1

Politechnika Wrocławska                          

W y d z i a ł   M e c h a n i c z n y                      

W y d z i a ł   M e c h a n i c z n y                      

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do 

Wst

ę

p do 

mechatroniki

mechatroniki”

Sterowniki (PLC, CNC, RC), mikrokontrolery, 

systemy wbudowane ES, sieci komunikacyjne

Dr in

Ŝ

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

 4 (1 – 89)

Wrocław, 2009

Rodzaje zada

ń

 automatyzacji realizowanych przez 

sterowniki (komputery) przemysłowe

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Sterowanie przebiegiem procesów,

Zadania regulacji.

Wymagania czasu 

Wymagania czasu 

rzeczywistego

rzeczywistego

Kierowanie procesami, zarz

ą

dzanie 

recepturami,

Interfejs człowiek-maszyna (HMI),

Planowanie i sterowanie produkcj

ą

, 

Archiwizacja i oddziaływanie na 
wsad (wytop) procesu.

Brak

Brak

wymaga

ń

 czasu 

wymaga

ń

 czasu 

rzeczywistego

rzeczywistego

2

Wymagania komputerowych sterowników przemysłowych  

stosowanych w systemach automatyzacji

Ogólne wymagania systemów mechatronicznych dotycz

ą

 w 

szczególno

ś

ci sterowników (komputerów) przemysłowych.

Zdolno

ść

 do pracy w czasie rzeczywistym:

Zdolno

ść

 do pracy w czasie rzeczywistym:

systemy operacyjne, architektura pami

ę

ci.

Wprowadzanie 

Wprowadzanie 

–

–

wyprowadzanie sygnałów procesu:

wyprowadzanie sygnałów procesu:

przył

ą

czenie sensorów i elementów wykonawczych, systemy 

komunikacyjne.

Pewno

ść

 i niezawodno

ść

 działania:

Pewno

ść

 i niezawodno

ść

 działania:

wysokiej jako

ś

ci składniki, układy redundantne. 

Odporno

ść

 na oddziaływanie otoczenia:

Odporno

ść

 na oddziaływanie otoczenia:

specjalne obudowy, monta

Ŝ

 przewodów ł

ą

cz

ą

cych.

Rodzaje sterowników przemysłowych

W zasadzie sterowniki przemysłowe s

ą

 klasyfikowane ze 

W zasadzie sterowniki przemysłowe s

ą

 klasyfikowane ze 

wzgl

ę

du na swoj

ą

 budow

ę

 oraz realizowane przez nie funkcje.

wzgl

ę

du na swoj

ą

 budow

ę

 oraz realizowane przez nie funkcje.

Budowa

Budowa

System kompaktowy,

System modułowy,

System specjalny.

Kryteria doboru:

Kryteria doboru:

Liczba I/O (ang. Input/ Output),

Przestrze

ń

 do zabudowy,

Mo

Ŝ

liwo

ść

 rozbudowy,

Wymagana moc obliczeniowa.

Funkcje

Funkcje

Sterowanie procesem:

• dyskretnie,

• analogowo, 

Sterowanie torem ruchu,

Interfejs u

Ŝ

ytkownika.

Kryteria doboru:

Kryteria doboru:

Zadanie automatyzacji,

Spektrum zada

ń

 (IPC).

3

Obecne komputery przemysłowe składaj

ą

 si

ę

 z architektur mikroprocesorowych. 

Zale

Ŝ

nie od budowy mo

Ŝ

na wyró

Ŝ

ni

ć

 nast

ę

puj

ą

ce podstawowe typy 

komputerów:

1. Systemy jednopłytkowe ES (ang. Embedded Systems), systemy okrojone 

do realizacji jednego zadania, najcz

ęś

ciej z mikrokontrolerem jako jednostk

ą

 

centraln

ą

.

2. Systemy PC (Personal Computer).

3. Modułowe systemy mikrokomputerowe, skalowalne systemy 

mikrokomputerowe dla ró

Ŝ

nych zada

ń

 automatyzacji.

4. Komputerowe sterowniki przemysłowe, np. CNC, RC, PLC, systemy 

komputerowe okrojone do realizacji zada

ń

 sterowania i regulacji.

We wszystkich przypadkach zawieraj

ą

 one:

j

ą

dro mikroprocesorowe, procesory sygnałowe lub mikrokontrolery 

(mikrosterowniki),

pami

ęć

,

Interfejsy do urz

ą

dze

ń

 peryferyjnych,

magistral

ę

 systemow

ą

.

Podstawowe typy komputerów (sterowników)

Wymagania funkcjonalne sterowników przemysłowych

Sterowanie przebiegiem procesów:

Sterowanie przebiegiem procesów:

Przetwarzanie sygnałów procesu,

Jeden program aplikacyjny, który jest „parametryzowany” przez dane procesu,

Sterownik swobodnie programowalny PLC

Sterownik swobodnie programowalny PLC (ang. Programmable Logical 
Controller).

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Przetwarzanie danych geometrycznych,

Ró

Ŝ

ne pogramy technologiczne dla ka

Ŝ

dego przedmiotu (procesu),

Układ sterowania numerycznego CNC

Układ sterowania numerycznego CNC (ang. Computerized Numerical Control), 

RC

RC (ang. Robot Control).

Zadania ogólne (wł

ą

cznie z wy

Ŝ

ej wymienionymi):

Zadania ogólne (wł

ą

cznie z wy

Ŝ

ej wymienionymi):

Obsługa i obserwacja, technika kierowania wytwarzaniem,

Du

Ŝ

a ró

Ŝ

norodno

ść

 aplikacyjna,

Przemysłowy komputer (PC) IPC

Przemysłowy komputer (PC) IPC (ang. Industrial Personal Computer).

4

Techniczne mo

Ŝ

liwo

ś

ci realizacji układów sterowania

Układ sterowania programowany przez poł

ą

czenia

Wcze

ś

niej

Wcze

ś

niej

Obecnie

Obecnie

elektromechaniczny

elektroniczny

Zbudowany z

styczników, przeka

ź

ników, ...

tranzystorów,           

zintegrowanych 
układów scalonych, ..

Program zawarty w

okablowaniu

Zalety i wady

Wysokie zu

Ŝ

ycie energii, du

Ŝ

e zapotrzebowanie 

miejsca, trudna rozbudowa

Sterownik 
swobodnie 
programowalny PLC

Procesora, pami

ę

ci, 

magistrali

oprogramowaniu

Elastyczno

ść

Zastosowanie sterownik

Zastosowanie sterownik

ó

ó

w 

w 

komputerowych (np. 

komputerowych (np. 

PLC

PLC

)

)

w uk

w uk

ł

ł

adach sterowania, w por

adach sterowania, w por

ó

ó

wnaniu z uk

wnaniu z uk

ł

ł

adami 

adami 

konwencjonalnymi, ma nast

konwencjonalnymi, ma nast

ę

ę

puj

puj

ą

ą

ce zalety:

ce zalety:

mo

Ŝ

liwo

ść

powtórnego wykorzystywania napisanych programów,

modułowa i blokowa budowa programów, co znacznie skraca czas 
wykonania aplikacji,

mo

Ŝ

liwo

ść

elektronicznego dokumentowania realizowanych 

aplikacji,

mo

Ŝ

liwo

ść

nadzorowania i diagnostyki podczas przebiegu procesu,

oszcz

ę

dno

ść

czasu podczas wykonywania projektu układu 

sterowania i opracowywania oprogramowania,

du

Ŝ

a niezawodno

ść

działania,

prosta i szybka instalacja oraz małe gabaryty,

niskie koszty budowy.

Zalety zastosowania sterowników komputerowych

5

Obraz procesu 

Obraz procesu 

w pami

ę

ci 

w pami

ę

ci 

wyj

ś

ciowej

wyj

ś

ciowej

Obraz procesu 

Obraz procesu 

w pami

ę

ci 

w pami

ę

ci 

wej

ś

ciowej

wej

ś

ciowej

Program 

Program 

aplikacyjny

aplikacyjny

PLC

PLC

Proces w 

Proces w 

systemie 

systemie 

technicznym

technicznym

Sygnały do 

elementów 

wykonawczych

Sygnały z 

czujników 

(sensorów)

Cykliczna praca sterownika PLC

Sprz

ę

towe składniki PLC

Moduły 

wej

ś

ciowe

Moduły 

wyj

ś

ciowe

Magistrala systemowa

Pami

ęć

 

programu 

(EEPROM, RAM)

CPU (Procesor 

słowowy, 

bitowy)

Interfejs 

komputerowy 

(V.24, RS485)

Pami

ęć

 

systemowa 

(ROM)

Pami

ęć

 

danych     

(RAM)

Zasilacz

Zasilacz

binarne, 

binarne, 

analogowe 

analogowe 

i  cyfrowe 

i  cyfrowe 

sygnały

sygnały

binarne, 

binarne, 

analogowe 

analogowe 

i cyfrowe 

i cyfrowe 

sygnały

sygnały

Wł

ą

czniki

Przyciski

Bariera 

ś

wietlna

.
.
.

M

924

Zawór

Lampka

Silnik

Wska

ź

nik

.
.
.

6

Sposób działania sterownika PLC

Cykliczne przetwarzanie programu

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

PLC

Utworzenie stanu pocz

ą

tkowego

Zał

ą

czenie

Aktualizacja sygnałów wej

ś

ciowych

Wykonanie 1. instrukcji 

Wykonanie 2. instrukcji 

Wykonanie ostatniej  instrukcji 

Transmisja sygnałów wyj

ś

ciowych

. . .

Zapis wyj

ść

Zapis wej

ść

F

iz

y

c

z

n

y

 p

ro

c

e

s

C

z

a

s

 w

y

k

o

n

a

n

ia

 j

e

d

n

e

g

o

 

p

e

łn

e

g

o

 c

y

k

lu

 p

ro

g

ra

m

u

C

z

a

s

 p

rz

e

b

ie

g

u

 p

ro

g

ra

m

u

Cykliczne przetwarzanie programu

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

PLC

Odczyt wej

ść

Odczyt wej

ść

Instrukcja

Wywołanie podprogramu 1

Instrukcja

Instrukcja

Instrukcja

Wywołanie podprogramu n

Instrukcja

Ustawienie wyj

ść

Ustawienie wyj

ść

Instrukcja

. . .

Podprogram 1

Instrukcja

. . .

Powrót

Podprogram n

Instrukcja

. . .

Powrót

Realizacja programu w sterowniku PLC

7

Sensory, dajniki sygnałów

Sterownik

Moduł 

wprowadzania

Moduł 

wyprowadzania

Jednostka 

przetwarzaj

ą

ca

Obraz 

procesu

Merker

AKKU

Licznik 

adresów

Człony 

czasowe

Człony wykonawcze (aktuator’y)

M

e

c

h

a

n

iz

m

 

M

e

c

h

a

n

iz

m

 

o

b

li

c

z

e

n

io

w

y

o

b

li

c

z

e

n

io

w

y

Separacja galwaniczna

Separacja galwaniczna

Magistrala

Magistrala

I

/

Q

Budowa sterownika PLC

Budowa sterownika przemysłowego

Zewn

ę

trzna RAM

Zewn

ę

trzna ROM

Mikrokontroler 

(

µµµµ

C) wzgl. 

mikroprocesor 

(

µµµµ

P) 

Płyta

Sterownik

Komunikacja

Obudowa

Pozostałe urz

ą

dzenia 

peryferyjne i moduły

8

Budowa mikrokontrolerów

Fieldbus 

(np. CAN)

Aktuator

Aktuator

A/C

C/A

RAM, ROM – pami

ę

ci

CPU – jednostka centralna

A/C – przetwornik analogowo-cyfrowy

C/A – przetwornik cyfrowo-analogowy

PWM – modulacja szeroko

ś

ci 

impulsów

Logiczna jednostka centralna CPU 
(ang. Central Processor Unit) 
urz

ą

dzenia steruj

ą

cego, 

Małe gabaryty (µP 

⇒

procesor),

Na jednym układzie (Chip’ie).

