Lappeenrannan teknillinen yliopisto Sähkötekniikan osasto RAPORTTI SULAUTETTU LINUX JA ETHERNET SÄHKÖKONEIDEN KUNNONVALVONNASSA

Transkriptio

1 Lappeenrannan teknillinen yliopisto Sähkötekniikan osasto RAPORTTI SULAUTETTU LINUX JA ETHERNET SÄHKÖKONEIDEN KUNNONVALVONNASSA Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka Anssi Kämäri, Risto Tiainen Case Paperi- ja kartonkiteollisuus

2 1 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO ETHERNET OSI ja Ethernet Ethernet-kehyksen rakenne Logical Link Control Perinteinen Ethernet Kytkentäpohjainen Ethernet Prioriteetti Power Over Ethernet Ethernetin toteutusmahdollisuudet Väylämuuntimet Wireless Local Area Network SÄHKÖKONEIDEN KUNNONVALVONTA Periodinen kunnonvalvonta Jatkuvatoiminen kunnonvalvonta Kunnonvalvonta-antureista Tyhmät anturit Puolityhmät anturi Älykkäät anturit ETHERNETIN HYÖDYNTÄMINEN SÄHKÖKONEIDEN DIAGNOSTIIKASSA Toteutusvaihtoehtoja Protokollan rooli kunnonvalvontajärjestelmän toteutuksessa TESTIJÄRJESTELMÄ Testijärjestelmän Ethernetin toteutus Kernelin aikajaosta Testijärjestelmän soveltuvuus anturidatan keräykseen Käyttöjärjestelmän tarjoamat mahdollisuudet anturidatan lukemiseen Tyhmän anturin lukeminen Puolityhmän anturin lukeminen Älykkään anturin lukeminen Mittauksista ja niiden luettavuudesta sulautetussa Linuxissa Testikortin tukemat tiedonkeruumahdollisuudet YHTEENVETO LÄHTEET LIITTEET

3 2 Lyhenteet: A/D ARM CBM CRC CSMA/CD DHCP DMA FFT FTP I/O IP ISA LLC MAC NAT OSI PC PCI PHY PING PoE QoS SCP SSH TCP UPD Analog / Digital; Analogi / digitaali Advanced RISC Machine; Prossoriarkkitehtuuri Condition-Based Maintenance; kuntoon perustuva ylläpito Cyclic Redundancy Check; virheenhavainnointimenetelmä Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection; siirtotien monikäyttötekniikka Dynamic Host Configuration Protocol Direct Memory Access Fast Fourier Transform; Nopea Fourier-muunnos File Transfer Protocol; tiedonsiirtoprotokolla Input/Output; tulo/lähtö Internet Protocol; Verkkokerroksen tiedonsiirtoprotokolla Industry Standard Architecture; oheislaiteväylä Logical Link Control Media Access Control Network Address Translation; osoitteenmuunnos Open System Interconnection Personal Computer; tietokone Peripheral Component Interconnect; oheislaiteväylä Physical Layer entity sublayer Packet Internet Groper Power Over Ethernet; tekniikka tehon siirtoon Ethernet-kaapeloinnissa Quality of Service; palvelun laatu Secure Copy Secure Shell Transmission Control Protocol; Kuljetuskerroksen tiedonsiirtoprotokolla User Datagram Protocol; yhteydetön tiedonsiirtoprotokolla

4 3 USART WWW Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter; yleiskäyttöinen, sarjamuotoinen, synkroninen tai asynkroninen tiedonsiirtorajapinta World Wide Web

5 4 1 JOHDANTO Kiinnostus Ethernetin käyttömahdollisuuksia kohtaan teollisuudessa on kasvanut nykypäivinä. Erilaisten Ethernet-laitteiden hyvä saatavuus ja halpa hinta ovat tehneet niistä houkuttelevan vaihtoehdon teollisuusjärjestelmien toteutuksessa. Ethernetin toteutustapa rajaa kuitenkin sen sovelluskohteita muun muassa epädeterministisyyden johdosta. Tämän työn tavoitteena oli tutustua Ethernetin ja sulautetun Linuxin käyttömahdollisuuksiin sähkökoneiden jatkuvatoimisen kunnonvalvonnan yhteydessä. Tarkoituksena oli selvittää, mille tasolle Ethernet on järkevä ulottaa, kuinka eri protokollat vaikuttavat laitteiston ja ohjelmiston toteutukseen, sekä kartoittaa markkinoilta löytyvää laitteistoa. Hyvä laitetuki, runsas ohjelmatarjonta ja hyvät ohjelmankehitystyökalut tekevät sulautetusta Linuxista mielenkiintoisen vaihtoehdon kunnonvalvonta laitteistojen suunnittelussa. Sulautetun Linuxin käyttömahdollisuuksia tarkastellaan testijärjestelmän avulla. Työ alkaa Ethernet-osuudella, jossa perehdytään Ethernetin rakenteeseen ja sen erilaisiin toteutusmahdollisuuksiin verkon rakenteen sekä laitteisto- että ohjelmistototeutuksen kannalta. Työssä luodaan lyhyt katsaus sähkökoneiden kunnonvalvontaan ja siinä käytettyihin antureihin, jonka jälkeen Ethernetin käyttömahdollisuuksia kunnonvalvontajärjestelmän toteutusrakenteessa pyritään selventämään. Lopuksi arvioidaan testijärjestelmän soveltuvuutta anturidatan keräykseen.

6 5 2 ETHERNET Ethernet on verkkotekniikka, joka ei ota kantaa päällä toimivaan protokollaan. Ylemmän tason protokollan kannalta Ethernet on tiedonsiirtoyhteys, jossa tieto kulkee. Käytännössä tieto on kuitenkin kapseloituna Ethernet-kehykseen, jossa se lähetetään vastaanottajalle. Ethernet on IEEE 802 -standardiperheen mukainen tiedonsiirtotapa. Alun perin standardi oli erilainen, mutta se muokattiin vastaamaan markkinoilla vakiintunutta DIX-konsortion (Digital Equipment Corporation, Intel Corporation, Xerox Corporation) julkaisemaa Versio II standardia. Nimitys Ethernet tulee tiedonsiirtoon käytetystä koaksiaalikaapelista, jota kutsuttiin eetteriksi (ether). (Comer, 1991) Vaikkei Ethernetiä ole suunniteltu teollisuuskäyttöön, on teollisuudessa alkanut esiintyä kiinnostusta sitä kohtaan. Ethernetillä pyritään korvaamaan perinteisiä kenttäväyliä. Tyypillisesti olemassa oleva kenttäväylä on pyritty kapseloimaan Ethernetin tai sen päällä toimivan protokollan kehykseen. Tämä on kuitenkin ongelmallista, sillä kapselointi lisää lähetettävään dataan overheadia. Lisäksi tyypillisesti käytetyt protokollat (esimerkiksi TCP/IP) sisältävät väylänohjausta, kuten yhteyden avauksen ja sulkemisen. (Tiainen, 2004) Ethernetin käytöllä teollisuusympäristössä saavutetaan erilaisia etuja perinteisten kenttäväylien käyttöön verrattuna. Käyttämällä Ethernettiä myös kenttätasolla se voidaan yhtenäistää ylemmän tason tiedonsiirtojärjestelmien kanssa. Tällöin voitaisiin teoriassa ohjata WWW-palvelimen sisältävää laitetta työaseman Internet-selaimen avulla. Ethernet-pakettiin voidaan kapseloida mikä tahansa verkkokerroksen protokolla. Näin ollen Ethernetin käyttö ei rajoitu olemassa oleviin protokollin. Yksi Ethernetin suuri etu on sitä tukevien laitteiden suuri määrä ja edullisuus. Esimerkiksi kytkimiä on saatavilla runsaasti eri laitevalmistajilta. Lisäksi etuna joihinkin kenttäväyliin verrattuna on laiteavaruuden suuri koko sekä mahdollisuus rinnakkaisten protokollien käyttöön samassa väylässä. Ethernet sopii erinomaisesti suurten verkkojen toteutukseen.

