Vítejte, dnes je
sobota 20.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Společnost Ryston Electronics se zabývá vývojem systémů pro řízení, sběr a zpracování informací. V předchozích číslech tohoto časopisu nám byl poskytnut prostor ke stručnému popisu základních dílů těchto systémů s mnoha atributy: inteligentní, decentralizovaný, flexibilní, zabezpečený atd.
Systém je založen na několika platformách centrálních procesorů, ale má společnou síťovou architektu a komunikaci po IP protokolu, díky čemuž umožňuje i integraci jednotek od našich případných partnerů.
První jednotky byly vyvinuty v rámci zakázkového vývoje a technické podpory prodeje součástek. Časem se ukázalo, že možnost využití těchto jednotek je daleko širší, než bylo původně zamýšleno.
Síťové jednotky v podobě destiček plošných spojů plochy do 1 dm² je možno vestavět do různých krabiček, s montáží na DIN lištu do rozvaděče nebo připevněním na vozidlo. Software je samozřejmě aplikačně specifický, závislý na konkrétním „železe“. Ale většinou je třeba pozměnit jen prezentační vrstvu programu a přetvořit ji k jinému účelu. Některé zajímavé aplikace, které využíváme a technicky vylepšujeme v naší firmě několik let, chceme nyní stručně uvést.
Systém umožňuje různé topologie vycházející hlavně z konfigurace napájení v rozlehlém systému. Nejčastější a pro servis nejlepší je však topologie „hvězda“ s jednou centrální jednotkou realizující fyzické připojení síťových periferních jednotek samostatnými kabely, kterými tyto jednotky komunikují po ethernetu a jsou napájeny pomocí PoE (injekce ss napětí do středu linkových transformátorů).
Toto napájení může být buď podle normy IEEE 802.11af/at (toto je „správné“ PoE), anebo zjednodušené podle vzoru asijských výrobců, prostě ke středům vinutí připojený zdroj napětí 12 až 36 V (podle spotřeby a podle odporu vodičů v kabelu). V námi vyvinutém systému je možno použít oba způsoby, vedení je jištěno proti nadproudu vratnou pojistkou a hlídacím obvodem.
Je však i řada jednotek, většinou nakupovaných externě, které používají komunikaci např. RS-485 a samostatné napájecí vodiče. Jsou to např. čtečky RFID, váhová čidla atd.
Kabel na propojení jednotek se zpravidla používá dvoupárový s definovanou impedancí, do venkovního prostředí a ohebný, ale na laboratorní pokusy zpravidla vyhoví běžný párový kabel Cat. 5 pro síťové rozvody.
Jednotkou realizující fyzické připojení periferních síťových jednotek a čidel je specializovaný síťový router s integrovaným procesorem. Podle aplikace, nároků na zpracování dat a velikost paměti a funkčnost a podle preference softwarového tvůrce je možno zvolit jednu z platforem od několika světových výrobců.
Pokud není žádáno zpracování dat, centrální jednotka se chová jako obyčejný switch či router používaný pro běžné připojení k internetu přes WAN. Centrální jednotka Ryston však umožňuje zpracování, slučování a synchronizaci vyčtených dat (i na úrovni paketů) ze síťových periferních jednotek, jejich uložení na flash disk nebo SSD, přeposlání aktivně nebo na vyžádání do serveru, popř. statistiku, filtraci a další úpravy podle naprogramovaných pravidel a sekvencí.
Samotný router má svoji webovou stránku pro získávání dat a přehledů, přístupnou z internetu, a též umožňuje ovládání a přístup k datům přes lokální USB rozhraní. V routeru běží operační systém Linux, který byl vylepšen pro práci v reálném čase. Router vypadá jako jednotka do stojanu nebo na DIN lištu nebo je to deska plošného spoje s otvory a konektory umožňující přidávání modulů na výšku, to vše umístěno v plastové krabici.
Centrální jednotka hvězdy je ústředně napájena z napáječe nebo z palubního rozvodu napájení na vozidle, což může být 12 až 24 V. Jednotka potom distribuuje napájení do jednotlivých vedení k síťovým jednotkám.
Historicky nám vznikly, podle dostupnosti vývojového prostředí, podpory výrobce a někdy nálady tvůrců, následující platformy založené na určitém typu nebo rodině řadičů, komunikace a systémového softwaru.