Mikrokomputer jednoukładowy (Single 
Chip),

Pełny komputer na jednym układzie 
składaj

ą

cy si

ę

 (minimum) z:

• mikroprocesora (µP),

• wewn

ę

trznej pami

ę

ci,

• urz

ą

dze

ń

 peryferyjnych I/O (ang.

Input/Output),

• magistrali systemowej.

Mikrokontroler 

⇔

⇔

⇔

⇔

mikroprocesor

µC

(mikrokontroler)

µP

(mikroprocesor)

9

Budowa  systemu mikrokomputerowego

Mechanizm steruj

ą

cy

Mechanizm obliczeniowy

Jednostka centralna (CPU)

Jednostka centralna (CPU)

Pami

ęć

 główna        

Pami

ęć

 główna        

(dla programów i danych)

Interfejsy wej

ść

/ 

Interfejsy wej

ść

/ 

wyj

ść

wyj

ść

Urz

ą

dzenie ł

ą

cz

ą

ce 

Urz

ą

dzenie ł

ą

cz

ą

ce 

(Magistrala systemowa)

Urz

ą

dzenia 

peryferyjne

Mikroprocesor

Mikroprocesor

Mikrokomputer

Mikrokomputer

System mikrokomputerowy

System mikrokomputerowy

Koszty odgrywaj

ą

 istotn

ą

 rol

ę

.

Nie s

ą

 stosowane najszybsze i najnowsze 

procesory, lecz takie, które spełniaj

ą

 postawione 

zadanie przy minimalnych kosztach.

Zegar

Jednostka centralna 

(CPU)

Pami

ęć

 

programu (ROM 

lub FLASH)

Pami

ęć

 danych 

(np. SRAM)

Układy wej

ść

/ 

wyj

ść

                     

i peryferyjne

Rezonator 

kwarcowy

RESET

RESET

Zasilanie

Sygnały 

wej

ś

ciowe

Sygnały 

wyj

ś

ciowe

Wewn

ę

trzna 

magistrala 

adresowa

Wewn

ę

trzna 

magistrala 

danych

m

m

n

n

.          
.        
.

.          
.        
.

Budowa  mikrokontrolera

10

Potencjał rozwoju systemów mechatronicznych

1975

1985

2005

Rok

MIPS

0,01

0,1

1,0

25,0

500,0

4004

8080

8086

80286

80386

80486

Procesor 

Pentium

Micro

2000

Moc obliczeniowa procesora (INTEL)

MIPS – milionów operacji obliczeniowych na sekund

ę

Skumulowane 
nakłady 
badawcze i 
rozwojowe

Mo

Ŝ

liwo

ś

ci w liczbie 

zintegrowanych funkcji 
samochodu

10.000

1000

100

10

Obecnie

Funkcje 

oparte na 

mechanice

Funkcje 

oparte na 

elektronice

Funkcje oparte 
na oprogramo-

waniu

Potencjał innowacyjny

Potencjał innowacyjny

Potencjał integracyjny

Potencjał integracyjny

Architektura sterownika swobodnie programowalnego PLC 

(ang. Programmable Logical Controller)

Bateria

RAM dla 

programu 

aplikacyjnego

CPU

CPU

Dajnik

Dajnik

taktu

taktu

ROM dla 

danych 

systemowych

RAM        

dla 

danych

Moduł 

wej

ś

ciowy/ 

wyj

ś

ciowy

Programator

Bufor

Pami

ęć

 po

ś

rednia

Optoizolacja

Interfejs driver’a

Driver

Kanały wyj

ś

ciowe

Kanały wej

ś

ciowe

Magistrala systemowa I/O

Magistrala danych

Magistrala sterowania

Magistrala adresowa

Optoizolator

Dzielnik 

napi

ę

cia

Dioda 

ochronna

Wej

ś

cie

Sygnał do CPU

PLC

Kanał wej

ś

ciowy z separacj

ą

 

galwaniczn

ą

 sygnału

11

Cechy charakterystyczne PLC

Sterownik PLC jest specjalnym systemem komputerowym do realizacji zada

ń

 

automatyzacji, które s

ą

 rozwi

ą

zywane przewa

Ŝ

nie przez binarne układy 

sterowania logicznego i sekwencyjnego.

Typowymi cechami charakterystycznymi PLC s

ą

:

• obszar zastosowa

ń

: automatyzacja z (PSR), tzn. pomiarami (P), sterowaniem 

(S) i regulacj

ą

 (R)

• odporna budowa urz

ą

dzenia dla pracy w surowych warunkach produkcyjnych,

• odporno

ść

 na działanie 

ś

rodowiska, du

Ŝ

a odporno

ść

 na zakłócenia i  

niezawodno

ść

,

• okre

ś

lone przebiegi w przypadku zakłóce

ń

 i ponownym uruchomieniu,

• brak pami

ę

ci masowych takich jak twardy dysk czy CD-ROM, 

• binarne, analogowe i cyfrowe wej

ś

cia i wyj

ś

cia (najcz

ęś

ciej odkłócone, z 

separacj

ą

 galwaniczn

ą

 i odporne na zwarcie),

• komunikacja z innymi (sterownikami) przez systemy magistralowe (sieciowe),

• brak lub proste i odporne urz

ą

dzenia obsługi (HMI),

• programowanie za pomoc

ą

 oddzielnego programatora lub PC,

• zorientowane na aplikacje j

ę

zyki programowania (IL, LD, FBD, ST, SFC),

• cykliczne wykonywanie programu. 

Rodzaje budowy sterowników PLC

Konwencjonalny PLC

Zintegrowany ze sterowaniem

Slot-PLC w PC

Soft-PLC z PC

Zalety:

Zalety:

• du

Ŝ

a odporno

ść

, 

• wysoka niezawodno

ść

.

Wady:

Wady:

• funkcje obsługowe na zewn

ę

trz,

• komunikacja wymaga du

Ŝ

ych nakładów.

Bazowe układy sterowania:

Bazowe układy sterowania:

• układy sterowania 

numerycznego CNC (ang. 
Computerized Numerical
Control),  

• układy sterowania 

robotów RC (ang. Robot 
Control).

Wady:

Wady:

• elastyczno

ść

 zmniejsza niezawodno

ść

,

• I/O przył

ą

czane tylko przez sie

ć

.

Wady:

Wady:

• I/O przył

ą

czane tylko przez sie

ć

.

• koszty karty PLC.

Zalety:

Zalety:

• elastyczno

ść

 PC,

• dobrze realizowalne funkcje 

obsługowe,

• ró

Ŝ

norodna komunikacja

.

Zalety:

Zalety:

• odporno

ść

 i niezawodno

ść

 dzi

ę

ki 

specjalnym kartom PLC, 

• cz

ęść

 stanowi

ą

ca PC dla funkcji 

obsługowych i komunikacyjnych

.

12

Przykład zastosowania sterownika PLC

Rozpatrzmy proste wymaganie dotycz

ą

ce urz

ą

dzenia, które zał

ą

cza człon wykonawczy np. silnik elektryczny na 

okre

ś

lony czas.

Rozwi

ą

zaniem konwencjonalnym

(mechanicznym) tego problemu mo

Ŝ

e by

ć

 

krzywka, która obraca si

ę

 ze stał

ą

 pr

ę

dko

ś

ci

ą

 i 

powoduje uruchomienie ł

ą

cznika. Czas trwania 

zał

ą

czenia jest zale

Ŝ

ny od kształtu tej krzywki.

Natomiast rozwi

ą

zaniem mechatronicznym tego problemu mo

Ŝ

e 

by

ć

 zastosowanie sterownika swobodnie programowalnego PLC 

(ang. Programmable Logical Controller) z odpowiednim programem 
aplikacyjnym. Takie rozwi

ą

zanie, w porównaniu z obracaj

ą

c

ą

 si

ę

 

krzywk

ą

, ma t

ą

 zalet

ę

, 

Ŝ

e czasy zał

ą

czania i wył

ą

czania mo

Ŝ

na w 

prosty sposób zmienia

ć

 za pomoc

ą

 warto

ś

ci parametrów zegara 

(Timer’a) w programie aplikacyjnym. Natomiast w układzie 
mechanicznym taka zmiana powoduje konieczno

ść

 zastosowania 

innej krzywki. Rozwi

ą

zanie programowe jest znacznie prostsze w 

realizacji ani

Ŝ

eli rozwi

ą

zanie sprz

ę

towe.

Merker

Wej

ś

cie Start

uruchamia (zał

ą

cza) 

Merker, wej

ś

cie jest 

pami

ę

tane i 

uruchamiany jest 
Timer 1. 

Koniec

Timer 1

Timer 2

Timer 1

Timer 1

Merker

Start

Timer 2

Wyj

ś

cie

Stop

Program aplikacyjny PLC

Timer 1 ustawia 
wymagany czas dla 
zał

ą

czenia Wyj

ś

cia.

Styk Timer 1 jest 
zamykany, aby 
wł

ą

czy

ć

 Wyj

ś

cie

Timer 2  jest 
uruchamiany, je

Ŝ

eli 

zamkni

ę

te s

ą

 styki 

Timer 1 i okre

ś

la on 

czas, po którym 
nast

ę

puje 

wył

ą

czenie wyj

ś

cia

Merker

Krzywka

Styki

Napi

ę

cie 

zasilania

Zasilanie w energi

ę

Wyj

ś

cie

Wej

ś

cie

+ 24 V

Wł

ą

cznik

PLC

PLC

Stop

Zasilacze

Kondensatory

Transformatory

Oporniki

Wentylatory

Wy

ś

wietlacze

Klawiatury

Baterie

Cewki

...

Urz

ą

dzenia peryferyjne i zespoły

13

Systemy operacyjne

Rozró

Ŝ

nia si

ę

 dwa podstawowe rodzaje systemów operacyjnych:

Standardowe systemy operacyjne

Standardowe systemy operacyjne:

- w tle wykonywane s

ą

 dodatkowe programy (wygaszacz ekranu, skaner wirusów, ...),

- przerwania usług z urz

ą

dze

ń

 peryferyjnych (mysz, klawiatura, ...),

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

nie mo

nie mo

Ŝ

Ŝ

na zapewni

na zapewni

ć

ć

determinizmu pracy.

determinizmu pracy.

Systemy operacyjne czasu rzeczywistego RTOS 

Systemy operacyjne czasu rzeczywistego RTOS (ang Real Time Operating System):

- system Scheduling’u zapewnia wykonywanie zada

ń

 o wysokim priorytecie,

- maj

ą

 bezpo

ś

redni

ą

 kontrol

ę

 priorytetów,

- zadania o wy

Ŝ

szym priorytecie wypieraj

ą

 task’i (procesy) o niskim priorytecie,

- urz

ą

dzenia peryferyjne nie mog

ą

 przerwa

ć

 algorytmów sterowania (regulacji),

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

zapewniony jest determinizm pracy.

zapewniony jest determinizm pracy.

Pod kontrol

ą

 standardowych systemów operacyjnych (np. Windows) pracuj

ą

 komputery 

biurowe, a tak

Ŝ

e np. graficzne panele operatorskie HMI (interfejsy człowiek-maszyna).

Natomiast pod kontrol

ą

 systemów operacyjnych czasu rzeczywistego (np. Vx Works, OS-9) 

pracuj

ą

 komputerowe sterowniki przemysłowe (np. PLC), a tak

Ŝ

e komputery przemysłowe, 

systemy wbudowane.

