Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы повышения качества управления электроавтоматикой систем ЧПУ типа PCNC на основе применения программируемых контроллеров 13
1.1 Этапы развития Программируемых Логических Контроллеров 13
1.2 Современные тенденции в построении программируемых контроллеров, в контексте задачи повышения эффективности процесса управления электроавтоматикой станков с ЧПУ 18
1.3 Постановка задачи исследования 42
Глава 2. Методы и средства повышения качества управления электроавтоматикой станков с ЧПУ типа PCNC на основе построения программно реализованных контроллеров, встраиваемых в общую аппаратно-программную систему ЧПУ 44
2.1. Общее представление об архитектуре программно реализованного логического контроллера 46
2.2. Реализация логической задачи ЧПУ на основе ПЛК 48
2.3. Реализация логической задачи ЧПУ на основе программно реализованного контроллера 49
2.4. Методы и средства встраивания программно реализованных контроллеров в общую аппаратно-программную структуру PCNC 55
2.5. Выводы по главе 69
Глава 3. Архитектурная модель контроллеров типа Soft PLC на основе технологии клиент-сервер 71
3.1. Моделирование клиентского приложения Soft PLC 71
3.2. Моделирование архитектуры серверного приложения Soft PLC 97
3.3. Компоненты и исполнительная часть серверного приложения Soft PLC. 100
3.4. Методика проектирования системы управления электроавтоматикой станков 111
3.5. Выводы по главе 114
Глава 4. Разработка серверной части программно — реализованного контроллера типа Soft PLC, как средства повышения эффективности работы системы электроавтоматики станка с ЧПУ 115
4.1. Описание технологического оборудования для иллюстрации работы программно реализованного контроллера типа Soft PLC 115
4.2. Построение ядра сервисного приложения программно-реализованного контроллера Soft PLC с применением формализма автоматных графов 118
4.3. Обоснование эффективности практического применения программно - реализованного контроллера типа Soft PLC для управления электроавтоматикой станка с ЧПУ 131
4.4. Выводы по главе 4 140
Основные результаты диссертационной работы 142
Список литературы 144
Приложение №1 149
- Этапы развития Программируемых Логических Контроллеров
- Общее представление об архитектуре программно реализованного логического контроллера
- Моделирование клиентского приложения Soft PLC
- Описание технологического оборудования для иллюстрации работы программно реализованного контроллера типа Soft PLC
Введение к работе
Применение Вычислительной Техники (ВТ) в автоматическом управлении — важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Промышленность, транспорт, системы связи и защиты окружающей среды существенно зависят от компьютерных систем управления (КСУ). Практически ни одна техническая система не работает без той или иной формы управления. Электронные Вычислительные Машины (ЭВМ) - компьютеры играют здесь ключевую роль, и во многих случаях не существует реальной альтернативы компьютерному управлению процессами.
[1]
Но специфика систем управления сложными объектами, какими,
например, являются системы числового программного управления (ЧПУ)
станками требуют применения специализированных компьютерных систем,
которые, в отличии от универсальных ЭВМ, отличаются функциональной
компонентой, прямо ориентированной на процессы управления объектами в
режиме реального времени. Такими системами являются программируемые
логические контроллеры (ПЛК). [2]
Программируемые логические контроллеры - это устройства аналогичные по функциональным возможностям Персональным Компьютерам (ПК), предназначенные для выполнения операций переключения в условиях современного производства. Сегодня на рынке существуют тысячи разнообразных моделей ПЛК, которые разнятся не только техническими характеристиками (размером памяти, мощностью вычислительного блока, числом каналов ввода/вывода), но и функциональными возможностями.
Основные операции ПЛК соответствуют комбинационному управлению логическими схемами. Эти устройства генерируют выходные сигналы (включить/выключить) для управления исполнительными механизмами (электродвигателями, клапанами) на основании результатов
обработки сигналов, полученных от датчиков, либо устройств верхнего уровня. Кроме того, современные логические контроллеры выполняют и другие операции, например: совмещают функции счётчика и интервального таймера, обрабатывают задержку сигнала и т.д.
Первые ПЛК были предназначены только для простых последовательных операций с двоичными сигналами (откуда и произошло название). Небольшие ПЛК были предназначены, в основном, для замены реле и имели некоторые дополнительные функции - счётчиков и таймеров.
