ZAHTEV ZA PRIZNAVANJE TEHNIČKOG REŠENJA

KOMANDNO-KONTROLNI MODUL (CCM-16/10) (M84 – BITNO POBOLJŠANI POSTOJEĆI PROIZVOD ILI TEHNOLOGIJA)

Niš, april 2010. godine

2

Sadržaj

Osnovni podaci o tehničkom rešenju...................................................................................................... 3 Prednosti u odnosu na postojeća rešenja ................................................................................................ 5 Dizajn hardvera ...................................................................................................................................... 5 Realizacija hardverskih blokova............................................................................................................. 6 Električna šema CCM-16/10 modula ..................................................................................................... 7 PCB dizajn CCM-16/10 modula........................................................................................................... 15 Kućište za CCM-16/10 modul.............................................................................................................. 17 Firmver za CCM-16-10 modul ............................................................................................................. 19

RTOS................................................................................................................................................ 19 Komunikacioni protokoli.................................................................................................................. 19 Konfiguracija uređaja i izmena firmvera.......................................................................................... 19 CCM-16-10 softver (sekundarni MCU) ........................................................................................... 20

Dodatni softver ..................................................................................................................................... 20 Slike realizovanog rešenja .................................................................................................................... 21

3

Osnovni podaci o tehničkom rešenju

Elektronski fakultet Niš Istraživačko-razvojni centar "ALFATEC" Niš

Naziv: KOMANDNO-KONTROLNI MODUL (CCM-16/10)

Kratak opis: Komandno-kontrolni modul CCM-16/10 razvijen je za potrebe unapređenja performansi različitih merno-informacionih sistema (MIS), kako bi se ovim sistemima omogućilo da vrše nadzor, kontrolu i upravljanje na daljinu. Njegove performanse su optimalno prilagođene potrebama upravljanja TS 10/0.4 kV, ali se svakako može primenjivati i u drugim industrijskim aplikacijama, bilo kao deo složenijih sistema ili pojedinačno. Kompletno rešenje razvijeno je u laboratorijama IRC "Alfatec" d.o.o. Niš.

Autori: Prof. dr Zoran Stajić, dipl. el. inž., Darko Ilić, dipl.el.inž, Predrag Pejić, dipl.el.inž, Milan Kocić, dipl.el.inž, Marko Tasić, el. teh.

Naslov i evidencioni broj projekta Unapređenje performansi merno-informacionih sistema (MIS) dodavanjem funkcija nadzora kontrole i upravljanja na daljinu (ev. br. 951-01-00065/2008-1/120)

Rukovodilac Prof. dr Zoran Stajić

Organizacija nosilac Istraživačko-razvojni centar "ALFATEC" Niš

Organizacije učesnici Elektronski fakultet Niš Elektrotehnički institut Nikola Tesla Beograd

Korisnici IRC "Alfatec" Niš ED "Jugoistok" Niš JKP "Naissus" Niš

Tehničko rešenje KOMANDNO-KONTROLNI MODUL (CCM-16/10)

Autori Prof. dr Zoran Stajić, dipl. el. inž. Darko Ilić, dipl. el. inž. Predrag Pejić, dipl. el. inž. Milan Kocić, dipl. el. inž. Marko Tasić, el. teh.

Oblast na koju se tehničko rešenje odnosi Elektronika

Opis Komandno-kontrolni modul je realizovan na fleksibilnoj hardverskoj platformi, sa mogućnošću komunikacije putem većeg broja komunikacionih interfejsa i rada na naponima 110V DC i 24V DC. Realizovan je u EDA okruženju Altium Designed Summer 08, kompanije Altium (radi se o profesionalnom alatu za moderan dizajn elektronskih sklopova). Glavni MCU firmver je realizovan na bazi FreeRTOS-a, koji je “open-source real time operating system”, besplatan za komercijalnu upotrebu, i može biti nadograđen na komercijalne verzije OpenRTOS ili SafeRTOS. Dodatni GUI (Windows) softver razvijen je radi lakšeg grafičkog konfigurisanja CCM-16/10 modula. Softver koristi USB/Ethernet port, što omogućava laku konfiguraciju uređaja.

