CC BY
78
УДК 651.586.48:656.6
Н. Г. Романенко, С. В. Ткаль
СРЕДСТВО СВЯЗИ ДАТЧИКОВ РАССТОЯНИЯ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ КРАНОМ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ГРУЗОВ С БУРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ НА СУДНО В УСЛОВИЯХ ВОЛНЕНИЯ МОРЯ
Введение
В последнее десятилетие проблема производства грузовых операций в открытом море стала особенно актуальной. Объясняется это, в первую очередь, значительным развитием флота крупнейших морских держав мира, связанных как с обеспечением коммерческих задач, так и с освоением Мирового океана с целью добычи полезных ископаемых [1].
Для обслуживания и ремонта буровых платформ необходимо производить безударную передачу грузов с помощью крана при значительном волнении моря.
В связи с вышеизложенным целью исследований являлся анализ представленных на рынке технологий беспроводной передачи данных для связи датчиков расстояния с системой управления краном.
Функциональная схема и выбор датчиков расстояния представлены в статье «Датчики расстояния для систем передачи грузов с буровой платформы на судно в условиях волнения моря» [2].
Система связи между датчиками и контроллером должна отвечать следующим требованиям:
— морские условия эксплуатации;
— согласованность с системой управления электроприводом;
— дальность действия 50 м;
— надёжность.
Так как система позиционирования будет устанавливаться на судне непосредственно перед погрузочными работами, то с целью уменьшения времени грузовых операций было принято решение использовать полностью беспроводное подключение всех компонентов. Для этого необходимо проанализировать имеющиеся на рынке технологии беспроводной связи и на основе анализа и требований, указанных выше, выбрать наиболее подходящий вариант.
Функциональная схема связи датчиков с системой управления электроприводам показана на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема связи датчиков с системой управления:
Д - датчики расстояния (служат для коррекции скорости опускания груза в соответствии с колебаниями судна на поверхности моря); АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;
УБСПер - устройство беспроводной связи (передатчик); УБСПр - устройство беспроводной связи (приёмник); К - контроллер (служит для управления системой ПЧ-АД)
Среди наиболее известных беспроводных технологий можно выделить следующие: Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB и относительно новую технологию - ZigBee, которая изначально разрабатывалась с ориентацией на промышленное применение.
Улучшение характеристик связи сильно влияет на сложность программно-аппаратного комплекса, который поддерживает данную технологию и дополнительно ведёт к увеличению цены конечных устройств. Помимо характеристик «скорость передачи данных», «расстояние», каждый из стандартов может обладать свойствами, присущими только ему (например, виды поддерживаемых топологий беспроводных сетей). Именно это и оставляет каждый стандарт связи востребованным.
Анализ беспроводных технологий показывает, что высокоскоростные технологии Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB предназначены в первую очередь для обслуживания компьютерной периферии и мультимедиаустройств. Они оптимизированы для передачи больших объёмов информации на высоких скоростях, работают в основном по топологии «точка-точка» или «звезда» и мало пригодны для реализации сложных разветвленных промышленных сетей с большим количеством узлов. Напротив, технология ZigBee имеет достаточно скромные показатели скорости передачи данных и расстояния между узлами, но обладает следующими, важными с точки зрения применения в промышленности, преимуществами:
1. Ориентирована на преимущественное использование в системах распределённого муль-тимикропроцессорного управления со сбором информации с интеллектуальных датчиков, где вопросы минимизации энергопотребления и процессорных ресурсов являются определяющими.
2. Предоставляет возможность организации самоконфигурируемых сетей со сложной топологией, в которых маршрут сообщения автоматически определяется не только числом исправных или включенных/выключенных в данный момент устройств (узлов), но и качеством связи между ними, которое автоматически определяется на аппаратном уровне.
3. Обеспечивает масштабируемость - автоматический ввод в работу узла или группы узлов сразу после подачи питания на узел.