Poj

ę

cie „czas rzeczywisty” lub konkretne dane przebiegów czasu rzeczywistego daj

ą

 si

ę

 zdefiniowa

ć

 

tylko w powi

ą

zaniu z okre

ś

lon

ą

 aplikacj

ą

. Je

Ŝ

eli jej czasowe wymagania mog

ą

 by

ć

 

ś

ci

ś

le spełnione, 

to wtedy system – w odniesieniu do tej aplikacji – jest czasu rzeczywistego. Równie

Ŝ

 wa

Ŝ

ne jest to, 

Ŝ

e ma on wyra

ź

nie przewidywalne, zapewnione dla wszystkich warunków pracy przebiegi czasowe. 

Dla przebiegów czasowych systemu istotne s

ą

 cztery mierzalne kryteria. Oprócz czasu 

przebiegu, cyklu lub reakcji nale

Ŝą

 do nich Jitter, synchroniczno

ść

 oraz przepustowo

ść

 

danych.

W zale

Ŝ

no

ś

ci od aplikacji istotn

ą

 wielko

ś

ci

ą

 mo

Ŝ

e by

ć

 maksymalny czas transmisji informacji (czas 

przebiegu), zadana siatka czasowa (czas cyklu), lub czas pomi

ę

dzy zdarzeniem (sygnałem) i 

wynikaj

ą

c

ą

 z niego reakcj

ą

 (czas reakcji). We wszystkich tych przypadkach wychodzi si

ę

 z tego, 

Ŝ

e 

mo

Ŝ

na poda

ć

 pewn

ą

 okre

ś

lon

ą

 górn

ą

 granic

ę

 czasu, której w 

Ŝ

adnym przypadku nie mo

Ŝ

na 

przekroczy

ć

 przy realizacji wszystkich działa

ń

.

Cz

ę

sto wychodzi si

ę

 równie

Ŝ

 z tego, 

Ŝ

e działanie nie powinno przekroczy

ć

 zadanego maksymalnego 

czasu, co nie stanowi problemu, gdy działanie (akcja) wymaga niewiele czasu. Istniej

ą

 jednak 

równie

Ŝ

 takie aplikacje, w których reakcja musi nast

ą

pi

ć

 wewn

ą

trz dokładnie zdefiniowanego okresu 

czasu, z mo

Ŝ

liwie małymi wahaniami pomi

ę

dzy poszczególnymi zdarzeniami. W takim przypadku 

istnieje wymaganie minimalnego Jitter’a, a zatem mo

Ŝ

liwie małego odchylenia od warto

ś

ci zadanej.

Je

Ŝ

eli ró

Ŝ

ne działania ró

Ŝ

norodnych urz

ą

dze

ń

 powinny by

ć

 wykonane w jednakowym czasie, to 

wyst

ę

puje wymaganie dotycz

ą

ce synchroniczno

ś

ci. Daje si

ę

 to uzyska

ć

 albo za pomoc

ą

 

rozproszonych i synchronicznie pracuj

ą

cych zegarów, albo za pomoc

ą

 centralnie zadawanego taktu 

synchronizacji, do którego s

ą

 odnoszone wszystkie działania. Wielko

ś

ci

ą

 mierzon

ą

 jest tutaj 

dokładno

ść

 synchronizacji.

Ponadto pewn

ą

 rol

ę

 ogrywa równie

Ŝ

 ilo

ść

 danych, któr

ą

 nale

Ŝ

y wymieni

ć

 w zadanym czasie. 

Stanowi to specyficzne wymaganie przepustowo

ś

ci danych systemu komunikacyjnego.

Systemy czasu rzeczywistego

14

Tryb czasu rzeczywistego jest takim działaniem systemu obliczeniowego, w którym programy s

ą

 stale gotowe 

do wykonywania, dzi

ę

ki czemu wyniki s

ą

 uzyskiwane w okre

ś

lonym czasie. Dane mog

ą

 by

ć

 dostarczane w 

sposób stochastyczny lub deterministyczny.

Działanie w czasie rzeczywistym (ang. Real Time)

Przetwarzanie 

danych

Dane wej

ś

ciowe

Dane wyj

ś

ciowe

Przetwarzanie danych 

nie w czasie rzeczywistym

nie w czasie rzeczywistym:

Przetwarzanie danych 

w czasie rzeczywistym

w czasie rzeczywistym:

Przetwarzanie 

danych

Dane wej

ś

ciowe

Dane wyj

ś

ciowe

Czas

Czas

Czas

System czasu rzeczywistego 
jest takim systemem, w 
którym jest istotny czas 
uzyskiwania danych 
wyj

ś

ciowych.                             

Definicja czasu 
rzeczywistego: “Zdolno

ść

 

systemu operacyjnego do 
udost

ę

pniania usług w 

deterministycznie 
ograniczonym czasie 
odpowiedzi”. 
Czas rzeczywisty nie 
oznacza szybko

ś

ci, lecz 

okre

ś

la dopasowan

ą

 

czasowo interakcj

ę

, tzn. 

odpowied

ź

 na zewn

ę

trzne 

lub wewn

ę

trzne zdarzenie 

procesu (np. sygnał). 

1

µµµµ

s       10 

µµµµ

s    100 

µµµµ

s      1 ms      10 ms    100 ms     1 s         10 s

Czas reakcji

Czas reakcji

Klasy 

Klasy 

Real

Real

Time

Time

Budynki, poziom 

kierowania i automatyzacji, 

systemy magazynowe

Instalacje transportowe, 

regulacja, wi

ę

kszo

ść

 

instalacji automatyzacji

Obrabiarki, szybkie 

procesy, roboty

Wysokodynamiczne

synchronizowane 

procesy, „przekładnie 

elektroniczne”

Klasa 2

Klasa 3

Klasa 4

Klasa 1

Rozwój układów sterowania numerycznego NC/CNC

Sprz

ę

t (układy 

sterowania NC)

Oprogramowanie (układy 

sterowania CNC)

Czas

K

o

s

z

ty

, 

w

ie

lk

o

ś

ć

, 

z

a

k

re

s

 f

u

n

k

c

y

jn

y

Ź

ródło: Salib

Relacja kosztów 

Relacja kosztów 

oprogramowanie / 

oprogramowanie / 

sprz

ę

t

sprz

ę

t

Zakres 

Zakres 

funkcyjny

funkcyjny

Przeka

ź

nikowe NC

Lampowe NC

Tranzyst. 

NC w technice układów 

scalonych IC

NC

CNC

Mikroprocesorowe 

CNC

CNC

CNC

ESW 
CAM

WOP          

Obsługa graficzna

CIM

PC 

ONC

Koszty elementów

Koszty elementów

Wielko

ść

 sprz

ę

tu

Wielko

ść

 sprz

ę

tu

NC (ang. Numerical Control)                

CNC (ang. Computerized Numerical Control)

15

Rozwój techniki NC/CNC

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Lampy elektronowe

Techn. tranzyst.

Techn.  IC

Mini- i mikroprocesory (CNC)

Frezarki NC do zastosowania w przemy

ś

le

Obrabiarki NC dla innych technik wytwarzania

Równol. ukł. kinemat.

Opracowanie pierwszej frezarki NC

(CNC)

(CNC)

Binarne ta

ś

my perfor.

Symboliczny j

ę

zyk programowania APT, tworzenie pliku CLDATA

Format PN-ISO 6983 (DIN 66025), tzw. G-kody 

Graficzne wspomaganie programowania

NURBS

O

b

ra

b

ia

rk

i

U

k

ła

d

y

 s

te

ro

w

a

n

ia

P

ro

g

ra

m

o

w

a

n

ie

Rok

Rozwój układów sterowania numerycznego NC/CNC

1960

1970

1980

1990

2000

Rok

10

20

50

75

100

Cena

%

Przeka

ź

niki i lampy

Tranzystory

Minikomputery (CNC1)

Mikroprocesory (CNC2)

Jednoprocesorowe 

CNC (CNC3)

VLSI, Technika SMD

PC-NC (CNC4)

IC

Zakres funkcyjny i mo

Ŝ

liwo

ś

ci 

(moc obliczeniowa) NC

IC (ang. Integrated Circuits)

VLSI (ang. Very Large-Scale Integration)

SMD (ang. Surface Mounted Devices)

PC-NC – układ CNC zintegrowany z PC

16

Pierwsza obrabiarka sterowana numerycznie 

– MIT/ Boston (USA) 1953 r.

Regulacja poło

Ŝ

enia

Regulacja poło

Ŝ

enia

C

C

C

A

Tworzenie warto

ś

ci zadanej 

Tworzenie warto

ś

ci zadanej 

poło

Ŝ

enia

poło

Ŝ

enia

Informacje 

o drodze

Informacje 

o posuwie

Warunki 

drogi

Rozdział danych NC

Rozdział danych NC

Dane geometryczne

Dane technologiczne

Pami

ęć

 programu NC

Pami

ęć

 programu NC

Sterowanie wczytywaniem programu i danych NC

Sterowanie wczytywaniem programu i danych NC

Program NC

Program NC

Maszyna wytwórcza

Maszyna wytwórcza

Nap

ę

d

Układ 

mechaniczny

Układ pomiaru 

poło

Ŝ

enia

Sygnały 

logiczne

Sterowanie 

Sterowanie 

dopasowuj

ą

ce

dopasowuj

ą

ce

Informacje o 

zał

ą

czaniu

D

D

A

A

N

N

E       

E       

G

G

E

E

O

O

M

M

E

E

T

T

R

R

Y

Y

C

C

Z

Z

N

N

E

E

D

D

A

A

N

N

E       

E       

T

T

E

E

C

C

H

H

N

N

O

O

L

L

O

O

G

G

I

I

C

C

Z

Z

N

N

E

E

S

S

T

T

E

E

R

R

O

O

W

W

N

N

I

I

K 

K 

N

N

C

C

Zespoły funkcyjne sterownika NC

17

Interpreter NC

Przetwarzanie 

danych 

geometrycznych

Interpolator

Regulacja 

poło

Ŝ

enia

Regulacja 

nap

ę

dów

Programy NC

(kod ASCII)

Sygnały 

PLC

Szybkie I/O

Warto

ś

ci zadane/ 

rzeczywiste 

nap

ę

dów

Warto

ś

ci zadane/ 

rzeczywiste

Wewn

ę

trzny 

blok danych

Zamienia bloki w kodach ASCII na wewn

ę

trzny format

Steruje przebiegiem programu

Synchronizuje/ reorganizuje bufor bloków 

Transformacja FRAME

Korekcja narz

ę

dzi

Przygotowuje przebieg pr

ę

dko

ś

ci (LOCK AHEAD)

Interpolacja toru

Transformacja kinematyczna

Działania synchronizacyjne

Regulacja poło

Ŝ

enia

Regulacja pr

ę

dko

ś

ci

Regulacja pr

ą

du

Przepływ informacji w układzie NC

Przykład nowej rodziny 

Solution

Solution

Line

Line układów CNC 

SINUMERIK firmy Siemens

S840D sl

S840Di sl

S802D sl

Zabudowa modułowa

Uniwersalno

ść

 zabudowy

SINAMICS

Do 31 osi/ wrzecion/10 
kanałów

Zintegrowany PC-CNC

Synchroniczny PROFIBUS 
dla SINAMICS i SIMATIC

Do 20 osi/ wrzecion/10 
kanałów

Opcjonalnie analogowe 
zł

ą

cze dla nap

ę

dów

Kompaktowy panel CNC

Do 4 osi/
1 wrzeciono/ 1 kanał lub
3 osie/
2 wrzeciona/ 1 kanał

Frezarka, tokarka

18

Struktura funkcjonalna robota

Planowanie 

Planowanie 

toru

toru

Człon 

Człon 

nastawiaj

ą

cy

nastawiaj

ą

cy

Nap

ę

d

Nap

ę

d

Sterowanie 

Sterowanie 

robota

robota

Układy 

Układy 

pomiarowe

pomiarowe

Człon 

Człon 

nastawiaj

ą

cy

nastawiaj

ą

cy

Przetwarzanie 

Przetwarzanie 

ruchu

ruchu

Narz

ę

dzie

Narz

ę

dzie

Obiekt

Obiekt

Programator

Programator

Informacja

Energia

Materiał

Otoczenie

Otoczenie

Sensory

Układy 

pomiaru 

poło

Ŝ

enia

Wej

ś

cia 

cyfrowe

Układ 

kinematyczny 

(przeguby i człony)

