Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ архитектурных решений систем ЧПУ 12
1.1 Место и значение современных систем ЧПУ в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) 13
1.2 Обобщенные архитектурные модели взаимодействия основных компонентов в системах ЧПУ 14
1.3 Понятие открытой архитектуры в системах управления 17
1.4 Анализ архитектурных решений систем ЧПУ на рынке
1.4.1 Система ЧПУ Sinumerik 840D si (Siemens) 20
1.4.2 Система ЧПУ iTNC 530 (HEIDENHAIN) 24
1.4.3 Система ЧПУ IndraMotion МТХ Advanced (Bosch Rexroth) 25
1.4.4 Система ЧПУ TX 1270 (Beckhoff) 29
1.4.5 Система ЧПУ CNC8070 (Fagor) 31
1.4.6 Система ЧПУ NCT 201 (NCT) 34
1.4.7 Система ЧПУ АксиОМА Контрол (ООО «Станкин-ТПО») 1.5 Систематизация информации об уровне открытости систем ЧПУ мировых производителей 37
1.6 Формирование требований к средствам повышения открытости систем управления 39
1.7 Обоснование выбора технологии и инструментария разработки 41
1.7.1 Программная платформа .NET Framework 41
1.7.2 Объектно-ориентированные языки программирования С# и C++43
1.7.3 Язык разметки XML (extensible Markup Language) 45
1.8 Выводы 46
Глава 2 Построение функциональной модели взаимодействия основных компонентов системы ЧПУ и расчет пропускной способности многоцелевого канала передачи пакетов с неспецифицированным форматом данных 47
2.1 Выявление взаимосвязей между конфигурацией системы ЧПУ и объемом данных, передаваемых между ее основными компонентами 47
2.2 Систематизация данных, передаваемых между основными компонентами системы ЧПУ, и определение способа их передачи 50
2.3 Построение функциональной модели взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ з
2.4 Разработка алгоритмов расчета пропускной способности многоцелевого канала передачи пакетов с неспецифицированным форматом данных 62
2.4.1 Обобщенное выражение пропускной способности многоцелевого канала взаимодействия асинхронным методом 63
2.4.2 Проведение расчетов пропускной способности канала передачи XData асинхронным методом для системы ЧПУ АксиОМА Контрол 66
2.4.3 Обобщенное выражение пропускной способности многоцелевого канала взаимодействия синхронным методом 73
2.4.4 Проведение расчетов пропускной способности канала передачи XData синхронным методом для системы ЧПУ АксиОМА Контрол
2.5 Разработка способа интеграции сторонних решений в систему ЧПУ на базе многоцелевого канала взаимодействия 78
2.6 Выводы 85
Глава 3 Разработка механизма взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ на базе построенной функциональной модели 87
3.1 Реализация основных схем интеграции решений в систему ЧПУ, используя многоцелевой канал взаимодействия XData 87
3.2 Разработка диаграммы последовательности передачи данных между интегрированными решениями в системе ЧПУ 93
3.3 Определение структуры передаваемых с помощью многоцелевого канала XData пакетов данных 96
3.4 Объектно-ориентированная реализация механизмов взаимодействия основных компонентов системы ЧПУ в терминальной части 98
3.5 Объектно-ориентированная реализация механизмов взаимодействия в ядре системы ЧПУ 103
3.6 Выводы 108
Глава 4 Прикладные решения, интегрированные в систему ЧПУ АксиОМА Контрол на базе многоцелевого канала взаимодействия 110
4.1 Разработка и интеграция в систему ЧПУ подсистемы визуализации процессов формообразования 111
4.2 Практическая реализация подсистемы диагностики и контроля режущего инструмента, интегрированная в систему ЧПУ 120
4.3 Разработка инструментария для создания и отладки управляющих программ для программно-реализованного контроллера SoftPLC 128
4.4 Выводы 138
Заключение 140
Список сокращений 142
Список литературы
- Анализ архитектурных решений систем ЧПУ на рынке
- Программная платформа .NET Framework
- Разработка алгоритмов расчета пропускной способности многоцелевого канала передачи пакетов с неспецифицированным форматом данных
- Практическая реализация подсистемы диагностики и контроля режущего инструмента, интегрированная в систему ЧПУ
Анализ архитектурных решений систем ЧПУ на рынке
Понятие открытой архитектуры системы управления является многогранным и не стандартизованным [3,10]. Открытость можно рассматривать на различных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспечения системы или ее составных частей, например: - физические интерфейсы, протоколы обмена данными, методы контроля ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организации сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения аналоговых сигналов; - пользовательские интерфейсы, языки программирования контроллеров, управляющие команды модулей ввода-вывода, программные интерфейсы взаимодействия, средства интеграции, языки управления базами данных, операционные системы, средства связи аппаратуры с программным обеспечением; - конструкционные элементы (шкафы, стойки, корпуса, разъемы, крепежные элементы) [10].
