Forprosjekt En studie i bruk av multimediakontroller i industrielle styresystemer H09E05 Hovedprosjekt ved Høgskolen i Østfold Anders Hansen Bård Kjellhov Daniel Paulsen Simona G. Popita Martin O. Torp
Sammendrag Hensikten med denne rapporten er å skape en introduksjon til hovedprosjekt for gruppe H09E05. Oppgaven er formulert av Helge Mordt fra Prediktor som et interesseområde for Prediktor og som passende for vår linje. Dette dokumentet presenterer to mulige løsninger for den gjeldende problemstillingen med vår anbefaling for den ene. Vedlagt i denne rapporten foreligger diagrammer og tabeller for hvordan gruppen planlegger å løse oppgaven. Innhold Sammendrag...1 Innhold...1 Bakgrunn...2 Problemformulering og avgrensning...2 Oppgavespesifikasjon...3 Alternativ 1...3 Alternativ 2...4 Prosjektmål og avgrensninger...5 Effektmål...5 Resultatmål...6 Prosessmål...6 Konklusjon...6 Utstyrsliste...7 Vedlegg...8 Organisasjonskart...8 Gantdiagram/Ressurshåndtering...9 Akkumulert kostnadsoversikt... 10 Side 1
Bakgrunn Oppgaven har tittelen - En studie i bruk av multimediakontroller i industrielle styresystemer. Oppdragsgiveren er bedriften Prediktor AS. Veiledere til hovedprosjektet er høgskolelektor Åge T. Johansen og dr.ing. / førsteamanuensis Helge E. Mordt fra Høgskolen i Østfold. Prediktor AS Prediktor AS er en leverandør av industriell IT og er lokalisert på Gressvik i Fredrikstad. Firmaet ble etablert i 1995 av personer med med bakgrunn fra prosessindustri og industriell forskning. Siden etablering, har Prediktor AS utviklet flere standardardiserte programvarebaserte produkter, og innehar en teknologi og en kompetanse som er blant de beste i verden på sitt område. Firmaet tilbyr diverse produkter: 1. Software teknologi som inkluderer: direkte datainnsamling og intersystemkommunikasjon i sanntid systemer, databaseteknologi og web-teknologi. 2. Kontroll teknikk, blant annet matematisk modellering, modellbasert prediktiv regulering(mpc), online spektroskopi, instrumentering, virtuelle sensorer, PLC og kontroll systemrealisering. 3. Firmaet har bred kunnskap om forskjellige applikasjoner og prosesser fra en rekke bransjer: olje, gass, kjemi, fotoelektrisk, bil og undervann industrien. Problemformulering og avgrensning Oppgaven, som vi tolker den, er i praksis å lage et grensesnitt mellom en konsollkontroller og et styresystem for en relekontrollert kran. Dette innebærer å lage logikken og elektronikken til styresystemet, dessuten håndtere digital og analog datastrøm til og fra styresystemet. Problemstillingen konvergerer mot spørsmålet om å benytte kontroller med innbygd trådløs egenskap eller å konstruere denne egenskapen selv. Vi vil i denne utredningen belyse løsning basert på begge grunnlag og peke på åpenbare forskjeller mellom disse. Løsningene vil favorisere implementasjoner som er så enkle som mulig i forhold til det rammeverket som hver modul vil operere innenfor. Dette dokumentet er avgrenset til å se på funksjonene til systemet, og belyse momenter og forventet ressursforbruk. Detaljdesign av prototype og demooppsettet blir ikke definert før endelig alternativ blir valgt. Vektlegging blir at systemet skal være universalt. Prosjektet vil ikke inneholde brukerveiledning. Side 2
