Johdatus väylätekniikkaan

Transkriptio

1 Johdatus väylätekniikkaan Pelkkä väyläjärjestelmä ei ole yhtään mitään, vaan todelliset hyödyt saadaan vasta tehokkaalla soveltamisella ja integroimalla väyläjärjestelmä osaksi mekatronista järjestelmää. Mekatroniikka on ala, mikä tehokkaasti yhdistää mekaniikan, elektroniikan sekä ohjelmistot koneiden ja järjestelmien joustavuutta, sovellettavuutta, turvallisuutta, luotettavuutta ja tuottavuutta parantaviksi ratkaisuiksi yhdessä mittausjärjestelmien, järjestelmien käyttäytymisen analysoinnin ja tiedonkäsittelyn kanssa. Heikki Saha Sandvik Tamrock Oy mille, pätevät samat edut ja haitat myös työkone- ja tehdasautomaatioon. Vastoin yleistä mielipidettä, suurin osa mainittujen teollisuuden haarojen eroista korostaa väyläjärjestelmien tuomia etuja pienivolyymisissä tuotteissa. 1. Keskitetty järjestelmä Keskitetty järjestelmä oli ensimmäinen mahdollinen tapa toteuttaa sähköisiä ohjausjärjestelmiä. Sen syntyhetkellä prosessorit olivat suorituskyvyltään vaatimattomia ja hinnaltaan kalliita, joten ainoaksi tavaksi jäi keskittää tarpeellinen laskenta ja I/O:n käsittely Vuosien varrella väyläjärjestelmät ovat kehittyneet voimakkaasti muun elektroniikan kehityksen myötä. Kehityksen ajalta voidaan tunnistaa karkeasti jaettuna seuraavat hajautuksen asteet. Huomattavaa on, että kehitys on kulkenut voimakkaasti kasvavaa hajautusastetta kohti. Vaikka autoteollisuus alihankintaketjuineen on suurin kehittävä ja käyttävä taho väyläjärjestelyhteen laskenta-alustaan. Keskitetyillä ohjausjärjestelmillä korvattiin suoraan releohjauksia, mistä saatiin muutoksen myötä vähemmän epäluotettavia ja alttiita vikaantumisille. Keskitetyssä järjestelmässä jokainen anturi ja toimilaite on erikseen kytketty laskentaalustaan ja siksi kaapelointi/ johdotus aiheuttaa järjestelmään merkittävää massan, kaapelien materiaalikustannuksien sekä asennustyön lisäystä. Samalla lisääntyvät liitospisteiden määrä ja todennäköisyys kytkentävirheille järjestelmän elinkaaren kaikissa vaiheissa. Keskitetyn järjestelmän laajentaminen joko saman tuoteperheen monimutkaisempia variantteja tai uusien sukupolvien lisäominaisuuksia varten on varsin haastavaa. Pitää joko arvata sopiva määrä laajennusvaraa tai valmistautua uudistamaan laskenta-alusta vastaamaan uusia vaatimuksia. Nykyaikaisissa ohjausjärjestelmissä keskitetty ohjaus on järkevä ainoastaan osajärjestelmätasolla, jos I/O on keskittynyt pienelle alueelle ~ alle puolen metrin etäisyydelle laskenta-alustasta tai jopa osaksi mekatronista osajärjestelmää. 2. Puolikeskitetty järjestelmä Ensimmäinen askel kohti hajautusta on puolikeskitetty järjestelmä, missä laskenta on jaettu muutaman I/O-määrältään ja laskentakapasiteetiltaan suureen ja väylällä toisiinsa kytkettyyn laskentaalustaan, solmuun. Ratkaisulla voidaan saavuttaa huomattavia säästöjä etenkin kaapelointityön osalta, koska pitkät, järjestelmän laidalta toiselle kulkevat erillisjohdotukset voidaan korvata kaksisuuntaisella tiedonsiirtoväylällä. Myös luotettavuus kasvaa, koska prosessointi on jaettu ja yhden solmun vikaantuminen vaikuttaa koko järjestelmän sijaan vain osaan järjestelmää. Kehitysaskel on ollut pieni, koska puolikeskitetyssä järjestelmässä väylätekniikkaa hyödynnetään tyypillisesti vain osajärjestelmien yhdistämiseen