Главное преимущество ПЛК, обусловившее их широчайшее распространение - то, что компактная схема смогла заменить десятки реле. Другое преимущество этих устройств — функции логических контроллеров реализуются программно, а не аппаратно, что позволяет адаптировать их к работе в новых условиях с минимальными усилиями. Ряд дополнительных функций, которыми обладают современные ПЛК, привели к практически полному переходу систем автоматизации на базу контроллеров, без которых сегодня сложно представить любую АСУ ТП.
Конструктивно ПЛК приспособлены для работы в типовых промышленных условиях, с учётом уровней сигналов, термо- и влагостойкости, ненадёжности источников питания, а также механических ударов и вибраций. С этой целью аппаратная часть заключается в прочный корпус, минимизирующий негативное влияние ряда производственных факторов. Контроллеры также содержат специальные интерфейсы для согласования и обработки различных типов и уровней сигналов. Расширение возможностей ПЛК привело к тому, что их всё чаще применяют в устройствах ввода/вывода, входящих в состав интегрированных систем управления — на уровнях локального управления и управления процессом. На Рис. В.1 представлена типовая иерархическая структура распределенной системы управления[10].
уровень стратегического
управления
управляющий компьютер
управляющий компьютер
уровень управления производством
компьютер управления производством
компьютер управления производством
компьютер управления производством
уровень управления производственным г/Ч'И ткан
компьютер участка
компьютер участка
компьютер участка
уровень управления процессом
станок с Ч11У
станок с ЧНУ
станок с ЧПУ
контрохгер
процесса
уровень локального управления
! f t *
датчики Щ Д Д Д
і і і
Й га Й |и:
исполншпелышь механизмы
физтесісиїї/техпический процесс
Рис. В.1 Иерархическая структура распределенной системы управления.
Контроллеры традиционно работают в нижнем звене автоматизированных систем управления (АСУ) предприятия - систем непосредственно связанных с технологией производства (см. Рис. В.1). Применение ПЛК, обычно, являются первым шагом при построении АСУ процессами. Это объясняется тем, что необходимость автоматизация управления отдельным механизмом или установкой всегда наиболее очевидна. Она дает быстрый экономический эффект, улучшает качество производства, позволяет избежать физически тяжелой и рутинной работы. Контроллеры по определению созданы именно для такой работы.
Далеко не всегда удается создать полностью автоматическую систему. Часто «общее руководство» со стороны квалифицированного человека — диспетчера необходимо. И поэтому для внешне реализованных ПЛК со временем начали появляться различные программные средства, позволяющие
наиболее полно использовать все новые функциональные возможности, которые стремительно развивавшихся и прогрессировавших систем. Появился целый класс программного обеспечения реализующего интерфейс человек— машина (Man Machine Interface (ММІ)). Это так называемые системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления (Supervisory Control And Data Acquisition System — SCADA). Разделение производства ПЛК, средств программирования и диспетчерских систем привело к появлению стандартных протоколов обмена данными. Наибольшую известность получила технология ОРС (OLE for Process Control), базирующаяся на механизме DCOM (Distributed COM) Microsoft Windows. При этом составной частью базового программного обеспечения современного ПЛК является средства системной интеграции в структуру АСУ (см. Рис. В.2).
В комплекс программирования ПЛК входит ОРС сервер (см. Рис. В.2). Сервер имеет средства получения доступа к данным ПЛК также прозрачно, как и отладчик. Достаточно обеспечить канал передачи данных ПЛК — ОРС сервер. Обычно такой канал уже существует и используется при отладке.
Второй часто возникающей задачей является интеграция нескольких ПЛК с целью синхронизации их работы. Здесь появляются сети, обладающие рядом специфических требований. В целом это требования, аналогичные требованиям к ПЛК: режим реального времени, надежность в условиях промышленной среды, ремонтопригодность, простота программирования. Такой класс сетей получил название промышленных сетей (fieldbus). Существует масса фирменных реализаций и достаточно много стандартов таких сетей (Bitbus, Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNet), позволяющих интегрировать аппаратуру различных фирм, но ни один из них нельзя признать доминирующим.
Машина 1
Машина N
і і
Органы воздействия
Объект управления
Датчики
X
Сеть fieldbus
Система программирования и отладки
Локальная сеть
/С
Сервер данных ОРС
Рабочее место оператора Службы АСУ
верхнего уровня
Рис. В.2. Место ПЛК в Автоматизированной Системе Управления.