Oppgavespesifikasjon Alternativ 1 1 : Ferdig trådløs enhet fra leverandør, tilkobling for 9 pins plugg må lages. o A : Grensesnitt ut fra kontroller, foreligger endel data på formatet til dette grensesnittet. Se vedlegg. 2 : Radiokontroller tar imot data fra grenssnitt A. Skal håndtere digitale data inn. Kjernen av denne modulen vil bestå av en microcontroller fra ATMEL, muligens en Atmega32. o B : Grensesnitt mot relekontroller, Forespeiler bruk av UART eller CAN-bus. UART vil forenkle debugging betraktrelig siden denne kan koble rett mot PC og vise sendt data på terminalprogramvare. o E, F : Programmeringsgrensesnitt, SPI eller JTAG. Høyst sannsynlig SPI p.g.a. enkel implementasjon. 3 : Relekontroller mottar seriell data fra radiokontroller. Prosessere digital seriell input til de innganger som relekort måtte ha. Det kunne også vært en tanke å laget flere grensesnitt ut av denne modulen, som PWM, analoge og digitale for kontroll av relekort og eventuelt servoer. Side 3
o C : Grensesnitt mot relekort, dette kortet foreligger ikke, format ukjent. Til vår kjennskap kan de fleste PLS er benytte analoge og rene digitale innganger som RS232 og CAN-bus. o F : Se under punkt 2. 4 : Relekort, foreligger ikke under utberedelse av dette dokument. o D : Grensesnitt mot demosystem, relenettverk med nødvendige koblinger og forriglinger. Eventuelt digitale og/eller PWM modulerte utganger. 5 : Demosystem, ved produksjon av dette dokumentet er denne delen forsatt ukjent. Det blir høyst sannsynlig en form for kransystem, muligens en traverskran. En tanke kunne også være å lage et demosystem basert på standardiserte digitale eller PWM modulerte servoer. Eks Futaba S3003 standard. Alternativ 2 Arbeidstasjon Arbeidstasjon P i Pi C PSX C i T i C i R i 1 2 3 4 5 µc (Radiokontroller) µc (Radiokontroller) µc (Relekontroller) Optionelt S dig 6 R c Digital ut Relekort S pwm 7 R f Servokontroller Demosystem 1 : PSX kontroller o C psx : Grensesnitt ut fra kontroller, foreligger endel data på formatet til dette grensesnittet. Se vedlegg. Side 4
2, 4 : Radiokontrollere, ser for oss å benytte demokort fra Radiocraft som benytter RC11XX brikkesett. Disse sammen med en mikrokontroller fra Atmel, for eksempel ATmega32, vil utgjøre en tilstrekkelig plattform for det trådløse grensesnittet. Radiokontrolleren vil bearbeide innkommende signal fra PSX kontrolleren og sende dette videre på det serielle UART grensesnittet. o C i : UART grensesnitt mot Radiocraftmodul, benytter standardisert seriell protokoll. o P i : Programmering og debug grensesnitt. Benytter SPI. o R i : Serielt grensesnitt mellom radiokontroller og relekontroller, benyttes også under debugging av modul. 3 : RC11XX chipset. Transparent UART, 868MHz båndbredde, teoretisk rekkevidde opp mot 1km. 5 : Relekontroller mottar seriell data fra radiokontroller. Prosessere digital seriell input til de innganger som relekort måtte ha. Det kunne også vært en tanke å lage flere grensesnitt ut av denne modulen, som PWM, analoge og digitale for kontroll av relekort og eventuelt servoer. o R s : Grensesnitt mot relekort, dette kortet foreligger ikke, format ukjent. Til vår kjennskap kan de fleste PLS er benytte analoge og rene digitale innganger som RS232 og CAN-bus. 6 : Relekort, foreligger ikke under utberedelse av dette dokumentet. o D : Grensesnitt mot demosystem, relenettverk med nødvendige koblinger og forriglinger. Eventuelt digitale og/eller PWM modulerte utganger. 