACI ADR. UPRAVLJ. SABIRNICE Programsko brojilo (PC) sadrži adresu na kojoj će se tražiti slijedeća instrukcija iz memorije. Pri uključenju postavlja se na nulu. 16

17 Registar instrukcije (IR) sprema instrukciju preuzetu iz memorije Akumulator (A registar) sadrži zadnji rezultat Statusna riječ procesora (PSW) niz bistabila koji označavaju stanje ALU (aritmetičko-logičke jedinice), te svojstva zadnjeg rezultata (nula, negativan, preliv,..) Kontrolna memorija sadrži mikrokod izvođenja instrukcije Pokazivalo složaja (SP= Stack Pointer). Složaj (stog) je pomoćna struktura podataka tipa LIFO (last-in first-out). Pokazivalo složaja sadrži adresu zadnjeg unosa u složaj. MEMORIJA SP = ADRESA ZADNJEG UNOSA Registri µ P - privremeni spremnici rezultata, adresa i sl. Koraci izvođenja jedne instrukcije: Instruction fetch (dobavi instrukciju) Instruction decode (dekodiraj instrukciju) Operand fetch (dobavi operand- podatak) Execute (izvrši instrukciju) Store result (spremi rezultat) Instrukcije traju 1, 2 ili više koraka takta 17

18 Registri procesora 8080 (INTEL) AKUMULATOR A 1 8 DA P Z N C PSW REGISTAR INSTRUKCIJE IR PROGRAMSKO BROJILO B C PC D E POKAZIVAČ SLOŽAJA H L 1 16 SP Program u strojnom kodu Proizvođač µ P definira skup instrukcija i njihove kodove. Instrukcije, podaci i adrese su binarni brojevi. Primjer programa procesora (INTEL) 8085: adr adr D D D S S S MEMORIJA adr adr S S S 1 C C C adr adr MNEMONIČKI ZAPIS LDA NUM1 MOV B,A LDA NUM2 ADD B JZ AKTIVNOST ( A) (( byte 3)( byte 2) ) ( B) ( A) ( A) (( byte 3)( byte 2) ) ( A ) ( A) + ( B) ( PC) ( byte3)( byte2) 18

19 Dogovoreni su kodovi i načini za pohranjivanje: Slova, brojeva i znakova (ASCII standard kod) Brojeva s pokretnim zarezom, itd. Skup instrukcija mikroprocesora (primjer) Mnemonički zapis Assembler program pretvara u strojni program. Svaki procesor ima drugačije instrukcije. Instrukcije za prijenos podataka MOV r1, r2 ( r1) ( r2) MOV=COPY! MOV r, M ( r) (( H )( L) ) MVI r, data ( r) ( byte2) Aritmetičke operacije ADD r ( A ) ( r) + ( A) SUB r ( A) ( A) ( r) Za cjelobrojne vrijednosti, brojevi (0..2 N ) Logičke operacije (između bitova operanada) I (AND), ILI (OR), Ekskluzivno ILI (EX-OR), NOT A A + r ANA r ( ) ( ) ( ) Manipulacije podatka u registru Rotiranje znamenki u lijevo (RLC), desno (RRC), povećanje za 1 (INR), smanjenje za 1 (DCR), negacija bitova u Akumulatoru (CMA), itd. 19

20 RLC Instrukcije za manipulaciju znamenkama (bitovima) mogu postavljati ili čitati određenu znamenku u binarnom broju. Instrukcije za grananje u programu JMP adr bezuvjetni skok JZ adr skok ako je sadržaj nula (uvjetni) Instrukcije za ulaz/izlaz OUT port piše podatke u vanjski I/0 uređaj IN port čita podatak sa vanjskog uređaja Instrukcije za rad sa složajem (stack) PUSH dodaje broj u složaj POP vadi zadnji uneseni broj iz složaja Instrukcije za kontrolu rada procesora HLT zaustavi izvođenje EI/ DI omogući/ onemogući prekide (interrupt) NOP instrukcija koja ne radi ništa Instrukcije za poziv podprograma i povratak CALL adr poziv podprograma na adresi RET povratak iz podprograma u glavni program 20

21 Koncepcije ulazno/ izlaznog prijenosa 1. Programski prijenos (POLLING). Stanje I/0 uređaja ispituje se u programskoj petlji neprihvatljivo za rijetke i nepredvidive događaje 2. Prekidni prijenos (INTERRUPT TRANSFER) Mikroprocesor ima fizički ulaz kojim se može tražiti prekid rada u bilo kojem trenutku. Slijedi: 1. µ P spremi trenutno stanje i pošalje signal da je prekid prihvaćen 2. µ P prebacuje programsko brojilo (PC) na adresu gdje se nalazi prekidni program 3. izvrši se prekidni program 4. Na kraju izvršenja prekidnog programa obnavlja se predhodni status µ P i nastavlja redovni program. - Često postoji više prekidnih linija uz hijerarhiju (zadani prioriteti) - Pogodan za hitne ili/i sporadične događaje. Prekid se može programski onemogućiti - Korisnik ima dojam da se glavni i prekidni program istovremeno odvijaju - Može postojati također i «software interrupt request» gdje se prekid zatraži preko instrukcije 21

22 3. Prijenos s direktnim pristupom memoriji (DMA) DMA KONTROLER VANJSKI UREĐAJ µ P RAM ADRESE PODACI DMA ZAHTJEV DMA kontroler obustavlja rad µ P, preuzima kontrolu nad sabirnicama, zatim velikom brzinom prenosi podatke u/iz memorije. Ako postoji cache memorija, µ P može za vrijeme DMA nastaviti izvoditi program Hijerarhija memorije složenih sustava INTERNI REG. µp CACHE RAM RADNA MEM. DISK CACHE KAPACITET MEMORIJE BRZINA PRIJENOSA VIRTUAL. MEM. DISK Virtualna memorija nadoknađuje nedostatak RAM-a stvaranjem slike dijela RAM-a na disku. 22

23 Međumemorija (CACHE) Ako radna (glavna RAM) memorija nije dovoljno brza, manja količina brze memorije može se umetnuti između radne memorije i mikroprocesora. ADRESE µp TAG- RAM CACHE MATCH GLAVNA MEM. WAIT UPRAVLJ. PODACI CACHE HIT tražena lokacija postoji u CHACHE-u dobavlja se bez čekanja CACHE MISS tražene lokacije nema u CACHE-u dobavlja se iz glavne memorije, a ujedno kopira u CACHE HIT Efikasnost: 80% HIT+ MISS (ovisno o količini CACHE-a) TAG RAM sadrži adrese podataka koji su trenutno u cache-u. Cache se nadopunjuje po principu briši najmanje korišteno u zadnje vrijeme (LRU least recently used). Također, može se organizirati i druga CACHE-memorija: između diska i radne memorije (izvedena programski - bez dodatnog hardware-a) 23