ATMega, PIC18F4550-97J60 – dvě rodiny mikrokontrolerů střední složitosti s architekturou RISC a PIC vybavené řadou vstupů/výstupů, převodníků a variantně integrovanými komunikačními kontrolery pro rozhraní sériové (RS-485), ethernet, USB, popřípadě CAN. Mají velmi dobrou vývojovou podporu.
STM32F1xx, 2xx…4xx: rodiny kompatibilních jednočipových mikropočítačů s CPU Cortex-M3, M4, odstupňovanou výbavou DSP bloků, FPU akcelerátorů a řadičů a pamětí programu a dat, ale s jednotnou velmi komfortní vývojovou základnou a konfigurovatelným a mezitypově návazným zapojením vývodů (portů), s konektivitou USB, ethernet a CAN, některé top-level typy s šifrovacím obvodem či rozhraním grafického LCD, rozhraním řízení motorů nebo externí SDRAM. Výborná technická podpora.
AT91SAM9260..G20 + XC3/6: rodina řadičů Atmel s CPU ARM926 s akcelerátorem Javy, řadou rozhraní a periferií a hlavně interním kontrolerem SDRAM s kapacitou 64 MBytů a rychlou 32bitovou sběrnicí. Výborná podpora díky použití RT Linuxu a komunitě jeho podporovatelů. Jako další rozšíření jsme na tuto sběrnici připojili programovatelný logický obvod (FPGA) Xilinx řady XC3 nebo XC6, který v okně paměťového prostoru tvoří řadu mailboxů, kterými CPU komunikuje s FPGA. Do FPGA byla v jazyku VHDL napsána řada dalších subsystémů a jinak nedostupných řadičů, např. komunikační V.110/G.703 anebo obousměrné čítače polohy či řadič CAN.
Základním kamenem síťové periferní jednotky je mikrokontroler platformy PIC18F97J60, který má integrován (kromě řady dalších periferních bloků) blok rozhraní ethernet. K obvodu je nutno připojit „jen“ vazební izolační transformátor a několik součástek dle katalogového doporučení, naprogramovat vrstvy síťového protokolu poskytnuté výrobcem a vznikne „blank“ terminál. Po vyřešení napájení jednotky [je možno volit externí napájení nebo napájení po ethernetovém kabelu (PoE)] a připojení volitelných vstupních a výstupních obvodů vznikne jednotka schopná na vzdálenost až 300 m od centrálního uzlu (přepínače/routeru) plnit řadu jednoduchých i složitějších autonomních úkolů.
Modifikací linkové vrstvy protokolu je možno použít jeden ethernetový kabel (dva kroucené páry vodičů ve sdělovacím kabelu) i pro připojení několika jednotek paralelně, za sebou − v konfiguraci Point-to-Multipoint, včetně přívodu napájení.
V této konfiguraci je pozměněným protokolem nutno ošetřit možné kolize vysílačů z jednotek, nejčastěji metodou CSMA/CD, tedy před vysláním paketu čekat na klid na lince, vyslat paket a přitom detekovat možnou kolizi a v jejím případě ukončit pokus o vysílání, počkat náhodnou dobu a opakovat pokus. Tato metoda vyhoví, pokud se po vedení přenáší málo dat, jako v případě sběru diagnostických dat na rozlehlých mostních konstrukcích.
Běžnější je topologie „hvězda“, tedy pro každou jednotku jeden kabel, bez kolizí, pokud kabelů je dostatek. Kabely i jednotky je možno realizovat v provedení pro příslušné prostředí: venkovní, širší rozsah teplot, vibrace na vozidlech, lékařské aplikace i pro náročné (nehořlavé) prostředí v dolech, jaderných elektrárnách a podobně.
Popsaný modul je univerzální a jeho možné vstupní a výstupní obvody (alternativně osazované) jsou:
Síťové jednotky, díky tomu že mají mikrokontroler, mohou pracovat buď v pasivním, nebo aktivním režimu.