5

Prednosti u odnosu na postojeća rešenja

• Značajno veći broj digitalnih ulaza/izlaza (DI/DO) u odnosu na konkurentska rešenja po istoj tržišnoj ceni

• Podržani komunikacioni kanali: Ethernet, RS-232, RS-485

• Konfiguracija putem USB porta

• Implementacija Modbus protokola i TCP/IP Modbus protokola

• Fleksbilna hardverska platforma koja se lako može prilagoditi novim projektnim zahtevima

Dizajn hardvera

Vodeći se zahtevima potencijalnih korisnika, gde je prvenstveno projektovan za potrebe automatizacije TS 10/0.4 kV u elektrodistributivnim preduzećima, ideja po kojoj je modul realizovan bila je i da se omogući komunikacija sa modulom putem većeg broja komunikacionih interfejsa. Takođe, zadatak je bio i napraviti fleksibilnu hardversku platformu gde, ako se neki od interfejsa ne koristi, jednostavno neće se lemiti odgovarajuće komponente za taj interfejs. Zbog zahteva da se omogući rad modula i na drugim naponima napajanja, iz razloga što se 110V DC ne koristi naširoko, modul je dizajniran u dve verzije, za korišćenje u 110V DC i 24V DC sistemima.

Baziran na tom konceptu, CCM-16/10 modul se, pored primene za automatizaciju 10/0.4 kV transformatorskih stanica, može koristiti i kao komandno-kontrolni modul sa samo digitalnim blokom i širokim asortimanom interfejsa. Implementacija brojnih komunikacionih protokola daje mogućnost integracije modula u veliki broj kontrolnih sistema.

CCM-16/10 modul sadrži:

• 16 digitalnih ulaza (3 izolovane grupe, 8+4+4) • 10 digitalnih izlaza (pojedinačni ili “upareni”) • Napajanje: 18-36V DC za 24V DC verziju ili 66-160V DC za 110V DC verziju • 1 Ethernet 10/100Mbps port • 1 RS232 port • 1 RS485 port • 1 USB2.0 port (za konfiguraciju i izmenu firmvera)

6

Realizacija hardverskih blokova

1. Blok sa procesorima

Za procesorsku jedinicu logična solucija bila je korišćenje 32-bitnog MCU-a koji može pokretati RTOS i sve zadatke vezane za komunikaciju i obradu podataka. Po pitanju cene ovo je bio logičan izbor, jer danas cena 32-bitnih mikrokontrolera je slična ceni 8-bitnih, dok sama procesorska moć ne može da se poredi. Sistem je baziran na jednom centralnom 32-bitnom ARM mikrokontroleru firme ATMEL AT91SAM7X256-AU i 16-bitnom mikrokontroleru periferija firme MICROCHIP dsPIC33FJ26GP304.

AT91SAM7X256-AU je glavni mikrokontroler koji u sebi integriše sve interfejse USB, Ethernet, 2 UART-a i dsPIC33FJ26GP304 i kao jeftinija solucija radi samo operacije “debounce” nad digitalnim ulazima. Ideja za korišćenje 2 MCU-a je opravdana, jer sam modul ima 16 digitalnih ulaza i programabilni “debounce” za svaki ulaz predstavlja zahtevan zadatak za MCU, koji je trebao da pored toga pogoni Ethernet stack, USB stack, RS485 i RS232 komunikaciju, plus protokole koje ima implementirane.

2. Napajanje

Razlika između 24V DC i 110V DC modela je u bloku za napajanje i vrednostima nekih elemenata u bloku digitalnih ulaza. U bloku za napajanje razlika je u integrisanom DC/DC konvertoru koji je treba da bude za odgovarajući napon. U bloku digitalnih ulaza razlikuje se samo vrednost par elemenata (par otpornika i zener dioda).