24 Procesori za posebne namjene 1. Procesor za brojeve s pokretnim zarezom (floating point co-processor), ubrzava rad s takvim podacima za red veličine. Danas se integrira sa CPU FPU CPU RAM 2. RISC-procesori (reduced instruction set) Mali broj instrukcija uz veliku brzinu izvođenja 3. Signalni procesori služe u digitalnoj obradi signala (digitalno filtriranje itd.). Posjeduje instrukcije za realne brojeve visoke preciznosti (množenje realnih brojeva 100 ns). Najpoznatija tzv. Harvard arhitektura, odvojena sabirnica za program i podatke. Većina sadrži i internu memoriju, neki i A/D i D/A pretvornike. 4. Specijalne arhitekture Vektorski procesori, Nizovi procesora (ARRAY), Višeprocesorski sustavi, Masivno paralelni sustavi, Grafički procesori, GPGPU (moguće ubrzanje 50x) Neuronske mreže,... 24

25 Posebni zahtjevi i sklopovi kod računala za upravljanje procesima Zahtijeva se visoka pouzdanost, neosjetljivost na smetnje i uvjete okoline te rad u realnom vremenu. UTJECAJ OKOLINE: Temperatura Agresivni plinovi, prašina Vlaga, pritisak Vibracije, šokovi Elektro-mag. smetnje RJEŠENJE: komponente za C zaptivanje, zaštita zaptivanje, zaštita mehanički prigušivači E.M. filteri, galvansko odvajanje Suzbijanje elektro-magnetskih smetnji: Upotreba elektro-magnetskih filtera Galvansko odvajanje Kontrola ispada programa Kontrola napona napajanja Rezervno (neprekidno) napajanje 25

26 Sat realnog vremena + OSCILATOR 1 Hz :60 :60 BRO- JILO SATI MIN. SEK. µr Radi se o nezavisnom sklopu iz čijih se izlaznih registara može očitati realno vrijeme (sati, minute, sekunde) Kontrola napona napajanja + U b µ R PIO/INTR + U ref1 + - KOMPARATORI U b > U ref1 + U ref2 + - U b < U ref 2 U = 1, 1 U ref1 bn - gornja granica, ref bn U 2 = 0, 95 U - donja granica Ako je napon izvora U b viši od gornje granice, ili niži od donje granice, komparatori mogu izazvati prekid (INTERRUPT). Prekidna rutina može sačuvati važne podatke prije prekida rada. 26

27 Vremenski sklop za kontrolu izvođenja programa (WATCH- DOG TIMER) U programsku petlju ubaci se instrukcija koja preko PI0 (parallel I/O) izlaza U p prazni kondenzator u pravilnim vremenskim intervalima. Ispad programa će preko komparatora izazvati prekid. PREKID / RESET U c +U b U b/2 µr U p P/0 IZLAZ KOMPARATOR U c + - U + U ref izl U = ref U b/ 2 Up U izl PREKID t t t Druga mogućnost izvedbe: digitalno brojilo koje se resetira sa U p. Sustav dvostrukog napajanja U slučaju ispada napona napajanja, cijeli sustav ili samo vitalni dijelovi mogu koristiti rezervni izvor. Upis u RAM treba biti onemogućen za vrijeme dok µ P nema kontrolu nad sabirnicom. Ovisno o zahtjevima, dvostruko napajanje može biti primijenjeno na cijelo računalo, stroj ili objekt. + U + U U p + µ P RAM SABIRNICA + Pomoćna baterija 27

28 Filtriranje vanjskih elektromagnetskih smetnji Smetnje na linijama napajanja ili ulazno/ izlaznim (I/O) linijama mogu uništiti sklopove ili poremetiti tok programa. To se sprječava EM filterima i prenaponskom zaštitom (Varistori, Zener diode). FILTER ULAZI MIKRORAČUNALO FILTER IZVOR IZLAZI I/O µ R FILTER METALNO KUĆIŠTE Primjeri filtera: U ul PROCES R µ R C 0 F C C C L L F 0 µr MREŽA EM smetnje koje potječu iz samog sustava upravljanja: Izlazni uređaji (aktuatori) stvaraju smetnje (iskrenje kontakta, induktivni tereti, tiristorski regulatori) Mehanički kontakti efekt istitravanja Ulazni signali koji dolaze preko kontakata treba ugraditi program za eliminaciju istitravanja (KEY DEBOUNCING) 28

29 I t ON OFF Zaštita mikroračunala i osoblja galvanskim odvajanjem OPTOSPOJKA U b P R O C E S OD VA JA NJ E ULAZI µr IZLAZI ULAZ IZLAZ Poželjno je galvanski odvojiti sklopove visokog i niskog energetskog nivoa Umjesto žicama, signali se u sredinama s jakim smetnjama prenose optičkim vlaknom 29

30 Autonomni sustavi za nadzor / zaštitu UPRAVLJAČKE VELIČINE PROCES IZLAZNE (VOĐENE) VELIČINE µr UPRAVLJAČKI SISTEM ZAŠTITA/ NADZOR NEZAVISNO NAPAJANJE Zaštitni sustav treba biti potpuno nezavisan od upravljačkog i imati svoj vlastiti izvor napajanja i senzore. Aktuatori zaštite nadređeni su aktuatorima upravljačkog sustava. Štiti se sam proces ali i okolina i ljudi SIGURNOSNI ASPEKTI UPRAVLJANJA I ZAŠTITE Treba analizirati najgore moguće situacije i za njih pronaći metode dvostruke zaštite (neovisne o računalu) Primjer: LIFT Najgore situacije: ulazak u lift kad nema kabine: mehaničko blokiranje vrata kad nema kabine na toj poziciji puknuće nosivog užeta: centrifugalna kočnica koja blokira kabinu ako je brzina prevelika nestanak struje: samokočni motori blokiraju pomicanje kabine uzrokovano gravitacijom osigurati mehaničko dovlačenje kabine do najbližeg kata i otvaranje vrata osmisliti što treba napraviti lift kad struja ponovo dođe potpuni kvar upravljačkog kruga: omogućiti izlazak putnika gubitak kontrole motora: prisilno zaustavljanje iza zadnjeg i ispod prvog kata 30