Chwytaki/ 

narz

ę

dzia

Nap

ę

dy/ 

elementy 

wykonawcze

Wyj

ś

cia 

cyfrowe

Układ sterowania RC robota

Układ sterowania RC robota

Program aplikacyjny

Interpreter

Warto

ś

ci zadane/

Transformacje 
współrz

ę

dnych

Regulacja 

poło

Ŝ

enia

PLC

PLC

Składniki robotów przemysłowych

19

Zadania układu sterowania RC:

Zadania układu sterowania RC:

sterowanie realizacj

ą

 przemieszcze

ń

 robota,

oddziaływanie na składniki procesu w systemie,

oddziaływanie na składniki transportu i dostarczania,

sterowanie funkcji chwytaka,

przyjmowanie i ocena sygnałów z sensorów,

przyjmowanie i ocena informacji procesowych dla oddziaływania na
proces,

funkcje diagnostyczne do rozpoznawania bł

ę

dów robota i procesu,

wspomaganie obsługuj

ą

cego,

wspomaganie programisty przy przygotowywaniu zada

ń

 automatyzacji.

Zadania układu sterowania RC robota

Aby wykona

ć

 wszystkie te zadania układ sterowania robota RC, oprócz jednostki o 

du

Ŝ

ej mocy obliczeniowej, wymaga urz

ą

dze

ń

 peryferyjnych do procesu i do 

obsługi.

Składniki układu sterowania RC robota przemysłowego

Moduł komunikacyjny

Programy aplikacyjne, 

instrukcje sterowania, 

dane

Sterowanie sekwencyjne, interpreter

Sterowanie 

ruchami/ 

Interpolator

Regulator 

osi

Pr

z

e

tw

a

rz

a

n

ie

 

d

a

n

y

c

h

 z

 

s

e

n

s

o

ró

w

St

e

ro

w

a

n

ie

 

d

z

ia

ła

n

ia

m

i

O

b

s

łu

g

a

 i

 p

ro

g

ra

m

o

w

a

n

ie

N

a

p

ę

d

y

U

k

ła

d

 

k

in

e

m

a

ty

c

z

n

y

U

k

ła

d

 p

o

m

ia

ru

 

p

o

ło

Ŝ

e

n

ia

S

e

n

s

o

ry

E

fe

k

to

ry

 

te

c

h

n

o

lo

g

ic

z

n

e

El

e

m

e

n

ty

 

n

a

s

ta

w

ia

j

ą

c

e

20

Przykład robota monta

Ŝ

owego SR6/8 (SCARA) firmy Bosch

Obszar roboczy 

Obszar roboczy 

robota

robota

Robot

Robot

- turboscara SR6, SR8

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

- 8 cyfrowych I,

- 4 cyfrowe O,

- 4 analogowe O.

Sie

ć

 

Sie

ć

 

Fieldbus 

Fieldbus 

CAN

CAN

- warto

ś

ci zadane,

- warto

ś

ci rzeczywiste,

- rozproszone I/O.

Sie

ć

 

Sie

ć

 

Fieldbus

Fieldbus

CAN

CAN

- rozproszone I/O.

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

Urz

ą

dzenia peryferyjne:

- sensory,

- elementy wykonawcze,

- moduły I/O.

Obsługa

Diagnostyka

Touchscreen

Programowanie off-line

Programowanie on-line

Obsługa

Diagnostyka

Ustawianie parametrów robota

PHG2000

PHG2000

Programowanie on-line

Obsługa

Diagnostyka

Ustawianie parametrów 
robota

Systemy wbudowane

Cz

ę

sto w systemach mechatronicznych „wbudowane” s

ą

 mikroprocesory i mikrokontrolery, za 

pomoc

ą

 których realizowane s

ą

 zadania sterowania lub regulacji. Przykładem takiego 

rozwi

ą

zania jest nowoczesna pralka automatyczna, która zawiera wbudowany mikrokontroler 

słu

Ŝą

cy do wybierania ró

Ŝ

nych programów prania. Obsługuj

ą

cy pralk

ę

 musi jedynie przy pomocy 

przeł

ą

czników wybra

ć

 

Ŝą

dany program oraz dobra

ć

 parametry, a nast

ę

pnie uruchomi

ć

 jego 

wykonanie. Nie musi on jednak programowa

ć

 samego mikrokontrolera. Poj

ę

cie system 

wbudowany

ES

ES (ang. Embedded System) jest u

Ŝ

ywane dla obiektów ze wspomaganiem 

mikroprocesorowym, w których do sterowania wzgl. regulacji stosowana jest funkcja lub szereg 
funkcji, ale bez ich programowania przez samego u

Ŝ

ytkownika. Programowanie układu 

mikroprocesorowego zostało wykonane przez producenta maszyny (urz

ą

dzenia), a poszczególne 

programy zostały zapisane w pami

ę

ci systemu i nie mog

ą

 ju

Ŝ

 by

ć

 przez u

Ŝ

ytkownika zmieniane. 

Zmieniane mog

ą

 by

ć

 jedynie warto

ś

ci parametrów wyst

ę

puj

ą

cych w tych programach.

Dla systemu wbudowanego producent wykonuje pami

ęć

 ROM, która zawiera program. Jest to 

opłacalne tylko wtedy, gdy wymagana jest du

Ŝ

a liczba takich chip’ów. Do wykonywania 

prototypów lub aplikacji o małych wymaganiach program mo

Ŝ

e by

ć

 ładowany do sprz

ę

tu 

u

Ŝ

ytkownika, tzn. pami

ę

ci EPROM/EEPROM.

Systemy wbudowane znajduj

ą

 si

ę

 w prawie wszystkich nowoczesnych obiektach technicznych, 

takich jak: samochody (np. asystent hamowania lub sterowanie dynamiki toru jazdy), samoloty, 
systemy kierowania ruchem (sygnalizacja 

ś

wietlna), urz

ą

dzenia medyczne, urz

ą

dzenia 

telekomunikacyjne, instalacje sterowania produkcj

ą

 i wiele artykułów konsumpcyjnych. Przejmuj

ą

 

w nich one zło

Ŝ

one zadania sterowania, regulacji i przetwarzania danych oraz dzi

ę

ki dodatkowym 

własno

ś

ciom zapewniaj

ą

 takim wyrobom przewag

ę

 konkurencyjn

ą

 na rynku. Dlatego te

Ŝ

 systemy 

wbudowane nale

Ŝą

 do najszybciej rozwijaj

ą

cego si

ę

 obszaru w informatyce stosowanej. 

21

Reaktywny system wbudowany

Ci

ą

gła interakcja z procesem:

Wskazania, alarmy 

optycznie, akustycznie itp.

Urz

ą

dzenia obsługi 

przyciski, klawiatura, itp.

Człowiek

kierowanie, nadzorowanie

Proces 

techniczny

Aktuatory             

styczniki, silniki itp.

Sensory                 

droga, pr

ę

dko

ść

 itp. 

Sterowanie

Ingerencja, 
parametryzacja

Dane o procesie

Wizualizacja

Oddziaływanie 
na proces za 
pomoc

ą

 

aktuatorów

Procesy fizyczne:

– brak inteligencji (nie kognitywne),

– najcz

ęś

ciej sztywne interfejsy.

Wiele asynchronicznych zdarze

ń

 (sygnałów).

Twarde warunki czasu rzeczywistego:

– cz

ę

sto wymagane izochroniczne przetwarzanie (regulator).

Bezpiecze

ń

stwo.

Warunki otoczenia.

Struktura systemu wbudowanego (ES)

W zale

Ŝ

no

ś

ci od rodzaju zastosowania i zwi

ą

zanych z nim aspektów kosztów struktura fizyczna systemów 

wbudowanych znacznie si

ę

 zmienia. Rozci

ą

ga si

ę

 ona od jednoukładowych komputerów (cena ok. 1 EURO) 

stosowanych w tanich artykułach konsumpcyjnych, takich jak np. zegary czy odtwarzacze, a

Ŝ

 do komputerów 

przemysłowych stosowanych w liniach produkcyjnych. Pomimo du

Ŝ

ych ró

Ŝ

nic w strukturze fizycznej wszystkie 

systemy wbudowane maj

ą

 tak

ą

 sam

ą

 budow

ę

 logiczn

ą

. Zamiast tradycyjnego interfejsu człowiek-maszyna HMI, jaki 

jest stosowany w przypadku komputerów do ogólnego przetwarzania danych, w systemach wbudowanych wyst

ę

puje 

interfejs do otoczenia systemu technicznego. Oznacza to, 

Ŝ

e zamiast zwykłych urz

ą

dze

ń

 wprowadzania i 

wyprowadzania danych takich jak klawiatura, monitor, gło

ś

niki itp. stosowane s

ą

 urz

ą

dzenia sensoryczne, za 

pomoc

ą

 których system wbudowany okre

ś

la własno

ś

ci otoczenia oraz aktuatoryka, za pomoc

ą

 której ES realizuje 

oddziaływanie na swoje otoczenie. Urz

ą

dzenia sensoryczne zawieraj

ą

 zwykle czujniki, które mierz

ą

 okre

ś

lone 

wielko

ś

ci otoczenia, przy czym przekazywane przez nie informacje nie musz

ą

 by

ć

 koniecznie zró

Ŝ

nicowanymi 

danymi pomiarowymi, takimi jak np. temperatura w 

o

C, lecz mog

ą

 to by

ć

 równie

Ŝ

 najprostsze informacje 

dwustanowe, takie jak np. dostarczane przez termostat. Natomiast aktuatoryka mo

Ŝ

e si

ę

 składa

ć

 z dowolnego 

sterowanego przez wbudowany komputer członu nastawiaj

ą

cego (wykonawczego), takiego jak np. zawory 

elektromagnetyczne lub silniki krokowe. Poniewa

Ŝ

 wła

ś

ciwie ró

Ŝ

nica pomi

ę

dzy zwykłymi komputerami do 

przetwarzania danych i systemami wbudowanymi zawiera si

ę

 tylko w rodzaju interfejsu wprowadzania/ 

wyprowadzania, to wydaje si

ę

 ona pocz

ą

tkowo mało znacz

ą

ca. Jednak ma ona daleko id

ą

ce konsekwencje, tak

Ŝ

e 

i wła

ś

nie dla rozwoju oprogramowania. Ponadto, zamiast bardzo zró

Ŝ

nicowanych interakcji u

Ŝ

ytkownika, jakie 

wyst

ę

puj

ą

 w ogólnym w przetwarzaniu danych, w systemach wbudowanych wyst

ę

puje tylko konieczno

ść

 reakcji na 

mało zró

Ŝ

nicowane dane pomiarowe. Wymaga to zapewnienia systemowi wbudowanemu wystarczaj

ą

co dokładnego 

wewn

ę

trznego modelu swojego otoczenia, który pozwala mu na interpretacj

ę

 danych pomiarowych i wybór 

odpowiedniej reakcji. Do tego dochodzi jeszcze to, 

Ŝ

e u

Ŝ

ytkownik (człowiek) dysponuje znacznie elastyczniejszymi 

mo

Ŝ

liwo

ś

ciami reakcji ni

Ŝ

 otoczenie techniczne, dzi

ę

ki czemu mo

Ŝ

e on np. sensownie reagowa

ć

 na meldunki 

bł

ę

dów, rozpoznawa

ć

 zawieszenie si

ę

 programu, a tak

Ŝ

e  tolerowa

ć

spó

ź

nion

ą

 reakcj

ę

 systemu (nawet gdy tego nie 

chce). Jest to tak

Ŝ

e zwi

ą

zane z tym, 

Ŝ

e dostarczone wraz z masowymi wyrobami systemy wbudowane s

ą

 trudne do 

korekcji (np. przez Internet), co powoduje szczególne wymagania dotycz

ą

ce sprz

ę

tu, a zwłaszcza oprogramowania. 

