Смогут ли контроллеры произвести революцию в обществе?
Содержание страницы
Введение и практическое внедрение стандартов на изготовление промышленных контроллеров вызовет во всем мире начало массовой автоматизации жилья, создаст новые и изменит привычные приборы для отопления, вентиляции, стирки, приготовления пищи и много других. Фактически речь идет о создании новой ориентированной на экспорт отрасли.
Часть 1-Реальность и фантастика контроллеров: от смартхауса до такси самообслуживания.
Существует множество систем управления объектами с использованием одной шины. Наиболее известными являются Modbus, Profibus, Profinet, CANbus, CClink, DeviceNet. В начале века был принят стандарт KNX для автоматизации зданий. Отсутствие единого стандарта в автоматике создает проблему: каким пользоваться?
5. КОНТРОЛЬ
Принципиальных различий в контроле промышленных процессов, средств транспорта или жилых домов нет. Разрабатывать новый стандарт пока не требуется. Хотя вопрос дискуссионный, считаю Modbus наиболее подходящим для данного проекта. Он был разработан фирмой Modicon в 80-х гг. прошлого века. Modbus является свободным (не нужно получать разрешение или платить авторский гонорар) и широко распространенным протоколом связи между машинами в промышленности.
Все объекты подключаются к двум проводам (плюс два провода — шина питания), один из объектов является мастером, остальные — слейвы (slave — раб англ.). Отсылать команды может только мастер, а слейвы их исполняют. У каждого слейва свой адрес от 1 до 247 (в конкретных реализациях обычно меньше (например, в FX3URS485ADP-MB от фирмы Mitsubishi максимум 32). В начале каждой команды стоит адрес слейва, которому она предназначена. Если адрес ноль, то команда предназначена всем слейвам. Далее идет код команды. Чаще всего применяются команда 3 — передай информацию о содержании n регистров, начиная с регистра m, и команда 16 — запиши следующую информацию в n регистров, начиная с регистра m. Далее в команде 16 следуют 2 х n байтов с информацией для записи. В конце каждой команды — два байта с кодом ошибки для подтверждения. Код регенерируется на месте приема и сравнивается с принятым. Если значения совпадают — команда принята правильно. В противном случае она удаляется. Слейвы выполняют команды и шлют обратно сообщения подтверждения или ошибки. Существуют различные типы системы Modbus. Для данного применения наиболее предпочтительным является RTU RS485. Потребуется кабель с четырьмя проводами (два для питания и два для передачи информации).
Пока не готов описываемый контроллер, для проверки опытных образцов автоматики и транспорта подходит контроллер серии FX от фирмы Mitsubishi с упомянутым выше узлом связи FX3U-RS485ADPMB. Они имеют аналогичные дизайн и размеры, а также сравнительно недороги. На рис. 11 показан контроллер FX3G фирмы Mitsubishi с двумя дополнительными блоками ввода и вывода, а также с насадкой связи Modbus. Контроллер и дополнительные блоки (их может быть несколько десятков) соединены между собой с помощью разъемов (поз. 7). Схему и тип используемого разъема, а также описание сигналов мне найти не удалось. По фотографии видно, что в нем находится 26 контактов, у контроллеров серии Q той же фирмы их 60. Аналогичный разъем для контроллера S7-300 фирмы Siemens содержит14 контактов, у CJ1 фирмы OMRON их 80, TWIDO SCHNEIDER — 40, а у контроллеров от фирм BECKHOFF и WAGO всего по 6.
Мастер-контроллер является важной частью всей системы и достаточно дорогой. Но он всего один в доме или в транспортном средстве. Периферийных датчиков в системе может быть очень много. В каждой комнате дома или квартиры должны быть датчики температуры и дыма, в каждой форточке — активатор для управления, а на кухне — в каждом приборе (микроволновке, духовке и т. д.) плюс котел отопления. В общей сложности несколько десятков. В автомобиле ненамного меньше. Соответственно, требования к цене периферийных датчиков и активаторов гораздо жестче.