31 3. ANALOGNO/DIGITALNI PRETVORNICI TAKT KRAJ PRETVORBE START t U ul ( t) A/D START D N 1 µp D0... D N 1 KRAJ PR. t D 0 T AD t CS T Karakteristike A/D pretvornika 1. Razlučivanje (2 N mogućih iznosa) 2. Vrijeme pretvorbe (ns ms) 3. Točnost mjernog područja A 4. Temperaturni koeficijent, stabilnost 5. Izlazni kod (binarni, BCD, ) 6. Linearnost I M idealna karakt. A U ul Integralna nelinearnost I M je maksimalno odstupanje stvarne od idealne karakteristike. 31

32 A/D pretvornik s dvostrukim nagibom Dual slope (integrating) converter - spor ali precizan, može i potiskivati mrežne smetnje. START S2 KOMPARATOR Cl U ul + S1 R + - C + - e Cp Brojilo U ref U i DIGIT. IZLAZI INTEGRATOR TAKT U i T0 T1 T2 t t 1 2 t3 t 32

33 Ciklus rada: 1. Prazni se C trenutnim uključivanjem S2, brojilo se vraća na nulu pomoću Cl (Period T 0 ) 2. Integracija ulaznog napona (Period T 1 ). Sklopka S 1 je u gornjem položaju. Brojilo broji do preliva: 2 N impulsa 3. Integracija ref. napona (U ref ) (Period T 2 ). S 1 je u donjem položaju. Brojilo broji dok se napon U i ne vrati na nulu. Očita se n 2 impulsa. Na kraju ciklusa: U U T T 1 2 i ul 2 3 ( t ) U ( t ) dt U ( t ) 3, U = n = n 1 2 t t 1 1 = u RC RC t t ref = const U T = 2 T N U 1 ul T = U ul ref T 1 T T + U ref T ref 2 U = 2 ref N = 0 n dt 2 = 0 33

34 Sklop za zadržavanje signala (SAMPLE & HOLD) Zadržava signal na stabilnom iznosu za vrijeme A/D pretvorbe. SAMPLE U i A/D R izl ~ C U ul R ul τ τ τ τ NAB IZB IZB NAB = R = R = ul R R izl ul izl C C ( >> 1 ) f MAX = T AD 1 + T aq + T a ; T MIN = 1 f MAX U U u l t a U i t a Q t A D M A X t S H S H t t a aperture time kašnjenje između naredbe HOLD i stvarnog zaustavljanja t aq vrijeme potrebno za primanje novog uzorka i stabilizaciju tog iznosa 34

35 A/D pretvornik sa sukcesivnom aproksimacijom Ulazni napon uzastopno se uspoređuje sa određenim djelom referentnog napona. Brz: potrebno N komparacija napona (koraka) µs Zahtjeva stabilan ulazni napon (SAMPLE & HOLD) +U ref REGISTAR SUKCES. APROX. MSB IZLAZ D N 1 D 2 SAR LSB D 1 D 0 U ul - + KOMPARATOR EOC KRAJ PRETVORBE U ul BIT KORAK DA 1XX A U > 2 NE 0XX D X DA 3 U > 4 A NE 10X DA 1 NE U > A D 01X 4 00X 1 2 D 0 3 DA 7 U > A NE DA 5 U > A NE 8 8 DA NE DA NE

36 Paralelni A/D pretvornik (FLASH CONVERTER) U REF + - R + - U ul R + - KODER D 2 R + - D 1 R + - D 0 R + - R + - R KOMPARATORI Komparatori uspoređuju ulazni napon s djelom referentnog napona (1 korak) Koder pretvara kôd n od M u binarni Za N-bita treba 2 N -1 komparator Vrijeme konvencije 10 ns..1 µs (frekvencija reda 100 MHz) 36

37 Analogni multiplekser ULAZI M ADRESA S&H A/D PODACI SAMPLE KRAJ KONV. START µr UPRAVLJANJE Sekvenca upravljanja: Trajanje: 1. Postavi adresu ulaza T MUX 2. Uzmi uzorak (HOLD) T + T aq a 3. Start A/D 4. Kraj konverzije AD T f MAX = ( + T + T + T ) M T aq A 1 MUX AD 37

38 4. DIGITALNO /ANALOGNI PRETVORNICI U i D 0 D 1 D/A Ui D N D MSB D 2 2 R / 2 D 1 R 0 LSB D 0 1 R / 2 U i 0 R / 2 U REF n = D D D U i = - U ref n R 0 /R 38

39 Karakteristike D/A pretvornika: Linearnost Točnost područja Stabilnost, temperaturni koeficijent Vrijeme pretvorbe (reda µs) Programski D/A pretvornik U P W M U D A t 1 T T t t µ R U PWM - + D/A IZLAZ T=konst. t = konst. T U DA 1 µ R izvodi program za pulsno-širinsku modulaciju 39

40 Programski A/D pretvornik U ul - + D/A KOMPARATOR IZLAZI µr ULAZI Računalo postavlja svoje izlaze prema algoritmu sukcesivne aproksimacije, D/A pretvornik to pretvori u odgovarajući napon, zatim računalo očitava stanje izlaza komparatora 40

41 5. SENZORI I PRIHVAT SIGNALA Senzori su takvi elementi kod kojih neko električko svojstvo ovisi o jednoj fizikalnoj (neelektričkoj) veličini. Aktivni senzori: Pasivni senzori: - fotodioda (svjetlo) - fotootpornik - piezokristal (sila) - zavojnica s pomičnom jezgrom - EM indukcija - potenciometar (pomak) - HALL-generator (mag. polje) - tenzometar (deformacija) SENZORSKI SKLOP S SENZOR Prihvat i prilagođenje e e= f ( S) S fizikalna veličina, e električka veličina (analogna ili digitalna) Podjela Digitalni senzorski sklopovi daju digitalnu informaciju o ulaznoj veličini (koja je analogna ili digitalna) Analogni senzorski sklopovi daju analognu informaciju o analognoj ulaznoj veličini Ako sklop za prihvat signala senzora može dati digitalni signal izbjegava se upotreba A/D pretvornika to je direktna digitalizacija. 41

42 Digitalni senzorski sklopovi s analognom ulaznom veličinom Oblici digitalnih (izlaznih) signala: f= func (S) promjenljiva izlazna frekvencija i= func (S) broj izlaznih impulsa d= func (S) digitalni broj na izlazu Optički digitalni senzorski sklopovi Mjerenje kuta, pomaka, brzine (koristi optičke barijere) 4 3 Ubat + + Ubat D D 1 6 x x x 1 D ω Korištenje svih izlaza = apsolutni koder položaja Korištenje jednog izlaza = brojanje impulsa, mjerenje ω, mjerenje relativnog pomaka 42