Wreszcie musz

ą

 by

ć

 uwzgl

ę

dnione wszystkie mo

Ŝ

liwe scenariusze wyst

ę

puj

ą

ce podczas zastosowania, tzn. ka

Ŝ

dy 

mo

Ŝ

liwy lub przynajmniej prawdopodobny ci

ą

g interakcji pomi

ę

dzy układem technicznym i systemem wbudowanym. 

Ka

Ŝ

dy nieprzewidziany scenariusz mo

Ŝ

e bowiem prowadzi

ć

 do bł

ę

dnego zachowania si

ę

 systemu wbudowanego, 

co w nast

ę

pstwie mo

Ŝ

e spowodowa

ć

 fatalne skutki dla ciała, 

Ŝ

ycia lub 

ś

rodowiska.

22

System wbudowany ES (ang. Embedded System):

(Prawie) wszystkie systemy czasu rzeczywistego RT (ang. Real Time) s

ą

 systemami 

wbudowanymi, ale nie ka

Ŝ

dy system wbudowany jest systemem RT. 

Systemy wbudowane maj

ą

 m.in. nast

ę

puj

ą

ce własno

ś

ci:

system techniczny

system techniczny

,

, w którym wbudowany jest sterowany programowo układ 

obliczeniowy,

układ obliczeniowy najcz

ęś

ciej 

steruje

steruje, 

reguluje

reguluje lub 

nadzoruje

nadzoruje proces 

techniczny,

układ obliczeniowy najcz

ęś

ciej 

nie jest widoczny z zewn

ą

trz

nie jest widoczny z zewn

ą

trz (a zatem nie jest to 

PC z klawiatur

ą

, monitorem, ... ),  

systemy wbudowane najcz

ęś

ciej (na szcz

ęś

cie) 

nie s

ą

 swobodnie 

nie s

ą

 swobodnie 

programowalne

programowalne,

interfejsy u

Ŝ

ytkownika s

ą

 cz

ę

sto bardzo specyficzne albo nawet ich nie ma,

platforma rozwojowa

platforma rozwojowa (ang. development platform) i 

platforma docelowa

platforma docelowa (ang.

target platform) dla oprogramowania s

ą

 wła

ś

ciwie zawsze ró

Ŝ

ne,

b

ę

d

ą

ce do dyspozycji 

zasoby sprz

ę

towe

zasoby sprz

ę

towe (ang. hardware) s

ą

 cz

ę

sto bardzo 

ograniczone (przyczyna: koszty, zu

Ŝ

ycie energii, ci

ęŜ

ar, ograniczone miejsce, ... ).

Systemy czasu rzeczywistego RT - wprowadzenie

Typowe własno

ś

ci systemu RT (Real Time):

jest wbudowany

jest wbudowany (ang. embedded): RT-(Software-)system jest składnikiem 
wi

ę

kszego układu sprz

ę

towo/ programowego i najcz

ęś

ciej steruje/ reguluje 

obiekt techniczny,

interakcja z zewn

ę

trznym otoczeniem

interakcja z zewn

ę

trznym otoczeniem: system RT współdziała z otoczeniem 

zewn

ę

trznym, które najcz

ęś

ciej nie jest „człowiekiem” – sensory do 

nadzorowania 

ś

rodowiska systemu technicznego i aktuatory do kontroli 

otoczenia,  

jest reaktywny

jest reaktywny (ang. reactive): systemy RT s

ą

 cz

ę

sto „nap

ę

dzane” 

zdarzeniami i musz

ą

 reagowa

ć

 na zewn

ę

trzn

ą

 stymulacj

ę

 – odpowied

ź

/ reakcja 

jest cz

ę

sto zale

Ŝ

na od stanu (sygnału),

warunki czasowe

warunki czasowe (ang. timing constraints): dane wej

ś

ciowe/ zdarzenia 

musz

ą

 by

ć

 przetworzone w zadanym (okre

ś

lonym) czasie; wymagana jest nie 

tylko poprawno

ść

 realizacji zada

ń

, ale tak

Ŝ

e wykonanie ich we wła

ś

ciwym 

czasie,

współbie

Ŝ

no

ść

współbie

Ŝ

no

ść

(ang. concurrent): wiele działa

ń

 jest wykonywanych albo 

rzeczywi

ś

cie równocze

ś

nie (równolegle), albo s

ą

 one czasowo powi

ą

zane,  

rozproszenie

rozproszenie (ang. distributed): rozproszony system RT działa na wielu 
w

ę

złach (procesorach), które s

ą

 poł

ą

czone sieci

ą

 komunikacyjn

ą

.

Typowe własno

ś

ci systemu RT

23

Przykłady systemów wbudowanych

Poszczególne urz

ą

dzenia i maszyny:

Poszczególne urz

ą

dzenia i maszyny:

sprz

ę

t codziennego u

Ŝ

ytku: urz

ą

dzenia kuchenne, 

odtwarzacze CD, aparaty fotograficzne i kamery, gry 
video,

urz

ą

dzenia peryferyjne komputerów: drukarka, modem, 

telekomunikacja: urz

ą

dzenia transmisyjne, telefony 

komórkowe,

wytwarzanie: obrabiarki, roboty przemysłowe,

transport: samochody, poci

ą

gi, sygnalizacja 

ś

wietlna,

technika medyczna: tomograf komputerowy,

automatyzacja produkcji.

Przykłady systemów wbudowanych

Zło

Ŝ

one instalacje techniczne:

Zło

Ŝ

one instalacje techniczne:

instalacje wytwórcze, elektrownie,

kierowanie ruchem w transporcie,

systemy satelitarne, komunikacja w skali 
globalnej,

technika budowlana,

instalacje i automatyzacja procesów.

24

Technika i 

ś

rodki transportowe: 

•

systemy kierowania ruchem l

ą

dowym, morskim i lotniczym, takie jak lampy, elektroniczne tablice nad drogami, systemy 

parkowania, instalacje pozyskiwania informacji o ruchu, nastawniki, instalacje radarowe, radiowe układy namierzania i  
kierowania,          

•

samochody, poci

ą

gi, samoloty i statki, które zawieraj

ą

 ró

Ŝ

norodne systemy wbudowane, np. sterowanie układami 

nap

ę

dowymi, systemy Fly-by-wire, stabilizacja poło

Ŝ

enia samolotu, systemy zapobiegaj

ą

ce blokowaniu hamulców i 

regulacji dynamiki toru jazdy, sterowanie poduszek powietrznych, blokowanie dróg jazdy, centralna blokada, sterowanie 
podnoszenia szyb, sterowanie 

ś

wiatłem wewn

ę

trznym, regulacja instalacji klimatyzacyjnej.

Technika komunikacyjna:                                                               

•

telefony komórkowe,                                             

•

urz

ą

dzenia ko

ń

cowe sieci stacjonarnych: telefon, fax, modem,                                                        

•

urz

ą

dzenia poł

ą

cze

ń

 sieciowych.

Sprz

ę

t gospodarstwa domowego:                                   

•

kuchenki mikrofalowe, pralki, zmywarki do naczy

ń

,               

•

zdalna obsługa,                                                

•

telewizory, radiobudziki, odtwarzacze CD, urz

ą

dzenia satelitarne, odtwarzacze CD,       

•

konsole do gier, zabawki z efektami 

ś

wietlnymi i d

ź

wi

ę

kowymi,  

•

aparaty fotograficzne, kamery wideo.

Budynki:                                                        

•

sterowanie ogrzewaniem, sterowanie o

ś

wietleniem, centralne zamki, magistrale domowe,                                            

•

instalacje przeciwpo

Ŝ

arowe i przeciwłamaniowe.

Technika ochrony 

ś

rodowiska:                                    

•

sterowanie i nadzorowanie w elektrowniach,                     

•

kontrola emisji.

Technika medyczna:                                              

•

systemy dla pacjentów takie jak stymulatory serca, urz

ą

dzenia słuchowe, funkcjonalne protezy,                                   

•

urz

ą

dzenia medycyny ratunkowej takie jak np. defibrylatory, urz

ą

dzenia oddechowe,                                               

•

urz

ą

dzenia pomiarowe, systemy diagnostyczne i systemy nadzorowania pacjentów, takie jak elektrokardiograf, 

elektroencefalograf, tomograf, monitor funkcji 

Ŝ

yciowych,       

•

urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania, urz

ą

dzenia do terapii ruchowej.

Przykłady zastosowania systemów wbudowanych

Zwi

ę

kszenie komfortu w prostych wyrobach (np. pralki 

automatyczne, itp.)

Zmniejszenie wielko

ś

ci i masy (np. przeno

ś

ny telewizor, itp.)

Zwi

ę

kszenie mobilno

ś

ci (telefony, pagery, itp.)

Zwi

ę

kszenie efektywno

ś

ci/ funkcjonalno

ś

ci (np. aparat 

fotograficzny w telefonie komórkowym, itp.) 

Zwi

ę

kszenie bezpiecze

ń

stwa (np. ABS, ESP)

Zwi

ę

kszenie mo

Ŝ

liwo

ś

ci piel

ę

gnacji (np. jednostki diagnostyczne, 

itp.) 

Zmniejszenie kosztów produkcji (mechanika 

→

elektronika)

Zmniejszenie zu

Ŝ

ycia energii (np. elektroniczna regulacja 

temperatury)

Personalizacja urz

ą

dze

ń

Przyczyny stosowania systemów wbudowanych

25

Gospodarcze znaczenie systemów wbudowanych:

Uzyskiwanie korzy

ś

ci wynikaj

ą

cych z konkurencji na rynku dzi

ę

ki 

kombinacji oprogramowania i sprz

ę

tu (szybsza realizacja zło

Ŝ

onych 

funkcji, ... ),

Koszty wbudowanej elektroniki  np. w nowoczesnym samolocie z 
500 procesorami s

ą

 wi

ę

ksze ni

Ŝ

 30%, z czego 80% przypada na 

oprogramowanie,

Udział kosztów w obszarze pojazdów (samochodów) jest podobny 
(obecnie do 100 procesorów),

Prawie 90% wszystkich elementów elektronicznych jest 
stosowanych w systemach wbudowanych,

Rynek procesorów w 2003 r.:

- 200 mln procesorów w komputerach PC i serwerach,

- 8 mld procesorów w systemach wbudowanych.

Znaczenie systemów wbudowanych

Rodzaje systemów wbudowanych (1): zamkni

ę

te, 

lokalne systemy 

Sterownik komputerowy wykorzystuje wiele sensorów i aktuatorów.

System ma jedno (rzadko wi

ę

cej) na stałe zdefiniowane zadanie (-a).