На практике, при описании свойств открытости систем управления указываются конкретно реализованные признаки, из которых оценивается степень открытости системы в целом. Можно выделить основные признаки, определяющие степень открытости системы управления: - модульность - построение программного и аппаратного обеспечения на базе отдельных компонентов, которые могут заменяться для модификации функционала работы системы; - платформенная независимость — наличие данного признака позволяет системе функционировать на различных системных платформах, что позволяет конечным пользователям снизить зависимость от операционной системы, предлагаемой производителем для работы своего программного обеспечения; - использование общепринятых протоколов передачи данных и промышленных стандартов, что позволяет реализовать взаимозаменяемость отдельных модулей системы с компонентами других производителей; - наличие встроенных средств гибкого переконфигурирования компонентов системы, и интеграции сторонних и собственных решений, что позволяет расширять функционал системы и круга решаемых задач [4].
Последнее свойство является особенно важным, поскольку зачастую станкостроитель и конечный пользователь заинтересованы в использовании, помимо базовой версии программного обеспечения системы управления, также и коммерческих пакетов или решений собственной разработки. Это позволяет решать новые классы технологических задач и повышать качественные характеристики и производительность технологического процесса [15].
Важным требованием при встраивании сторонних решений в систему ЧПУ является возможность их интеграции как в терминальную часть системы, так и в часть, функционирующую в режиме реального времени (непосредственно в ядро системы ЧПУ, или организации работы интегрируемого приложения параллельно с ним). Помимо этого, полноценное внедрение новых решений требует наличия механизмов, позволяющих интегрируемым компонентам взаимодействовать между собой в различных частях системы, а также с ядром системы управления для доступа к основным функциям работы системы ЧПУ [3,16,17].
Таким образом, понятие открытости в системах управления подразумевает предоставление станкостроителю и конечным пользователям системы широких возможностей переконфигурирования системы под собственные специализированные задачи, а также интеграции в базовую версию системы собственных решений или решений сторонних производителей [4].
С целью выявления проблем, возникающих при расширении функциональных возможностей систем ЧПУ, был проведен анализ современных систем ЧПУ различных производителей на предмет открытости архитектуры и возможностей расширения их функционала за счет интеграции сторонних компонентов и решений.
В ходе проведения анализа современных систем ЧПУ различных производителей было решено условно разделить производителей систем ЧПУ на три основные группы: крупные производители, средние, и небольшие. Это обусловлено различными архитектурными особенностями производимых систем управления, их функциональностью, кругом решаемых задач и широтой их потребления.
Крупные производители системы ЧПУ, такие как Siemens, Heidenhain, Fanuc, являются лидерами в данной области и предлагают системы для широкого применения, способные покрывать большую гамму технологического оборудования. Также, крупные производители зачастую активно сотрудничают с OEM-производителями (Original Equipment Manufacturer) - компаниями, предлагающими собственные продукты для их использования как часть более крупного программного обеспечения, в частности систем ЧПУ. ОЕМ-производители предлагают интеграцию собственных решений в системы управления, расширяя решаемый круг задач. Однако, крупные производители систем ЧПУ реализуют интеграцию сторонних продуктов от OEM для крупных партий (начиная около сотни) систем. Также, отличительной особенностью крупных производителей является их нацеленность на приобретение заказчиком комплектного решения, т.е. полного комплекта оборудования (устройства ввода/вывода, сервоприводы, серводвигатели и т.д.) для автоматизации от единого производителя [18-20].