43 Linearna izvedba optičkog senzora opto-barijere D3 D2 D1 D0 l,v Magnetski digitalni senzorski sklopovi HALLOVA SONDA A U ref Komparator + - f/u - - BROJILO D 0 µr D N 1 Mjeri se brzina strujanja DIGIT. IZLAZ Sklopka blizine (proximity switch) N S A U ref U i KOMPARATOR + - D 0 "1" D 0 "0" S 0 digitalni izlaz (1 bit) pomak S Sklopka blizine služi za indikaciju približavanja predmeta. 43

44 Posebne izvedbe za indikaciju: Feromagnetskih Metalnih Nemetalnih materijala U i U ref St S Analogni senzorski sklop Mjere analognu veličinu i daju na izlazu analogni signal Standardni naponski signal (0..10 V, V) Standardni strujni signal (0..20 ma, ma) S e S prihvat i prilagođenje kompenzacija filtriranje pojačanje linearizacija normiranje e 1. Prihvat i prilagođenje signala Pasivne senzore treba spojiti na električki izvor. Aktivni senzor treba spojiti na odgovarajuće trošilo, te na ulaz pojačala. 2. Kompenzacija Ako je izlazna veličina senzora e s funkcija više fizikalnih veličina (1 mjerena + smetnje) smetnje se mogu posebno mjeriti i oduzeti od signala 3. Filtriranje Potiskivanje smetnji (npr. elektro-magnetskih od mreže) ili potiskivanje neželjenih frekventnih komponenti signala. 4. Pojačanje Frekventni opseg pojačala mora biti prilagođen dinamici senzora i željenom spektru, također željenom izlaznom opsegu. 5. Linearizacija Ako e S = f (S) nije linearna funkcija, to se može ispraviti nelinearnim pojačalom ili računalom. 6. Normiranje željeno područje S min...s max se preslikava u e...e min max. Granice izlaznog signala su standardizirane. 44

45 Sklop za mjerenje rasvjete A i ul U D =& =& R 0 U = k U izl izl s R i = U 0 D D = E k + U s E = i R0 & D R 0 = D Mjerenje temperature termoparom Ni ϑ 2 R a + - Filtriranje ϑ 1 U S Komp. U k CrNi ( ) U k = k s ϑ 2 U ul ( ϑ ) R R 0 U izl Struja koju generira fotodioda linearno je zavisna od rasvjete. MOS- FET operacijsko pojačalo pojačava tu vrlo malu struju i održava napon na diodi U 0. Vrijeme odziva je reda veličine µs. Linearizacija U s = k s 1 ϑ 2 Uul = U s + U K = 1 k ϑ A/D Napon termopara funkcija je razlike ϑ1 ϑ2 Da se dobije U s = k ϑ1 treba ugraditi sklop za kompenzaciju koji mjeri ϑ 2 (temperaturu ambijenta) i poništava njen utjecaj R Pojačanje = R o A treba biti veliko ( 1000 C 50 mv ) pojačalo vrlo precizno i neovisno o temperaturi, a 45

46 Prilagođavanje nivoa signala (skaliranje) Iznos mjernog signala treba prilagoditi području A/D pretvornika Ako se ne koristi cijelo ulazno područje napona A/D pretvornika onda je efektivna rezolucija manja. Primjer mjernog lanca termopar pojačalo A/D pretvornik: S = C K s = 40µV/ C (signal) (konstanta termopara) U s = 40µV/ C 1000 = 40mV (maksimalni napon termopara) Mjerno područje A/D: A ad = V = 1.2V Potrebno pojačanje: A v = A ad /U s = 1200 mv /40 mv = 30 Zadana rezolucija: q s = 1 C q s /S = 1/1000 = 0.1 % A/D pretvornik treba davati 1000 diskretnih vrijednosti d = 2 N Rezolucija A/D pretvornika N=10 bita daje 2 10 vrijednosti, što zadovoljava zadanu rezoluciju. = 1024 diskretnih Egzaktan iznos potrebnog broja bitova dobije se na sljedeći način: 2 N = 1000 /log 2 (logaritmiranje) log10(1000) 3 N = log2 (1000) = = = 9.96 log (2) Računanje mjerene temp. (očitanje A/D: N = 10, D = ): 10 Temp[ C] = D N (2 1) Aad A K v s 46

47 Mjerenje deformacije tenzometrom +U bat R R 0 R 1 A R1 R2 B R U izl - + F Mjerilo otpora R3 R4 R 0 V U U AB izl = & k F = U AB (usko područje) A = & k F Otpor R 1 (tenzometar) pod utjecajem sile F podvrgnut je deformaciji i mijenja otpor Wheatstoneov most R 1..R 4 postavi se u ravnotežu za F=0 Diferencijalno pojačalo je spojeno na mjestu galvanometra u mostu, pojačava U AB Ulazni napon < 1 mv (problem pomaka radne točke drift-a, zahtijeva precizno pojačalo) Nove tehnologije «inteligentni senzori» Senzori s ugrađenim procesorom i A/D pretvornikom Bežične i žičane mreže senzora Plug and Play: senzori koji se identificiraju nadređenom računalu, automatska konfiguracija i kalibracija 47

48 6. AKTUATORI PARALELNI IZLAZ D/A DIGITALNI AKTUATORSKI SKLOP ANALOGNI AKTUATORSKI SKLOP M M µr ULAZ KONTROLA Aktuatori pojačavaju energetski nivo izlaznih signala i prilagođavaju oblik energije trošilima (upravljačkim uređajima) Potrebno je također i galvansko odvajanje trošila Digitalni aktuatorski sklop 0ili5V 1mA + R S T R µ PI0 D0 100 ma ~ D 2 TRANZIST. SKLOPKA RELEJ SKLOPNIK M 3x380V / 25 A Koriste se tranzistorske sklopke za pojačanje signala Releji i sklopnici također omogućuju upravljanje velike snage iz kruga male snage (uz galvansko odvajanje) 48

49 Analogni aktuatorski sklopovi Ulazni i izlazni signal se kontinuirano mijenja ULAZ IZLAZ AKTUATORSKI SKLOP TROŠILO u i ul ( t) K uul ( t) ( t) K i ( t) ul ul u ul ( t) K u ( t) Pojačalo snage, tirist., reg. (fazna reg. i ispravljači) tirist. regulatori (Zero crossing) ul U/f pretvarač DC MOTORI, GRIJALA SINKRONI I ASINKRONI MOTORI Izlazno djelovanje prilagođeno je trošilu i može uključivati i ispravljačko djelovanje Izlazno djelovanje je često prekidačko (tiristori) zbog velikog iskorištenja tj. malih gubitaka regulacije Fazni regulator izmjenične snage V U ul + - U c C KOMPARATOR +U bat R U K IND. PROLAZA NULE + POJAČALO STRUJE i g G M A 2 A 1 F 0 U ~ α =& k U ul Tiristor istosmjerna snaga Trijak izmjenična snaga f ( ) U = - inverzna i nelinearna funkcija T U ul 49