Otoczenie

Sensor

Sterownik 

komputerowy

Aktuator

Typowe własno

ś

ci:

Typowe własno

ś

ci:

- do czasu pracy stała konfiguracja,

- najcz

ęś

ciej stałe wymagania,

- wysoka niezawodno

ść

,

- sterowanie zdarzeniami,

- praca w czasie rzeczywistym.

Typowe przykłady:

Typowe przykłady:

- sprz

ę

t gospodarstwa domowego,

- sterowanie maszyn (urz

ą

dze

ń

),

- urz

ą

dzenia medyczne,

- elektronika domowa.

26

Rodzaje systemów wbudowanych (2): zamkni

ę

te, 

rozproszone systemy 

Wiele sterowników komputerowych komunikuje si

ę

 przez dedykowane 

poł

ą

czenia lub sieci miejscowe.

Od czasu do czasu dochodz

ą

 nowe aplikacje.

Sterownik 

komputerowy

Sterownik 

komputerowy

Sterownik 

komputerowy

Typowe własno

ś

ci:

Typowe własno

ś

ci:

- do czasu pracy stała konfiguracja,

- od czasu do czasu dodatkowe 

wymagania,

- „graceful degradation” – fail safe,

- sterowanie zdarzeniami,

- praca w czasie rzeczywistym.

Typowe przykłady:

Typowe przykłady:

- sterowanie pojazdów,

- linie produkcyjne,

- sterowanie d

ź

wigów 

osobowych (wind).

Rodzaje systemów wbudowanych (3): otwarte, 

rozproszone systemy 

Zmieniaj

ą

ce si

ę

 urz

ą

dzania komunikuj

ą

 si

ę

 przez dynamicznie tworzone 

poł

ą

czenia (np. przez Internet lub fale radiowe).

Nowe aplikacje daj

ą

 si

ę

 instalowa

ć

 podczas pracy systemu .

Sterownik 

komputerowy

Sterownik 

komputerowy

Sterownik 

komputerowy

Sterownik 

komputerowy

Fale 

radiowe

Internet

Typowe własno

ś

ci:

Typowe własno

ś

ci:

- zmienna konfiguracja,

- szybko zmieniaj

ą

ce si

ę

 

wymagania,

- niezawodna identyfikacja i pewne 

poł

ą

czenia,

- elastyczno

ść

 i odporno

ść

.

Typowe przykłady:

Typowe przykłady:

- Webcams,

- sieci Bluetooth,

- inteligentne sieci domowe,

- rozproszone aplikacje 

SmartCard.

27

Systemów wbudowanych wokół nas jest coraz wi

ę

cej. Wielko

ść

rynku systemów operacyjnych typu embedded

liczona jest w setkach milionów dolarów, a by

ć

mo

Ŝ

e przekroczyła ju

Ŝ

nawet miliard dolarów. Oznacza to, 

Ŝ

e 

producenci maj

ą

o co walczy

ć

. Kilkadziesi

ą

t lat temu systemy wbudowane wyst

ę

powały głównie w 

wyrafinowanych urz

ą

dzeniach zwi

ą

zanych z automatyk

ą

przemysłow

ą

i medyczn

ą

, lotnictwem czy satelitami. 

Przeci

ę

tny u

Ŝ

ytkownik nie miał z nimi do czynienia i nawet nie wiedział o ich istnieniu. Rewolucja informatyczna i 

miniaturyzacja, które nast

ą

piły w latach osiemdziesi

ą

tych XX w. kompletnie zmieniły ten stan rzeczy.

Do urz

ą

dze

ń

przemysłowych doł

ą

czyły w ci

ą

gu ostatnich kilkunastu latach ró

Ŝ

ne urz

ą

dzenia domowe – np. 

tunery satelitarne, odtwarzacze DVD i urz

ą

dzenia podr

ę

czne, np. handheldy, palmtopy i telefony komórkowe. 

Znakomita wi

ę

kszo

ść

urz

ą

dze

ń

embedded – niezale

Ŝ

nie od tego, czy mówimy o nowoczesnym telefonie 

komórkowym, czy o marsja

ń

skim łaziku musi by

ć

wyposa

Ŝ

ona w system operacyjny czasu rzeczywistego 

RTOS (ang. Real Time Operating System). Jest to konieczne, aby zagwarantowa

ć

odpowiedni

ą

szybko

ść

reakcji na zachodz

ą

ce zdarzenia. Co wi

ę

cej, bior

ą

c pod uwag

ę

, 

Ŝ

e 98% produkowanych procesorów 

wykorzystywanych jest wła

ś

nie w urz

ą

dzeniach typu embedded, to rynek i potencjalne zyski do podziału s

ą

gigantyczne.

Istnieje kilkadziesi

ą

t systemów operacyjnych wykorzystywanych w urz

ą

dzeniach typu embedded, ale takich, 

które maj

ą

licz

ą

c

ą

si

ę

na rynku pozycj

ę

jest tylko kilka. Najpopularniejsze z nich to Microsoft Windows CE,

VxWorks firmy Wind River Systems i Symbian zaprojektowany przez Symbian Ltd. Te trzy systemy maj

ą

razem 

prawie 70% rynku. W

ś

ród nich dominuje Microsoft Windows CE, który w 2005 r. miał blisko 30% udziału w 

rynku. Warto jednak pami

ę

ta

ć

, 

Ŝ

e rynek RTOS jest pełen wyspecjalizowanych nisz, rz

ą

dz

ą

cych si

ę

własnymi 

prawami. O ile Microsoft ma niemal 30% całego rynku systemów wbudowanych, to w przypadku nowoczesnych 
telefonów komórkowych jest to ju

Ŝ

tylko 15%. W tej dziedzinie króluje Symbian, który instalowany jest w 67% 

tego typu urz

ą

dze

ń

.

Rynek urz

ą

dze

ń

embedded rozwija si

ę

niezwykle dynamicznie, głównie za spraw

ą

urz

ą

dze

ń

przeno

ś

nych. Nic 

wi

ę

c dziwnego, 

Ŝ

e producenci systemów operacyjnych intensyfikuj

ą

prace nad ulepszeniem swoich produktów, 

zwi

ę

kszaj

ą

c ich niezawodno

ść

i minimalizuj

ą

c wymagania sprz

ę

towe. Cho

ć

moc obliczeniowa i pami

ęć

staj

ą

si

ę

z roku na rok coraz ta

ń

sze, to rosn

ą

równie

Ŝ

wymagania u

Ŝ

ytkowników i stopie

ń

zło

Ŝ

ono

ś

ci urz

ą

dze

ń

, a co za 

tym idzie - wymagania stawiane u

Ŝ

ywanym systemom operacyjnym staj

ą

si

ę

coraz wi

ę

ksze. Przykładem takiej 

ewolucji jest Windows CE.

Rozwój systemów wbudowanych

Technologie informacyjne w wyrobach – systemy wbudowane

Systemy wbudowane ES (ang. Embedded Systems):

s

ą

 to układy mikroprocesorowe stosowane w systemach technicznych (np. samochodach, samolotach),

najcz

ęś

ciej s

ą

 one ukryte oraz zwykle s

ą

 reaktywnymi lub hybrydowymi systemami z wymaganiami czasu 

rzeczywistego,

podlegaj

ą

 silnie ograniczaj

ą

cym warunkom brzegowym:

przejmuj

ą

 zadania regulacji,

maj

ą

 wy

Ŝ

sze wymagania dotycz

ą

ce jako

ś

ci i bezpiecze

ń

stwa,

maj

ą

 zdolno

ść

 do pracy w czasie rzeczywistym oraz wysok

ą

 niezawodno

ść

.

• minimalne zu

Ŝ

ycie energii,

• minimalna wielko

ść

 (gabaryty),

• minimalna masa,

• minimalne koszty,

•

…

28

Technologie informacyjne w wyrobach - samochód

Wi

ę

ksze bezpiecze

ń

stwo przez zastosowanie systemów wbudowanych ES (ang. 

Embedded Systems) w samochodach:

do 40% kosztów i 90% innowacji uzyskuje si

ę

 dzi

ę

ki technologiom informacyjnym IT 

(ang. Information Technology),

do 80 mikroprocesorów w samochodzie i ponad 100 MB oprogramowania.

Mecha-
nicznie

Elektro-
mecha-
nicznie

Mecha-
tronicznie 
(obecnie)

Mecha-
tronicznie 
(za 5 lat)

100

80

60

40

20

0

Udział kosztów wytwarzania w %

Mechanika

Układy 
elektryczne

Elektronika

Oprogra-
mowanie

Wg Audi

Sterowanie 

klimatyzacj

ą

Sterowanie silnikiem

ABS

Informacje

Skrzynia 

biegów

Technologie informacyjne w wyrobach

mechatronicznych

Systemy wbudowane ES (ang. Embedded Systems):

- systemy (mikro-) komputerowe, które s

ą

 wbudowane w   

obiekty techniczne (np. samochody, samoloty, …),

- najcz

ęś

ciej niewidoczne i zwykle reaktywne lub hybrydowe,

- systemy z wymaganiami czasu rzeczywistego,

- podlegaj

ą

 silnie ograniczaj

ą

cym warunkom brzegowym:

• minimalne zu

Ŝ

ycie energii,

• minimalna wielko

ść

 (gabaryty),

• minimalny ci

ęŜ

ar,

• minimalne koszty,

• …

Wbudowane oprogramowanie:

- przejmuje zadania regulacji w ES,

- wy

Ŝ

sze wymagania dotycz

ą

ce jako

ś

ci i bezpiecze

ń

stwa:

• zdolno

ść

 do pracy w czasie rzeczywistym, niezawodno

ść

, ...

29

Fale elektromagnetyczne w transmisji danych

f [Hz]  10

0

10

2

10

4

10

6

10

8

10

10

10

12

10

14

10

16

10

18

10

20

10

22

10

24

Ś

wiatło 

widzialne

Radio

Mikro-

fale

Podczer-

wie

ń

UV

Promienio-

wanie X

Promienio-

wanie Gamma

f [Hz] 10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

14

10

15

10

16

Pasmo       LF     MF     HF   VHF  UHF   SHF   EHT  THF

Skr

ę

tka

Maritime

AM 

radio

FM 

radio

TV

Koncentryk

Satelity

Mikrofale 

naziemne

Ś

wiatło-

wód

Cz

ę

stotliwo

ść

Media transmisyjne jako no

ś

niki fal elektromagnetycznych

Zwi

ą

zane z kablami:

Zwi

ą

zane z kablami:

• transmisja elektryczna:

- skr

ę

tka dwuparowa (ang. Twisted Pair Kabel),

- kabel koncentryczny (ang. Koaxial Kabel),

• transmisja optyczna:

-

ś

wiatłowód (jedno- i wielomodowy).

Bezprzewodowe:

Bezprzewodowe:

• transmisja za pomoc

ą

 fal radiowych:

- wykorzystanie nielicencjonowanych zakresów pasma,

- wykorzystanie licencjonowanych zakresów pasma,

• transmisja za pomoc

ą

 

ś

wiatła:

- promienie lasera na 

ś

rednie odległo

ś

ci,

- podczerwie

ń

 na małe odległo

ś

ci.

30

Komunikacja sieciowa jest stosowana w trzech głównych obszarach 

automatyzacji:

Automatyzacja w przemy

ś

le: poł

ą

czenie w sie

ć

 urz

ą

dze

ń

 (sensorów, 

aktuatorów, PLC, komputerów, …) w instalacjach przemysłowych 
(wytwarzanie, technika procesowa, elektrownie, …)

 Ś

rodki transportu (samochody, samoloty): poł

ą

czenie w sie

ć

 urz

ą

dze

ń

 

sterowniczych (sterowników, komputerów), członów wykonawczych 
(aktuatorów), sensorów, …

Automatyzacja budynków: poł

ą

czenie w sie

ć

 urz

ą

dze

ń

 i instalacji w 

budynkach (ogrzewanie, o

ś

wietlenie, wentylacja, ...).