7 6 Vaikka Ethernetin käyttö kenttätasolla on houkuttelevaa, ei se kuitenkaan ole aivan ongelmatonta. Ethernetin käyttö johtaa laitteille menevien johtojen määrän kasvuun verrattuna nykyisiin kenttäväyliin, sillä nykyään käytössä olevat Ethernet-verkot perustuvat tähtitopologiaan. Perinteisesti kenttäväylät on toteutettu siten, että laitteet on kytketty sarjaan. Ethernet mahdollistaa myös laitteiden sarjaan kytkemisen koaksiaalikaapeloinnin avulla, mutta tämän tekniikan käytöstä on nykyään luovuttu. Markkinoilta saatavien verkkolaitteiden käyttö on myös ongelmallista, sillä niitä ei ole tarkoitettu teollisuusympäristöön. Niiden olosuhdesuojaus on riittämätön. Liittimet joita käytetään Ethernet-laitteissa, eivät kestä teollisuusympäristössä. Teollisuuskäyttöön onkin ilmestynyt erilaisia Ethernet-liittimiä, mutta mitään standardia niistä ei ole. Lisäksi Ethernet-protokolla soveltuu huonosti pienien tietomäärien lähettämiseen (esimerkiksi laitteiden ohjaussignaalit), sillä Ethernet-paketin minimikoko on 64 tavua ilman herätesignaalia ja kehyksen alkuosoitinta. Ethernet-verkon koon kasvaessa myös sen epädeterministisyys kasvaa, sillä erilaiset viiveet verkossa lisääntyvät. Törmäysten mahdollisuus ja laitteista johtuvat kytkentäviiveet kasvavat. Tämä on ongelmallista etenkin, jos verkkoa halutaan käyttää johonkin determinististä ympäristöä vaativaan tarkoitukseen, kuten säätöön. 2.1 OSI ja Ethernet Ethernet jakautuu OSI-mallin kahdelle alimmalle kerrkoselle kuvan 1 mukaisesti. OSI-mallin fyysinen kerros vastaa Ethernetin fyysistä kerrosta. Fyysinen kerros on siirtotiestä riippuva. Esimerkiksi käytettäessä kierrettyä paria tiedonsiirrossa, käytetään IEEE standardin mukaista CSMA/CD-tekniikkaa (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Siirtoyhteyskerros jakautuu Ethernetissä kahteen osaan. MAC Bridging- (Media Accesss Control) ja LLC-kerroksiin (Logical Link Control). MAC-kerros käsittää pääasiassa tiedon kapseloinnin, ja LLC-kerros kommunikoinnin ylempien protokollakerrosten kanssa.

8 7 OSI Ethernet Sovelluskerros Application Layer Esitystapakerros Presentation Layer Istuntokerros Session Layer Kuljetuskerros Transport Layer Verkkokerros Network Layer Siirtoyhteyskerros Data Link Layer Fyysinen kerros Physical Layer Logical Link Control (LLC) MAC Bridging Physical (PHY) IEEE IEEE Siirtotiestä riippuva Esim. CSMA/CD IEEE Kuva 1 OSI-mallin ja Ethernet kerroksien välinen yhteys, sekä niihin liittyvät standardit. 2.2 Ethernet-kehyksen rakenne Jokainen Ethernet-paketti sisältää kuvassa 2 esitellyt kentät: PRE (Preamble, Herätesignaali), SFD (Start Frame Delimiter, Kehyksen alkuosoitin), DA (Destination Address, Kohdeosoite), SA (Source Address, Lähdeosoite), Length/Type (Datanpituus/ Tyyppi), Data + PAD (Lähetettävä data) ja FCS (Frame Check Sequence, Kehyksen tarkistussekvenssi). Kenttien käyttötarkoitukset on esitelty alla.(ieee 802.3) PRE SFD DA SA Length/Type Data + PAD FCS Tavua Kuva 2 Ethernet-paketin rakenne. PRE = Preamble (herätesignaali); SFD = Start Frame Delimiter (alkuerotin); DA = Destination Address (kohdeosoite); SA = Source Address (lähdeosoite); Length/Type = (pituus/tyyppi); Data + PAD = (siirrettävä data); FCS = Frame Check Sequence (kehyksen tarkistussekvenssi). Preamble

9 8 Herätesignaali sisältää seitsemän tavua, joiden avulla vastaanotin synkronoituu vastaanottamaansa signaaliin. Herätesignaali lähetetään ennen kehyksen alun osoitinta. Herätesignaalin jokainen tavu on (0xAA). Start Frame Delimiter Kehyksen alun osoitin kertoo vastaanottajalle varsinaisen hyödyllisen datan alkamisesta. Kehyksen alusta kertoo bittisarja (0xAB). Kohde- ja Lähdeosoite Sekä lähde- että kohdeosoitteet koostuvat 6 tavusta eli 48 bitistä. Kuvasta 3 nähdään osoitteiden koostumus. I/G-bitti kertoo onko vastaanottaja yksittäinen asiakas (bitti 0) vai ryhmä (bitti 1). Lähdeosoitteessa ensimmäinen bitti on aina 0. Toinen bitti (U/L-bitti) kertoo, onko osoite paikallinen vai globaali. Viimeisenä tulee laitteen identifioiva osoite. I/G U/L ADDRESS Bittiä Kuva 3 Kohde ja lähdeosoitteen rakenne. I/G = Individual/group address (yksittäinen/ryhmä osoite); U/L = Globally/Locally administrated address (paikallinen/globaali osoite); ADDRESS = (Osoite) Datanpituus/Tyyppi Datanpituus/Tyyppi-kenttä kertoo hyötydatan pituuden, tai tyypin. Arvo tulkitaan tyypiksi, mikäli se on suurempi kuin suurin sallittu datan pituus. Data + DAP Datakenttä sisältää lähetettävän datan. Kentän minimipituus on 46 tavua ja maksimipituus 1500 tavua. Tilanteessa, jossa minimipituus ei tule täyteen, täytetään loppu PAD:lla siten, että dataa lähetetään aina minimissään vähimmäismäärän verran. PAD:n sisältöä ei ole määritetty standardissa (IEEE 802.3).

10 9 FCS Frame Check Sequence -kenttä sisältää 32-bittisen CRC-summan (cyclic redundancy check) lähetetystä datasta. CRC-summan avulla voidaan tarkistaa, onko tiedonsiirrossa tapahtunut virheitä. 2.3 Logical Link Control LLC-kerros toimii linkkinä verkkokerroksen ja alempien kerrosten välillä. LLC-kerros sisältää lähde- (DSAP) ja kohdeosoitteet (SSAP). Näiden avulla kerrotaan, mistä portista mihin porttiin viesti on menossa. Toisin sanoen osoitteet kertovat, mikä protokolla on käytössä. LLC-kerros sisältää lisäksi control-kentän, joka kertoo muun muassa paketin numeron ja LLCluokan. LLC:ssä on määritelty kolme yhteystyyppiä: kuittaamaton ja yhteydetön tyyppi, yhteydellinen ja kuittaava tyyppi sekä yhteydetön kuittaava tyyppi. LLC-luokat ovat yhteystyyppien yhdistelmiä.(ieee 802.2) 2.4 Perinteinen Ethernet Perinteisessä Ethernet-verkossa (koaksiaali 10BASE-2 sekä keskittimellä (hub) toteutetut 10BASE ja 100BASE) jokainen laite odottaa vuoroaan, kunnes verkossa ei ole liikennettä. Toteutustavasta johtuen soveltuvuus reaaliaikaisiin sovelluksiin on heikko. Ethernetin toiminta ei ole determinististä. Liikenteettömän ajanhetken tullessa laite lähettää datan verkkoon ja jää kuuntelemaan, tapahtuuko verkossa törmäystä. Törmäyksellä tarkoitetaan tapahtumaa, jossa usea laite lähettää dataa yhtä aikaa jolloin signaalit sotkevat toisiaan. Törmäyksen tapahtuessa törmäyksen havainnut laite lähettää verkkoon tukoksesta (JAM) ilmoittavaa bittisarjaa, joka helpottaa toisten laitteiden törmäyksen havainnointia. Törmäyksen jälkeen laitteet odottavat satunnaisen ajan ja aloittavat lähetyksen uudestaan. Pienellä kuormituksella Ethernet-verkossa tapahtuu törmäyksiä hyvin harvoin. Mitä suurempi verkon kuormitusaste on, sitä suuremmaksi törmäysten osuus liikenteestä kasvaa. Esimerkiksi Ethernetin käyttöasteen ollessa 20 % on törmäyksien osuus liikenteestä alle 0,1 %. Yli 40 %:n käyttöasteella törmäyksien osuus on jopa 5 % (Samaramayake, 2003).