Blok za napajanje sadrži glavni spuštač napona na +5V za napajanje releja i dodatni spuštač koji spušta sa +5V na +3.3V za pogon logike. Glavni spuštač napona je izolacioni DC/DC konverter, zbog sigurnosti koji pokriva opseg ulaznog napona od 18-36V DC za 24V DC verziju, dok za verziju 110V DC pokriva opseg ulaznog napona od 66-160V DC.

3. Digitalni ulazi

Digitalni ulazi su realizovani tako da se za 24V DC i 110V DC koriste sa minimalnim izmenama. Takođe, bilo je veoma značajno omogućiti što manju potrošnju digitalnih izlaza. Ako se na primer ima potrošnja od 10 mA po digitalnom ulazu, za 16 digitalnih ulaza potrošnja bi bila 16 x 10 mA x 110V = 16 x 1.1 W = 17.6 W. Da bi se redukovalo opterećenje izvora, za ulazne optokaplere uzeti su niskostrujni optokapleri sa direktnom strujom od 1mA. Kolo za drajvovanje optokaplera realizovano je kao izvor konstantne struje od oko 1.6 mA.

4. Digitalni izlazi

Digitalni izlazi su klasični relejni izlazi. Releji su DPDT. Da bi se uvećala struja po izlazu kontakti releja su vezani paralelno.

7

5. Interfejs

Interfejs blok sastoji se od USB interfejsa, RS232 interfejsa, RS485 interfejsa i Ethernet interfejsa. Glavni mikrokontroler AT91SAM7X256-AU ima integrisan Ethernet MAC tako da je postojala potreba za spoljašnjim PHY. PHY blok je realizovan na bazi Micrel-ovog 10/100Mbps KSZ8721BL Ethernet PHY-ja. AT91SAM7X256-AU ima RII magistralu za konekciju sa eksternim PHY blokom. USB blok ima samo par eksternih komponenti, transiver i drajver su integrisani u MCU. RS232 blok zahteva samo naponski translator sa RS232 na TTL nivo. RS485 blok integriše RS485 transiver, zaštitu i kolo za mogućnost softverske kontrole uključenosti/isključenosti 120R otpornika za terminaciju i takođe kontrolu otpornika za definiciju nivoa na RS485 liniji.

Električna šema CCM-16/10 modula

Projekat je realizovan u EDA okruženju Altium Designed Summer 08, kompanije Altium. Radi se o profesionalnom alatu za moderan dizajn elektronskih sklopova. Projekat je organizovan hijerarhijski i sastoji se od 7 šema:

1. CCM.SchDoc - “Top level” šema 2. Power Supply.SchDoc - Blok za napajanje 3. Input 110VDC.SchDoc - Analogni deo digitalnih ulaza 4. Digital Inputs.SchDoc - Digitalni deo digitalnih ulaza 5. CPU.SchDoc - Mikrokontrolerski procesni blok 6. Interface.SchDoc - Blok sa svim interfejsima 7. Digital Outputs.SchDoc - Relejni digitalni izlazi

8

9

10

11

12

13

14

PCB dizajn CCM-16/10 modula

PCB pločica je realizovana kao dvoslojna pločica. Dimenzije su 165x100.4 mm da bi se smestila u izabrani profil.

Slojevi prikazani u dokumentu:

1. Gornji sloj 2. Donji sloj 3. Gornja štampa 4. Donja štampa

Gornji sloj

Donji sloj

15

Gornja štampa

Donja štampa

16

Kućište za CCM-16/10 modul Kućište je realizovano od standardnog profila koji se mogao naći kod nas na tržištu. Profil proizvodi kompanija "NISSAL" iz Niša.