Sieciowe systemy komunikacyjne - wprowadzenie

Systemy magistralowe,

Systemy komunikacyjne w tym obszarze s

ą

 te

Ŝ

 okre

ś

lane jako magistrale, 

poniewa

Ŝ

 najcz

ęś

ciej stosowana jest topologia liniowa (ale nie wył

ą

cznie),

Sie

ć

 sensorów/ aktuatorów: na najni

Ŝ

szym poziomie hierarchii,

Sie

ć

 miejscowa (ang. Fieldbus): na poziomie sterowników i komputerów,

Ró

Ŝ

norodne architektury i mechanizmy (magistrala/ pier

ś

cie

ń

/ gwiazda/ 

drzewo, Polling/ Token-Passing/ dost

ę

p losowy / TDMA, …).

W sieciowym systemie komunikacyjnym (magistrala szeregowa) wiele 

składników (urz

ą

dze

ń

) elektronicznych dzieli si

ę

 wspólnym medium

transmisyjnym. Dane s

ą

 transmitowane szeregowo w postaci bitów i mog

ą

 

by

ć

 w zasadzie odbierane przez wszystkich uczestników magistrali (ang.

Broadcasting), okre

ś

lanych tak

Ŝ

e jako w

ę

zły sieci.

W odró

Ŝ

nieniu do poł

ą

cze

ń

 typu punkt-z-punktem nakłady zwi

ą

zane z 

okablowaniem s

ą

 tutaj znacznie mniejsze. Powoduje to zmniejszenie 

zarówno kosztów jak i ci

ęŜ

aru. Ponadto zwi

ę

ksza si

ę

 niezawodno

ść

całego 

systemu mechatronicznego, a jego projektowanie staje si

ę

 przejrzyste. 

W zastosowaniach sieciowych systemów komunikacyjnych konieczne jest 

uwzgl

ę

dnienie m.in. nast

ę

puj

ą

cych aspektów:

tworzenie ramek (ang. Framing), czyli budowa wiadomo

ś

ci,

adresowanie (tworzenie jednoznacznego przyporz

ą

dkowania ramki i w

ę

zła 

sieci),

dost

ę

p do magistrali wzgl. utrzymanie warunków czasowych,

ochrona danych wzgl. obsługa bł

ę

dów oraz

synchronizacja.

Sieciowe systemy komunikacyjne

31

Szeregowe systemy komunikacyjne

Fieldbus

(szeregowy)

IrDA (ang. Infrared Data Acces)

IrDA

Magistrale i sieciowe systemy komunikacyjne

Magistrala

Magistrala (system komunikacyjny) ma wyra

ź

n

ą

 struktur

ę

 (topologi

ę

) tak

ą

 jak: linia, pier

ś

cie

ń

 czy drzewo i 

jest przeznaczona do przesyłania (transmisji) informacji. Przez magistral

ę

 okre

ś

la si

ę

 układ przewodów, w 

którym na zasadzie adresowania pracuj

ą

 ró

Ŝ

ne urz

ą

dzenia. W automatyzacji procesów cz

ę

sto stosowane 

s

ą

 standardowe magistrale, za pomoc

ą

 których mog

ą

 pracowa

ć

 ró

Ŝ

ne urz

ą

dzenia i składniki (komponenty).

W trybie pracy systemu komunikacyjnego Master-Slave urz

ą

dzenie nadrz

ę

dne (Master) kontroluje 

działanie magistrali. Natomiast przył

ą

czone urz

ą

dzenia podrz

ę

dne (Slave’s) mog

ą

 tylko odpowiada

ć

, gdy 

s

ą

 one odpytywane. W rozwi

ą

zaniu Multi-Master mo

Ŝ

liwe jest rozpoczynanie komunikacji od ró

Ŝ

nych 

urz

ą

dze

ń

. Jednak wówczas musz

ą

 by

ć

 stosowane metody zapewniaj

ą

ce udost

ę

pnianie magistrali wzgl. 

unikanie kolizji.

Przykłady: magistrala PCI w PC, sieci miejscowe (ang. Fieldbus). 

Cykliczne odpytywanie Slave’ów przez Master nazywa si

ę

 Polling’iem.

System komunikacyjny Master-Slave

Master

Slave

Slave

Slave

Slave

32

Sieciowe systemy komunikacyjne

Mechanizm sieciowy

Terminem mechanizmu sieciowego okre

ś

lany jest system komunikacyjny, który mo

Ŝ

e mie

ć

 równie

Ŝ

 

zło

Ŝ

on

ą

 struktur

ę

 z podsieciami, wieloma drogami transmisji lub ró

Ŝ

norodnymi protokołami. Przez 

podsieci (segmenty) i urz

ą

dzenia sieciowe z pami

ę

ci

ą

 mo

Ŝ

e by

ć

 równocze

ś

nie przesyłanych wiele 

informacji i wyrównywane ró

Ŝ

ne szybko

ś

ci transmisji. 

W modelu komunikacji sieciowej typu Client-Server przez Server’y s

ą

 oferowane informacje lub 

usługi. Client jest aktywny i wysyła 

Ŝą

danie na adres okre

ś

lonego Server’a. Nast

ę

pnie on (tzn. Server) 

dostarcza Client’owi odpowiedniej informacji lub te

Ŝ

 wykonuje za

Ŝą

dan

ą

 usług

ę

. Zatem Server sam w 

sobie nie jest aktywny. Typowymi sieciami Client-Server s

ą

 Intranet i Internet, które s

ą

 oparte na 

protokole TCP/IP Ethernet’u.

Poj

ę

cia system z magistral

ą

 i mechanizm sieciowy cz

ę

sto w praktyce nie s

ą

 wyra

ź

nie rozró

Ŝ

niane.

Sie

ć

Client-Server

Server

Server

Server

Server

Client

Client

Client

Client

Sieci miejscowe (ang. Fieldbus)

Miejscowe sieci komunikacyjne (ang. Fieldbus) zwykle ł

ą

cz

ą

 urz

ą

dzenia steruj

ą

ce (sterowniki, regulatory, 

komputery) bezpo

ś

rednio z czujnikami i aktuatorami. Ró

Ŝ

ni

ą

 si

ę

 one swoimi własno

ś

ciami technicznymi i s

ą

 

stosowane tam, gdzie wyst

ę

puj

ą

 specjalne wymagania dotycz

ą

ce obiektu (procesu), takie jak :

• liczba adresowanych urz

ą

dze

ń

,

• system Multimaster, przy czym sterowanie przez magistral

ę

 mo

Ŝ

e by

ć

 przekazane z jednego urz

ą

dzenia do 

innego,

• krótkie czasy reakcji wzgl. mo

Ŝ

liwo

ść

 pracy w czasie rzeczywistym (deterministycznie),

• wysoka efektywno

ść

 przesyłania pakietów przy krótkich informacjach,

• pakiety z du

Ŝą

 ilo

ś

ci

ą

 danych,

• niezawodno

ść

 transmisji,

• odporno

ść

 na włamania z zewn

ą

trz sieci,

• wymiana urz

ą

dze

ń

 podczas pracy systemu (ang. Hot Swap),

• rozszerzalno

ść

 (skalowalno

ść

),

• nakłady i koszty zwi

ą

zane z okablowaniem,

• koszt przył

ą

czanych układów,

• odporno

ść

 (mechaniczna, elektryczna),

• dost

ę

pno

ść

 wymaganych składników (sensorów, aktuatorów, urz

ą

dze

ń

 peryferyjnych),

• wsparcie techniczne, istniej

ą

ce do

ś

wiadczenia, rozpowszechnienie standardów,

• zasilanie urz

ą

dze

ń

 obiektowych (o małym poborze mocy, np. czujników) przez magistral

ę

 (przewody 

sygnałowe). 

33

Protokół Hart (ang. Highway Addressable Remote Transducer) umo

Ŝ

liwia transmisj

ę

 sygnałów cyfrowych 

przez analogow

ą

 p

ę

tl

ę

 pr

ą

dow

ą

 4...20 mA, bez oddziaływania na sygnał analogowy. Na zmieniaj

ą

cy si

ę

 wolno 

sygnał analogowy jest nakładany sygnał o zmiennym napi

ę

ciu. Dla warto

ś

ci bitów 0 i 1 s

ą

 do dyspozycji dwie 

cz

ę

stotliwo

ś

ci (2200 Hz, 1200 Hz). Ten protokół jest stosowany przede wszystkim wtedy, gdy do cyfrowej 

komunikacji powinno by

ć

 wykorzystane istniej

ą

ce ju

Ŝ

 okablowanie analogowe. Mo

Ŝ

e wówczas pracowa

ć

 wiele 

urz

ą

dze

ń

 z odpowiednimi własnymi adresami na jednym przewodzie z przeł

ą

cznikiem (ang. Multiplexer) i 

adresowaniem.

Sie

ć

 MOD-Bus ma prosto programowalny protokół dla systemu Master-Slave. Do transmisji danych 

wykorzystywany jest interfejs RS-485.

Sie

ć

 CAN (ang. Controler Area Network, ISO 11898) została opracowana pierwotnie do zastosowania w 

samochodach osobowych w celu integracji składników. Nast

ę

pnie została ona rozszerzona jako CANOpen

(Europa) wzgl. DeviceNet (USA) z odpowiednim oprogramowaniem do automatyzacji i jest cz

ę

sto stosowana. 

Do transmisji jest wykorzystywany interfejs RS-485.

Sie

ć

 Profibus (EN 50 170) jest natomiast stosowana w wi

ę

kszych instalacjach przemysłowych i do 

niezawodnej transmisji wi

ę

kszych ilo

ś

ci danych. Jest ona rozpowszechniona głównie w Europie. Rozró

Ŝ

nia si

ę

 

trzy odmiany sieci Profibus:

• Profibus PA (do automatyzacji procesów, w obszarach zagro

Ŝ

onych wybuchem),

• Profibus DP (niem. Dezentrale Peripherie),

• Profibus FMS (ang. Fieldbus Message Specification). Do transmisji wykorzystywany jest interfejs RS-485. 
Ta odmiana jest wycofywana z zastosowa

ń

.

• PROFInet (PROcess Field net). Ta technika jest jeszcze nadal rozwijana i umo

Ŝ

liwia ona wł

ą

czenie w sie

ć

, 

za pomoc

ą

 Ethernet’u, poszczególnych elementów równie

Ŝ

 na poziomie obiektowym (Ethernet do czujników i 

nap

ę

dów). Mo

Ŝ

na w niej nadal stosowa

ć

 istniej

ą

ce ju

Ŝ

 standardy (Fieldbus, OPC). Wyst

ę

puj

ą

ce problemy 

zwi

ą

zane ze sterowaniem w czasie (ang. Realtime) s

ą

 rozwi

ą

zywane przez podział sieci na segmenty i 

rozszerzenie do sterownika przez przeł

ą

czniki sieciowe (ang.Switche’s).

Sieci miejscowe (Fieldbus)

Za pomoc

ą

 sieci miejscowej (obiektowej) AS-i (ang. Aktuator-Sensor-Interface) jest okre

ś

lany system 

komunikacyjny, w którym poszczególne składniki (urz

ą

dzenia) mo

Ŝ

na przył

ą

czy

ć

 bez stosowania narz

ę

dzi do 

elastycznego kabla z zasilaniem i komunikacj

ą

. Ostre kołki przebijaj

ą

 cienk

ą

 izolacj

ę

 kabla i ł

ą

cz

ą

 si

ę

 z 

odpowiednimi przewodami (poł

ą

czenie na tzw. „wampirki”, bez u

Ŝ

ycia zł

ą

czy z gniazdami wtykowymi).