В системах промышленной автоматики контроллер должен работать в
режиме реального времени. Кроме того, необходимым условием является формирование управляющего сигнала за отрезок времени, который делает управление адекватным и действенным. Ввод и обработка внешних сигналов осуществляется в ПЛК двумя способами: по опросу или по прерыванию. Основной недостаток опроса - опасность потери некоторых внешних событий. Управление по прерываниям сложнее для программирования, но риск пропустить какое-либо внешнее событие в несколько раз меньше.
Сегодня появляется реальная возможность программной реализации управления электроавтоматикой станков в рамках общего программного обеспечения систем ЧПУ без привлечения дополнительной аппаратуры и системного программного обеспечения программируемых контроллеров, которые являются неотъемлемой частью практически любой современной системы ЧПУ. Программно реализованные логические контроллеры, получившие название Soft PLC, получили большую популярность на современном этапе развития систем управления и поэтому, данная область автоматизации бурно развивается на сегодняшний день, находя свое
применение во все более разнообразных задачах, в том числе в системах ЧПУ станками. Но так же, стоит в связи с этим отметить, что Soft PLC появились и начали завоевывать заслуженную популярность совсем недавно и поэтому имеются довольно большие области не исследованных и не решенных проблем, а так же задач, вызывающих бурные дискуссии.
Этапы развития Программируемых Логических Контроллеров
Предшественником ПЛК, в современном понимании этого слова, были аппаратно реализованные системы на основе релейно-контактных схем. Дискретная, или релейная, автоматика существует очень давно. Однако, развитие дискретной автоматики, в нынешнем её виде, началось с изобретения электромагнитного реле в первой половине XIX века. Релейно-контактные схемы нашли применение на автоматических телефонных станциях, на железных дорогах, во всевозможных устройствах защиты, пуска и блокировки. Их использование расширилось в 50-е годы прошлого века, чему способствовали возросший спрос на автоматизацию различных промышленных процессов, успехи технологии, приведшие к созданию надежных малогабаритных реле, а таюке развитие теории синтеза контактных логических сетей. [5][6][7].
Реле обладали следующими преимуществами: простота реализации схем, удобства стыковки с источниками информации и командоаппаратами, возможности коммутации мощных сигналов, простоты схем электропитания, наличия гальванической развязки цепей. [4]
На основе изображения релейно-контактных схем, с помощью принципиальных схем, был создан язык программирования ПЛК вошедший в стандарт IEC 61131 Международной Электротехнической комиссии (МЭК). Данный язык имеет название LD (ladder diagram). [8]
Внешне реализованные Программируемые Контроллеры Контроллеры, выполненные на основе реле или микросхем с жесткой логикой, невозможно научить делать другие задания, не подвергнув их существенной переделке. Очевидно, что со временем развития технологий в XX веке встал вопрос о создании контроллера, который можно было бы перепрограммировать, не затрачивая больших усилий и не меняя аппаратной базы. Такими возможностями обладали появившиеся более 30 лет назад первые ПЛК, пришедшие на смену контроллерам, реализованным на основе реле. [9]
Изначально операции ПЛК соответствовали комбинационному управлению логическими схемами, что и обусловило слово «логический» в названии ПЛК. Основное преимущество ПЛК заключалось в том, что одиночная компактная схема может заменить сотни реле. Другое преимущество — функции ПЛК реализуются программно, а не аппаратно, поэтому его поведение можно изменить с минимальными усилиями.
Первый ПЛК был разработан в 1968 году группой инженеров компании General Motors. В соответствии с первоначальной спецификацией устройство должно быть несложным в программировании, модификация программы не должна требовать изменения аппаратной части, размеры должны быть меньше, чем у релейных и полупроводниковых аналогов, и, наконец, обслуживание и ремонт должны быть максимально просты. Дополнительно новое устройство должно было быть конкурентоспособным по издержкам эксплуатации. Эти требования следует рассматривать в свете того, что в конце 1960-х - начале 1970-х годов еще не было малогабаритных программируемых устройств (микропроцессор был изобретен в 1971 году.). Исходные требования вызвали значительный интерес у инженеров с точки зрения применения ПЛК в промышленном управлении. ПЛК на основе микропроцессора был впервые создан в США в 1977 году компанией Allan-Bradley Corporation. Он содержал микропроцессор Intel 8080 и дополнительные схемы, позволяющие с высокой скоростью производить логические битовые операции. [1] Физически ПЛК выпускаемые серийно в настоящий момент и первые ПЛК не имеют особых отличий.