Для того чтобы сетевые датчики или активаторы, удовлетворяющие требованиям проекта, стоили недорого, необходимо сделать следующее:
1. Определиться, какой протокол обмена информацией между периферийными устройствами и центральным процессором должен быть использован. Как упоминалось выше, рекомендуется Modbus с упрощенным вариантом RTU RS485. Кроме этого, необходимо разработать рекомендуемые адреса регистров для каждого типа устройств, например для моторов — определить, по какому адресу записана температура масла двигателя. Подобно разработке универсального драйвера, который подходит для большинства выпускаемых моторов. Если нет, то производитель мотора должен разработать и предложить собственный драйвер. Разумеется, для кухонных печей будет тоже стандартный драйвер. В конечном итоге это позволит использовать смартфон управления практически всеми используемыми дома устройствами, а также для управления арендуемым транспортом.
2.Определить типовые физические размеры плат управления для периферийных датчиков и/или активаторов с заданными крепежными размерами. Это позволит легко менять их в случае необходимости. В сущности требуется ввести стандартный ряд печатных плат, отличающихся размерами, но имеющими одинаковые разъемы для подключения к сети-активатору и непосредственно к датчику, если он расположен не на самой плате а также подводимое напряжения питания. Данный вопрос требует отдельной дискуссии. Единого стандартного напряжения постоянного тока нет. В мотоциклах используют 6 В или 12 В, в автомобилях — обычно 12, иногда 24 В, в устройствах для дома можно встретить что угодно — от 3,5 до 24 В. Учитывая, что в промышленности 24 В используется чаще всего, есть смысл рекомендовать это напряжение и для дома. Логично будет начать также производство специального кабеля с четырьмя жилами, две сечением 0,5 … 1,0 мм², красная (+24), синяя (0) для питания и две 0,25 мм² для связи.
Если же требуется большая мощность, то альтернативой является использование переменного напряжения 220 … 240 В.
3.Предложить шаблоны и средства для разработки печатных плат управления для датчиков и/или активаторов. Существует несколько программ для разработки печатных плат. Одна из них «Игл» (Eagle) имеет бесплатную версию, которая достаточна для большинства применений. На сайте www.cadsoft.de была целая библиотека различных проектов, подаренных пользователями. Каждый проект можно было скачать, что-то изменить и использовать для своих нужд. Не уверен, что все так же просто после того, как компания «Аутодеск» купила «Игл». Возможно, что такая опция доступна только для тех, кто купил подписку. Найти библиотеку на сайте https://www.autodesk.com мне не удалось, хотя она упоминается. В любом случае для каждого типоразмера платы должен быть предложено несколько проектовшаблонов, в которых разъемы, шины питания и детали, относящиеся к протоколу связи, уже установлены и разведены. Пользователю останется только изменить и/или добавить что-то свое, если готовое решение найти не удалось. В результате стоимость разработки, а также требуемая квалификация исполнителя понизятся.
Особенно следует упомянуть проект «АРДУИНО» (Arduino).
Без сомнения, это самое значимое событие, произошедшее а автоматике в ХХI в.
Впервые об «Ардуино» я узнал в 2009 г. Нужно было разработать устройство для контроля дозатора клея. Требовалось повернуть ротор дозатора на заданное число оборотов, подсчитать количество выстреленных микродоз клея, количество «холостых» выстрелов и сравнить с требуемой дозой, а потом в зависимости от результата сравнения выдать сигнал об успешном завершении или ошибке. Случайно в Интернете обнаружил универсальную плату для управления. Цена платы была удивительно низкой, и размер позволял установить ее внутри дозатора. Программировалась плата на широко распространенном языке СИ, пакет программ предлагался бесплатно для скачивания. Нашелся и цифровой дисплей, легко стыкующийся с «Ардуино». Мне оставалось только добавить усилитель мощности для раскачки мотора и датчики. На форуме оказалось нетрудно получить необходимую помощь от более опытных коллег. Через месяц макет заработал. Без «Ардуино» у меня ничего бы не вышло. Разработать и изготовить платы такой сложности за такой срок было просто невозможно. За обе платы я заплатил всего около 60 долларов. Другие компоненты проекта обошлись гораздо дороже.