7 : Demosystem, ved produksjon av dette dokumentet er denne delen forsatt ukjent. Det blir muligens en form for kransystem, muligens en traverskran. En tanke kunne også være å lage et demosystem basert på standardiserte digitale eller PWM modulerte servoer. Eks Futaba S3003 standard. En slik løsning krever en egen servokontroller, styringsdata henter vi da ut fra fra Relekontroller(5). Prosjektmål og avgrensninger Effektmål Vi skal ferdigstille den industrielle fjernstyrte styringsmekanismen slik at den kan demonstreres ved bruk av et demosystem. Eventuell konstruksjon av demokran skal avtales med maskinavdelinen rett før eller etter påske. En demokran vil også nytte Høyskolen i Østfold ved at denne kan benyttes hos maskinavdelingen som en laboratorierigg i forbindelse med skolens undervisningsopplegg. Side 5
Resultatmål Disse resultatmålene ligger som grunnlag for milepælsplan og underliggende tidsfrister gjennom prosjektgjenomførelsen. Tids og kostnadsforbruket skal holdes innenfor gitte rammer o 30.03.09 Prosjektstart o 03.04.09 Forprosjekt og WEB-side, beskrivelse av oppgave, gruppe og oppdragsgiver o 24.04.09 Materiale til EXPO katalog o (08.05.09 Midtveis/progresjonsrapport) o 02.06.09 Pressemelding EXPO o 08.06.09 Ferdigstillelse sluttrapport o 10.06.09 EXPO stand Modulene i systemet skal ha mulighet for separat uttesting Systemet skal kunne fjernstyre en demomodul Prosessmål For prosjektgruppen : Øke praktisk kompetanse innen flere aspekter av utdannelsen, spesifikt planlegging og utførelse av tekniske prosjekter. Øke kompetanse om ATMEL mikroprosessorer og hvordan disse kan benyttes i forbindelse med trådløse applikasjoner og styresystemer. Øke gruppemedlemmers kompetanse i programmering i C og muligens Assembly. Dessuten vil OrCad benyttes til pcb design og layout. Øke gruppemedlemmenes erfaring med å arbeide med ekstern oppdragsgiver. For oppdragsgiver : Potensielt fremme oppdragsgivers innsikt innenfor ATMEL AVR og RadioCrafts prosessorfamilie. Fremme en mulighet for å benytte spillkontroller i industrielle miljøer. Konklusjon Siden det finnes kontrollere med ferdig trådløst grensenitt kan disse benyttes, en løsning på denne oppgaven ser man beskrevet under alternativ 1. Fordel med denne løsningen er at gruppen slipper å jobbe med det trådløse grensesnittet og kan derfor konsentrere seg fullt om kontrollelektronikken. Vi ser at det kan bli problemer med rekkevidden på grunn av lave effekter, og at de fleste produsenter benytter enten IR eller 2.4GHz båndet. I alternativ 2 tar vi hensyn til mulig ønske om større rekkevidde. Den løsningen vi tenker fra Radiocraft benytter frekvensbåndet rundt 868MHz, som i lik grad med 2.4GHz båndet er fritt tilgjengelig (under en viss effekt). Dette alternativet vil kreve endel mere jobb opp mot den trådløse delen, da spesielt programmering av radiokontrollere. Resten av prosjektet vil i praksis bli identisk med Alternativ 1. Side 6