Благодаря продуктивному развитию средств сетевой интеграции, появилась возможность создания распределенных систем управления. В 80-х гг. XX в. доминировали ПЛК с числом входов-выходов несколько сотен. В настоящее время большим спросом пользуются микро ПЛК с количеством входов-выходов до 64. В распределенных системах каждый ПЛК решает локальную задачу. Задача синхронизации управления выполняется компьютерами среднего звена АСУ. Распределенные системы выигрывают по надежности, гибкости монтажа и простоте обслуживания.
Общее представление об архитектуре программно реализованного логического контроллера
На прикладном уровне архитектура системы ЧПУ определяется количеством и составом прикладных разделов, называемых задачами управления. К данным задачам относятся: геометрическая, ориентированную на управление следящими приводами; логическая, организующую управление электроавтоматикой; технологическая, гарантирующую поддержание или оптимизацию параметров технологического процесса; диспетчеризации, обеспечивающую управление другими задачами на прикладном уровне; терминальная, поддерживающую диалог с оператором, отображение состояний системы, редактирование и верификацию управляющих программ.
Логическая задача ЧПУ, как уже было сказано ранее, до сих пор решалась с помощью отдельного программируемого логического контроллера, который был встроен в систему. На современном этапе развития информационных технологий, когда мощность и ресурсы вычислительного ядра системы ЧПУ повышаются с каждым днем, имеется возможность заменить ПЛК программно реализованным контроллером, работающим по типу Soft PLC и рассматривать его как часть программно математического обеспечения системы ЧПУ. Указанный подход позволяет снизить стоимость системы управления при одновременном получении ряда преимуществ. В их числе: упрощение общего программного обеспечения, уменьшение ошибок системного программирования, возможность отладки управляющих программ электроавтоматики в рамках самой системы ЧПУ, гибкость конфигурирования электроавтоматики, возможность использования различных коммерческих библиотек.
Рассмотрим системы типа CNC, для выявления особенностей применения ПЛК в рамках системы ЧПУ. В системах данного вида для реализации логической задачи управления применяется внешне реализованный классический ПЛК, который подробно рассмотрен в первой главе данной работы.
По приведенной выше схеме можно выделить следующие особенности применения классического ПЛК в системах ЧПУ:
Проектирование, построение архитектуры и реализация логической задачи ЧПУ жестко заданы и зависят от номенклатуры существующих на рынке Программируемых Логических Контроллеров; Программирование классического внешне реализованного контроллера часто осуществляется вне системы ЧПУ;
В рамках такого построения систем ЧПУ возникают дополнительные накладные расходы при передаче данных от ПЛК к системе и обратно (в случае применения внешне реализованного контроллера - это ещё и накладные расходы, связанные с передачей данных через каналы связи, например, Ethernet). Т.к. система ЧПУ является системой управления жесткого реального времени, то данные накладные расходы необходимо учитывать, для увеличения производительности и исключения возможных ошибочных ситуаций;
Классический ПЛК является дополнительным оборудованием в рамках системы ЧПУ, поэтому требует отдельной технической поддержки и сопровождения.
Программно реализованный логический контроллер является программно-математическим обеспечением в рамках системы ЧПУ, а значит, имеет возможность тесного взаимодействия, как с задачами ЧПУ, так и с модулями системы. Соответственно, обмен информации и получение данных осуществляется без дополнительных накладных расходов;
Программирование Soft PLC осуществляется в рамках системы ЧПУ по общему интерфейсу пользователя; Т.к. Soft PLC является программной реализацией, то есть возможность быстрой модернизации системы без длительной остановки и наладки оборудования, за счет установки обновлений;
Программно реализованный логический контроллер, работающий по принципу Soft PLC, представляет собой программно-математическое обеспечение системы ЧПУ, работающее в среде операционной системы реального времени, например, Windows NT с расширением реального времени RTX (Real Time Extension) фирмы VentureCom. Soft PLC реализован по принципу клиент-серверного приложения на основе компонентного подхода.