Slike profila iz Solidworks-a

17

Tehnički crtež profila 18

19

Firmver za CCM-16-10 modul

Kako CCM-16-10 modul ima 2 MCU-a, bilo je potrebno razvijati dva firmvera.

Glavni MCU treba da obavlja zadatke komunikacija, konfiguracije modula i komunikacije sa sekundarnim MCU-om. Korišćen je RTOS, čime je redukovana količinu koda koju treba implementirati. Većina periferija je podržana od strane RTOS-a (UART portovi, I2C, Ethernet i USB) i ima implementiranu podršku za TCP/IP protokol.

RTOS

Glavni MCU firmver realizovan je na bazi FreeRTOS-a (http://www.freertos.org), koji je “open-source real time operating system”. Operativni sistem je besplatan za komercijalnu upotrebu, i ukoliko je potrebno može biti nadograđen na OpenRTOS ili SafeRTOS, koje su komercijalne verzije sa nekim zaštitnim sertifikatima.

FreeRTOS ima ugrađen TCP/IP stack stek za 10/100Mbit Ethernet port, tako da je omogućeno

da uređaj komunicira preko Ethernet porta ili se konfiguriše preko LAN/interneta. Ugrađeni Ethernet stek je takođe jedan od razloga za korišćenje RTOS-a nad tradicionalnim pisanjem koda bez operativnog sistema.

Komunikacioni protokoli

Najpre je implementiran Modbus protokol preko serijskog (RS485) porta, jer je prilično lak za implementaciju.

S obzirom na činjenicu da većina RTOS softvera ne podržava vremensko frejmovanje na UART-u, prilikom implementacije protokola vršene su i neke izmene na “low-level” API nivou (novi drajveri za RS485 port).

Takođe, implementirana je i TCP verzija Modbus-a koji se dosta razlikuje od Modbus-a preko

serijskog porta. Ova dva protokola ne treba mešati. U kasnijim fazama razvoja proizvoda na tržištu planira se i implementacija DNP3 slejv

protokola preko serijskog/Ethernet porta i realizacija podrške za “unsolicited” mode koji uvećava tržišnu vrednost samog uređaja.

Konfiguracija uređaja i izmena firmvera

Pošto mikrokontroler poseduje USB hardversku podršku, USB port koristi se za konfiguraciju modula i učitavanje novog firmvera za uređaj. Postoji takođe mogućnost korišćenja TCP ili UART port za tradicionalnu konfiguraciju preko Terminal softvera (MMI).

20

CCM-16-10 softver (sekundarni MCU)

Sekundarni MCU na CCM-16/10 modulu se koristi da smanji opterećenje glavnog MCU-a. Nije bilo potrebe da on ima RTOS, jer je potrebno da radi jednostavne zadatke. Sekundarni MCU se koristi samo kod digitalnih ulaza, i komunicira sa glavnim MCU-om preko brzog serijskog porta. Kako je firmver na sekundarnom MCU prilično jednostavan, smanjuje se mogućnost za otkaz MCU. Moguće je uneti novi firmver u MCU, resetovati MCU i modul će nastaviti da radi bez promena na IO pinovima.

Dodatni softver

Dodatni GUI (Windows) softver razvijen je radi lakšeg grafičkog konfigurisanja CCM-16/10 modula. Softver koristi USB/Ethernet port, što omogućava laku konfiguraciju uređaja. Takođe, važno je napomenuti da se serijski port više ne isporučuje na laptop, pa i stonim računarima, tako da je ovakvim rešenjem izbegnut problem sa problematičnim USB/RS232 konvertorima. MMI može ići preko etherneta bez korišćenja serijskog porta, a takođe modul ima i ugrađenu podršku za TCP/IP konekciju u Windows Hyper Terminal softveru. Ethernet port se takođe može koristiti za daljinsko konfigurisanje uređaja kroz Ethernet mrežu, što je još jedna od prednosti proizvoda.

Slike realizovanog rešenja

21