11 Kytkentäpohjainen Ethernet Kytkentäpohjaisen Ethernetin toiminta perustuu kytkimen (switch) käyttöön liikenteen ohjauksessa. Kytkimen avulla voidaan linjoja käyttää full duplex -tilassa, jossa tulevalla ja lähtevällä datalla on omat linjansa. Kytkin mahdollistaa myös linjan täyden nopeuden hyödyntämisen, sillä törmäyksiä ei pääse tapahtumaan. Myös tämänkaltainen ratkaisu sisältää viiveitä. Kytkimen kuormitusasteen kasvaessa suureksi saatetaan päätyä tilanteeseen, jossa kytkin ei ehdi palvelemaan jokaista tuloa/lähtöä täydellä nopeudella. Toinen mahdollinen virhetilanne syntyy usean portin lähettäessä dataa yhteen ulostuloon. Kyseisen portin kaistanleveyden ollessa maksimissaan lähetettävä data täytyy tallentaa puskuriin. Tämän seurauksena syntyy epädeterminististä puskurointiviivettä. On myös mahdollista, että päädytään tilanteeseen, jossa puskurin koko ei riitä. Tällöin joudutaan pyytämän paketteja uudestaan lähettävältä laitteelta, mikä lisää viivettä entisestään. (Samaramayake, 2003) Edellä kuvattuja virhetilanteita voidaan pyrkiä estämään seuraavilla keinoilla. Half duplex -tilassa kytkin voi lähettää linjalle tukoksesta kertovaa signaalia. Full duplex -tilassa voidaan käyttää taukosignaalia (Pause), jonka saatuaan laite siirtyy odottamaan. Kolmas tapa virhetilanteitten ehkäisyyn on pakettien priorisointi. Korkeamman prioriteetin omaavat paketit lähetetään ennen matalampiprioriteettisia paketteja. (Samaramayake, 2003) 2.6 Prioriteetti Alkuperäinen Ethernet (IEEE standardi) ei sisällä mahdollisuutta liikenteen priorisointiin. Priorisointi perustuu korkeamman tason protokolliin tai Ethernet-protokollan muunnoksiin, kuten 802.1Q (Virtual Bridged Local Area Networks). Nykyaikaiset kytkimet tukevat QoS:a (Quality of service, suom. palvelun laatu). QoS:n avulla pyritään priorisoimaan liikennettä ja takaamaan sille sen tarvitsema nopeus. Esimerkiksi WWW-sivujen katselu ei ole aikakriittistä, joten pakettien myöhästyminen ei haittaa sovellusten toimintaa. Tämänkaltainen liikenne ei siis tarvitse suurta prioriteettia. Jos verkossa siirretään reaaliaikaista puhetta, johtaa

12 11 pakettien myöhästyminen äänen pätkimiseen. Näin ollen puheelle pyritään yleisesti tarjoamaan parempaa palvelun laatua eli tässä tapauksessa korkeampi prioriteetti. QoS voidaan toteuttaa erilaisin menetelmin. Käytännön toteutustapa vaihtelee eri laitevalmistajien välillä. Viiveitä voidaan pienentää priorisoinnilla, mutta sitä ei kyetä poistamaan kokonaan. Odottavien pakettien jonot ovat merkittävin satunnaisen pituisten viiveiden aiheuttaja priorisoidussa verkossa. Mikäli matalaprioriteettisen paketin lähetys on aloitettu korkeaprioriteettisen pakettin saapuessa reitittimelle, se lähetetään kokonaan ennen korkeampiprioriteettisen paketin lähettämistä. Pahimman tapauksen vasteaika toteutuu tilanteessa, jossa suurimman sallitun paketin (1526 tavua preamble ja kehyksen alun osoitin mukaan luettuna) lähetys on juuri aloitettu, kun korkeampiprioriteettinen paketti tulee jonoon. 1 Tällöin vasteaika on = µs 100 Mbps -verkolla ja = ms 10 Mbps -verkolla. (Samaramayake, 2003) 2.7 Power Over Ethernet PoE (Power Over Ethernet) on IEEE 802.3af standardin mukainen tapa siirtää tehoa Ethernet-kaapeloinnissa. Sen avulla esimerkiksi anturijärjestelmien toteuttaminen helpottuisi, sillä laitteille ei tarvittaisi erillisiä virtajohtoja. Standardi määrittää kaksi mahdollista tapaa tehon siirtämiseen. Teho voidaan siirtää joko vapaissa johtopareissa tai datapareissa. Tehon siirtämiseen käytetään aina kahta johtoa sekä negatiiviselle että positiiviselle jännitteelle. Standardin mukaan PSE-laite (Power Sourcing Equipment) voi käyttää kumpaa tahansa tapaa tehon lähettämiseen. Standardi mahdollistaa myös kumman tahansa polariteetin käytön. PDlaitteen (Power Device) tulee kyetä vastaanottamaan teho molemmilla standardin mukaisilla tavoilla. (IEEE 802.3af)

13 12 Standardin mukaan PSE-laitteen tulee syöttää minimissään 44 ja maksimissaan 57 volttia tasajännitettä. Tehoa laitteen tulee kyetä syöttämään siten, että tehon sekunnin aikana mitattu keskiarvo on 15.4 wattia koko jännitealueella. (IEEE 802.3af) PoE-standardi on tehty yhteensopivaksi vanhojen Ethernet-laitteiden kanssa. Ennen kuin täyttä tehoa aletaan syöttää johtoon, käydään läpi PoE-laitteen tunnistusprosessi. Näin mahdollistetaan vanhojen Ethernet-laitteiden käyttö rinnan PoE-laitteiden kanssa. Samalla estetään POE-standardin kanssa yhteensopimattomien laitteiden rikkoutuminen PSElaitteeseen kytkeytymisen yhteydessä. (IEEE 802.3af) Markkinoilta löytyy kytkimiä ja reitittimiä, jotka tukevat suoraan PoE:a. Lisäksi on kehitetty laitteita, joiden avulla vanhoista Ethernet-laitteista saadaan PoE/PSE yhteensopivia. Näitä laitteita kutsutaan MPS-laitteiksi (Midspan Power Source). MPS-laite lisätään normaalin kytkimen viereen, ja kaikki kytkimen yhteydet viedään MPS:n läpi. (GarrettCom, 2005) 2.8 Ethernetin toteutusmahdollisuudet Ethernetin toteuttamiseen vaaditaan sekä ohjelmistotason että laitteistotason ratkaisuja. Ohjelmistotasolla joudutaan tekemään ajuri käytetylle MAC-kerroksen toteuttavalle piirille sekä LLC-protokollalle, tai vaihtoehtoisesti väylämuuntimia käytettäessä jollekin sarjaväylälle. Ethernetin toteutus voidaan jakaa kahteen osaan: fyysisen tason (PHY) toteuttamiseen ja MAC-kerroksen toteuttamiseen. Fyysisen tason toteuttaminen vaatii aina pääasiassa samat toimenpiteet, mutta siirtoyhteyskerroksen voi toteuttaa eri tavoilla. Fyysisen tason piirinä voidaan käyttää esimerkiksi Micrelin KS8721-piiriä. Se muuntaa siirtoyhteyskerrokselta tulevan datan sarjamuotoiseksi, tahdistuu saapuvaan signaaliin ja lähettää saapuvan datan siirtoyhteyskerrokselle (Micrel). Fyysisen tason piirin lisäksi tarvitaan linjamuuntimet ja RJ45-liitin. Markkinoilla on saatavilla liittimiä, joissa linjamuuntimet ovat