Подобные изделия были и раньше на рынке. Изготовители микроконтроллеров предлагали также и платы с программами для обучения программированию своих изделий. Стоило это обычно от 100 долларов и выше. Документация на платы обычно не публиковалась, копирование было запрещено. Предназначались для обучения начинающих основам программирования на данном микроконтроллере. На большее они не годились.
История «Ардуино» такова. В 2005 г. в Италии, в городе Ивреа (недалеко от Милана) Массимо Банзи (Massimo Banzi) с группой энтузиастов начал проект, названный «Ардуино» (старинное женское имя в Италии, а также название бара в Ивреа, где встречались энтузиасты проекта). По сути, это была плата с микроконтроллером фирмы «Атмел» (без усилителей, реле и прочей периферии) и программной оболочкой. Для программирования плата подключалась к компьютеру через разъем USB, после чего использовалась автономно. Без периферийных устройств вариантов использования было немного. Но предполагалось, что будут разработаны платы специального назначения (реле, усилители мощности, дисплеи, адаптеры, датчики…), которые можно легко стыковать с основной платой. Полученную этажерку можно запрограммировать и использовать как готовое изделие. Идея понравилась, и уже в первые два года было продано более 50 тыс. плат.
Сейчас «Ардуино» фактически стал стандартом в малой автоматике. Причина успеха проекта в его открытости. Документация (схемы, механические размеры, разводка проводников), необходимая для изготовления плат, выложена в Интернете — https://www.arduino.cc/. Копировать, изготавливать и продавать — разрешается всем кому угодно. В результате множество фирм занимается сейчас их производством. Для проектирования плат используется уже упомянутый «Игл».
Фактически «Ардуино» позволяет решить многие задачи в автоматике простой комбинацией из двух или более уже готовых недорогих плат, основной платы (борд) и дополнительной (шильд), легко стыкуемой с основной, на которой находятся усилители, реле, индикаторы, дисплеи и прочая периферия. Борд нужно запрограммировать в соответствии с задачей, а шильд просто выбрать из огромного количества предложенных на рынке или разработать специальный по имеющимся шаблонам.
Размеры бордов — от ладони (Mega, UNO) до размеров немного больше человеческого ногтя (Nano). Размер шильда может соответствовать борду, и они стыкуются, как этажерки. При этом шильдов может быть несколько. Другой вариант — когда борд значительно меньше по размерам, и он вставляется в шильд как компонент. И шильд, и борд продаются отдельно и обычно изготавливаются разными фирмами.
Использование плат «Ардуино» является предпочтительными для устройств, работающих по сложным внутренним алгоритмам и в то же время управляемых извне центральным контроллером (например, котел отопления в доме). Кроме того, они могут быть использованы и в центральном контроллере тоже. По крайней мере, это самое простое и быстро реализуемое решение для создания контролеров.
Фактически контроллеры, построенные на основе плат «Ардуино» (рис. 12), уже в продаже. Видимо, эту тенденцию следует продолжить. Специально разработан шильд, в соответствии с внешними размерами корпуса использующий борд Nano и возможность соединять шильды в этажерку. Главное, чтобы проект оставался открытым. Следует иметь в виду, что пакет программирования для «Ардуино» предлагается для скачивания бесплатно, но ситуация может в любой момент измениться.
Как уже отмечалось выше, важной задачей является разработка рекомендуемых адресов прошивки для каждого типа устройств. Это облегчит работу программистов будущих устройств. Для упрощения реализации предлагаю отказаться от битовых команд и использовать только упомянутые 3 и 16, а для передачи дискретных команд использовать регистры 40001 … 40010 (каждый регистр содержит 16 бит), Последующие 40 регистров использовать для передачи аналоговых сигналов. Аналогично регистры 40051 … 40060 использовать для приема дискретных сигналов, а 40061 … 40100 — для считывания аналоговых значений. Регистры 40101 … 40110 — код изготовителя слейва, 40111 … 40120 — идентификатор слейва (назначение, тип, версия).