Системы ЧПУ, реализуемые средними производителями (Bosch Rexroth, Beckhoff, Fagor, Andron), ориентированы на работу с определенным кругом станкостроительных компаний и имеют более ограниченный функционал, по сравнению с системами от крупных производителей. Подобные системы обычно используют большое количество покупных компонентов, поскольку интегрируют продукты OEM-производителей в меньшие партии, в отличие от крупных производителей. Средние производители обычно используют открытые протоколы передачи данных, что позволяет использовать системы управления совместно с оборудованием от других производителей [19].
Небольшие производители систем ЧПУ (NCT, ArtSoft) производят системы управления, рассчитанные на определенный круг станочного оборудования, и зачастую ограничены решениями для станков фрезерной и токарной групп. Системы, как правило, построены на базе открытых протоколов, что предполагает их использование с различными аппаратными компонентами, но не всегда гарантирует их корректную совместную работу. Как правило, подобные системы имеют полностью закрытую архитектуру в части интеграции стороннего программного обеспечения. Таким образом, системы от небольших производителей позволяют решать узкий круг технологических задач и не имеют направленность на массовое потребление [19,20].
В процессе исследования были проанализированы основные системы ЧПУ от крупных производителей - Siemens, Heidenhain; средних производителей -Bosch Rexroth, Beckhoff, Fagor; небольших производителей - NCT, а также отечественное решение, разрабатываемое компанией ООО «Станкин-ТПО».
Программная платформа .NET Framework
Проведенный анализ систем ЧПУ зарубежных производителей показал различия в архитектурных особенностях их построения, однако в любом выбранном решении систем управления реализуется взаимодействие между основными компонентами: терминальной частью и ядром, с помощью физических и программных протоколов взаимодействия. Целесообразно предположить, что имеющиеся способы взаимодействия ядра системы и терминальной части позволяют передавать различный объем информации с различной скоростью передачи данных [43].
В ходе проведенных исследований систем ЧПУ от различных производителей, а также разработки отечественной системы ЧПУ на кафедре «Компьютерные системы управления» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», автором было выявлено, что общая загруженность систем ЧПУ напрямую зависит от ее следующих основных характеристик: многоканальности и многокоординатности. Многоканальность подразумевает возможность параллельно выполнять несколько управляющих программ на одной системе ЧПУ. Обычно эта функциональность применяется для многошпиндельной обработки или для совместного управления станком и погрузчиком, но в некоторых случаях используется и для управления независимым друг от друга технологическим оборудованием [4,13,16].
Многокоординатная обработка становится важнейшей характеристикой любой системы ЧПУ и играет важную роль при выпуске сложной и наукоемкой продукции. Такая тенденция обусловлена, в первую очередь, расширением номенклатуры деталей, а также целым рядом преимуществ многокоординатной обработки по сравнению с другими видами изготовления промышленной продукции. Среди них можно отметить: сокращение числа переустановок заготовки и операций, необходимых для изготовления сложных деталей, использование более доступного инструмента с упрощенной и жесткой конструкцией, уменьшение его габаритов, а также возможность обрабатывать геометрически сложные поверхности. Также уменьшается объем межоперационной транспортировки деталей, поскольку увеличивается количество операций, выполняемых на одном станке, что в конечном счете приводит к сокращению времени производственного цикла [44].