14 13 sisäänrakennettuina. Lisäksi liittimiin voi olla integroitu myös merkkivaloja, jotka kertovat yhteyden nopeudesta ja tilasta sekä lähtevästä ja saapuvasta liikenteestä. Siirtoyhteyskerroksen tarkoituksena on toteuttaa Ethernetin MAC- ja LLC-verkkokerrokset. LLC-kerros tehdään ohjelmallisesti. MAC-kerros toteutetaan laitteistotasolla, ja sen toteutustapa riippuu käytetystä prosessoriarkkitehtuurista sekä sen tarjoamista mahdollisuuksista. Toteutustavat voidaan jakaa kahteen ryhmään: mikroprosessoriin sisäänrakennettuihin ja ulkoisiin Ethernet-piireihin. Mikäli MAC-kerros on sisäänrakennettuna mikroprosessorissa, ei MAC-kerroksen toteuttamiseksi tarvita ylimääräisiä piirejä, vaan mikroprosessori liitetään suoraan fyysisen tason piiriin. Osa ARM-prosessoreista, kuten Cirrus Logic:n EP9302, sisältää Ethernetin MAC-kerroksen (Cirrus Logic, 2004). Mikäli prosessorissa ei ole MAC-kerrosta sisäänrakennettuna, täytyy käyttää ulkoista Ethernet-piiriä, kuten Realtek:n RTL8019. Piiriä voidaan käyttää esimerkiksi 8-bittisten mikrokontrollerien kanssa. Se tukee ainoastaan 10 Mbps nopeutta, eikä näin ollen ole järkevä valinta uusien laitteiden rakentamiseen (Realtek, 2001). Kuvassa 4 on esitetty kaksi esimerkkiä Ethernetin laitteistotason toteutuksesta. Ylemmässä esimerkissä eri tehtävät on jaettu loogisesti piirien kesken. Alemmassa esimerkissä osa piireistä on jäänyt tarpeettomiksi yhdistelmäpiirien käytön ansiosta. Edullisin mahdollinen toteutus riippuu käytettävissä olevista komponenteista ja tuotantomäärän koosta. Suunnittelun kannalta yksinkertaisin vaihtoehto on yhdistelmäpiirien käyttäminen. Mikroprosessori MAC-kerroksen toteuttava piiri Fyysisen kerroksen (PHY) toteuttava piiri Linjamuunniin/ erotin RJ-45 Liitin Mikroprosessori (Integroitu MAC-kerros) Fyysisen kerroksen (PHY) toteuttava piiri RJ-45 Liitin (Integroitu linjamuunnin) Kuva 4 Ethernetin laitteistotason toteutusesimerkki yksittäisillä piireillä (ylempi) ja yhdistelmäpiireillä (alempi).

15 14 Muita vaihtoehtoja Ethernetin toteuttamiseen ovat valmiiden Ethernet-korttien sekä väylämuuntimien käyttäminen. Valmiiden Ethernet-korttien käytöllä tarkoitetaan sitä, että käytetään kaupasta saatavaa, ISA- tai PCI-väylään sopivaa verkkokorttia. Tällöin käytettävän järjestelmän täytyy tukea verkkokortin käyttämää väylärakennetta. Verkkokorttia varten täytyy lisäksi tehdä laiteajuri, mikä saattaa olla hankalaa joidenkin laitevalmistajien kohdalla. 2.9 Väylämuuntimet Väylämuuntimien toimintaperiaate on esitetty kuvassa 5. Kuvassa RS485-väylään liitetyltä anturilta tuleva data kapseloidaan väylämuuntimen avulla Ethernet-protokollaan. Yleensä väylämuuntimet eivät kapseloi dataa suoraan Ethernet-pakettiin, vaan johonkin korkeamman tason protokollaan, kuten TCP/IP-protokollaan. Osa väylämuuntimista hallitsee myös muunnokset suoraan kenttäväyläprotokolliksi, esimerkiksi Modbus-protokolla on yleisesti tuettu. Pienen otannan (liite 1) perusteella väylämuuntimien ovat melko kalliita. Niiden hinnat liikkuvat 200 euron molemmin puolin. Ethernet Väylämuunnin RS485 Anturi Kuva 5 Väylämuuntimen toteutusperiaate. Anturilta tuleva RS485-signaali kapseloidaan Ethernet-signaaliin. Yleensä väylämuuntimen liikennöinti Ethernetistä sarjaväylään päin on toteutettu siten, että tietokoneelle on tehty laiteajuri, joka lisää muuntimen virtuaaliseksi sarjaportiksi. Väylämuunnin on tässä tapauksessa täysin näkymätön käyttäjälle. Toinen vaihtoehto datan lähettämiseen sarjaväylälle on käyttää muuntimen IP-osoitetta, johon data lähetetään. Muuntimelta Ethernettiin päin liikennöinti tapahtuu siten, että muuntimeen ohjelmoidaan IPosoite johon data halutaan lähettää. Tämän jälkeen TCP/IP -yhteys voidaan avata sarjaportista päin. Osa muuntimista pyrkii pitämään avatun yhteyden mahdollisimman kauan auki, ettei turhia yhteydenavauksia tulisi. Esimerkiksi Portbox sulkee yhteyden 50 sekunnin tauon jälkeen (HW Group, 2004). Toinen esimerkki on EDW-100, joka avaa yhteyden

16 15 konfiguraatiossa määritettyyn laitteeseen heti käynnistyksen yhteydessä. Yhteys pidetään auki, ellei jokin muu laite tarvitse sitä (Westermo, 2005). Mikäli muunnin tukee jotain kenttäväyläprotokollaa, sen toimintaperiaate on samanlainen kuin muidenkin muuntimien, sillä erotuksella, että sarjaväylälle tuleva data kapseloidaan käytössä olevan protokollan mukaisesti. Myös Ethernetissä liikkuva data on tyypillisesti kapseloitu kenttäväylän Ethernet-variantin mukaisesti. Tällaisia muunnoksia ovat esimerkiksi Modbus RTU Modbus TCP ja Profibus Profinet -muunnokset. Huomioitavaa muuntimien valinnassa on, etteivät kaikki muuntimet nähtävästi osaa yhteydenavausta molempiin suuntiin, vaikkei se datalehdestä ilmenisikään. Lisäksi laitteista aiheutuvien viiveiden arviointi on lähes mahdotonta ilman testausta Wireless Local Area Network WLAN (Wireless Local Area Network) on IEEE standardin mukainen tapa langattomien verkkojen toteuttamiseen. WLAN ei varsinaisesti ole langaton Ethernet, joksi sitä välillä kutsutaan, sillä WLAN:n ja Ethernetin MAC-kerrokset eroavat huomattavasti toisistaan. Toisaalta käyttäjän näkökulmasta WLAN-verkko käyttäytyy kuten Ethernet. WLAN:ssa voidaan esimerkiksi käyttää TCP/IP-protokollaa. Tällä hetkellä käytetyimpiä WLAN-standardeja ovat IEEE b (11 Mbps) ja g (54 Mbps). WLAN-verkko käyttää liikennöintiin 2,4 GHz:n taajuutta. WLAN mahdollistaa lähetetyn tiedon salauksen. Alun perin tiedon salaukseen käytettiin 64-bittistä tai 128-bittistä WEP-salausta (Wired Equivalent Privacy). Sen käyttöä pyritään kuitenkin välttämään, sillä se on helposti murrettavissa. Nykyään käytetään uudempaa WPA-salausta (Wireless Fidelity Protected Access). Kunnonvalvonnassa WLAN-tekniikkaa voitaisiin hyödyntää esimerkiksi liikkuviin osiin antureita kiinnitettäessä. On kuitenkin huomioitava, että myös WLAN-laitteet tarvitsevat teholähteen toimiakseen, jolloin laitteelle jouduttaisiin kuitenkin tekemään kaapelointi.

17 16 Käyttöjännite saadaan laitteille myös akkujen avulla. Mikäli langattomia laitteita on useita, akkujen käyttäminen on ongelmallista, sillä päädytään tilanteeseen jossa akkuja joudutaan lataamaan tai vaihtamaan usein.