Anbefaler oppdragsgiver å gå for Alternativ 2 både fordi denne løsningen gir økt rekkevide og fordi størrelsen av grupppen dikterer større arbeidsmengde enn det Alternativ 1 presenterer. Detaljer angående fysiske enheter vil bli presentert i eventuell progresjonsrapport og sluttrapport etter avtale med oppdragsgiver og veileder. Utstyrsliste Alternativ 1: Komponent Pris per enhet i Pris i kr Økonomisk Ansvarlig kr Trådløs Playstation kontroller 400 kr 400 kr Gruppen 2 stk ATmega32 100 kr 200 kr HiØ Relèkort Ukjent Ukjent Prediktor Totalt 600 kr Alternativ 2: Komponent Pris per enhet Pris Økonomisk Ansvarlig Playstation kontroller 200 kr 200 kr Gruppen 3 stk ATmega32 100 kr 300 kr HiØ 2 stk RC11XX 100 kr 200 kr HIØ Relèkort Ukjent Ukjent Prediktor Totalt 900 kr Generelt, Alternativ 1 og 2 Komponent Pris Økonomisk Ansvarlig Printkort m/div. komponenter Ca 50 kr per dm 2 HiØ Kaustisk soda/syre til pcb fremkalling Ca 50 kr HiØ Diverse (ledninger,kontakter osv) Ca 100 kr Totalt Ca 200 kr Programvare Cadence OrCAD AVR Studio 4 Hyperterminal Lisens HiØ NEI NEI Utstyrskostnad blir for alternativ 1: ca 800.- + Relèkort Utstyrskostnad blir for alternativ 2: ca 1200.- + Relèkort Side 7
Vedlegg Organisasjonskart Side 8
Gantt-diagram/Ressurshåndtering 27 Levering sluttrapport + tilhørende vedlegg 0 days Mon 08.06.09 Mon 08.06.09 08.06 26 Sluttrapport 19 days Mon 11.05.09 Mon 08.06.09 22 Anders[10% ];Bård[30%];Daniel[ 25 Ferdig pressemelding 0 days Tue 02.06.09 Tue 02.06.09 02.06 24 Pressemelding 0,6 days Fri 29.05.09 Fri 29.05.09 Daniel[60% ];Martin[40%] 23 Ferdig midtveisrapport 0 days Fri 08.05.09 Fri 08.05.09 08.05 22 Midtveisrapport 5 days Mon 04.05.09 Fri 08.05.09 20SS Anders[20%];Bård[20%];Daniel[10%];Martin[20%];Simona[20%] 21 Innlevering material Expo 0 days Fri 24.04.09 Fri 24.04.09 24.04 20 Materialer Expo 0,38 days Fri 24.04.09 Fri 24.04.09 Anders 19 Ferdig modul 0 days Thu 07.05.09 Thu 07.05.09 07.05 18 Programmering 6 days Wed 29.04.09 Thu 07.05.09 17FF Anders[40%];Simona[40%];Daniel[20% ] 17 Testing 11 days Wed 22.04.09 Thu 07.05.09 16 Anders[35%];Daniel[20%];Simona[35% ] 16 Fysisk utbygging 1 day Tue 21.04.09 Tue 21.04.09 15 Simona[60%];Anders[40%] 15 Layout 5 days Tue 14.04.09 Mon 20.04.09 9SS Anders;Simona;Daniel[20%] 14 Rele kontroll modul 17 days Tue 14.04.09 Thu 07.05.09 13 Ferdig modul 0 days Thu 07.05.09 Thu 07.05.09 07.05 12 Programmering 6 days Wed 29.04.09 Thu 07.05.09 11FF Bård[40%];Daniel[20%];Martin[40%] 11 Testing 11 days Wed 22.04.09 Thu 07.05.09 10 Bård[40%];Daniel[20%];Martin[40%] 10 Fysisk utbygging 1 day Tue 21.04.09 Tue 21.04.09 9 Martin[50%];Bård[50%] 9 Layout 5 days Tue 14.04.09 Mon 20.04.09 Bård;Daniel[20% ];Martin 8 Trådløs modul 17 days Tue 14.04.09 Thu 07.05.09 7 Konstruksjon 17 days Tue 14.04.09 Thu 07.05.09 6 Prosjekt 37 days Tue 14.04.09 Mon 08.06.09 5 Levering forprosjekt 0 days Fri 03.04.09 Fri 03.04.09 03.04 4 Nettside 5 days Mon 30.03.09 Fri 03.04.09 3SS Bård 3 Forprosjektrapport 5 days Mon 30.03.09 Fri 03.04.09 Anders;Daniel;Martin;Simona 2 Forprosjekt 5 days Mon 30.03.09 Fri 03.04.09 ID Task Name Duration Start Finish Predecessors 23 Mar '09 06 Apr '09 20 Apr '09 04 May '09 18 May '09 01 Jun '09 15 Jun '09 F T S W S T M F T S W S T M F T S W S T M 1 Hovedprosjekt 42 days Mon 30.03.09 Mon 08.06.09 Side 9
Akkumulert kostnadsoversikt Side 10
Linker : Illustrasjoner PSX controller http://www.amazon.co.uk/joytech-wireless-analog-controller-ps2/dp/b0001387yc Datablad RC11XX http://www.radiocrafts.com/index.php?sideid=241&ledd1=32 Side 11