järjestelmäksi ja anturit ja toimilaitteet kytketään solmuihin perinteisiä I/O-rajapintoja hyödyntäen. Tällä menettelyllä on vältytty antureiden ja toimilaitteiden pakonomaiselta uudistamiselta, mutta samalla siirretty väyläjärjestelmien todellisten mahdollisuuksien hyödyntämistä. Sovellusohjelmistojen kehitykseen pienimuotoinen hajautus on tuonut lisää haasteita. Kaikkien solmujen täytyy pystyä tuottamaa ja kuluttamaan palveluja yhteisen rajapinnan läpi. Tyypillisesti rajapinta muodostetaan tiedonsiirtoväylässä sovellustason protokollalla. Perinteinen yhteen prosessoriin keskittyvä sulautettu tai logiikkaohjelmointi sai uusia ulottuvuuksia ja on ollut erittäin monelle valmistajalle yllättävän suuri haaste. Varsinaisen sovellustason toiminnallisuuden lisäksi hajautetussa järjestelmässä hajautuksen asteesta riippumatta tarvitaan antureiden, toimilaitteiden, laskenta-alustojen ja Kuva 1: Esimerkki keskitetystä järjestelmästä 12 FLUID Finland

2 Kuva 2: Esimerkki puolikeskitetystä järjestelmästä väylien kunnon valvontaa, jotta operaattorille voidaan tarjota ajantasaista tietoa poikkeustilanteista. Erillis-I/O:lla kytkettyjen antureiden ja toimilaitteiden toiminnan ja toimintakunnon valvonta edustaa yleensä merkittävää osaa ohjelmistosta ja kyseisen ohjelmiston osan pitäisi olla olemassa jo ennen varsinaista sovellusohjelmistoa. Vaatimus heijastuu vahvasti I/O-rajapintaan, mukaanlukien I/O-johdotus- tai kaapelointiratkaisu sekä anturit ja toimilaitteet. 3. Puolihajautettu järjestelmä Puolikeskitetyn järjestelmän suurista I/O-keskittymistä ja tehokkaidenkin suorittimien rajallisesta keskeytyspyyntöjen käsittelykyvystä johtuva kankeus on ohjannut ohjausjärjestelmien kehitystä kohti laajempaa hajautusta. Puolikeskitetyn ja -hajautetun järjestelmän suurin ero on solmukohtaisen I/O:n määrässä - puolikeskitetyn järjestelmän solmuissa on useita kymmeniä tuloja ja lähtöjä, kun puolihajautetun järjestelmän solmuissa tuloja ja lähtöjä on muutamia. Puolihajautettu järjestelmä tukee kohtuullisesti tyypillistä hydraulista osajärjestelmää, missä on useita venttiileitä ja antureita yhteen lohkoon integroituna. Edelleen puolihajautettu järjestelmä mahdollistaa jo käytössä olevien antureiden ja toimilaiteiden käytön tarjoamalla niille sopivan I/O-rajapinnan. FLUID Finland

3 Kuva 3: Esimerkki puolihajautetusta järjestelmästä Puolihajautettu järjestelmä on huomattavasti puolikeskitettyä joustavampi, koska I/O:ta voidaan jakaa pienissä ryhmissä järjestelmän tarpeellisiin kohtiin sijoitettuna. Koska yhdessä solmussa I/O:ta on vain muutamia, ei laajennuksille jätetä varaa erillis I/O:na, jolloin laajennuksen lisäävät väylän solmujen määrää. Näin voidaan tarvittaessa hyödyntää esimerkiksi johtosarjoja. Tyypillisesti puolihajautetun järjestelmän solmut ovat samaa tyyppiä ja sisältävät yleisen valikoiman I/O:ta, mikä toteuttaa suurimman osan tarvittavista liitäntätyypeistä. Kannattaa ottaa huomioon, että yleiskäyttöiset solmut ovat todellakin yleiskäyttöisiä, eikä kaikkien järjestelmäintegraattoreiden ole tarkoitus käyttää niiden kaikkia liitäntöjä kaikkialla. Eli 100% I/O:n käyttöasteen tavoittelu johtaa useimmiten suureen määrään turhaa työtä ja järjestelmän sekavaan rakenteeseen. kokonainen järjestelmä selkeisiin toiminnallisiin kokonaisuuksiin, osajärjestelmiin. Kukin