18 17 3 SÄHKÖKONEIDEN KUNNONVALVONTA Yksinkertaisimmillaan teollisuuslaitoksen kunnossapito on sitä, että rikkoutunut kone vaihdetaan uuteen. Tämä ei kuitenkaan ole järkevää, sillä koneen rikkoutuminen voi aiheuttaa pitkiä katkoksia tuotannossa, sekä hajottaa muita laitteita. On myös mahdollista, ettei kone ole vielä rikkoutunut, vaan ainoastaan kulunut. Tällainen kuluminen saattaa johtaa tuotannon laadun heikentymiseen. Toinen yksinkertainen tapa toteuttaa kunnossapitoa on vaihtaa koneet uusiin ennen niiden arvioidun rikkoutumisajan täyttymistä. Näin kuitenkin saatetaan vaihtaa laitteita uusiin, vaikka se ei olisi vielä välttämätöntä. CBM:n (Condition-Based Maintenance suom. kuntoon perustuva ylläpito) ideana on seurata laitteiden toimintaa, havaita toiminnassa tapahtuvat muutokset ja ennustaa laitteen rikkoutumisajankohta. Ihanteellisessa tapauksessa laite kyettäisiin vaihtamaan uuteen käyttöiän tullessa täyteen, ilman pitkiä tuotantokatkoksia ja aiheuttamatta vahinkoja muille laitteille. (Lindh, 2003) 3.1 Periodinen kunnonvalvonta Periodisen kunnonvalvonnan ideana on tarkkailla laiteen kuntoa tietyin väliajoin. Laiteen kunto tarkistetaan suorittamalla sille halutut mittaukset. Tällaista kunnonvalvontaa on käytetty teollisuudessa pitkään. Mittaukset suoritetaan kannettavien mittalaitteiden avulla, joten tarvetta tiedonsiirtoyhteyksille mittalaitteilta tehtaan tietojärjestelmiin ei ole, sillä mitattu tieto voidaan kuljettaa mittalaitteessa analysoitavaksi. Analysointi voidaan suorittaa myös itse mittalaitteessa. Periodisen kunnonvalvonnan huono puoli on sen hitaus. Mittausten suorittamiseen tarvitaan työvoimaa, sillä mittalaitteet täytyy viedä tarkkailtavien laitteiden luokse. Mikäli tarkkailtavia laitteita on paljon, voi yksittäisen laitteen tarkkailuväli kasvaa pitkäksi. Lisäksi periodista kunnonvalvontaa ei voida käyttää kohteissa, joihin ei päästä mitattavien laitteiden ollessa päällä. (Tiainen, 2004)

19 Jatkuvatoiminen kunnonvalvonta Jatkuvatoimisessa kunnonvalvonnassa kunnonvalvonta-anturit on kiinnitetty mitattavaan kohteeseen. Jotta mitattu tieto tai mittalaitteen siitä tekemä analyysi saadaan luettua, täytyy mittalaitteelta olla tiedonsiirtoyhteys kunnonvalvontaa suorittavalle taholle. Tällaisella järjestelyllä kyetään mittauksia ottamaan ilman henkilökunnan läsnäoloa. Mittaus voidaan suorittaa useassa paikassa yhtaikaa, ja mitatun tiedon kerääminen voidaan automatisoida. Mittauksien aikaväli voi olla lyhyt, joten nopeasti kehittyvien vikojen havainnointimahdollisuudet kasvavat periodiseen kunnonvalvontaan verrattuna. (Tiainen, 2004) 3.3 Kunnonvalvonta-antureista Erilaiset kunnonvalvonta-anturit voidaan jaotella kolmeen eri ryhmään toimintatavan mukaan. Anturit voivat olla älykkäitä, tyhmiä tai puolityhmiä. Tällainen jaottelu on käytännöllinen tässä esitetyssä tarkastelussa. Taulukossa 1 on esitelty anturijaolle tyypillisiä ominaisuuksia Tyhmät anturit Tyhmällä anturilla tarkoitetaan anturia, joka ei sisällä minkäänlaista tiedon prosessointia tai puskurointia, vaan tieto lähetetään sellaisenaan eteenpäin. Tyhmien antureiden käyttäminen edellyttää antureilta mittadataa keräävältä laitteelta (keräily-yksikkö) mittausdatan reaaliaikaista vastaanottokykyä. Tyypillisesti tyhmät anturit lähettävät tietoa analogisesti, mutta myös digitaalilähtöisiä antureita on saatavilla Puolityhmät anturi Puolityhmä anturi kykenee varastoimaan tietoa hetkellisesti. Mitattu data muunnetaan digitaaliseen muotoon jo anturitasolla. Mittausdata voidaan varastoida joko kokonaisuudessaan anturiin, tai sitä varastoidaan juuri sen verran, että tiedonsiirto onnistuu varmasti. Esimerkiksi tiedonsiirron aikana kadonnut tai virheellinen paketti voidaan lähettää

20 19 uudestaan ja koko mittausnäyte saadaan ehjänä perille. Puolityhmä anturi ei sisällä tiedon prosessointia tai analysointia Älykkäät anturit Älykkäällä anturilla tarkoitetaan anturia, joka kykenee mittauksen suorittamisen lisäksi varastoimaan ja analysoimaan mittausdataa sekä tarvittaessa muokkaamaan sitä halutulla tavalla. Älykkäät anturit tarvitsevat enemmän laskentatehoa ja muistia kuin tyhmät ja puolityhmät anturit. Koska antureilta vaaditaan mitatun tiedon muokkaus- ja analysointimahdollisuuksia, tulee niiden ohjelmista monimutkaisia. Monimutkaisuuden takia tällaisten anturien ohjelmistokehitys on hitaampaa kuin tyhmien antureiden. Taulukko 1 Anturityyppien vertailua. Eri anturien tiedonvarastointi- ja laskentatehotarpeet, tiedon analysointikyky sekä tiedonsiirron mahdollisuudet. Laskentatehon Tiedon Tiedon varastointi Tiedonsiirtovirheiden korjaus tarve analysointi Tiedonsiirto Tyhmät Vähäinen tai ei Vain mittaus- Ei Ei Ei anturit lainkaan nopeus Puolityhmät Ennalta määrätty Osittain Vähäinen Ei Mahdollista anturit miniminopeus Älykkäät Mikä tahansa Kyllä Suuri Mahdollista Mahdollista anturit nopeus

21 20 4 ETHERNETIN HYÖDYNTÄMINEN SÄHKÖKONEIDEN DIAGNOSTIIKASSA 4.1 Toteutusvaihtoehtoja Tarkastellaan ensimmäiseksi kuvan 6 mukaista tilannetta, jossa Ethernetiä ei käytetä mittaustietojen lukemiseen. Kuvassa anturit on liitetty keräily-yksikköön RS485-väylän avulla. Myös tietokoneen ja keräily-yksikön välillä käytetään RS485-väylää. Keräily-yksikön ja anturien välinen tiedonsiirto voitaisiin joissain tapauksissa toteuttaa myös analogisesti, jolloin voitaisiin käyttää tyhmiä analogisia antureita. Järjestelmän etuna on anturijärjestelmän halpa laitteisto- ja ohjelmistototeutus verrattuna järjestelmään, jossa Ethernet-liityntä löytyy jokaisesta laitteesta. Toisaalta järjestelmä tarvitsee toimiakseen laitteen, joka hakee mittaukset keräily-yksiköltä. WWWpalvelin Keräilyyksikkö Modbus RS-485 Internet RS-485 A RH,T G T Anturit Kuva 6 Anturijärjestelmä, jossa anturidata kerätään RS-485-yhteyden avulla. Yhteys keräily-yksiköltä palvelimelle on toteutettu Modbus-väylän avulla. Palvelimen tietoliikenneyhteys mahdollistaa kommunikoinnin loppukäyttäjän kanssa.

22 21 Kuvassa 7 on esitelty järjestelmä, jossa keräily-yksikköön on sulautettu Ethernet-liityntä. Keräily-yksikkö toimii antureiden kannalta kuten kuvan 6 järjestelmä. Se voi kerätä datan antureilta analogisesti tai digitaalisesti, toteutuksesta riippuen. Järjestelmän etuna on Ethernetliityntä ulkomaailmaan ja sen tuomat mahdollisuudet. Keräily-yksikköön voidaan ohjelmoida esimerkiksi TCP/IP-protokolla ja sen päällä toimiva WWW-palvelin, kuten kuvassa on esitetty. Tämä mahdollistaisi järjestelmän etävalvonnan ja päivittämisen sekä mittaustietojen hakemisen kaikkialla, missä verkkoon liityminen on mahdollista. Ethernetin käyttö mahdollistaa lukuisten muidenkin ratkaisujen käytön, kuten tiedostojakopalvelimet (esimerkiksi FTP) ja erilaiset protokollat kuten Modbus/TCP. Modbus/TCP:llä voidaan keräily-yksikköä ohjata Internetin yli Modbus-protokollan mukaisesti, vaikka itse tiedonsiirto tapahtuukin TCP/IP-protokollaa hyväksikäyttäen. Keräilyyksikkö WWWpalvelin Internet RS-485 A RH,T G T Anturit Kuva 7 Anturijärjestelmä, jossa anturidata kerätään RS-485-yhteyden avulla. Yhteys keräily-yksiköltä eteenpäin on mahdollista Ethernet-liitynnän avulla. Mikäli Ethernet halutaan viedä anturitasolle, voidaan järjestelmän toteutusmahdollisuudet jakaa kahteen ryhmään. Toisessa ryhmässä tiedonsiirtoon käytetään koaksiaalikaapelia, johon jokainen anturi on kytketty sarjaan. Toisessa ryhmässä käytetään tähtiverkkoa ja kierrettyä parikaapelia.