Увеличение количества поддерживаемых каналов управления, а также одновременно интерполируемых осей системы ЧПУ, безусловно, увеличивает ее качественные характеристики и позволяет производить более сложную обработку. Однако следует признать, что увеличение количества каналов системы требует распараллеливания процессов, выполняющихся в ядре, а каждая интерполируемая ось усложняет математические вычисления, производящиеся в интерполяторе ядра системы. Это ведет к увеличению нагрузки ядра системы ЧПУ и усложнению работы его математического аппарата [45,46]. Таким образом, многоканальность и многокоординатность системы являются одними из базовых факторов, определяющих общую загруженность работы ядра системы. Помимо этого, описанные параметры системы влияют на объем данных, который требуется передавать между терминалом и ядром системы ЧПУ, поскольку увеличивается объем данных для визуализации в терминале и набор возможных команд, передаваемых в ядро системы. Исходя из этого, зависимость объема передаваемых данных между основными компонентами системы ЧПУ и ее конфигурацией можно обобщенно описать функцией, зависящей от описанных параметров конфигурации системы: S = F(nK)n0), (1) где S — объем передаваемых данных между основными компонентами системы в единицу времени [Б/с], пк - количество каналов системы ЧПУ, п0 — количество рабочих координатных осей системы ЧПУ. На основании известного объема передаваемых данных в единицу времени между основными компонентами системы, можно описать зависимость между конфигурацией системы ЧПУ и остаточным объемом данных, который можно передавать между основными компонентами системы для использования, например, во встраиваемых приложениях: Ост = Лэбщ — S = Р0бщ — С К о) (2) где Р0ст — остаточный объем передаваемых данных [Б/с], Р0бщ общая пропускная способность канала передачи [Б/с]. Таким образом, выражается системная зависимость между основными параметрами системы ЧПУ, такими как количество каналов управления и управляемых осей, и объемом данных, который можно передать для интегрируемых решений и подсистем.
Подробное раскрытие функциональной зависимости объема передаваемых данных между основными компонентами системы ЧПУ от конфигурации системы будет рассмотрено в разделе 2.4, а также описан практический расчет пропускной способности на примере отечественной системы ЧПУ АксиОМА Контрол.
Разработка алгоритмов расчета пропускной способности многоцелевого канала передачи пакетов с неспецифицированным форматом данных
Общее время цикла синхронного запроса складывается из всех временных интервалов, требуемых для передачи запроса в ядро и получения ответного пакета данных.
ІЗремя запуска потока в ядре (3) равно единице кванта времени операционной системы, которое требуется, чтобы активировать поток и начать обработку запроса. Важным моментом является то, что данная величина является актуальной только в том случае, если поток обработки запроса неактивен в момент прихода запроса, и требуется его запуск. Таким образом, данная величина используется не на постоянной основе. Для учета различных ситуаций введем коэффициент вероятности функционирования потока обработки запроса (/ поз) Общее время цикла одного синхронного запроса определяется следующим выражением: 7 сц - t-i + Г2 + (t3 х Ктз) + t4 + ts + t6, (11) где ГСц — время полного цикла передачи данных синхронным методом [с], i -- время формирования запроса [с], .2 - время передачи запроса в ядро системы ЧПУ [с], t3 -- время запуска потока обработки запроса [с], /fnos коэффициент вероятности функционирования потока обработки запроса, t4 - время обработки запроса в ядре системы ЧПУ [с], ts - время передачи ответного пакета в терминальную часть [с], 16 - время обработки ответного пакета данных [с]. Пропускную способность синхронного канала обмена, в отличие от асинхронного канала целесообразно выразить через количество обработанных запросов в секунду, а не передаваемых по каналу байт, поскольку время, затрачиваемое на прием и обработку запроса в ядре, практически не зависит от размера пришедшего пакета.
Таким образом, пропускная способность синхронного канала, помимо периода цикла передачи запроса, зависит также от количества терминальных клиентов, осуществляющих запросы в ядро системы управления. В обобщенном виде пропускную способность многоцелевого канала передачи пакетов с неспецифицированным форматом данных синхронным методом можно выразить: Рс = РС XData ""= [запр0С/с], (12) 1 СЦ Л "Клиент где ГСц — время одного цикла передачи данных синхронным методом [с], Клиент "" количество активных терминальных клиентов системы управления.
Среди операций, из которых складывается цикл синхронного запроса, наиболее затратными по времени являются физическая передача пакета данных из терминал в ядро и обратно, а также время запуска потока обработки пакета в ядре. Интервалы времени, требуемые для формирования запроса ( ), его обработки в ядре (t4) и обработки ответа в терминале (t6) являются величинами, значения которых значительно меньше интерпалов времени передачи пакетов данных и запуска потока обработки. Поэтому при проведении практических расчетов ими можно пренебречь.