В таблице показана рекомендуемая таблица адресов регистров для систем отопления и вентиляции.
Значения передаются с коэффициентом 10. Например, 168 в регистре 40011 означает, что заданная температура составляет 16,8 градуса по Цельсию.
Аналогичные таблицы будут полезны также и для устройств по приготовлению пищи, стиральных и посудомоечных машин, транспортных мотоблоков и т. д.
Новые возможности неизбежно ведут к новым желаниям и потребностям, которые прежде не появлялись. Если кухонная микроволновка и духовка будут соединены с домашним контроллером, а тот, в свою очередь, со смартфонами жильцов, то можно поставить новую задачу: упрощение использования кухонных устройств. При этом упаковка с едой-полуфабрикатом, принесенная из магазина, сканируется смартфоном, проверяется, не просрочен ли товар, возможно ли приготовление данного блюда на имеющихся на кухне устройствах, и автоматически считывается рецепт приготовления блюда. Если возможны варианты, на экране смартфона появляется вопрос, например: « Где готовить, в печи или микроволновке?» Потом жди звукового сигнала и информации на экране типа: «Печь прогрета, удалите упаковку и положите еду в нижний большой отсек. Через 30 минут будет готова».
Какая именно температура в печи и прочие подробности, пользователю знать необязательно. Но если интересно, можно посмотреть в смартфоне. Индикатор на печи вообще не будет нужен, что потенциально удешевит устройство.
Для реализации потребуется разработать новый компактный язык пошагового программирования типа: номер ступени, код операции, условие завершения ступени. Затем точка с запятой для перехода на следующую строку (ступень). И так далее. Потребуется специальный сайт, где будут храниться самые разные понятные машинам рецепты для скачивания.
6. ДРУГИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Кроме бытовой автоматики и каршеринга, целесообразны и другие применения. Кроме автомобилей, можно сдавать в краткосрочную аренду также и велосипеды. Во многих городах это уже есть. Мне приходилось видеть подобные услуги в Москве, Франкфурте, Брюсселе, Антверпене и Лондоне (рис. 13–16).
Как видно на фотографиях, велосипеды используют различные и несовместимые друг с другом конструкции (даже в небольшой по размерам Бельгии). Во Франкфурте велосипед можно оставить где угодно (стойка не требуется), это удобно для пользователя, но, видимо, небезвредно для велосипеда. И во всех отсутствует устройство для крепления смартфона. В Москве, Брюсселе и Франкфурте велосипеды снабжены специальными коробками с органами управления. Это не способствует снижению стоимости продукта. Более логично было бы снабдить велосипеды стойками для крепления смартфонов пользователей и использовать их для входа в систему, оплаты, навигации, чтения извещений от фирмы, предлагающей услугу, местных органов власти и полиции.
Важно, что велосипеды уже есть, сдаются в аренду, и имеется опыт их эксплуатации. Нужно отработать процедуру оплаты, проанализировать опыт, выбрать одну модель (или создать новую), которая наиболее подходит, и предлагать ее для свободного копирования повсеместно.
Следующим шагом будет расширение функций и предложение других видов транспорта: автомобилей, кресел-колясок (всем нам иногда бывает плохо), самоходных лестниц, мини-фургонов и т. д. Регистрация будет общая, оплата услуг с помощью смартфона и одного счета.