23 22 Kuvan 8 mukainen verkko on toteutettu 10BASE-2-tekniikalla, eli koaksiaalikaapelilla. Jokainen anturi sisältää Ethernet-liitynnän, jonka avulla se liittyy koaksiaalikaapeliin. Ethernetin päällä käytettävä protokolla vaikuttaa anturin fyysiseen toteutetukseen. Mikäli antureissa aiotaan käyttää jotain yhteydellistä protokollaa kuten TCP/IP, täytyy anturien kyetä varastoimaan mittaus kokonaisuudessaan muistiinsa, sillä verkossa saattaa tapahtua törmäyksiä, joiden seurauksena TCP-protokolla pyytää pakettien uudelleenlähetystä. Myös pakettien kadotessa matkalle TCP-protokolla pyytää niiden uudelleenlähetystä. Mikäli anturi halutaan pitää mahdollisimman yksinkertaisena, täytyy käyttää protokollaa, joka lähettää datan ainoastaan kerran siirtotielle. Koaksiaaliverkon toteuttamiseen tarvittavien komponenttien saatavuus on heikko, sillä tietotekniikkakäytössä tällaisten verkkojen rakentaminen on nykyään harvinaista. Lisäksi tällaisessa ratkaisussa keräily-yksikkö tarvitsee kaksi Ethernet-liityntää: toisen antureille ja toisen ulkomaailmaan. WWWpalvelin Keräilyyksikkö Internet Ethernet 10 Base-2 (koaksiaali) A RH,T G T Anturit Kuva 8 Anturitiedon kerääminen koaksiaali-kaapeloitua Ethernetiä hyväksikäyttäen. Anturit ja keräily-yksikkö on liitetty koaksiaaliverkkoon. Tiedonsiirto keräily-yksiköltä analysoitavaksi on toteutettu käyttämällä keräilyyksikössä toista Ethernet-liityntää.

24 23 Mikäli anturien kytkentä tehdään tähtiverkkotopologiaan perustuen, joudutaan käyttämään jotakin aktiivista laitetta jakamaan, joka välittää sanomat verkon eri osiin. Tähän tarkoitukseen sopivia laitteita ovat keskittimet (hub), kytkimet (switch) ja reitittimet (router). Kytkimien ja keskittimien käyttötarkoitus on sama. Molemmat lähettävät saapuneet viestit eteenpäin. Keskitin lähettää saapuneen viestin kaikkiin portteihin. Kytkin lähettää viestin ainoastaan porttiin, jossa kohdelaite sijaitsee. Keskittimien käyttö on nykyään harvinaista, sillä niissä kaistanleveys jakautuu jokaisen liitetyn laitteen kesken. Kytkimien avulla voidaan käyttää täyttä tiedonsiirtonopeutta kahden laitteen välillä. Lisäksi kytkimiä käytettäessä ei esiinny törmäyksiä eikä niistä johtuvia satunnaisia viiveitä, kuten keskittimiä käytettäessä. Reititin eroaa kytkimistä ja keskittimistä siinä, että sillä kyetään ohjaamaan verkkoliikennettä. Reititin osaa esimerkiksi hallita eri verkkojen välisiä yhteyksiä ja ohjata eri osoitteisiin menevää liikennettä käyttäjän haluamalla tavalla. Kuvassa 9 on esitetty kytkimellä toteutettua tähtiverkko. Siinä sekä anturit että keräily-yksikkö on yhdistetty kytkimeen. Kytkimen käytön etuna on, ettei törmäyksiä tapahdu. Käyttämällä sopivaa protokollaa voitaisiin törmäyksiltä välttyä. Tällöin voitaisiin käyttää myös keskitintä kytkimen tilalla. Nykypäivänä keskittimien saatavuus on kuitenkin huono ja niiden hinta on samalla tasolla kytkinten kanssa. Näin ollen keskittimien tilalla kannattaa aina käyttää kytkimiä. Anturien osalta vaatimukset ovat samat kuin kuvan 8 mukaisessa kokoonpanossa, sillä kytkimet käyttävät MAC-osoitteita pakettien ohjaamiseen. Myös tällainen ratkaisu vaatii keräily-yksiköltä kahta Ethernet-liityntää.

25 24 WWWpalvelin Keräilyyksikkö Internet Ethernet 10/100 Base-T Kytkin A RH,T G T Anturit Kuva 9 Anturitiedon kerääminen kytkettyä Ethernetiä hyväksikäyttäen. Anturit ja keräily-yksikkö on liitetty kytkettyyn Ethernet-verkkoon. Tiedonsiirto keräily-yksiköltä analysoitavaksi on toteutettu käyttämällä keräilyyksikössä toista Ethernet-liityntää. Reitittimellä toteutettu tähtiverkko eroaa lähtökohdiltaan kytkimellä tai keskittimellä toteutetusta verkosta. Toisin kuin kytkimessä ja keskittimessä, reitittimen yhteyksien muodostaminen perustuu verkkokerroksen protokollaan. Reititin on siis protokollariippuvainen laite. Tämän takia anturien täytyy tukea jotain yleisesti käytettyä protokollaa, kuten IP:tä. Näin ollen voidaan käyttää ainoastaan älykkäitä antureita. Reitittimen käytön etuna on, ettei keräily-yksikössä tarvitse olla useaa Ethernet-liityntää, kuten kuvassa 10 on esitetty. Reitittimen avulla verkko voidaan rakentaa siten, että ulkoapäin ainoastaan keräily-yksikkö näkyy verkossa. Tällöin voidaan kommunikoida keräily-yksikössä olevan palvelimen kanssa. Keräily-yksikön ja antureiden suunnasta verkko voidaan rakentaa siten, ettei ulkomaailmaa näy ollenkaan. On myös mahdollista että keräily-yksikkö näkee ulkomaailman, mutta anturit eivät.

26 25 Reitittimien hinta on huomattavasti korkeampi kuin kytkinten tai keskittimien. Toisaalta markkinoilta löytyy lukuisia välimuotolaitteita, kuten esimerkiksi kytkimiä, jotka osaavat tehdä verkkojen yhdistämistä (NAT, Network Address Translation) sekä rajoittaa liikennöintiä. WWWpalvelin Keräilyyksikkö Ethernet 10/100 Base-T Internet Reititin A RH,T G T Anturit Kuva 10 Anturitiedon kerääminen reititettyä Ethernetiä hyväksikäyttäen. Anturit ja keräily-yksikkö on liitetty reititettyyn Ethernet-verkkoon. Tiedonsiirto keräily-yksiköltä analysoitavaksi voidaan mahdollistaa reitittämällä osa keräily-yksikön osoiteavaruudesta pois anturijärjestelmästä. Kuvassa 11 on esitetty toinen kytkimellä toteutettu tähtiverkko. Ratkaisussa keräily-yksiköllä on ainoastaan yksi Ethernet-sovitin. Anturit, keräily-yksikkö ja liityntä ulkopuoliseen verkkoon on kytketty samaan verkkolaitteeseen. Ratkaisun huono puoli on, että ulkoapäin voidaan lähettää paketteja suoraan antureille. Tällöin anturien toimintaa voidaan helposti häiritä. Anturien ja keräily-yksikön välinen yhteys on samassa osoiteavaruudessa kuin yhteys ulkopuolisiin verkkoihin. Verkko käyttää kytkintä, joten normaali verkkoliikenne ei häiritse antureita, sillä kytkin ohjaa paketit ainoastaan vastaanottajille.