osajärjestelmä on mekatroninen, eli voi sisältää vähän kaikkia edellä lueteltuja teknologioita ja kullakin teknologialla toteutetaan ne toiminnot, mihin kyseinen teknologia parhaiten soveltuu. Näin saadaan myös ohjelmistolle selkeitä kokonaisuuksia ohjattavaksi ja tuoteperheiden sisällä voidaan vakioida osajärjestelmiä, mistä yhdistelemällä voidaan tehokkaasti koota erilaisia järjestelmiä. Kuvatulla menettelyllä sovellusohjelmistolla ohjataan varsinaista järjestelmän toiminnallisuutta ja käytetään osajärjestelmien tuottamia osatoimintoja ja palveluita. 4. Täysin hajautettu järjestelmä Täysin hajautetussa järjestelmässä kaikki solmut on integroitu osaksi antureita, toimilaitteita tai niiden yhdistelmiä. Käytännön työkonesovelluksissa täydellinen hajautus kuulostaa kirjoitushetkellä kaukaiselta, johtuen monista sovelluskohtaisista erityisvaatimuksista, mutta henkilöautoissa täydellinen hajautus on jo arkipäivää ja kokemukset ovat ylittäneet ennakko-odotukset. Täydellinen hajautus tarjoaa parhaan mahdollisen joustavuuden, koska ainoastaan sovellus voi rajoittaa, mitkä solmut pitää vähintään olla ja millaisissa ryhmissä solmuja on ominaisuuksien kannalta järkevää hallita. Järjestelmän peruspalveluiden kannalta tilanne on loistava jokaisen solmun tulee tarjota varsinaisen sovellusrajapinnan lisäksi myös kunnonvalvonta- ja vianhakurajapinnat. Näin esimerkiksi venttiilin kelavirtasäädön toteuttaa venttiilivalmistaja, jonka pitäisi tietää parhaiten, kuinka juuri kyseistä venttiiliä tulee ohjata. Samoin kunnonvalvonnat toteuttaa taho, jolla on paras mahdollinen tieto oikeiden valvontojen oikeasta toteutuksesta. Ja mikä tärkeintä, mainittu- Puolihajautetun järjestelmän ohjelmistokehitys voi muuttua painajaiseksi, jos pitäydytään perinteisessä tavassa jakaa järjestelmä mekaniikkaan, hydrauliikkaan, vahvasähköön ja ohjausjärjestelmään. Ainoa tapa pitää kaikki mahdolliset edut käytettävissä on jakaa Kuva 4: Esimerkki täysin hajautetusta järjestelmästä 14 FLUID Finland

4 jen perusasioiden toteutus tulee tehdyksi vain kerran osajärjestelmätoimittajan toimesta eikä jokaisen järjestelmäintegraattorin toimesta, kuten puolikeskitetyn ja puolihajautetun järjestelmän kanssa. Hajautettu malli tarjoaa oivan työkalun tehostaa koko järjestelmän elinkaaren hallintaa. Jokaista vakiorajapintaa tukevaa solmua on helppo ylläpitää, koska ainoastaan vakiorajapinta tulee säilyttää vakiona. Vakiorajapinta mahdollistaa myös eri valmistajien välisen yhteensopivuuden, käytännössä tiettyyn rajaan asti. Huolellisella komponenttien evaluoinnilla voidaan ottaa käyttöön vain yleisesti tuetut ominaisuudet ja saada korvaavia vaihtoehtoja tuotannon jatkuvuuden takaamiseksi. Täysin hajautetuissa järjestelmissä tiedonsiirtoväylien peruspalvelut ja solmutyyppien yhteiset perusominaisuudet tulee joko olla valmiiksi standardoituja tai standardoida huolellisesti. Jos yksikin solmu toteuttaa perusominaisuudet vähän eri tavalla kuin muut, on sekasorto väistämätön. Aiheesta myöhemmin lisää. 