Другим проектом может стать разработка ряда универсальных стандартных аккумуляторов с одинаковым напряжением и разъемом, но разных типоразмеров, наподобие батареек: АА, ААА. Как только появятся противопожарные и другие датчики в домах и квартирах, ведомства потребуют, чтобы они работали от нескольких часов до суток после отключения электроснабжения. Подобные требования существуют для промышленных зданий. Несомненно, их распространят и на жилые помещения. Потребуются аккумуляторы. Надо делать так, чтобы их можно было использовать также и для электродрелей, отверток, фонарей, кофемолок, усилителей звука и т. д. Далее — свободное копирование и активное продвижение на рынок.
7. СОЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
Никакая революция, в том числе и техническая, не проходит безболезненно.
Новые технологии означают для одних увеличение доходов, а для других потерю работы. Повсеместное внедрение такси самообслуживания приведет к сокращению спроса на обычные такси, а также на автобусы и другой общественный транспорт, поскольку оно будет самым удобным и дешевым. Зачем ждать автобуса, если за те же деньги можно доехать на такси? Но как быть людям, которые по состоянию здоровья не могут управлять автомобилем? Кроме того, сократится спрос на автомобили вообще, поскольку многие люди откажутся от приобретения личного транспорта.
Одной из важнейших мер помощи станет разработка системы поиска попутчиков. Каждый зарегистрированный пользователь с помощью смартфона может указать, где он или она находится и куда желает ехать. Система автоматически рассчитает варианты и разошлет сообщения людям, арендующим автомобили и едущим в данном направлении. При согласии, пассажиру и водителю отсылаются сообщения о подтверждении, а также о времени и месте посадки. Большая часть расходов за поездку ложится на того, кто просил подвести. При этом расценки за подвоз должны быть заранее определены, и все регистрирующиеся — с ними ознакомлены.
Возможный подход к расчету: бензин пополам, остальные расходы на пассажира. Информация о том, кто, кого, когда и куда подвозил, должна храниться в базе данных.
Другой мерой будет, вероятно, пересмотр правил выдачи водительских удостоверений. Если сейчас они практически одинаковы у большинства водителей, то в будущем потребуется четко оговорить максимальную скорость поездки для их обладателя. При этом скрыть факт превышения скорости будет невозможно, поскольку система следит за фактической скоростью каждого транспорта и сравнивает с уровнем водителя и обстановкой. Предлагаю ввести шесть уровней: до 6, 12, 25, 50, 100 и выше 100 км/час. Модули должны также сертифицироваться для данных уровней. Первый уровень 6 км/час ожидается для часто используемых инвалидами и пожилыми людьми самодвижущихся кресел, которые следует также разделить на стандартные модули и предлагать для поминутной аренды. Уровень 50 км/час достаточен для передвижения по городам и поселкам. Уровень 100 км/час необходим для движения по автомагистралям. Для тех, кто не может получить права, разрешающие ездить быстрее 100 км/час, будет альтернатива вести нормальный образ жизни.
Максимально разрешенная скорость транспорта определяется наименьшей скоростью из максимально разрешенных скоростей для каждого модуля, из которых состоит транспортное средство, а также водителя и дороги.
ВЫВОДЫ
Введение и практическое внедрение стандартов на изготовление промышленных контроллеров вызовет во всем мире начало массовой автоматизации жилья, создаст новые и изменит привычные приборы для отопления, вентиляции, стирки, приготовления пищи и много других. Фактически речь идет о создании новой ориентированной на экспорт отрасли.
Реализация модульного дизайна в автомобильной промышленности приведет к рассредоточению производства. Одни фирмы будут выпускать только кузова, не заботясь о том, какой привод (бензиновый, дизельный или электрический) будет использован, другие — только детали для мотоблоков либо специальные устройства или будут писать программы. Это позволит в несколько раз снизить стоимость транспортных средств на рынке, позволит быстро и дешево создавать новые машины. Мотоблоки могут быть использованы также для поломоечных машин, самоходных лестниц и множества других устройств специального назначения. В целом улучшится качество жизни, центры городов освободятся от ненужного транспорта, так как поездка на такси самообслуживания будет дешевле, чем на автобусе.
Статья была опубликована в июльском номере журнала «Наука и техника» за 2019 год