27 26 WWWpalvelin Keräilyyksikkö Ethernet 10/100 Base-T Kytkin Internet A RH,T G T Anturit Kuva 11 Anturitiedon kerääminen kytkettyä Ethernetiä hyväksikäyttäen. Kaikki tietoliikenneyhteydet kulkevat saman kytkimen kautta ja ovat samassa osoiteavaruudessa. Järjestelmä on haavoittuvainen ulkoapäin tulevalle häirinnälle. Teoriassa on myös mahdollista rakentaa anturit siten, että jokainen anturi kykenisi toimimaan itsenäisenä yksikkönä. Tällöin päädyttäisiin tilanteeseen, jossa kokonaisuuden hallinta vaikeutuisi huomattavasti, mikäli laitteita olisi paljon. Lyhyesti voidaan todeta, että Ethernetin ulottaminen anturitasolle lisäisi tarvittavan johdotuksen määrää, mikäli käytetään tähtiverkkoa. Sarjaan kytketyssä koaksiaaliverkossa johdotuksen tarve on pienempi, mutta sen käyttäminen on kyseenalaista, sillä tekniikka on poistumassa markkinoilta. Ethernetin sulauttaminen keräily-yksikön ja ulkomaailman välille luo paljon mahdollisuuksia anturien loppukäyttäjiä silmälläpitäen. Esimerkiksi TCP/IP-protokollan avulla se mahdollistaa muun muassa anturien päivittämisen internetistä käsin, WWW-pohjaiset käyttöliittymät sekä sähköpostiin lähetettävät tilanneraportit ja virheilmoitukset.

28 Protokollan rooli kunnonvalvontajärjestelmän toteutuksessa Ethernet-protokolla ei ota kantaa millaista liikennettä sen avulla siirretään. Tämä mahdollistaa sen, että Ethernet-paketin sisällä voidaan kuljettaa mikä tahansa korkeamman tason protokolla. Ethernet-protokolla ei myöskään sisällä yhteyden avausta tai virheenkorjausta, vaan niiden toteutus jätetään muille protokollille. Kuvassa 12 on tyypillinen esimerkki protokollien kapseloinnista. Kuvan kaksi alinta kerrosta kuvaavat Ethernettiä. Kaikki siirrettävä data on kapseloitu alimman kerroksen (MACkerroksen) sisälle. LLC-kerroksen avulla identifioidaan protokolla, jolle paketti kuuluu. TCPja IP-tasot kuvaavat TCP/IP-protokollaa, jossa TCP-protokolla siirretään IP-protokollan sisällä. IP-protokollan pääasiallinen tehtävä on tunnistaa IP-osoitteiden avulla laite, jolle tieto on menossa. TCP-protokollan tehtävä on huolehtia yhteyden avauksesta, kadonneiden pakettien uudelleenlähetyksestä sekä saapuneiden pakettien yhdistämisestä. Kuvan ylin taso kuvaa kenttäväylää, joka on kapseloitu TCP/IP:n sisälle. Tällä tavalla toimiva kenttäväylä on esimerkiksi Modbus/TCP. kenttäv.ots. kenttäväylän data TCP-otsikko TCP-data IP-otsikko IP-data LLC-otsikko LLC-data MAC-otsikko MAC-data Tarkistussumma Kuva 12 Esimerkki protokollien kapselonnista. Kenttäväylä on kapseloitu TCP/IP-protokollaan. (Tiainen, 2004) MAC- ja LLC-kerrosten toteutus tapahtuu laitteistotasolla. Kaikki näitä ylemmät kerrokset toteutetaan ohjelmallisesti. Mikäli tarkoituksena on käyttää olemassa olevia protokollia, joudutaan usein toteuttamaan TCP- ja IP-protokollat. Tämä johtuu siitä, että useimmat Ethernetiä käyttävät kenttäväylät käyttävät TCP/IP-protokollaa tiedon kapselointiin. Tällaisen järjestelyn etuna on, että kenttäväylälle kyetään lähettämään dataa jo mahdollisesti olemassa

29 28 olevien tietokoneiden avulla. Protokolla voidaan toteuttaa myös suoraan Ethernetin päälle. Mikäli näin halutaan tehdä, joudutaan protokolla suunnittelemaan itse ja yhteensopivuus muitten laitteiden kanssa menetetään, sillä tällaisia kenttäväyliksi soveltuvia protokollia ei ole. Omien protokollien käyttö johtaa myös ongelmiin olemassa olevien verkkolaitteiden kanssa. Esimerkiksi reitittimien liikenteenohjaus perustuu IP-protokollaan, eikä niiden käyttö onnistu ongelmitta ilman sitä. Teoriassa kytkimien ja keskittimien pitäisi toimia ongelmitta myös omaa protokollaa käytettäessä. Mitä korkeamman kerroksen protokollasta on kyse, sitä enemmän otsikkotietoja jokainen lähetetty paketti sisältää. Näin ollen pienenkin tietomäärän lähettämiseen tarvitaan iso paketti, mikä johtaa varsinaisen hyötydatan siirtonopeuden pienenemiseen. Lisäksi jokaisen protokollan tiedon käsittelystä aiheutuu viiveitä, ja käytettäessä yhteydenavauksen ja kuittauksia sisältäviä protokollia lisääntyy järjestelmän epädeterministisyys ja ennalta arvaamattomuus.

30 29 5 TESTIJÄRJESTELMÄ Testijärjestelmä hankittiin, jotta voitiin muodostaa käytännön käsitys sulautetun Linuxin soveltuvuudesta anturidatan keräykseen, sekä tarkastella Ethernetin toteutusta. Lisäksi pyrittiin testaamaan kuinka reaaliaikaiseen käsittelyyn testikortti pystyy. Testijärjestelmänä käytettiin Technologic Systems:n TS-7200 Single Board Computer- testikorttia (kuva 13), jossa on seuraavat ominaisuudet: MHz ARM9- prosessori (EP9302) - 32 MB RAM-muistia - 8 MB Flash-muistia - IDE Compact Flash -liityntä - 10/100 Mb Ethernet-liityntä - 2 kappaletta USB-portteja - 2 kappaletta COM-portteja - Vahtikoira-ajastin - PC/104-väylä lisälaitteille - SPI-väylä - 20 Digitaalista I/O linjaa - LCD- ja matriisinäppäimistöliityntä - Lisälaitteina testikorttiin oli lisäksi liitetty o 8-kanavainen A/D-muunnin (MAX1978) o Lämpötila-anturi o Patterivarmistettu reaaliaikakellomoduuli (TS-5620)

31 30 Kuva 13. TS-7200 testikortti Käyttöjärjestelmänä testikortilla toimii Debian Linux, johon Technologic Systems on lisännyt omia päivityksiä. Testeissä käytetty kernelin versio on vrs1-cirrus ts8. Laudalle ei ole suoraan saatavissa uudempia versionumerolla 2.6 alkavia kerneleitä, jotka mahdollistaisivat paremman laitetuen sekä lyhyemmät vasteajat. 5.1 Testijärjestelmän Ethernetin toteutus Kuva 14 esittää testilaitteiston Ethernet-liitynnän toteutusta. MAC-kerros on integroitu testilaitteiston käyttämään EP9302-ARM-prosessoriin. Fyysinen kerros on toteutettu MICREL:n valmistaman KS8721-piirin avulla. Linjamuuntimet on integroitu RJ-45- liittimeen, johon on integroitu myös yhteyden tilasta kertovat merkkivalot. ARM ep9302 (MAC) KS8721 (PHY) RJ-45 Liitin (Integroitu linjamuunnin) Kuva 14 Testilaitteiston Ethernet-liitynnän laitteistotason toteutus. Mikäli fyysinen kerros haluttaisiin tehdä itse, tarvittaisiin fyysisen tason piirin ja RJ-45- liittimen lisäksi muutamia kondensaattoreita ja kide. Kiteiden ja kondensaattorien saatavuus