50 sklop uspoređuje ulazni napon s pilastim naponom i tako generira impuls u momentu kad se oni izjednače potrebno je riješiti i problem galvanskog odvajanja mreže od ulaznih signalnih linija U C U u l t i G α U K t U T t U ~ 50

51 7. IMPLEMENTACIJA UPRAVLJAČKIH ALGORITAMA Svojstva upravljačkih algoritama: Pojam vremena je vrlo važan (tzv. realno vrijeme): SOFT REAL TIME, HARD REAL TIME Program se stalno izvršava (cikličko ponavljanje) Prestanak rada i druge greške mogu izazvati havariju Program je upravljiv vanjskim događajima od kojih neki dolaze u pravilnim vremenskim intervalima. Vrijeme odziva je bitno Ulazni podaci se čitaju direktno i bez kašnjenja. Izlazni podaci se odmah po nastajanju šalju u okolinu Obrađuju se neposredno nastali signali = sadašnje stanje računala (procesa) Česta su upravljanja više vanjskih procesa uređaja u vremenskoj paraleli Često se koristi distribuirano procesiranje sa više računala Kritična je brzina rada a nekad i utrošak memorije Kritična je pouzdanost i predvidiv rad u svim redovnim i izvanrednim okolnostima (naglasak na software-u) 51

52 Ciklus rada digitalnog regulatora T T + T + T + T AD f ul max C DA S 1 T 2 (Shannonov teorem) + drugi uvjeti Izlazni signal kasni u odnosu na ulazni T AD TC TDA T S T AD t kt T ( k + 1)T T S sistemsko vrijeme potrebno je za dijagnostiku sistema i vremensku rezervu Maksimalno raspoloživo vrijeme za proračun: T C = T T AD T DA T S 52

53 Ocjena potrebne snage 1. Iz upravljačkog programa potrebno je zbrojiti vremena izvođenja svih instrukcija koje se izvrše u jednom ciklusu (T C ). Vremena za pojedine instrukcije daje proizvođač procesora. 2. Ponavljati korak 1) za različite procesore i/ili moguće frekvencije generatora takta dok se ne uskladi brzina procesora sa potrebnim T C 3. Ako se problem ne može riješiti jednim procesorom potrebno je razmotriti upotrebu distribuiranog ili paralelnog procesiranja sa više procesora, ili primjenu jednostavnijeg upravljačkog algoritma Vrijeme izvođenja se stohastički mijenja unutar nekih granica (± 20%). Kod primjene viših jezika potrebno je probno izvođenje Dominantne su operacije sa realnim brojevima jer su spore. Cijena potrebne procesorske snage ovisi o samoj potrebnoj brzini (MIPS Mega Instructions Per Second) $ MIPS MIPS 53

54 8. DISTRIBUIRANO I PARALELNO PROCESIRANJE Postupak proračuna (program) može se prikazati dijagramom toka podataka Dekompozicija programa u računarske procese INICIJALIZACIJA ČITANJE A/D PRORAČUN UPIS U D/A SISTEMSKI PROGRAM PROCESNI DIJAGRAM Mogući slučajevi: nezavisni paralelni procesi sekvencijalni niz opći slučaj proizvoljan procesni dijagram 54

55 Nezavisni paralelni procesi Ako se proračun sastoji od niza vremenski paralelnih aktivnosti (npr.: regulacija više objekata) i ako su te aktivnosti međusobno neovisne (ne razmjenjuju podatke u toku rada), lako je sprovesti distribuirano procesiranje na više nezavisnih µ R. P 1 T 1 P 2 T 2 T P3 3 t µr1 µ R2 µr3 M M M POČETAK T1 T T 2 3 T1 T T 2 3 P1 P P 2 3 KRAJ Svaki regulacijski program T i izvodi se na zasebnom procesoru. T = C T i MAX Alokacija: T1 P1, T2 P2, T3 P3 55

56 Sekvencijalni niz Ako se proračun sastoji od niza sekvencijalnih aktivnosti, opet je moguće koristiti više procesora i u cikličkom radu postići povećanje propusnosti (PIPELINE) T 1 τ 1 P 1 k =1 k = 2 k = 3 T1 T1 T1 τ 1 t T 2 τ 2 P 2 k =1 k = 2 k = 3 T2 T2 T2 τ 2 t T 3 τ 3 P 3 k =1 k = 2 k = 3 T3 T3 T3 τ 3 t T1 P 1 T2 P 2 T3 P 3 µ R1 µ R2 µr3 M M M P P P Sekvencijalno izvođenje na jednom procesoru: T C = τ + τ + τ f = τ + τ τ Paralelno izvođenje uz τ τ = = T : f 1 = 2 τ 3 1 = dobije se 3 puta brže izvođenje T T Ova metoda primjenjivanja je i unutar mikroprocesora (T 1, T 2, T 3, su tada dijelovi instrukcije) 3 T 56

57 Opći slučaj proizvoljan procesni dijagram Upravljački postupak sastoji se od više aktivnosti a one su na proizvoljan način međusobno uslovljene (razmjenom podataka) Postupak implementacije: 1. Particija 2. alokacija 3. vremenski redoslijed 1. Particija (podijela) proračuna u procese PROCES IZRAZ VRIJEME PRETHODNICI T A:=sin(ALFA) A T1 T2 B T 2 T 3 B:=sin(BETA) C:=A*B T 1,T 2 T T3 4 C D T 4 D:=A/B 100 T 1,T 2 T 5 T 6 E:=C+D F:=A+C G:=ALFA+BETA T, T 1 T3, 4,, T 5 E,F T 6 G Pretpostavka je da je proračun stalan i unaprijed poznat. Svaki proces ima poznato τ i, m= broj procesa, n= broj procesora. Proces vežu uvjeti precendencije (prethođenja), to daje djelomično vremensko uređenje 1, 2 i 6 su početni procesi (bez prethodnika) 5 i 6 su završni procesi (bez nasljednika) 6 je ujedno i nezavisan proces 57

58 2. Alokacija procesa na procesore T1 T2 T3 T4 - M1 - M2 T6 M 3 T5 M4 P1 P P 2 3 P4 KOMUNIKACIJA Postupkom alokacije pridjeljuju se procesi pojedinom procesoru (računalu) na koje će se izvršavati. Riješiti PROBLEM ALOKACIJE znači pronaći optimalan raspored procesa koji daje minimalno vrijeme izvođenja posla. Problem alokacije je za opći slučaj posla nerješiv (bez ispitivanja svih mogućnosti - što je također nemoguće). Zbog toga je i optimalno rješenje nepoznato. Pretpostavke za paralelan rad: Mora postojati mogućnost komunikacije među procesorima Mora postojati mehanizam sinkronizacije tako da se procesi mogu upuštati kad su za njih spremni svi ulazni podaci 58