V pasivním režimu jednotky čekají na povel a samostatně nezahajují komunikaci a neprovádějí žádnou složitější činnost než odpovídat na došlé dotazy a plnit povely od nadřazeného systému. Pro snadnou správu a dohled nabízejí jednoduchou www stránku s naposledy pořízenými informacemi nebo nejvýš s jejich frontou (bufferem) zobrazující třeba časový průběh veličiny až po současnost. K dispozici jsou „klikací buttony“ pro vložení číselné hodnoty do výstupu či portu či zapínání a vypínání výstupů (relé). V tomto režimu jednotky například umožňují dálkové ovládání spotřebičů nebo řízení jednotlivých svítidel v rozlehlém sále přes inter/ intranet.
V aktivním režimu jednotky mají svou vlastní aktivitu, kdy například opakovaně v nastavených časech provádějí A/D převody, čtení hodnot z čidel, zápisy do výstupů (spínání relé) a dokonce samostatné řídicí zásahy na základě naprogramovaného skriptu (řízení ventilátoru či motoru). Jazyk skriptu je podobný jazyku C, s předdefinovanými proměnnými, jednoduchou celočíselnou resp. desetinnou aritmetikou a větvením programu (if-then-else) a podprogramy a funkcemi. Skript je možno opakovaně spouštět v naprogramovaných časech, např. každou sekundu, kdy také dochází k aktualizaci teplotních čidel, nebo pomaleji (každou minutu) či co nejrychleji, jak to stíhá procesor − zhruba 50× za vteřinu, ale s různými prodlevami a pomlkami způsobenými činností s vyšší prioritou (přerušení, komunikace). Obsluha klávesnice a displeje je prioritní, aby uživatel měl dojem svižnosti. Rovněž obsluha čtečky RFID má prioritu (čekání na přítomnost tagu v blízkém poli), aby náhodou nějaký neunikl.
Ve spolupráci se společností AŽD s. r. o. bylo na platformě řadičů PIC a AT91- SAM vyvinuto několik systémů pro liniovou zabezpečenou komunikaci pro automatické zabezpečené ovládání drážních zařízení, jako jsou signály, přejezdy a výhybky. Námi vyvinuté systémy se chovají jako zabezpečené SHDSL modemy používající dříve instalované metalické či nové optické vláknové kabely jako médium. Kromě přenosových funkcí jednotky systému mohou plnit funkci směrovače a filtru „telegramů“ – řídicích povelů a zpětných zpráv z automatického systému řízení nádraží ESA. Projekt je úspěšně vyráběn a instalován na českých a evropských železnicích. Složitost je nad prostor tohoto přehledu, viz www.azd.cz.
Po řadu let spolupracujeme se společností 2N Telekomunikace na vývoji telefonních pobočkových ústředen (od analogových až po tisícovky ISDN, jejichž nejpokročilejší modely jsou řízeny vestavným počítačem na základě AT91SAM9). Aplikační programové vybavení běží pod Linuxem se zprávami mezi procesy, systém umožňuje dálkový dohled, aktualizaci a podporu uživatelů v lokální síti.
Ve spolupráci s firmou Strom Telecom jsme vyvinuli sadu linkových desek pro jejich ISDN systém Medio a další systémy pro podporu tarifikace založené na platformě ATmega, které se dočkaly nasazení na řadě lokalit v Rusku.
Takříkajíc vedlejším efektem vývoje byl systém pro evidenci příchodů a odchodů osob. Jako terminál u dvou vchodů byla použita síťová jednotka s čtečkou RFID, klávesnicí, displejem a upravenou prezentační vrstvou (dialog s procházející osobou). Systém je samozřejmě propojen do firemního informačního systému, kde místo centrální jednotky je použit server umístěný v zabezpečené místnosti včetně napáječů PoE. Server dostane zprávu o přečteném tagu (klíčenka nebo karta vydaná pracovníku), vyhledá ho v databázi a přiřadí k němu jméno osoby a její oprávnění a na jejich základě pošle povel do terminálu, který ovládá displej, elektromagnetický zámek a bzučák.
Displej docházkového terminálu při odchodu informuje o počtu ještě přítomných osob a upozorňuje na nutnost kontroly a zabezpečení objektu či zóny a rozlišuje důvod odchodu (pro spolupráci s propojeným programem Docházka podle pracovněprávních předpisů) a umožňuje například upozornění některého přítomného pracovníka, že přišel jeho kolega, pomocí emailu nebo sms.