5. Hajautetun järjestelmän pakolliset peruspalvelut Käytettävästä väyläjärjestelmästä, toteutettavan järjestelmän koosta ja sovelluksesta riippumatta, väyläpohjaisen ohjausjärjestelmän tulee toteuttaa vähintään seuraavat peruspalvelut yhdellä yhteisellä tavalla: Konfigurointi. Riippumatta siitä, onko mielenkiinnon kohteena liikennöintiin, järjestelmän rakenteeseen tai sovellukseen liittyvät parametrit, pitää olla mahdollista lukea ja kirjoittaa parametrien arvoja. Osa parametreistä voi olla vain luettavissa, vain kirjoitetavissa tai sekä luettavissa että kirjoitettavissa, tarpeen mukaan. Hallittu käynnistys. Järjestelmän tulee toteuttaa käynnistys hallitusti siten, että jokainen solmu voidaan tunnistaa, solmun konfiguraatio tarkistaa ja solmu käynnistää vain kun kaiken on todettu olevan kunnossa. Näin voidaan varmistaa järjestelmän turvallinen käynnistys. Solmujen tilavalvonta. Järjestelmän tulee sisältää mekanismi, jolla solmujen toimintatilaa voidaan valvoa. Valvonta voi olla keskitettyä, hajautettua tai niiden yhdistelmä. Tapahtumien välitys. Erilaisten tapahtumien, kuten ilmoitusten, varoitusten ja hälytysten siirtoon pitää olla valmis mekanismi, mikä tarjoaa mahdollisuuden sekä järjestelmän omien että sovelluksien tapahtumien välityksen. Signaalisiirto. Kenttäväylät tyypillisesti perustuvat signaalien päivitykseen, joten signaalisiirto on normaalin toiminnan ilmenemismuoto. Kuten edellisestä yhteenvedosta voi huomata, olemassaolevan protokollan valinta on perusteltua, koska sellaisen avulla kuvatut perustoiminnot saadaan valmiina. Lisäksi yleisimpiä standardiprotokollia varten on lisäksi olemassa verkonsuunnittelu-, konfiguraattori- simulaattori- ja analysaattoriohjelmistoja ja niiden tarvitsemia laitteistoja. Jotkut väylästandardit määrittelevät lisäksi sovellusrajapinnan, erilaisia tiedostoformaatteja ja jopa väyläjärjestelmän suunnitteluvuon. 6. Väyläjärjestelmän soveltaminen Kuten alussa jo mainittiin, väyläjärjestelmää ei tarvita itsensä vuoksi vaan tuottamaan lisäarvoa järjestelmiin. Siksi suunnittelussa tulee lähteä liikkeelle sovelluksen vaatimuksista, kuten esimerkiksi: Järjestelmän dimensiot Tarvittava kaistanleveys (signaalien määrä, tyypit, päivitysvälit) Deterministisyys Siirtoviiveet Vikasietoisuus Vaaditut solmutyypit Käytössä olevien väylien soveltuvuus Laajennettavuus Ylläpidettävyys Edellä kuvattuihin asioihin pitäisi verrata väyläjärjestelmien ominaisuuksia: Suurin sallittu segmenttipituus (usein liittyy siirtonopeuteen) Suurin sallittu siirtonopeus (usein liittyy segmenttipituuteen) Siirtomedia (kupari/kuitu, impedanssisovitus) Tuetut topologiat (väylä, tähti, puu, rengas) Mahdolliset aktiiviset verkonrakennuselementit (HUB, kytkin, reititin, ) Virheentarkistusmekanismit Laaja COTS(Common Off- -The-Self)-komponenttitarjonta Useimpien nykyaikaisten järjestelmien rakentaminen yksittäisen väyläsegmentin varaan ei ole mielekästä joko järjestelmän rakenteen, rajallisen kaistanleveyden tai vikojen liian suuren vaikutusalueen johdosta. Varsin usein tulee tarve käyttää eri protokollia tai jopa erityyppisiä väyliä eri osissa järjestelmää. Henkilöautot kelpaavat tähänkin hyväksi esimerkiksi, koska niissä käytetään yleisesti CAN (Controller Area Network) -väylää moottorinohjauksessa, voimansiirron hallinnassa ja korin osajärjestelmien integroinnissa. LIN(Local Interconnect Network)-väylää taas käytetään pienten mekatronisten kokonaisuuksien intergrointiin osajärjestelmiksi. Telekommunikaatio-, paikannus- ja viihdejärjestelmät puolestaan liikennöivät keskenään optisen MOST (Media Oriented System Transport) -kuiturengasväylän avulla. Tehdasautomaatiossa CAN on vasta saamassa jalansijaa, mutta erilaiset mm. Ethernet-pohjaiset ratkaisut, Profibus, Modbus, Interbus-S ja ASi ovat yleisiä. Komponenttitarjonnan monipuolistuessa Ethernet on leviämässä hyvää vauhtia myös työkone- ja erikoisajoneuvoautomaatioon. Kuva 5: Esimerkki lineaarisesta väylästä Kuva 6: Esimerkki tähtiverkosta Kuva 7: Esimerkki puumaisesta verkosta Kuva 8: Esimerkki rengasverkosta jatkuu >> FLUID Finland