59 3. Redoslijed izvođenja u vremenu Jednostavna strategija- upustiti proces čim je spreman (ne daje uvijek najbolje rješenje): P 1 P 2 P 3 P 4 T6 T1 T2 T 3 T4 T p T5 t t t t SP = T τ p τ i η = n T p i = SP n 4. Alokacija i vremenski raspored korištenjem heurističkih algoritama: NIVO PROCESA je najveća vremenska udaljenost tog procesa od SS završnog procesa: N i = max τ i + τ S (zbroj po svakoj mogućoj S = 1 stazi, SS = broj nasljednika) KRITIČNA STAZA je staza na (usmjerenom) grafu s najvećom sumom τ i. Vrijeme izvođenja cijelog posla ne može biti kraće od T T ks ( ) p T KS NIVO ALOKACIJA je postupak koji koristi heurističko pravilo: procesoru koji se prvi oslobađa treba (između svih nealociranih spremnih procesa) pridijeliti proces s najvećim nivoom. Tako se dobiju kvalitetna suboptimalna rješenja T T p _ op t 2 n p 1 59

60 Podjela paralelnih sustava SISD single instr. stream, single data (klasično µ R ) SIMD single inst.; multiple data (npr. vector processing) MISD multiple instruction stream, single data stream MIMD multiple instruction, multiple data (multiprocesor) Izvedbe MIMD sustava: ZAJEDNIČKA MEM. M ZM M KOMUNIKACIJA PORUKAMA M M M P P P P P SABIRNICA KOMUNIKAC. LINIJA Zajednička mem. je u adresnom polju više procesora Postoje i masivno paralelni sustavi sa 10 5 procesora Konfiguracija povezivanja računala: PRSTEN µ R1 ZVIJEZDA SISTOLIČKO POLJE µ R 4 µr2 µ R 3 3-D: KOCKE, HIPERKOCKE, ITD. 60

61 9. INDUSTRIJSKI RAČUNALNI SUSTAVI I MREŽE Podjela mikroračunala po fizičkoj izvedbi: 1. Integrirano mikroračunalo (single chip microcomputer, microcontroller) - sadrže CPU, manju količinu memorije (npr. 2 KB ROM, 256 bytes RAM), I/O portove, itd. Ugrađuju se u manje uređaje 2. Računala na jednoj ploči (single board microcomputer) - sadrže odvojene integrirane krugove: procesor, RAM, ROM, I/0 3. Računala s vanjskom sabirnicom sabirnica računala izvedena je u obliku niza utičnica (npr. razne izvedbe industrijskog PC-a) KOMUNIKACIJA UTIČNE PLOČE µ P RAM I/0 STRAŽNJA PLOČA SABIRNICA STANDARDI UTIČNICA: -VME -S100 -MULTI BUS 4. Multiprocesor: u složenijim izvedbama ima više procesorskih pločica 5. Distribuirana mreža računala Koncepcijska podjela industrijskih računala: 1. Integrirani kontroler (EMBEDDED CONTROLER) 2. Programabilni (logički) kontroler (PLC) 3. Računalo za upravljanje NC strojeva 4. Robotski kontroler (često višeprocesorski sustav) 5. Računalo za nadzor i umrežavanje 61

62 Programabilni logički kontroler (PLC) U početku zamišljen kao zamjena za relejnu (kontaktnu) logiku. Danas je to univerzalna komponenta za industrijsku automatizaciju. Povezuje se u (hijerarhijsku) mrežu sa drugim PLC-ima ili nadređenim sustavom DIGIT. ULAZI SPOJ NA MREŽU 220 V IZLAZI ~ PLC ANALOGNI I/0 + - PROGRAMATOR Programiranje se izvodi posebnim (višim) programskim jezicima (koji su danas standardizirani): 1. - IS instruction set, statement language, AWL 2. - LD ladder diagram language 3. - FBL function block language 4. - BDL binary decision language 5. SCL Structured Control Language (slično Pascal-u) Ugrađeni programski elementi u PLC-u: Logičke operacije Aritmetičke operacije A - AND ADD O - OR DIV N - NOT MUL XO - XOR SUB Ostale operacije: S/ R BISTABILI 62

63 SR C C...0 TR POSMAČNI REGISTRI BROJILA (GORE/ DOLJE) BRZO BROJILO VREMENSKI SKLOP ZA KAŠNJENJE A/D PRETVORNIK D/A PRETVORNIK Varijable mogu biti dužine 1 bit, 8 bit i 16 (32) bita. Ciklus rada PLC-a 1. Upis ulaznih stanja u registar 2. Obrada ulaza (privid paralelne obrade) 3. Ispis u izlazne registre 4. Sistemska provjera, povratak na korak 1. Vrijeme ciklusa < 5 ms/1000 instrukcija IS (Klockner-Moeller PS3) Instruction set (IS), statement list (STL) Simbol: Značenje: Simbol: Značenje: = STORE (spremi) MUL množenje A AND (logički I) NOT komplement ADD Zbrajanje O OR (logički ILI) BC, BCN uvjetno grananje R reset bistabila DIV Dijeljenje S set bistabila JC, JCN uvjetni skok SUB oduzimanje JP bezuvjetni skok XO ekskluzivni ILI L unos nove varijable EP kraj programa 63

64 Primjer istog programa u raznim jezicima: Instrukcijske liste (STL, IS) LD I123 OR Q233 ANDN I124 ANDN I125 =Q233 I123 Q233 I124 I125 Q233 LD jezik (LADDER DIAGRAM stepenasti dijagram) I 123 I124 I 125 Q 233 Q 233 Nazivaju se i kontaktni planovi (uobičajeni u montaži postrojenja) FBL jezik - funkcijski blokovi (functional blocks) I123 1 I124 & Q233 Q233 OR I125 AND 64

65 Prikaz je identičan sklopovskoj shemi sa integriranim krugovima, iako se to ovdje izvodi programski (simulacija). Standardiziran po IEC 65A. BDL jezik 1 I 125 Binary decision tree (logic)= BINARNO STABLO ODLUČIVANJA 1 I124 I Q233 1 Q233 = 0 Q233 = 1 Ista se logička funkcija može izraziti i matematički: Matematička notacija (za istu funkciju): Q233=(I123 OR Q233) AND NOT I124 AND NOT I125 STL (Structured Text Language) (Siemens: SCL Structured Control Language) ( DIN EN ), koji je sličan Pascalu: Q233:=(I123 OR Q233) AND NOT I124 AND NOT I125; 65