Nepoužitými vodiči kabelu je přivedeno ovládací napětí pro zámek a terminál umožňuje sekvenční otevírání dvou dveří a kontrolu jejich opětovného zavření.
Asi jediné, co systém neumožňuje, je přenos hlasu a obrazu. To je možno napravit spoluprací se systémem videovrátníků vyráběných firmou 2N Telekomunikace, na jejichž vývoji se firma Ryston podílela.
V posledních letech jsme zintenzivnili spolupráci se společností LINET a. s. a vyvinuli jsme na platformě řadičů ATMega skupinu řídicích jednotek pro různé části jejich nemocničního lůžka vyráběného v různých konfiguracích i pro nepohyblivé pacienty. Kromě polohování částí lůžka je systém propojen (zabezpečeným redundantním propojením) se systémem vážení a monitorování pohybové aktivity pacienta a systémem řízení inteligentní nafukovací matrace sloužící jako prevence dekubitů (proleženin) u nepohyblivých pacientů. Společnost LINET pracuje i v mezinárodním měřítku a je jedním z největších výrobců těchto přístrojů na světě. Další projekty se připravují a firma Ryston i části těchto systémů vyrábí. Systémy managementu firem LINET a Ryston pro totální řízení jakosti a zásobování jsou propojeny přes webové rozhraní Kanban.
Dalším projektem je vývoj elektronického zařízení pro dohled, vytápění a komunikaci pro barokomory poskytující hyperbarickou oxygenoterapii. Tato technologie se intenzivně rozvíjí a je používána pro léčbu otrav, embolií, cévních a srdečních příhod, kožních chorob, popálenin a podporu hojení ran a nekróz i pro léčbu tzv. kesonové nemoci. Po fázi experimentů nyní probíhá standardizace a zajištění zabezpečení a propojení monitorovacích a komunikačních systémů. Ryston spolupracuje s oddělením hyperbarické léčby v Nemocnici Kladno a s Fakultou biomedicínského inženýrství ČVUT v Kladně a Hasičským záchranným sborem hl. m. Prahy a Středočeského kraje provozujícím stacionární i mobilní barokomory. Vzhledem k přítomnosti tlakového kyslíku a potenciálních hořlavin je na prvním místě zabezpečení komory proti požáru.
Jako distributor světelných diod (LED) pro svícení a pro indikaci od špičkových výrobců, např. Ledtech, věnuje se Ryston také podpoře aplikací s těmito součástkami. Kromě svítilen pro náročné aplikace (speciální a potápěčská technika) s řízením založeným na platformě ATMega jsme vyvinuli i modulární signalizační panel s jednobarevnými nebo RGB LEDkami, včetně napájecí struktury, datové podpory a rozhraní k PC pomocí USB připojení. Modulární systém umožňuje snadnou výrobu těchto panelů po modulech 4 × 4 cm se 16 LED až do velikosti několika metrů. Tento systém umí spolupracovat i s výše popsaným řídicím systémem, takže může indikovat na dálku provozní stavy, ale i grafiku. Aplikace ve svícení: viz odkaz www.potapecskesvitilny.cz.
Nabízíme zatím několik variant monitorovacích systémů s použitím současných HW základen, které musejí být naprogramovány podle konkrétních požadavků zákazníků – provozovatelů. Například je to systém pro monitorování pohybů osob a strojů po staveništi: Pracovníci budou vybaveni osobními jednotkami sledujícími jejich polohu a podle rozlehlosti pracoviště budou komunikovat přes GSM, WiFi nebo Sigfox. Stroje mohou mít vozidlovou jednotku sledující využití stroje, jeho polohu, hladinu PHM v nádrži a další provozní stavy.
Pro monitorování velkých strojních nebo stavebních konstrukcí (velkostroje v povrchových dolech, mosty, potrubí) jsme před časem ve spolupráci s firmou Vítkovice a.s. vyvinuli jednotku sbírající data o cyklických deformacích a únavovém poškození, které díky tomu může nastávat. Řada staveb u nás i ve světě je takto ohrožena a není sledována. V tomto projektu chceme nadále pokračovat i ve spolupráci se strojní a stavební fakultou ČVUT. Viz článek v DPS-AZ č. 4/2013.