32 31 on hyvä. PHY-piirejä tuo maahan ainakin Farnell. Piirien hinta on Suomessa melko korkea. Esimerkiksi KS8721B-piiri maksaa Farnell:lta ostettuna noin 6 /kpl. Saman piirin hinta valmistajan kotisivujen kautta löytyvissä verkkokaupoissa on noin 3-4 /kpl. RJ-45-liittimiä integroiduilla linjamuuntimilla saa esimerkiksi Elfalta, jolloin hinta on noin 8 /kpl yksittäisinä tilattuna. Sadan kappaleen erissä hinta laskee melkein puoleen. Myös liitinten osalta ulkomailta tilaaminen tulee halvemmaksi. Erillisten linjamuuntimien käyttäminen ei ole Suomesta ostettuna kannattavaa, sillä ainakin Elfalla pelkän linjamuuntimen hinta on korkeampi kuin liittimen, jossa linjamuunnin on sisäänrakennettuna. Kaikki muut protokollakerrokset on toteutettu ohjelmallisesti. Testijärjestelmän tapauksessa käytetään valmiita Linux-käyttöjärjestelmän tarjoamia protokollia. Järjestelmän Linuxytimeen on käännetty yleisimmät käytössä olevat protokollat, kuten LLC, IP, TCP ja UDP. Protokollia voidaan lisätä järjestelmään jälkikäteen kääntämällä käyttöjärjestelmän ydin (kernel) uudestaan tai kääntämällä protokollat kernel-moduleiksi. Testikortti on verkon kannalta ajateltuna aivan tavallinen verkkolaite, kuten koti PC. Toiminnoiltaan se vastaa mitä tahansa Linux-käyttöjärjestelmällä varustettua tietokonetta. Se kykenee esimerkiksi vastaamaan PING:iin ja siihen voidaan laittaa liikennettä rajoittavia ohjelmia, kuten palomuuri. Kortille on etukäteen asennettuna verkkoyhteyksiä varten tyypilliset palvelut. Esimerkkinä mainittakoon, että IP-osoitteen voi määrittää itse tai käyttöjärjestelmä voi hakea sen DHCP-palvelimelta. Laudalla voidaan käyttää normaaleja UNIX-ympäristössä toimivia palvelimia, jotka kääntyvät ARM-arkkitehtuurille. Tällaisia ovat esimerkiksi FTP, SSH, Telnet ja WWW (Apache). Näiden asentaminen tapahtuu kuten muillakin laitteistoalustoilla. Palvelimia on saatavilla useita, joten sovelluskehittäjän ei tarvitse keskittyä palvelimen kehitykseen, mikä nopeuttaa sovelluskehitystä. Lisäksi palvelimia kehitetään ja päivitetään jatkuvasti, mikä takaa niille hyvän tietoturvan ja luotettavuuden.

33 Kernelin aikajaosta Jotta testilaitteiston soveltuvuutta sähkökoneiden kunnonvalvontaan voidaan tarkastella, täytyy käyttöjärjestelmän rakenteen aiheuttamat rajoitukset olla tiedossa. Tässä kappaleessa käsitellään lyhyesti ytimen ajanjakoa. Osuus käsittelee Linux-kerneliä vrs1-cirrus ts8. Osuus voidaan pääasiassa yleistää muihinkin versionumerolla 2.4 alkaviin ytimiin. Versionumerolla 2.6 alkavissa ytimissä ajoitusta on muutettu, eikä alla oleva tieto päde kyseisiin versioihin. Koska prosessori kykenee suorittamaan vain yhtä tehtävää kerrallaan, täytyy suoritusaikaa jakaa eri prosessien kesken. Linux-käyttöjärjestelmässä tämä on toteutettu aikatauluttajan (scheduler) avulla. Aikatauluttaja jakaa suoritusaikaa prosesseille niiden prioriteetin ja käyttäytymisen perusteella siten, että I/O-intensiiviset prosessit pääsevät nopeammin ajoon kuin laskentaintensiiviset. Lyhin ytimen tuntema aikajakso (system time tick) on 10 ms. Tätä nopeampia muutoksia haluttaessa ei voida käyttää järjestelmän tarjoamia viivefunktioita. Esimerkiksi pyydettäessä käyttöjärjestelmältä vuorotelleen 1 µs ja 4 µs pituisia viiveitä on viiveiden todellinen pituus 20 ms (kuva 15), sillä aikatauluttaja ei ehdi palauttaa vuoroa prosessille. Kuva 15 Oskilloskoopilla otettu kuva Linux-ohjelmasta, joka vaihtaa I/O-pinnin tilaa 1 µs ja 4 µs välein. I/Opinnin todellinen tilanmuutos tapahtuu 20 ms välein. Ruutu vaaka-akselilla vastaa 20 ms:a.

34 33 Nopeampia muutoksia saadaan aikaan kirjoittamalla koodi ilman viivefunktioita. Tällöin kuitenkin törmätään toisenlaiseen ongelmaan. Tilanteessa, jossa vaihdetaan jatkuvasti I/Opinnin tilaa ja tarkkaillaan muutosta oskilloskoopilla, nähdään että 10 ms välein ydin ottaa prosessorin suoritusvuoron itselleen, jolloin ohjelman suoritus estyy. Edellä kuvattu tilanne on esitetty kuvassa 16. Kerneli pitää suoritusvuoron itsellään satunnaisen ajan, tyypillisesti noin µs (kuva 17), jonka aikana I/O-pinnin tilanmuutoksia ei tapahdu. Mittauksissa käytetty C-koodi löytyy liitteestä 2. Kuva 16 Oskilloskoopilla otettu kuva tilanteesta, jossa ohjelma vaihtaa I/O-pinnin tilaa jatkuvasti. Kernelin ajastinkeskeytyksen aiheuttama viive on nähtävissä 10 ms välein. Ruutu vaaka-akselilla vastaa 2 ms:a. Kuva 17 Oskilloskoopilla otettu kuva kernelin ajastinkeskeytyksen aiheuttaman viiveen mittaamiseksi. Kuva on otettu tilanteessa, jossa ohjelma vaihtaa I/O-pinnin tilaa jatkuvasti. Huomaa, että viiveiden pituus vaihtelee huomattavasti järjestelmän kuormituksesta riippuen. Ruutu vaaka-akselilla vastaa 20 µs:a. Voidaan todeta, ettei alle 10 ms:n pituisia muutoksia voida ohjelmallisesti tehdä siten, että niiden pituus olisi deterministinen. Ongelmaa voidaan kiertää tekemällä kernel-moduli, jossa kielletään keskeytykset ja näin ollen estetään käyttöjärjestelmän normaali toiminta. Tämän

35 34 tekeminen pitkäksi aikaa ei kuitenkaan ole suositeltavaa käyttöjärjestelmän vakaan toiminnan kannalta. Tilannetta parantamaan on kehitetty erilaisia reaaliaikapäivityksiä Linux-ytimeen. Niillä saavutettu hyöty on kuitenkin päivityskohtaista, eikä toimivuudesta käytössä olevan testilaitteiston kanssa ole takeita. 5.3 Testijärjestelmän soveltuvuus anturidatan keräykseen Eri anturityyppien lukeminen asettaa erilaisia vaatimuksia testijärjestelmälle. Yksinkertaisimmillaan mittaus voi olla esimerkiksi senhetkisen lämpötilan hakeminen, jolloin tiedon vastaanotto on melko ongelmatonta. Vaikeampana esimerkkinä mainittakoon värähtelymittauksen lukeminen, joka asettaa tiukat rajat yhteyden nopeudelle ja tiedonsiirron virheettömyydelle tyhmiä ja puolityhmiä antureita käytettäessä. Alla olevissa kappaleissa on pyritty selvittämään erilaisia tapoja anturien lukemiseen sekä niihin liittyviä ongelmia sulautetun Linuxin ja testilaitteiston kannalta Käyttöjärjestelmän tarjoamat mahdollisuudet anturidatan lukemiseen Linux-käyttöjärjestelmän kannalta anturidatan lukeminen voidaan jakaa kahteen ryhmään: ohjelmalliseen ja ytimeen sulautettuun toteutukseen. Ohjelmallista toteutusta käytettäessä tehdään tietokoneohjelma, joka ajetaan käyttöjärjestelmässä. Tällaista toteutusta käytettäessä käyttöjärjestelmän epädeterministisyys aiheuttaa ongelmia ja rajoittaa laitteiston käsittelyä. Ytimeen sulautetulla toteutuksella tarkoitetaan joko suoraan ytimeen kirjoitettavaa ohjelmakoodia tai kernel-modulin tekemistä. Toteutusvaihtoehtojen erona on, että muutettaessa ytimen koodia joudutaan koko ydin kääntämään uudestaan, kun taas kernelmodulin voi ottaa käyttöön käyttöjärjestelmän toimiessa. Molemmilla tavoilla voidaan välttää normaalin ohjelmatoteutuksen heikkouksia. Esimerkiksi aikatauluttajan toteutus voidaan keskeyttää laitteiston käsittelyn ajaksi.