Журнал "Новости Электроники", номер 9, 2007 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 9, 2007 год.Применение радиомодемов стандарта IEEE802.15.4 (ZigBee) в системах промышленной автоматикиАлексей Николаев, Владимир Чумычкин С появлением стандарта беспроводной связи IEEE802.15.4 (ZigBee) стало возможным создавать беспроводные промышленные системы автоматического управления с увеличенной гибкостью и улучшенными ценовыми характеристиками. В статье инженеров СКБ ПСИС (Чебоксары) рассматривается применение радиомодемов СС2420 и СС2430 компании Texas Instruments в модулях производимого СКБ промышленного контроллера СР6000.

 

 

 

Cтандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) выработан для низкоскоростных сетей. Возможность работы сети на любом из 16 выделенных каналов исключает интерференцию сигналов между соседними системами, а использование 16-битной адресации допускает построение сети практически любой сложности с любым необходимым числом модулей. Максимальная скорость передачи, равная 250 Кбит/с, достигается в диапазоне 2,4 ГГц (16 каналов с полосой 5 МГц и возможностью одновременной работы на всех каналах) [1].

В то время как в промышленности насчитывается великое множество объектов автоматизации малой и средней сложности, основная их специфика состоит в наличии большого количества разнесенных в пространстве датчиков, регулирующих органов и исполнительных механизмов. При этом дальность их расположения по любому из трех измерений редко превышает 25 м. Вести сигнальный провод к каждому из них крайне неэффективно, поэтому целесообразнее использовать беспроводную вычислительную сеть (WPAN) малого радиуса действия. А в случае расположения части системы на движущихся объектах применение беспроводных сетей оказывается единственно возможным решением. Такая малая удаленность составных частей системы делает возможным связь между модулями без использования ретрансляции, а значит, не требует дополнительной аппаратуры и повышает надежность системы. Гибкость архитектуры построения беспроводных систем позволяет впоследствии легко и с небольшими затратами производить наращивание системы.

Упрощенный пример локальной распределенной беспроводной системы управления приведен на рис. 1.

Рис. 1. Пример распределенной беспроводной системы управления

Исполнительными механизмами являются электрифицированная задвижка, регулирующий клапан и двигатель насоса. Управляющие модули устанавливаются на корпусе механизмов или в непосредственной близости от них. Связь с центральным контроллером осуществляется по радиоканалу, что автоматически обеспечивает гальваническую изоляцию между модулями. Применение же радиоканала для связи с пультом оператора позволяет сделать его мобильным с автономным питанием. При этом длина кабельных линий минимальна. Другим немаловажным преимуществом распределенной системы является высокая живучесть, так как при выходе из строя одного из управляющих модулей неработоспособной оказывается лишь небольшая часть системы. При подобной организации системы центральный процессор может обладать меньшими вычислительными мощностями, а, следовательно, быть доступнее, дешевле и иметь меньшие массогабаритные размеры.

При таком разделении задач между частями распределенной системы управляющие модули и, во многих случаях, центральный процессор могут быть реализованы на основе кристаллов СС2430 и СС2431.

Разработки

В 2005 году в специальном конструкторском бюро программируемых средств и систем управления (СКБ ПСИС) начато изучение возможности применения стандарта беспроводной связи IEEE 802.15.4 в распределенных системах управления [2].

Первым результатом стало производство блока беспроводного интерфейса ZigBee PSIS2420SPI на основе радио-модема СС2420. Внешний вид модуля представлен на рис. 2. Все выводы, используемые для работы с микросхемой, доступны через штырьковый соединитель, а простой интерфейс SPI модуля позволяет с минимальными затратами использовать его для расширения функциональности существующих изделий.

Рис. 2. Блок беспроводного интерфейса PSIS2420SPI

Данный модуль также представляет большой интерес для разработчиков новых устройств. При этом наиболее рационально изначально ориентироваться на разработку новых устройств для совместного использования с готовыми модулями приемопередатчиков. В связи с высокой несущей частотой (2,4 ГГц) сигнала, при проектировании устройств на основе радиомодемов стандарта ZigBee необходимо использовать электронные компоненты малого типоразмера 0402, печатные платы высокого класса точности и высокоточный монтаж. Все это связано с дополнительными производственными затратами при опытном и мелкосерийном производстве.

После выпуска радиомодема СС2430 с интегрированным микропроцессорным ядром (совместимым с С51) был разработан блок беспроводного интерфейса ZigBee PSIS2430. Ресурсы микропроцессора достаточны для решения большого круга достаточно серьезных задач. Немаловажным аргументом в пользу этого является факт адаптации в СКБ ПСИС под СС2430 аппаратно-независимого комплекса МЭК 61131-3 программирования CoDeSyS компании Smart Software Solutions GmbG (3S) [3]. Это позволяет не только значительно уменьшить требования к квалификации разработчика технологических программ для программируемых контроллеров и увеличить наглядность разработки, но и сократить время.