66 Sekvencijski funkcijski dijagrami (SFC Sequential Function Charts) to je PLC jezik za programiranje sekvencijskih automata, baziran na Petri mrežama i Grafcetu. Podržava više istovremenih stanja (concurrent sequential programming) graf se sastoji od linija toka (flowlines), prelazaka (transition), koraka (step) i akcija (action) Primjer početka rada perilice rublja 66

67 Industrijski multiprocesor robotski kontroler µ R1 ZM1 µ R2 ZM2 µr3 M M M P 1 P 2 P 3 Implementacija složenih upravljačkih algoritama robota (dinamika, kinematika) često zahtijeva višeprocesorski sustav i primjenu paralelnog procesiranja U jednostavnim izvedbama svakom procesoru se pridružuje proračun za jedan određeni zglob robota (kada je proračun podijeljen po zglobovima) Zajedničke memorije ZM služe za razmjenu podataka 67

68 Računarske mreže za distribuirano upravljanje i nadzor Računala na veće udaljenosti u pravilu komuniciraju serijskim vezama (bit po bit) u ( t ) START STOP P 1 LSB MSB RS 485/422 P=PARITETNI BIT STANDARD NAČIN MAX. Pred/Prij BRZINA MEDIJ UDALJENOST RS 232-C ASIN. 15 m 1/1 20 kbit/s PARICA RS 423-A ASIN m 1/ kbit/s - - RS 422-A SIN m 1/10 10 Mbit/s - - RS 485 SIN m 32/32 10 Mbit/s - - Ključna su pitanja pouzdanosti prijenosa i sigurnosti. Za veće udaljenosti koristi se: 1. Modulatori i demodulatori (MODEMI) za prijenos podataka preko telefonske mreže. Osim fizičke veze, mora postojati podudarnost protokola i brzine prijenosa (9600 bit/s,...,54000 bit/s [bps=baud]) 2. ADSL - (Asymmetric Digital Subscriber Line) je brzi digitalni prijenos informacija preko telefonske mreže 3. LAN (Local Area Networks) obično preko koaksijalnog kabela, parice ili optičkog vlakna-fibera. Brzina prijenosa 10 Mbit/s (FAST 100 Mbit/s, 1Gbit/s). Standardi IEEE za ETHERNET LAN, IEEE za TOKEN PASSING LAN 4. MAN - metropolitan area network 5. WAN (Wide Area Networks) globalne mreže, Internet. 68

69 Lokalne mreže industrijskih računala Karakteristike mreže: Tip medija: Telefonska parica 1 Mbps ili više na kratkim udaljenostima UTP kabel 10 Mbps (do 1 Gbps na kratkim udaljenostima) Koaksijalni kabel 10 Mbps/ 100 Mbps/ 1 Gbps Optičko vlakno 100 Mbs ili više Bežično Eter (sateliti, radio signal) Struktura (topologija) Način prijenosa informacije Način pristupa Struktura poruke Sigurnost prijenosa Strukture mreže ZVIJEZDA (STAR) PRSTEN (RING) 69

70 SABIRNICA (BUS) STABLO (TREE) Nivoi industrijske komunikacije ISO/OSI MODEL KOMUNIKACIJE PRODUCTION MANAGEMENT PROCESS MANAGEMENT GROUP MANAGEMENT SHOP FLOOR APPLICATION PRESENTATION SESSION TRANSPORT NETWORK LINK LAYER PHYSICAL LAYER MEDIUM 70

71 Struktura poruke Definirana na nivou prijenosa jedne riječi (byte) i cijele poruke: ZAGLAVLJE TIJELO REP - startni kod - adrese - kontrolne informacije. Podaci - podaci za ustanovljenje pogreške Komunikacijski protokol definira kodove, način prijenosa, smjer prijenosa, format prijenosa i metode uspostavljanja i prekidanja veze. Način pristupa mreži: CSMA /CD TOKEN PASSING MASTER/SLAVE - - MULTI MASTER Stohastički pristup - Deterministički pristup CSMA/CD Ethernet lokalna mreža (LAN) TAP KOAX. KABEL TERMINATOR µ R1 µ R2 µr2 BUS INTERFACE UNIT Princip CSMA/CD (carrier sense multiple access with collission detection = višestruki pristup uz detekciju kolizije) 71

72 Uglavnom se koristi za višekorisničke operativne sisteme Za niže nivoe industrijskog upravljanja nije pogodna zbog nepredvidivog vremena pristupa, osim brzog 100Mbps Etherneta Slika prikazuje moderniju izvedbu Ethernet mreže Switch i hub razvodnici pojačavaju signale Klijenti se spajaju UTP (telefonskim) kabelima Postoje izvedbe za 10 MBps, 100 Mbps, gigabit, a također i 10 gigabit mreža 72

73 Token-passing ring LAN Mreža s prijenosom žetona (tokena) µ R RING INTERFACE UNIT µ R µ R µ R Podaci se kreću prstenom u jednom smjeru Svi slušaju (LISTEN MODE) Žeton cirkulira (žeton je specijalni kod) Predaja: dotično računalo zaustavlja žeton i pretvara ga u konektor, slijedi poruka Ciljno računalo postavlja ACK (prihvat) Kraj poruke. Žeton se stavlja na kraju poruke Postoji i izvedba TOKEN BUS. Kod nje postoji logički prsten, makar fizički veza nije u obliku prstena TOKEN-RING je efikasniji od CSMA/CD kod velikog opterećenja mreže. Pogodan je za sve nivoe upravljanja. 73

74 Master/slave lokalna mreža Master ispituje svakog slave-a (POLLING) Sva komunikacija ide preko master-a SAN - mreže za male udaljenosti CAN Controller Area Network (mreža za automobile) Home LAN (mreže za kućnu upotrebu, HAVI, Jini,..) IIC (I 2 C) i SPI mreže za povezivanje integriranih krugova Bežične mreže standard IEEE 802 WPAN- Wireless personal area networks, npr. Bluetooth, za uređaje u istoj sobi, standardi IEEE LAN- Wireless LAN (WLAN, Wi-FI), standardi IEEE MAN- WIMAX, 70 km, 70MBit/s, standardi IEEE WAN- mreža za velike udaljenosti, standardi IEEE Bežične mreže senzora («smart sensor networks», standard IEEE1451.4) Plug and Play: senzori koji se identificiraju na mreži. Automatska konfiguracija, kalibracija i dijagnostika. 74