4. Гарантирует высокую надёжность сети за счёт выбора альтернативного маршрута передачи сообщений при отключениях/сбоях в отдельных узлах.
5. Поддерживает встроенные аппаратные механизмы шифрации сообщений AES-128, исключая возможность несанкционированного доступа в сеть.
ZigBee - относительно новый стандарт беспроводной связи, который изначально разрабатывался как средство для передачи небольших объёмов информации на малые расстояния с минимальным энергопотреблением. Фактически этот стандарт описывает правила работы программноаппаратного комплекса, реализующего беспроводное взаимодействие устройств друг с другом.
Приёмопередающие устройства, предназначенные для работы в стандарте ZigBee, обладают следующими основными характеристиками:
— трансивер работает на частоте 2,4 ГГц по 16-ти каналам с шагом 5 МГц между каналами (разрешено для использования во всех странах мира). Дополнительно для Европы выпускаются трансиверы на 868 МГц, работающие по одному каналу, для Америки - трансиверы на 915 МГц, работающие по десяти каналам с шагом 2 МГц. Далее рассматриваются только устройства, работающие на частоте 2,4 ГГц;
— максимальная скорость передачи данных по радиоканалу составляет 250 Кбит/с;
— официально заявленное максимальное расстояние связи на открытой территории должно быть не меньше 100 м.
В спецификации стека предусмотрено три типа устройств: координатор, маршрутизатор и оконечное устройство. Координатор инициализирует сеть, управляет сетевыми узлами, хранит информацию о настройках каждого сетевого узла, задаёт номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID, а в процессе работы может являться источником, приёмником и ретранслятором сообщений. Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного узла к другому, и в процессе работы также может являться источником, приёмником или ретранслятором сообщений. Оконечное устройство не участвует в управлении сетью и ретрансляции сообщений, являясь только источником/приёмником сообщений.
Важно понимать, что спецификация стека ZigBee не является сама по себе готовым программно-аппаратным комплексом, это лишь свод правил, на основании которого различные производители электроники могут изготавливать оконечные устройства, выполняющие функции беспроводного приёма и передачи информации.
Создание любого конечного устройства, поддерживающего возможность беспроводной передачи данных по стандарту ZigBee, подразумевает, что в составе этого устройства будет содержаться соответствующая программно-аппаратная часть. Её проектирование является достаточно трудоёмкой задачей для производителей конечных устройств, в том числе силовых преобразователей и комплектных электроприводов.
В настоящее время на рынке предлагается два основных вида решений по применению ZigBee-технологии в конечных устройствах.
В первом случае разработчику конечного устройства предлагается самостоятельно сконструировать аппаратную часть, отвечающую за ZigBee-коммуникацию, используя различные микросхемы с поддержкой радиоинтерфейса, работающего по стандарту IEEE 802.15.4. При этом разработчику, как правило, доступна документация, описывающая правила конструирования и примеры проектирования аппаратной части. Программную часть разработчик может создать полностью самостоятельно (используя спецификации протокола) либо с применением стандартных сетевых протоколов, разработанных и отлаженных производителями микросхем. Эти протоколы могут иметь разный уровень совместимости со стандартом и поставляться в виде библиотек или наборов разработчика программного обеспечения (SDK).
В настоящее время выпускается 5 основных типов микросхем, выполняющих функции приёма/передачи данных по радиоканалу в стандарте IEEE 802.15.4:
1. «Классический» радиотрансивер в стандарте IEEE 802.15.4. Выполняет только функции приёма и передачи информации по радиоканалу и не содержит никакого программного обеспечения, реализующего стек протокола ZigBee. Программная реализация стека ZigBee возлагается на внешний микроконтроллер, к которому микросхема трансивера подключается по одному из стандартных интерфейсов, например по синхронному периферийному интерфейсу (SPI) или параллельному интерфейсу. Дополнительно для работы трансивера требуется «обвязка», включающая в себя антенну, кварцевый резонатор, а также небольшое число пассивных компонентов.