Блок беспроводного интерфейса ZigBee PSIS2431 выполнен на основе кристалла СС2431, который является версией кристалла CC2430, дополненной системой определения местоположения. Основная область применения - системы слежения за положением движущихся объектов в пределах определенной зоны покрытия.

Рис. 3. Модули серии СР6000: а) контроллер; б) пульт мобильный

Развитием линейки продукции стала разработка законченных промышленных контроллеров и устройств (рис. 3) на основе кристалла СС2430 [2]:

СР6110 - контроллер дискретный;СР6210 - контроллер универсальный;СР6910 - пульт технологический мобильный;СР6920 - пульт технологический стационарный.

Платформа для построения систем промышленной автоматики СР6000 создавалась для автоматизации объектов малой и средней сложности. Все контроллеры серии СР6000 имеют гальванически изолированные интерфейсы RS-485 и интерфейс беспроводной связи, совместимый с промышленным стандартом ZigBee, что делает возможным применение их в качестве самостоятельных устройств, а также как элемент системы в сетях различных топологий. В остальном контроллеры построены по классической архитектуре. Также для данных контроллеров разработана гамма вспомогательных устройств (источники питания, преобразователи интерфейсов, релейные усилители, клеммные колодки и т.д.), делающих ее законченной системой для построения систем промышленной автоматики.

Для программирования технологических задач используется уже упоминавшийся аппаратно-независимый комплекс МЭК 61131-3 программирования CoDeSyS. Однако возможно и традиционное программирование на ассемблере или языках высокого уровня. Для этого был разработан блок программатора-эмулятора psisCON2430D. Модуль предназначен для программирования и отладки устройств на основе микросхем TI/Chipcon CC2430, CC2431. Совместим с ин-тегрированной средой разработки IAR Embedded Workbench for 8051 [4]. Поддерживает использование фирменного программного обеспечения Chipcon SmartRF04 Flash Programmer и Chipcon IEEE Address Programmer [5].

Для обеспечения настройки системы и оперативного управления разработаны стационарный и мобильный технологические пульты. Для отображения используется цветной графический экран разрешением 320x240 точек. Для ввода имеется клавиатура на 16 клавиш и сенсорный экран (стационарный пульт). Поддерживаются интерфейсы ZigBee и гальванически изолированный RS-485.

Таблица 1. Состав линейки продукции СКБ ПСИС на основе радиомодемов ZigBee производства Texas Instruments

Блок беспроводного интерфейса PSIS2420 Радиомодем СС2420Интерфейс SPIПитание 3,3 ВРазмер 33х33х20Блок беспроводного интерфейса PSIS2430 Радиомодем СС2430Ядро С51Питание 3,3 ВРазмер 33х33х20Контроллер дискретный СР6110 Радиомодем СС2430Ядро С5118 дискретных входов16 дискретных выходов2 х RS-485ZigBeeПитание 24 ВКонтроллер универсальный СР6210 Радиомодем СС2430Ядро С518 дискретных входов8 дискретных выходов8 аналоговых токовых входов2 х RS-485ZigBeeПитание 24 ВПульты технологические СР6910
и СР6920
Разрешение 320х240Ядро С51Гальванически изолированный RS-485Питание 3,3 ВБлок программатора-эмулятора psisCON2430D Поддерживаемые МК CC2430, СС2431Интерфейс USB1.1, USB2.0Питание от шины USBСреда IAR Embedded Workbench for 8051Опыт применения

Одно из первых практических применений модулей беспроводной связи PSIS2420SPI - обмен данными между компьютером диспетчера и контроллером ICPDAS серии I-7188, установленного на борту автомобиля КАМАЗ (г. Курган). Снимаются показатели пробега, времени приезда на базу и др.

Одним из типичных опытов применения контроллеров серии СР6000 является система из СР6210 и двух СР6110 для проверки электрооборудования кабин тракторов на ОАО Чебоксарский завод промышленных тракторов. Связь между АРМ оператора, находящегося в кабине трактора, и контроллером осуществляется по интерфейсу ZigBee. Для написания технологической части программы использовался комплекс CoDeSyS.

Литература

1. Материалы сайта
2. Материалы сайта
3. Материалы сайта
4. Материалы сайта
5. Материалы сайта

Техническая информация, заказ образцов, поставка комплектующих и модулей - по
e-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.