Jako univerzální řídicí systém nalezl systém na platformě STM32 využití u jednotek pro sušení potravin (ovoce, raw produkty), a to díky rostoucímu zájmu o chemicky nekonzervované potraviny. Byla vyvinuta jak mechanická, tak elektronická část sušicí jednotky a vyvíjí se sterilizátor kapalin.
Sušička má buď formu skříně – stojanu, kde se plátky produktu suší na sítech profukovaným cirkulujícím vzduchem – aby byla udržena „raw“ kvalita, musí být teplota a vlhkost vzduchu řízena podle naprogramovaných profilů teploty a vlhkosti a monitorována až ve 32 bodech vnitřního prostoru – nebo v menším provedení je to stolní jednotka. Podle sušeného produktu se může instalovat i rychlosušicí systém s kotouči pro absorpci vlhkosti a pro rekuperaci tepla. Každá jednotka má kromě zabezpečené výkonové části také zobrazovací jednotku ve dveřích, která je vytvořena z Raspberry Pi s grafickým LCD displejem s USB připojením. Více sušicích jednotek může být propojeno do lokální sítě řízené technologickým počítačem / serverem pro archivaci dat a optimalizaci spotřeby energie a pro připojení k podnikovému systému řízení jakosti.
Ve stadiu vývoje je sterilizační jednotka, která provádí pasterizaci tekutých surovin zastudena, a to ničením kvasinek a zárodků vysokonapěťovým výbojem. Její použití je plánováno pro zvýšení trvanlivosti šťáv z ovoce a vína, aby mohly být jako syrové a chemicky neupravené dopraveny do míst distribuce běžnými dopravními prostředky. Současné studie ukazují, že „šok“ vysokonapěťovým impulsem (není to však výboj) skutečně způsobí snížení mikrobiální aktivity. Fyzikální požadavky na průmyslový postup sterilizace však poněkud překonaly naše očekávání, takže výkonová rozhraní řídicího systému, zdroje vysokého napětí a příslušné LC obvody a výkonové spínače i trysky, v nichž kapalina prochází šokem, jakož i systém pro čištění a sanitaci si ještě vyžádají nějaké práce. Avšak poptávka producentů ovoce z tropických nebo subtropických oblastí po světě i Evropě je velice zajímavá.
Ryston jako vývojová i výrobní firma pozvolna přechází od malosériové a vzorkové výroby k většímu rozměru. Pracujeme s kooperacemi a nakoupili jsme řadu zařízení pro technologii výroby, které však nás omezenou flexibilitou příliš neuspokojují. Přitom svou sílu vidíme ve flexibilitě a schopnosti vyrábět rychle a kvalitně menší množství jako prototypy.
Proto jsme vlastní systém založený na platformě STM32 adaptovali do modulárního systému pro testování osazených desek plošných spojů (viz článek v DPS-AZ 3/2017).
Zde se navíc používá velmi perspektivní testovací elektronický systém JTAG, který jsme originálním postupem zvládli.
Podobně jsme vyvinuli systém pro management jakosti u montáže stojanů. Jednou z možností je dále vývoj či výroba tepelného přístroje pro profilové procesy od tvrzení lepidla po bezolovnaté pájení „reflow“.
Naším dalším postupným cílem je flexibilní 3D stroj pro dispenzování pájecí pasty či lepidla na desky plošného spoje, popřípadě s výměnnou hlavou pro tříosé frézování, laserování, 3D tisk apod. Zde nám jde spíše než o výkonnost, tak o kvalitu a možnost zapojení stroje do podnikového systému evidence a řízení jakosti.
Zdá se, že máme „zaděláno“ na řadu použití našich systémů a jejich softwaru v rozmanitých oblastech. Máme vyvinutou stabilní aplikaci a spolehlivý systém, pro nějž se časem jistě najde další uplatnění, jako už několikrát.
Je nám jasné, že úpravy systému a jeho programů si vyžádají ještě mnoho lidského času a úsilí. Možná máme bilanci vývoje v Rystonu zatíženou několika ztrátovými projekty. Nemůžeme si však dovolit zahazovat příležitosti, které nám často samy „cvrnknou do klobouku“. V neposlední řadě chceme do budoucích systémů promítnout již ve vývoji zakomponovaný bezpečnostní systém podle požadavků současných bezpečnostních norem.