2. Интегрально-гибридные микросхемы (SiP), объединяющие в одном корпусе кристаллы «классического» радиотрансивера и микроконтроллера общего назначения. Данное решение позволяет разместить программный стек ZigBee непосредственно во встроенной памяти микроконтроллера и тем самым существенно снизить нагрузку на внешний микроконтроллер, обеспечивающий решение задач конкретного приложения. Эти микросхемы требуют минимальной «обвязки», включая антенну.
3. Системы на кристалле (SoC). Данный вид микросхем фактически повторяет возможности SiP, но в отличие от них и трансивер, и встроенный микроконтроллер выполнены на одном кристалле. Некоторые фирмы, например Texas Instruments, называют такие кристаллы ZigBee-процессорами. Они взаимодействуют с внешним контроллером приложения по одному из стандартных интерфейсов (SPI, UART) и допускают загрузку в память сетевых протоколов разной сложности в зависимости от предполагаемой сложности и структуры реализуемой сети.
4. ZigBee-акселераторы. Микросхемы, аналогичные SoC, но с уже «зашитым» во внутренний микроконтроллер стеком ZigBee-протокола. Данный вид микросхем является идеальным выбором для тех разработчиков, которые предпочитают работать с привычным для него микроконтроллером и хотят добавить ZigBee-функционал без изучения сложного набора протоколов ZigBee-стека. Небольшая внешняя «обвязка» требуется и в этом случае.
5. Платформы в едином корпусе (PiP). Наиболее функциональное решение, подразумевающее объединение высокопроизводительного микроконтроллера с широким набором встроенных периферийных модулей (таймеры, АЦП и т. д.) и трансивера IEEE 802.15.4 на одном кристалле. В этом случае вычислительных возможностей встроенного микроконтроллера и набора встроенной периферии достаточно не только для реализации стека ZegBee, но и для поддержки конкретного приложения. Дополнительный процессор не требуется.
Во втором случае разработчику конечного устройства предлагается использовать готовые ZigBee-модули, не требующие ни дополнительной доработки, ни обвязки. Такие модули представляют собой размещённые на одной плате IEEE 802.15.4-трансивер, микроконтроллер, содержащий в себе стек ZigBee-протокола, необходимые внешние элементы «обвязки» (антенна, схемы питания, тактирования и др.). Они выпускаются небольшими компаниями, специализирующимися на этой продукции. Использование готовых модулей наиболее целесообразно на начальной стадии проектирования, когда необходимо быстро оценить принципиальную возможность решения задачи.
При использовании готовых ZigBee-модулей серьёзной модификации управляющей части преобразователя не требуется (рис. 2, а, б). При этом ZigBee-стек реализуется внутри модуля. Важным является лишь наличие у модуля нужного интерфейса для сопряжения с целевым микроконтроллером. Это решение позволяет существенно уменьшить время разработки конечного устройства с поддержкой беспроводной сети и сократить время выхода на рынок.
Управляющая часть
Готовый ZigBee-модуль
111111111 и 1111 и
SPI
\п/
IEEE 802.15.4 -transceiver
Ф о —
CD re CL
- (Л < N
тїїїїТТТТЙТТТТТ мси
DSP
а
Управляющая часть
Г отовый ZigBee-модуль
i ZigBee Stack API
MCU + IEEE 802.15.4 transceiver (SoC/SiP)
111II111111111
DSP
б
Рис. 2. Структура управляющей части ПЧ с готовыми ZigBee-модулями
Ниже приводится краткий обзор решений в области беспроводной передачи данных с использованием ZigBee-модулей от наиболее крупных производителей, среди которых по степени интеграции и комплектности решений выделяются Freescale Semiconductor и Texas Instruments (табл.).