На современном этапе развития информационных технологий компонентная архитектура при создании информационных систем выглядит наиболее привлекательной и перспективной. Действительно, она объединяет гибкость в выборе необходимых компонент информационной системы, свойственную разработке системы собственными силами, с надежностью кода и функциональной полнотой, проверенными многократным использованием, характерным для коммерческих программных продуктов. Более того, компонентная технология позволяет оперативно вносить изменения в существующую информационную систему, не нарушая ее работоспособности. При этом новые приложения могут работать с новыми модулями, а старые - с прежними модулями, которые остаются в системе. Снимается проблема "унаследованных" систем - нет необходимости их замены для изменения или расширения функциональности, а значит уменьшаются затраты на сопровождение и модернизацию информационной системы.
Данная архитектура позволит не только постепенно развивать данный программный продукт, но и впоследствии легко производить его модернизацию вплоть до полной замены составляющих. Реализация компонентного подхода на основе стандартов позволяет не зависеть от производителя программного и аппаратного обеспечения.
Особенно явно преимущества компонентного подхода проявляются в среде часто меняющихся требований.
Как уже было сказано, программно реализованный логический контроллер создан по принципу клиент - серверного приложения и о каждом из компонент будет подробно рассказано в 3 и 4 главе посвященных соответственно клиентской и серверной части Soft PLC. Клиентское приложение включает в себя: среду программирования на основе стандарта МЭК 61131, используемую для реализации алгоритмов управления; модуль, отвечающий за визуализацию на ЧГТУ и осуществляющий связь с HMI (Human Machine Interface), SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) и визуализацией на удаленных компьютерах, как через Интернет, так и внутри локальной сети; Используется клиентское приложение так же и для конфигурирования системы в целом и отдельных её модулей.
Моделирование клиентского приложения Soft PLC
Клиентское приложение программно реализованного логического контроллера имеет компонентную архитектуру и применяется для: проектирования, разработки (программирования), отладки, тестирования и сопровождения программных продуктов, созданных для реализации алгоритмов работы Soft PLC входящей в состав систем ЧПУ; для наладки, проверки и наблюдения за системами мониторинга и контроля; конфигурирования пользовательского интерфейса, клиентского и серверного приложений; Для визуализации работы Soft PLC как целевой, так и WEB-визуализации. Для реализации вышеперечисленных функций архитектура ; клиентского приложения программно реализованного логического контроллера состоит из следующих компонент: Среда программирования отвечает за реализацию и сопровождение программ реализующих алгоритмы работы Soft PLC; Средства мониторинга и контроля встроены в среду программирования, так же их можно реализовать с помощью пользовательских приложений использующих открытые интерфейсы программирования; Менеджер конфигурации полностью отвечает за функционал точной настройки всех компонент системы как на клиентском приложении программно реализованного логического контроллера, так и на серверной его части. Настройку можно осуществлять как с помощью средств клиентского приложения Soft PLC, так и удалённо, с помощью Internet и сети Ethernet; Компонента визуализации отвечает за все виды визуального сопровождения работы Soft PLC.
Состав и функционал среды программирования. Среда программирования реализует функции: проектирования, конфигурирования, программирования, off-line/on-line отладки и тестирования, здесь осуществляется компиляция, компоновка программных модулей целевой системы исполнения и их загрузка в серверное приложение Soft PLC. Данный проект полностью реализован в соответствии с международным стандартом IEC-61131-3. Среда программирования виртуального Soft PLC состоит из следующих компонент, объединенных в единый программный продукт: Редакторы языков программирования. В соответствии со стандартом IEC 61131 существует 5 языков программирования, о которых будет сказано далее в данной главе, но помимо них реализована так же возможность программирования алгоритмов работы электроавтоматики с помощью высокоуровневого языка ANSI С. Библиотеки элементов и функциональных блоков. Библиотеки функций. Для повышения эффективности работы в среде программирования и для повышения производительности работы прикладных программистов проекты, реализованные в среде программирования можно объединять в библиотеки стандартных элементов и использовать их как подключаемые модули. Библиотеки элементов и функциональных блоков используется для работы с языками программирования электроавтоматики, а библиотеки функций используются при работе с языком ANSI С. TIC генератор. После создания управляющей программы, с помощью специальной компоненты генерируется Т1С-код (Target Independent Code - машинно-независимый код), из клиентского приложения данный TIC-код загружается в целевую систему (серверное приложение), которая содержит Т1С-интерпретатор. TIC-код не генерируется для языка ANSI С и SFC для них используются другие механизмы.
Компилятор. Задачей компилятора является полный перевод программы, написанной на одном из языков программирования (исходный язык) в программу на другом языке программирования (целевой язык) до начала ее выполнения. Данный компилятор переводят программу с высокоуровневого языка программирования ANSI С в машинный код, который может быть непосредственно выполнен компьютером, то есть в набор инструкций для центрального процессора.