5 Vaikka jokin väylä ei suoraan tukisikaan joko vaadittua tai parasta mahdollista topologiaa, voidaan sellainen yleensä toteuttaa aktiivisilla verkonrakennuselementeillä, kuten keskittimillä (HUB), kytkimillä (switch) tai reitittimillä (router, gateway). Niiden väliset erot voidaan määritellä karkeasti: Keskitin erottaa fyysisellä tasolla loogisesti yhdessä olevat aliväylät Kytkin erotta viestikehystasolla aliväylät ja voi samalla tarjota hallinnoitavia suodatus- ja muita lisäpalveluita. Reititin toimii tyypillisesti verkkokerroksen protokollaa/ protokollia hyödyntäen ja tarjoaa korkeamman abstraktiotason reititystä. Edellä esitetyt määritelmät ovat karkeita ja tiedonsiirtojärjestelmästä riippuen, kytkimien ja reitittimien toiminnot menevät usein päällekkäin. Tyypillisiä väyläjärjestelmän sovellustapoja ovat suorien ohjauksien tunnelointi väylän yli tai säätöpiirien sulkeminen väylän yli. Ohjausten tunnelointi on ollut perinteinen tapa käyttää väyliä siksi yleisin. Etenkin puomikäytöissä ja robotiikassa nivelkohtaisia säätöpiirejä on hyvällä menestyksellä suljettu väylän yli. Säätökäytössä väylän valinta ja väyläliikenteen konfigurointi ovat avainasemassa. Kaikki väylät eivät sovellu suorituskykynsä puolesta säätöön ja suurin osa väylistä edellyttää huolellista suunnittelua, jotta säätö väylän yli toimii luotettavasti. 7. Avoimmuus Automaatiojärjestelmät ovat tyypillisesti osana pitkän elinkaaren omaavia järjestelmiä. Avoimien ratkaisujen edut korostuvat, koska automaatiojärjestelmien toimittajien etuna on tiheät päivityskierrokset, kun taas järjestelmäintegraattoreiden ja asiakkaiden tarve on selvitä mahdollisimman pienellä ylläpito- ja muutostyöllä sekä pienellä varaosanimikkeistöllä. Koska järjestelmien elinkaarta ei voida lyhentää, suljettujen järjestelmien suurin riski on tarve usean komponenttisukupolven samanaikaiselle tuelle, mikä on logistinen painajainen. Uuden järjestelmän määrittely- ja suunnitteluvaiheissa suljettujen järjestelmien evaluointi on huomattavasti avoimia järjestelmiä vaikeampaa ja kalliimpaa, koska tyypillisesti kaikki tekninen tieto on maksullista ja työkalut kalliita. Avoimiin standardeihin perustuvia järjestelmiä on helpompi evaluoida standardi- ja komponenttitasolla, koska tietoa löytyy helposti ja ilmaiseksi ja tiedon löydyttyä komponenttien ominaisuuksia on helppo verrata sekä keskenään että standardeja vasten. Avoimiin ratkaisuihin löytyy myös enemmän kilpailevia toimittajia, konsultteja ja koulutusta, missä kaikissa kilpailu vaikuttaa positiivisesti sekä hintaan että laatuun. Eritoten vaikeiden ongelmien ratkaisu avoimilla teknologioilla on tehokkaampaa kuin suljetuilla, koska osaajia on enemmän ja käyttäjäkunta levinnyt useammalle sovellusalueelle. 