Решения в области ZigBee-технологии от различных производителей
Производитель Аппаратные решения Программные решения
Freescale Semiconductor Радиотрансиверы 1ЕЕЕ 802.15.4: МС13192 МС13193 МС13202 МС13203 Гибридные интегральные микросхемы (81Р): МС13212 МС13213 МС13214 Платформы в едином корпусе (Р1Р): МС1322х BeeKit - программный инструмент для создания и конфигурирования программных модулей, реализующих коммуникационную технологию ZigBee
Texas Instruments Радиотрансиверы 1ЕЕЕ 802.15.4: СС2420 СС2520 Системы на кристалле (8оС): СС2430 СС2431 71§Бее-акселераторы: СС2480А1 Простой сетевой протокол SimplisityTI для сетей с небольшим числом узлов до 256. Более сложный набор ПО «TIMAC», поддерживающий топологии «точка-точка» и «звезда». Z-stack - набор программных модулей для реализации полной технологии ZigBee. Сетевые протоколы поддерживают все аппаратные платформы, вплоть до систем на кристалле
Ember Системы на кристалле (8оС): ЕМ250 71§Бее-акселераторы: ЕМ260 ZigBee Development Tools - набор программных инструментов для создания и конфигурирования программных модулей для реализации технологии ZigBee
Digi International Готовые 71§Бее-модули: ХБ24-Х ХБР24-Х Программное обеспечение для модулей, позволяющее создавать ZigBee сети на их основе (ZB и ZNet firmware)
Продолжение табл.
Производитель Аппаратные решения Программные решения
STMicroelec-tronics Готовые ZigBee-модули: SPZB250 SPZB260 Предлагается использовать программные решения от Ember, поскольку модули основаны на микросхемах этой компании
Panasonic Готовые ZigBee-модули: PAN802154HAR00 PAN4555 PAN4570 Предлагается использовать программные решения от Freescale Semiconductor и Ember, поскольку модули основаны на микросхемах этих компаний
Важно обратить внимание на то, что ZigBee-акселераторы предназначены лишь для выполнения стека протокола, а пользовательское приложение должно выполняться на внешнем микроконтроллере.
Для удобства внедрения ZigBee-технологии в конечные устройства большинство фирм, производителей соответствующих решений, предлагают различные вспомогательные и отладочные средства и комплекты [3].
Заключение
С учетом всего вышесказанного для использования в системе управления электроприводом предварительно был выбран готовый ZigBee-модуль от компании Panasonic
PAN802154HAR00.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреева Л. Н., Киев А. В., Маслов А. Е. Средства передачи грузов на суда в море. - Л.: Судостроение, 1973.
2. Романенко Н. Г., Ткаль С. В. Датчики расстояния для систем передачи грузов с буровой платформы
на судно в условиях волнения моря // Датчики и системы. - 2009. - № 5 (120). - С. 19-24.
3. hííp.7/www.konvir.ru/zigbee_interface.
Статья поступила в редакцию 1.10.2009
A MEANS OF COMMUNICATION OF DISTANCE SENSORS WITH THE MANAGERIAL SYSTEM OF A CRANE TO UPLIFT CARGO FROM DRILLING PLATFORMS TO A SHIP DURING ROUGH SEA
N. G. Romanenko, S. V. Tkal
It is necessary to apply soft cargo loading by means of a crane to service and repair drilling platforms during rough sea. Requirements to the communication system between sensors and controller are stated in the paper. Since the positioning system will be set on the ship just before cargo loading, then it was decided to use completely wireless connection of all components to reduce the time for cargo operations. The functional scheme of sensors connection with the managerial system of electric drive is presented. The most famous wireless technologies (Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB) and a comparatively new technology (ZigBee), which was initially developed with the orientation on industrial application, are analyzed. The brief overview of the solutions in the field of wireless data transmission using ZigBee-modules from the largest producers is given. A ready ZigBee-module from the company Panasonic, PAN802154HAR00, was chosen beforehand to use it in the managerial system of electric drive.
Key words: wireless technologies, transceiver, distance sensor, electric
drive.