Время физической передачи пакетов данных зависит от технологий передачи данных. Как описывалось ранеі, для связи терминала с ядром системы ЧПУ используется стандарт Ethernet, который, в свою очередь, имеет несколько разновидностей. На сегодняшний день, наиболее распространенной технологией является быстрый Ethernet (Fast Ethernet), т.к. простой Ethernet уже не удовлетворяет потребности большинства потребителей, а технология Gigabit Ethernet еще достаточно дорога для ее широкого применения, хотя и начинает постепенно вытеснять более старые разновидности [53,58].
Учитывая скорость передачи данных стандарта быстрого Ethernet — 100 [Мбит/с] (или 12800 1кБ/с]), время физической передачи пакета полезных данных ЧПУ размером 1444 [Б] будет выражаться [58]: t2 =ts := Шю = од1 [мс]- (13) Бремя зепуска потока в ядре равно значению единицы кванта времени операционной системы, которое требуето:, чтобы активировать рабочий поток и начать выполнение обработки запроса. Задача сетевого обмена в ядре системы ЧПУ имеет невысокий приоритет, поскольку основными являются задачи математического аппарата и управления аппаратными средствами, поэтому квант времени для ее решения можно принять около 20 мс].
Значение вероятности функционирования потока обработки запроса определить точно невозможно, поскольку эго зависит от плотности следования пакетов с запросами, загруженности ядра и всей операционной системы, в которой функционирует ядро. Как показали практические исследования, в среднем, каждый третий запрос ожидает запуска потока обработки, т.е. вероятность функционирования потока обработки запроса примем за 50%. Данное значение является средним, поскольку, в зависимости от различных ситуаций, оно может сильно колебаться как в меньшую, так и большую стороны. Рассчитаем общее время цикла синхронного запроса: Гсц - 0,11 + (20 X 0,5) + 0,11 = 10,24 [мс]. (14) Как было выражено в разделе 2.4.2, размер полезных данных передаваемого ЧПУ пакета выражается следующей формулой: ппд = S - STCP - 53чпу = 1500 - 40 - 16 = 1444 [Б], (15) IP v J где 5ППд - объем передаваемых полезных данных [Б], S - максимальный объем передаваемого пакета данных [Б], SJCP/IP заголовок TCP/IP, 53_ЧПУ _ заголовок описания передаваемого пакета в ЧПУ. В таблице 9 систематизирована зависимость количества терминальных клиентов, максимального возможного количества запросов, отправляемых одним клиентом в секунду, и максимального объема передаваемой информации. Таблица 9 - Зависимость количества терглинальнь х клиентов и пропускной способности синхронного канала взаимодействия ІСОЛІ .ЧСС tfOтерминальных клиентов М іКСІТЛГйЛІ.НОе количествозапросов от одного клиента всекунду Макшмольнмй объем передаваемой информации I 97 141291 z 13 70645 3 32 47097 ." 19 28258 10 г% Из приведенных расчетов можно сделать вывод, что пропускная способность синхронного канала взаимодействия, при небольшом количестве терминальных клиентов (1-5), достаточна для отправки определенного количества команд и запросе» в ядро системы управления, в том числе и для интегрируемых решений и подсистем, что также доказывает целесообразность организации многоцелевого канала для повышения уровня открытости системы ЧПУ.
Практическая реализация подсистемы диагностики и контроля режущего инструмента, интегрированная в систему ЧПУ
С глобальным ростом автоматизации производства, надежность и контроль технологических процессов становится одним из главных его аспектов. Опыт эксплуатации автоматизированных технологических систем показывает, что их надежность для современных быстрорастущих требований производства недостаточна. Простои из-за различных отказов каких-либо элементов технологической системы и поиск повреждений снижают эффективность производства. В связи с этим возникают задачи повышения надежности технологических систем путем диагностирования и прогнозирования возможных поломок и отказов. Одним из вариантов решения перечисленных задач является диагностирование состояния режущего инструмента в реальном времени [75,76].