Отладчик (debugger). Это программа, которая выполняет внутри себя другую программу. Основное назначение отладчика - дать возможность пользователю в определенной степени осуществлять контроль над выполняемой программой, то есть определять, что происходит в процессе ее выполнения. С помощью отладчика выявляется большая часть ошибок при программировании.
Эмулятор. Программа эмулирует исполнительную часть Soft PLC в составе системы разработки и позволяет сократить временные сроки разработки системы, упростить этапы анализа и выбора инструментальных средств за счет организации облегченной версии продукта, в которую включена только система разработки. Наибольший эффект при обнаружении ошибок и недоработок дает совместное использование отладчика и эмулятора.
Приложения диагностики. Данные приложения позволяют анализировать временные параметры и логику работы исполнительной части программно реализованных контроллеров. Комплекс программирования контроллеров электроавтоматики CoDeSys и его использование в качестве среды программирования в Soft PLC.
Процесс разработки и отладки программного обеспечения контроллеров электроавтоматики происходит при помощи специализированных комплексов программ, обеспечивающих комфортную среду для работы программиста. Данные комплексы должны полностью соответствовать стандарту IEC 61131, о котором подробно говорилось в первой главе диссертации.
Одной из тенденций развития средств автоматизации является использование стандартных решений, снижающих стоимость изделия, повышающие их надёжность и позволяющих осуществлять интеграцию в крупные программно-аппаратные средства. Другим двигателем развития средств автоматизации явилось разделение задач производства Программного Обеспечения (ПО) и аппаратных средств. ПО одного независимого производителя может быть использовано на аппаратуре разных производителей технических средств.
Основным требованием из тех, которые сегодня предъявляются к ПО, можно назвать интеграцию всех составляющих систем управления в рамках одного программного комплекса разработки.
Открытость стандарта IEC — с одной стороны, и сложность реализации высококлассных комплексов программирования — с другой, привели к появлению специализированных фирм, занятых исключительно инструментами программирования ПЛК. Отличия комплексов сосредоточены в реализации интерфейса, в стиле графики, наборе сервисных функций, дополнительных библиотеках и в реализации системы исполнения, т. е. в том, что не касается применения стандарта.
Одной из фирм занятых инструментами программирования ПЛК является компания 3S (Smart Software Solutions), разработавшая комплекс проектирования CoDeSys (Controller Development System). Это универсальный инструмент программирования контроллеров электроавтоматики и встраиваемых систем на языках стандарта МЭК 61131 3, не привязанный, к аппаратной платформе, удовлетворяющий современным требованиям разработки программного обеспечения, позволяющий программистам создавать свои собственные библиотеки и приложения для совместной работы в составе комплекса.
Благодаря своим функциональным возможностям и надежности, комплекс программирования CoDeSys можно использовать как одну из основных компонент клиентского приложения Soft PLC удовлетворяющую стандартам IEC 61131. CoDeSys предоставляет открытые интерфейсы интеграции систем, что позволят дополнить данный программный продукт и это то же одно из преимуществ его использования.
CoDeSys, как средство программирования промышленных компьютеров и контроллеров и Soft PLC, представляет собой комплекс согласованных и взаимно дополняющих элементов, который и делится на среду программирования, систему отладки и систему эмуляции работы исполнительной часто Soft PLC. Среда программирования CoDeSys работает на ПК под Windows 98/NT/XP/2000/.
Описание технологического оборудования для иллюстрации работы программно реализованного контроллера типа Soft PLC
Оборудование для нанесения изображений в прозрачных материалах серии ARTI-431 состоит из трех частей: Технологический модуль (ТМ); Источник питания лазера (ИПЛ); Персональный компьютер (ПК).
Технологический модуль снабжен дверцей, закрывающей зону обработки заготовки, и экранирующий рассеянное лазерное излучение. Открытие дверцы блокирует работу оборудования, так что процесс обработки заготовки возможен только при закрытой дверце. Включение и выключение технологического модуля осуществляется кнопками ON и OFF на лицевой панели. Там же расположен ключ блокировки включения. Управление работой лазера осуществляется с пульта управления.