75 Povezivanje više mreža REPEATER pojačalo u homogenoj mreži HUB, SWITCH razdjelnik u homogenoj mreži BRIDGE povezivanje različitih mreža (ISO nivo 2) ROUTER povezivanje različitih mreža (ISO nivo 3) GATAWAY povezivanje mreža uz pretvorbu protokola INTERNET To je mreža svih mreža, na bazi TCP/IP protokola. Definira mrežne servise na višim nivoima. Najčešće primjene Interneta: TELNET - Korištenje računala preko udaljenog terminala FTP razmjena datoteka elektronska pošta W W W World Wide Web Internet info stranice 75

76 Industrijske mreže standardni protokoli Postoje stotine različitih industrijskih mreža (Industrial Field bus) i protokola, od kojih su neki standardizirani. Industrial Field Buses: Control Buses: High Speed Ethernet (HSE) i ControlNet, Field Buses: Foundation Fieldbus i Profibus, Device Buses: DeviceNet, Profibus DP, SDS i Interbus-S, Sensor Buses: CAN, ASI, Seriplex i LonWorks PROFIBUS (DIN 19245) PROCESS FIELD BUS CC-link udaljenosti 0.2 km 2.4 km (15 km optički) + repeateri brzina 9,6 kbit/s (kilobit per second) 12 Mbit/s 32 aktivna učesnika (122 sa pasivnima) prijenos RS 485 serijskom vezom preko oklopljenog telefonskog kabela ili preko optičkog vlakna metoda pristupa: MULTI MASTER/SLAVE (TOKEN PASSING + MASTER/SLAVE) 10 Mbit/s brzina prijenosa baziran na RS485, mreža do 1.2 km/ 13.2 km repeater-ima 64 učesnika (stanica) u mreži vrijeme osvježavanja <3.9ms za 65 I/O stanica Master/Slave network sa Floating Masters, omogućuje hot swap stanica DeviceNet Za komunikaciju industrijskih kontrolera i perifernih uređaja, bazira se na CAN protokolu Koristi se u automobilskoj, poluvodičkoj industriji i montaži 76

77 CANopen Ethernet EtherCAT PROFINET Do 64 učesnika i do 500 m preko telefonskog kabela U smislu OSI modela CANopen implementira sloj network layer te slojeve iznad njega. Niži slojevi data link i physical layer su na bazi CAN-a ali mogu biti i drugi. Ethernet 100 Mbps, Gigabit Ethernet (1000BASE) Brzi Ethernet (HSE) i Real time Ethernet (RTE) sve se više koriste u industrijskoj sredini radi jednostavnosti, cijene i kompatibilnosti sa nadređenim mrežama intranet/ Internet. Neovisan o proizvođaču. Ethernet for Control Automation Technology je otvorena mreža visokih performansi za automatizaciju. Cilj je bio razviti industrijsku mrežu sa kratkim vremenom ciklusaobnavljanja i niskim variranjem vremena (jitter) za bolju sinkronizaciju i nisku cijenu. otvorena mreža za automatizaciju bazirana na Ethernet standardu i TCP/IP protokolu. Ona predstavlja real-time Ethernet i omogućuje povezivanje industrijskih mreža uz niske troškove. HART protokol za komuniciranje sa senzorima Razvijen od Rosemount Inc, omogućuje nadzor, dijagnostiku i konfiguriranje senzora (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) U Analog/ Digital modu koristi postojeće 4-20 ma signale na koji je dodana digitalna informacija (1200 baud Frequency Shift Keying (FSK)) U Multidrop modu koristi samo digitalni prijenos. Do 15 senzora spaja se na isti kabel sa signalom 4 ma. 77

78 Mrežna arhitektura za automatizaciju industrijskog pogona Slojevi protokola za automatizaciju industrijskog pogona 78

79 10. PROGRAMIRANJE Programska oprema (okruženje) je skup svih programa potrebnih za razvoj, izvođenje i pronalaženje grešaka u korisničkim programima OPERATIVNI SUSTAV (OS) upravlja radom i resursima računala (diskom, procesorom, memorijom ). Iz njega se pokreću drugi (korisnički) programi KORISNIČKI PROGRAM OS K1 - PR.: MS DOS NA IBM-PC = DISK OPERATING SYSTEM Ako se istovremeno može izvršavati više korisničkih programa OS se zove višeprocesni (MULTITASKING), a ako uz to ima istovremeno više korisnika > višekorisnički (MULTIUSER), npr. Unix K4 K1 PROCESORSKO VRIJEME OS P K1 K2 K3 K4 K1 K3 K2 CIKLUS t Ako postoji samo jedan procesor OS će pridijeliti svakom procesu jedan dio svog vremena (TIME SHARRING). Neki OS podržavaju programiranje s ograničenjem realnog vremena (REAL-TIME OS) za pojedine procese 79

80 Operativni sustavi realnog vremena (Real-time operating systems- RTOS) U širem smislu to su sustavi koji moraju odgovarati na događaje u vanjskom svijetu onim tempom kako se ovi događaju (reaktivni sustavi) Ograničenja realnog vremena: MEKA (SOFT) npr. zadano maksimalno vrijeme izvođenja posla ili min. frekvencija TVRDA (HARD) zadano maksimalno vrijeme reakcije pojedinih računarskih procesa na vanjski događaj (DEADLINE) Obično postoje prioriteti procesa koji obrađuju pojedine događaje. Izvedba je najčešće takva da se procesi mogu prekidati u toku izvođenja (PREEMPTION). Procesi se moraju sinkronizirati i razmjenjivati podatke Kod sustava realnog vremena upotrebljivost rezultata proračuna ovisi o točnosti rezultata ali i o trenutku kad je dobiven Za programiranje se koriste specijalni jezici (ADA, PEARL, MODULA-2, HIGH INTEGRITY PEARL, REAL-TIME EUCLID) ili standardni jezici (C) sa ekstenzijama Primjeri RTOS: QNX, LynxOS, Windows CE 80

81 Pomagala za razvoj programa EDITOR upis i promjena programskog teksta ASSEMBLER program za prevođenje programskog teksta (mnemonički kod) u strojni kod (1:1) COMPILER program prevodilac. Prevodi tekst pisan u višem jeziku (PASCAL, FORTRAN, C) u strojni (izvršni) kod ili objektni kod. Jedan red programa proizvodi više strojnih instrukcija LINKER povezuje jednu ili više objektnih datoteka i stvara izvršni kod LOADER program koji izvršnu datoteku kopira u radnu memoriju i pokreće taj program (dio OS) DEBUGGER pronalaženje grešaka u programu (npr. izvođenjem korak po korak) SIMULATOR program koji simulira rad nekog fizičkog uređaja (procesa) 81