Uzupełnienie: czas rzeczywisty (ang. Real time)

Wzmaganie dotycz

ą

ce zdolno

ś

ci do pracy w czasie rzeczywistym oznacza, 

Ŝ

e informacja w 

ś

ci

ś

le 

okre

ś

lonym czasie musi dotrze

ć

 do odbiorcy. W zale

Ŝ

no

ś

ci od aplikacji ten czas mo

Ŝ

e wynosi

ć

 kilka sekund 

(np. zarz

ą

dzanie magazynem) lub te

Ŝ

 kilka milisekund (np. sterowanie obrabiarek). Rosn

ą

 równie

Ŝ

 

wymagania dotycz

ą

ce pewno

ś

ci transmisji danych (bezpiecze

ń

stwa, niezawodno

ś

ci). I tak np. komunikacja 

pomi

ę

dzy obwodami bezpiecze

ń

stwa (ang. Safety) instalacji musi by

ć

 wykonana w sposób niezawodny. 

Dlatego te

Ŝ

 istniej

ą

ce sieci miejscowe s

ą

 dalej rozwijane w kierunku bezpiecze

ń

stwa (DeviceNetSafety,

PROFISafe, AsiSafety at work).

Przemysłowa transmisja bezprzewodowa (radiowa)

Na obszarze Unii Europejskiej do transmisji bezprzewodowej z ograniczon

ą

 moc

ą

 sygnału nadawania s

ą

 

dost

ę

pne bez licencji cz

ę

stotliwo

ś

ci 869 MHz i w pa

ś

mie 2,4GHz. Te tzw. cz

ę

stotliwo

ś

ci ISM (ang. Industrial,

Scientific, Medical) mog

ą

 by

ć

 równie

Ŝ

 stosowane do bezprzewodowej transmisji danych w przemy

ś

le. 

Mo

Ŝ

liwe s

ą

 przy tym szybko

ś

ci transmisji do 54Mbit/s (IEEE 802.11g). Istniej

ą

 dwie metody transmisji, tzn. 

DSSS (ang. Direct Sequence Spread Spectrum) z mo

Ŝ

liwo

ś

ci

ą

 wy

Ŝ

szej szybko

ś

ci transmisji i FHSS (ang.

Frequence Hopping Spread Spectrum) o wi

ę

kszej odporno

ś

ci na zakłócenia.

Technika radiowa jest równie

Ŝ

 podstaw

ą

, na której zbudowane s

ą

 sieci bezprzewodowe WLAN (ang. Wireles

Local Area Network) do komunikacji z komputerami. Rozwijane s

ą

 tak

Ŝ

e sieci do bezprzewodowej 

komunikacji z sensorami, dzi

ę

ki czemu mo

Ŝ

liwa jest transmisja danych pomiarowych, odpytywanie o status 

urz

ą

dzenia oraz zmiana jego parametrów (parametryzacja). W tego rodzaju rozwi

ą

zaniach sieci (ang. mesh 

network) urz

ą

dzenia podejmuj

ą

 samoczynnie poł

ą

czenie z innymi dost

ę

pnymi urz

ą

dzeniami, nie wyst

ę

puje 

Ŝ

adne urz

ą

dzenie nadrz

ę

dne (Master), a dane mog

ą

 by

ć

 transmitowane z wykorzystaniem ró

Ŝ

nych dróg 

poł

ą

cze

ń

.

Sieci komunikacyjne c.d.

34

Ethernet

Poj

ę

ciem Ethernet jest okre

ś

lany cały system techniczny, z którego zbudowane s

ą

 zwykle lokalne sieci 

komputerowe LAN (ang. Local Area Network). Nale

Ŝą

 do niego np.:

• kabel,

• zł

ą

cza (gniazda i wtyki),

• karty sieciowe w komputerze,

• przeł

ą

cznik sieciowy (ang. Switch), który wyodr

ę

bnia segmenty sieci,

• Router (przej

ś

cie do innych sieci).

W pracy komputerowych sieci komunikacyjnych przyj

ę

ło si

ę

 wiele standardów, np. dla:

• własno

ś

ci elektrycznych sygnałów (napi

ę

cia, szybko

ść

 transmisji),

• rodzaju kodowania (np. kod Manchester),

• metod dost

ę

pu (np. z rozpoznawaniem kolizji),

• budowy pakietów.

Jakie znaczenie ma zawarto

ść

 pakietów i jak jest uzyskiwana niezawodna transmisja nie s

ą

 tutaj okre

ś

lone. 

Dlatego te

Ŝ

 w jednej i tej samej sieci Ethernet mog

ą

 by

ć

 wymieniane dowolne zawarto

ś

ci informacji w ró

Ŝ

nych 

protokołach (np. http, ftp, dstp). Za pomoc

ą

 tylko jednorazowo wyst

ę

puj

ą

cego adresu dla ka

Ŝ

dego komputera 

daje si

ę

 utworzy

ć

 poł

ą

czenie transmisyjne. Je

Ŝ

eli wymiana informacji powinna si

ę

 odbywa

ć

 w obu kierunkach, 

to dla ka

Ŝ

dego protokołu w obu komputerach musi by

ć

 zainstalowany serwer (program komputerowy), który ze 

swojej strony tworzy poł

ą

czenie z programem aplikacyjnym (tutaj narz

ę

dzie wirtualne).

Aby Ethernet mógł by

ć

 w sposób uniwersalny wykorzystywany w przemy

ś

le, to tak

ą

 mo

Ŝ

liwo

ść

 daje m.in. jego 

niestandardowy wariant, w którym magistrala danych zapewnia równie

Ŝ

 zasilanie urz

ą

dze

ń

 o małej mocy (PoE: 

Power over Ethernet). W sieciach bezprzewodowych WLAN (ang. Wireless LAN) kable miedziane (skr

ę

tka) 

lub 

ś

wiatłowód s

ą

 zast

ę

powane przez fale radiowe. W ten sposób mo

Ŝ

na uzyska

ć

 zasi

ę

g w terenie do 300 m, a 

w budynkach jest on znacznie mniejszy. Dane s

ą

 przesyłane w protokole TCP/IP.

Data Socket Transfer Protocol (specjalny 

protokół w LabVIEW)

Pomi

ę

dzy Server’ami daj

ą

 si

ę

 transmitowa

ć

 dane z elementów ekranu monitora lub dane z przył

ą

czonych 

urz

ą

dze

ń

. Ka

Ŝ

de wirtualne urz

ą

dzenie VI (ang. Virtual Instrument) mo

Ŝ

e przy tym zapisywa

ć

 dane na swój 

Server, który nast

ę

pnie mo

Ŝ

e by

ć

 odpytywany przez inne VI (jako Client).

LabView – oprogramowanie 
firmy NI (National Instruments) 
do tworzenia aplikacji dla 
pomiarów, sterowania, warstw 
obsługi itp.

35

Protokoły i usługi w sieciowych systemach komunikacyjnych

Protokół:

Protokół:

znana liczba reguł i formatów, które s

ą

 

wykorzystywane do komunikacji pomi

ę

dzy procesami 

w celu wykonania okre

ś

lonego zadania.

Usługa:

Usługa:

- realizacja zdefiniowanego zadania,

- usługobiorca i usługodawca komunikuj

ą

 si

ę

 za 

pomoc

ą

  okre

ś

lonego interfejsu.

Warunki fizyczne:

Warunki fizyczne:

•

• zastosowanie odpowiednich metod, aby przez medium móc 

transmitowa

ć

 informacje.

Topologia:

Topologia:

•

• fizyczna struktura sieci.

Sterowanie dost

ę

pem

Sterowanie dost

ę

pem (przy wspólnie wykorzystywanym medium):

•

• koordynacja wielu nadajników, aby unikn

ąć

 kolizji i tym samym 

zniszczenia informacji,

•

• rozwi

ą

zania dost

ę

pu:

- równouprawniony (ang. Fairness),

- z priorytetem.

Media transmisyjne

36

Magistrale szeregowe

Magistrale szeregowe

Multipleksowanie 

w czasie

Multipleksowanie 

cz

ę

stotliwo

ś

ciowe

Transmisja synchroniczna 

z centraln

ą

 kontrol

ą

Transmisja 

asynchroniczna

Jeden uczestnik 

na kanał

Wielu uczestników 

na kanał

Kontrolowany dost

ę

p 

do magistrali

Losowy dost

ę

p 

do magistrali

Centralny przydział 

magistrali

Rozproszony 

przydział magistrali

CSMA/CD

CSMA/CA

Metoda  z  wykrywaniem  kolizji  CSMA/CD  (ang.  Carrier  Sense  Multiple  Access  with  Collision  Detection)  i  metoda z  unikaniem 
kolizji CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid).

Metody dost

ę

pu do magistrali

Sieciowe systemy komunikacyjne - dost

ę

p do 

magistrali

Dost

ę

p losowy:

Dost

ę

p losowy:

CSMA

CSMA: ka

Ŝ

da stacja 

mo

Ŝ

e w ka

Ŝ

dej chwili 

przesyła

ć

 informacj

ę

, a 

w przypadku kolizji 
nast

ę

puje powtórzenie.

Master

Master

/ 

/ 

Slave

Slave

:

:

Master

Master

okre

ś

la, która 

okre

ś

la, która 

stacja mo

Ŝ

e si

ę

 

stacja mo

Ŝ

e si

ę

 

komunikowa

ć

.

komunikowa

ć

.

Kontrolowany 

Kontrolowany 

rozproszony dost

ę

p 

rozproszony dost

ę

p 

do magistrali:

do magistrali:

Zasada 

Zasada 

token

token

’a

’a

:

:

tylko 

tylko 

stacja maj

ą

ca 

stacja maj

ą

ca 

token

token

mo

Ŝ

e nadawa

ć

.

mo

Ŝ

e nadawa

ć

.

A

B

C

D

A

B

C

A

D

B

C

Losowa  metoda  dost

ę

pu  do  magistrali 

z  wykrywaniem  kolizji  CSMA/CD  (ang. 
Carrier  Sense  Multiple  Access  with 
Collision 

Detection) 

i 

metoda

z 

unikaniem 

kolizji 

CSMA/CA 

(ang. 

Carrier  Sense  Multiple  Access  with 
Collision Avoid).

37

Topologia sieci komunikacyjnych

Poł

ą

czenia logiczne i fizyczne

Poł

ą

czenia logiczne i fizyczne

Struktura logiczna:

Struktura logiczna:

A

B

C

D

Przykład:

struktura 

struktura 

hierarchiczna

hierarchiczna

B, C i D wymieniaj

ą

 

informacje tylko z A, a nie 
miedzy sob

ą

Mo

Ŝ

liwo

ś

ci poł

ą

cze

ń

 fizycznych:

Mo

Ŝ

liwo

ś

ci poł

ą

cze

ń

 fizycznych:

A

Poł

ą

czenie punkt-punkt:

B, C i D mog

ą

 wymienia

ć

 

dane tylko z A

B

C

D

Magistrala linowa:

B, C i D mog

ą

 wymienia

ć

 

dane A i mi

ę

dzy sob

ą

Magistrala pier

ś

cieniowa: 

Poł

ą

czenia jak w magistrali 

liniowej, przy awarii jednej ze 
stacji pier

ś

cie

ń

 jest przerwany. 

A

B

C

D

A

B

C

D

Topologie sieci komunikacyjnych

Szyna (ang. Bus)

Pier

ś

cie

ń

 (ang. Ring)

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Gwiazda (ang. Stern)

Stokrotka 

(ang. Daisy)