8. OSI Standardointijärjestö ISO on standardoinut yleisen OSImallin kuvaamaan yleistä protokollahierarkiaa. OSI-malli esitellään tässä yhteydessä lyhyesti, koska myös kenttäväylien protokollien toiminta kuvataan suhteessa OSI-mallin kerroksiin. OSI-mallin kerrokset alhaalta ylöspäin voidaan kuvata seuraavasti: 0: Siirtomedia (Transmission Medium) kuuluu varsinaisesti fyysisen tason alapuolelle, mutta se lasketaan kuuluvaksi fyysiseen tasoon ja sen määrittelyyn. 1: Fyysinen kerros (Physical Layer) keskittyy bittien siirtoon siirtotien yli siten, ettei siirrettävien bittien tila muutu siirron aikana. Tyypillisiä fyysisen kerroksen määrittelemiä asioita ovat mm. käytettävät virta- ja/tai jännitetasot, onko siirtotie yksi- vai kaksisuuntainen, mahdollinen siirtolinjan avaaminen ja sulkeminen, liittimien tyyppi ja pinnijärjestys. 2: Linkkikerros (Data Link Layer) keskittyy viestikehyksien ja niissä mahdollisesti esiintyvien virheiden hallintaan kiinteästi määriteltyjen kenttien, tarkistussummien ja mahdollisien kuittauskehysten avulla. Linkkikerroksen tehtävänä on lisäksi hoitaa vuonohjaus, mahdollinen havaitun virheen jälkeinen kehyksen uudelleenlähetys sekä estää saman viestikehyksen vastaanotto kahteen tai useampaan kertaan. Linkkikerros käyttää fyysisen kerroksen bittitason palveluita. 3: Verkkokerroksen (Network Layer) toiminta keskittyy nimensä mukaisesti verkon toimintaan, miten lähetteet reititetään lähettävältä vastaanottavalle solmulle. Monissa kenttäväylissä kaikki solmut ovat samassa verkossa ja verkkokerrosta ei siksi useinkaan ole toteutettu. 4: Siirtokerroksen (Transport Layer) tarkoitus on pilkkoa istuntokerrokselta tulevat lähetteet verkkokerrokselle sopiviksi lähettävässä solmussa ja vastaavasti koota verkkokerrokselta tulevat lähetteen osat takaisin istuntokerrokselle sopiviksi vastaanottavassa solmussa. Lähetteiden pituuden lisäksi siirtokerroksen tulee kyetä kokoamaan lähetteet satunnaisessa järjestyksessä, koska siirron aikana pilkottujen osalähetteiden keskinäinen järjestys saattaa muuttua vaihtoehtoisten siirtoteiden tai uudelleenlähetysten johdosta. 5: Istuntokerros (Session Layer) mahdollistaa istuntojen avaamisen kahden solmun välille. Erona siirtokerrokseen on, että yhden istunnon aikana voidaan tietoa siirtää samanaikaisesti molempiin suuntiin kerrosta käyttävän tahon kannalta samaan aikaan. 6: Esityskerros (Presentation Layer) tarjoaa palveluita tiedon esitystavan yleiskäyttöiseen hallintaan ja automaattisiin muunnoksiin saman asian eri esitystapojen välillä. 7: Sovelluskerros (Application Layer) sisältää erilaisia sovellustason toimintoja. Monet kenttäväylien korkeamman tason protokollat, esimerkiksi CANopen, ovat sovelluskerroksen protokollia. Yleensä vain osa OSI-mallin kerroksista on samanaikaisesti käytössä. Esimerkiksi nykyisten teollisuus- ja toimistoverkkojen pohjana oleva TCP/ IP-protokollaperhe käyttää fyysistä, linkki-, verkko-, siirtoja sovelluskerrosta, mutta ei istunto- eikä esityskerrosta. Yksityiskohtaisemman kuvan saamiseksi Andrew S. Tanenbaum:n kirja Computer Networks on suositeltavaa lukemista. 9. Lisää lukemista Kenttäväyliä ja tietoverkkoja: Korkeamman tason protokollia: cs/services/rfc/index.html Tietoliikenteestä yleisesti: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 3:rd Edition, Prentice Hall International, 1996, ISBN FLUID Finland