Целью диагностирования является поддержание установленного уровня надежности, обеспечение требований безопасности и эффективности использования изделий. Диагностирование износа режущего инструмента позволяет исключить его поломку и уменьшить время на его замену, что приводит к увеличению производительности и повышает надежность работы систем. На станках с системами ЧПУ диагностирование режущего инструмента является актуальной проблемой, поскольку процесс обработки производится без непосредственного участия человека [75].
На сегодняшний день существует множество диагностических систем, отвечающих за надежность и контроль процесса механической обработки изделий в автоматизированном производстве. В качестве основных представителей можно выделить следующие системы: модульная система контроля инструмента и процесса резания Process Monitor System PROMOS [77], предоставляющая возможности мгновенного обнаружения столкновений, а также надежный контроль инструмента для всех процессов резания, система СТМ от ARTIS [78], служащая для контроля инструментов, станков и процессов, система Brankamp [79,80]. Однако большинство диагностических систем не поддерживают возможностей по работе в составе системы ЧПУ, а представлены в виде отдельных вычислительных модулей, что не позволяет напрямую производить подналадку процесса обработки во время диагностирования. Интеграция системы диагностирования режущего инструмента в систему ЧПУ позволяет производить оперативное вмешательство в производственный процесс и производить корректировки отклонений непосредственно при обработке путем передачи управляющих команд в систему ЧПУ [81,82].
Таким образом, интеграция подсистемы диагностики и контроля режущего инструмента в систему ЧПУ является актуальной задачей. Решение подобной задачи позволит расширить функциональные возможности системы ЧПУ, снизить процент брака при обработке, а также осуществлять более эффективное использование режущего инструмента [81].
За основу разрабатываемой интегрированной подсистемы диагностики было взято внешнее приложение, разрабатываемое на кафедре «Компьютерные системы управления», для решения специализированных задач диагностирования и контроля режущего инструмента [83]. Решение использует метод контроля состояния режущего инструмента, который основан на применении датчиков для измерения различных параметров обработки, характеризующих состояние режущего инструмента непосредственно при выполнении производственных операций. На данный момент, система позволяет работать с датчиками следующих типов: - силовые датчики - используются для определения нагрузки на режущий инструмент в процессе обработки по трем осям; - термодатчики - применяются для измерения температуры в зонах, близких к зонам резания, а также на основных узлах станка; - датчики микроперемещений - определяют отклонения и перемещения основных узлов станка во время работы; - вибродатчики - служат для определения уровня вибраций режущего инструмента и основных узлов станка [82-88].
Интеграция имеющегося внешнего диагностического решения в систему ЧПУ позволит расширить ее функциональные возможности и улучшить качественные характеристики процесса обработки. Процесс интеграции предполагает разделение системы на терминальную часть, функционирующую в машинном времени, и диагностический модуль, работающий в режиме реального времени, реализующий диагностические алгоритмы и адаптивное управление процессом обработки, посредством взаимодействия с ядром системы. При выборе схемы интеграции учитывались требования управления диагностическим процессом из штатного терминала системы, а также степень возможного влияния RT-модуля на работу ядра системы. Поскольку работа диагностического RT-модуля представляет собой полностью независимый от работы ядра системы процесс, было принято решение его исполнения в виде внешнего RT-модуля. Таким образом, достигается независимость работы ядра системы ЧПУ от RT-модуля подсистемы диагностики, что позволяет обезопасить ядро от зависания или возможных проблем подсистемы диагностики. В терминале системы ЧПУ предполагается создание специального режима для мониторинга и контроля процесса диагностирования, что исключает требование в использовании дополнительных рабочих станций и повышает удобство работы с системой диагностики в процессе работы. Таким образом, оптимальным решением поставленной задачи является частичная интеграция подсистемы диагностики в систему управления, в соответствии со схемой интеграции А-В [89].
Структура разрабатываемой подсистемы диагностики (рисунок 24) включает в себя внешние устройства, такие, как датчики различных типов и устройство обработки сигналов с них, а также систему ЧПУ, в которую производится интеграция подсистемы, как в часть реального времени, так и в терминальную часть [42,47,90].