Технологический модуль имеет три координатных стола для перемещения заготовки и луча лазера, сориентированных друг относительно друга под прямым углом и образующих оси декартовой системы координат: XYZ. Оси X соответствует координатный стол, перемещающий платформу для закрепления заготовок. По оси Y перемещаются поворотные светодиодные зеркала и вертикальной координатной оси Z, на котором закреплены фокусирующие объективы. Таким образом, заготовка перемещается вдоль оси X, а фокус лазерного луча перемещается вдоль осей Y и Z.
Для охлаждения лазера служит замкнутая система со сбросом тепла на воздух, Состоящая из емкости (бачок из нержавеющей стали), Насоса и теплообменника (радиатора), снабженного вентиляторами. В качестве теплоносителя используется дистиллированная вода.
Для предотвращения перегрева лазера система охлаждения снабжена датчиком температуры и реле протока, которые блокируют работу при достижении температуры охлаждающей жидкости 60 градусов или падении давления воды ниже 0,5 бар.
Станок оснащен импульсным твердотельным лазером, работающим в режиме модуляции добротности. При вспышке лампы накачки лазер будет излучать, если открыт его внутрирезонаторный затвор. Если затвор закрыт - излучения не будет. Поэтому для управления лазером необходимо подавать сигналы TTL уровня на два входных провода:
SYN - лог. 1 TTL длительностью от 20 мкс, запуск по переднему фронту -отвечает за вспышку лампы накачки;
STROB - лог. 1 TTL длительностью от 20 мкс, запуск по переднему фронту -отвечает за открывание затвора.
Если на вход лазера пришел SYN, то произойдет вспышка лампы накачки лазера, но лазер не выстрелит. Произойдет, как мы говорим, "холостой" выстрел. Если одновременно с SYN на другой провод придет STROB, то в дополнение к вспышке лампы накачки откроется затвор лазера и высветится лазерное излучение, произойдет "рабочий" выстрел.
Так как момент открывания затвора должен быть строго привязан к SYN, сигнал STROB должен выставляться одновременно с первым. Таким образом, частота поступления SYN задает нужную частоту вспышек лампы накачки лазера, a STROB выставляется дополнительно, когда требуется "пробить" точку внутри материала.
Возможен другой вариант работы: SYN не подается на вход лазера, а лазер запускается от внутреннего генератора с какой-то постоянной частотой, импульсы следования которой будут доступны на выходном проводе. В этом случае от компьютера поступает только STROB. Этот режим благоприятен для лазера, но не технологичен.
Частота следования импульсов лазера может быть в диапазоне от 1 до 100 Гц. Однако требуемое качество излучения получится лишь при работе в узком диапазоне частот: +/-10 Гц относительно частоты предварительной настройки лазера. Например, 50+/-10 Гц или 90+/-10 Гц. Это связано с необходимостью поддержания теплового режима лазерного кристалла за счет его нагрева при накачке лампой.
Поэтому сначала программа несколько секунд выдает импульсы на холостой выстрел (с закрытым затвором) лазера с установленной заранее постоянной частотой для стабилизации термолинзы лазера. После этого фокус лазерного луча позиционируется в точке XYZ одновременным перемещением по трем линейным координатам. Далее следует рабочий выстрел: одновременно со вспышкой лампы накачки лазера открывается его затвор. Далее следует перемещение в новую точку. Если на перемещение между точками тратится время большее среднего периода вспышек лазера, то во время движения координатных столов лазер совершает (вставляет) дополнительные холостые выстрелы. По прибытии в следующую точку происходит новый рабочий выстрел. И так далее. Для достижения точности перемещений столы движутся с разгоном и торможением перед выстрелом лазера. В ходе работы происходит опрос концевиков и двух блокировок, при срабатывании которых необходим останов лазера и программы.
В основе технологии создания программного обеспечения электроавтоматики лежат обычные для объектно-ориентированного программирования понятия класса и объекта. При этом класс описывает тип оборудования, а объект - конкретный экземпляр. Таким образом, при объявлении класса, согласно принципу инкапсуляции, создаются шаблоны структур данных и методы, которые будут работать с этими данными. В объекте класса по шаблону выстраиваются конкретные данные, и приводится ссылка на обслуживающий их процесс.
При появлении нового типа оборудования, благодаря механизму наследования, разработчик не нуждается в том, чтобы заново разрабатывать новый класс: достаточно выбрать наиболее близкий и реализовать отличия в новом классе. Тем самым обеспечивается простота модификаций, сокращаются затраты времени на разработку, снижается общая стоимость разработки.
