Содержание к диссертации
стр. :2
Содержание стр.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 8
1. ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ЧПУ. ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ .14
1.1 СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЧПУ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ПОТРЕБНОСТЯМИ РЫНКА 15
/././ Новые потребительские свойства систем. ЧПУ 17
1.1.2 Анализ тенденций развития систем ЧПУ 18
Использование технологических и стоимостных преимуществ применения персональных компьютеров 20
Использование объектно-ориентированного подхода 21
Переход к Windows-интерфейсу 22
Переход на однокомпьютерные платформы под управлением операционной системы Windows NT 24
Переход на многоканальные системы ЧПУ при решении комплексных задач 25
Новые способы задания управляющих программ 26
1.1.3 Гибкость как основная черта PCNC систем 27
1.2 Пути эволюции, предлагаемые международными программами 29
Базовые понятия концепции открытых систем 30
Систематизация предложений по открытым системам ЧПУ 31
Перспективные возможности открытой архитектуры 33
1.3 Научная проблема построения продвинутой системы ЧПУ очередного поколения (с
открытой архитектурой) 36
Цели работы, вытекающие из научной проблемы 39
Постановка задач исследования 39
2. ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДУЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРЫ
И МОДЕЛИ СИСТЕМ ЧПУ ТИПА PCNC 41
Представление о модульной архитектуре системы ЧПУ 42
Прогноз эволюции архитектуры систем ЧПУ 47
Принцип выделения модулей в архитектуре систем ЧПУ 51
Варианты архитектурных моделей систем ЧПУ 60
Виртуальная модель системы ЧПУ 64
Выделение основных элементов абстрактной модели системы PCNC 65
Система PCNC как виртуальная машина 67
Потоковая модель данных системы ЧПУ ( DFD-модель) 70
Объектно-ориентированная модель системы ЧПУ 74
2.7.1 Структура модуля в терминах объекта 76
Файп-.doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Содержание
стр. :3
2.7.2 Принцип выделения данных и механизмы обмена данными 78
2.8 Компонентная модель системы ЧПУ 83
Построение архитектуры компонент а на примере геометрического канала 85
Клиент-серверная модель с выделенным глобальным сервером 88
Модель распределенной системы ЧПУ 91
ВЫВОДЫ 93
3. ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
ЧПУ 95
ПОНЯТИЙНЫЙ АППАРАТ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ЧПУ 96
Представление о системе PCNC как об открытой системе управления 98
Опыт и методика построения систем ЧПУ ПО ТИПУ ОТКРЫТОГО языкового ПРОЦЕССОРА 101
Принцип организации архитектуры и формирования системы команд геометрического ISO-процессора 103
Выделение групповых интерпретаторов и новые гипотетические возможности систем PCNC 109
3.4 ОПЫТ И МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНДАРТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОТКРЫТОЙ
АРХИТЕКТУРЫ ПО
Условия создания потоков в системе PCNC. Ill
Синхронизация потоков системы PCNC с помощью объектов ядра WindowsNT. 113
ОПЫТ И МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНДАРТНЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ 115
ОПЫТ И МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОРИГИНАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ ЧПУ 122
Создание скелета PCNC модуля с помощью мастера приложения Ncs Арр Wizard. 122
Создание скелета машины состояния с помощью State Machine Builder 125
ЪЛ ФОРМИРОВАНИЕ ОКРУЖЕНИЯ РАЗРАБОТКИ 126
3.8 ВЫВОДЫ 128
4. ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИСПЕТЧЕРА РЕАЛЬНОГО
ВРЕМЕНИ И КОММУНИКАЦИОННОЙ СРЕДЫ 130
4.1 PCNC КАК СИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 131
Классификация систем реального времени 132
Базовые понятия операционной системой реального времени 133
Проблемы реального времени в Windows NT и пути их решения 134
Стратегия диспетчеризации на базе RTX 136
4.1.4.1 Понятие о мягком и жестком реальном времени в PCNC 136
Принцип разбиения потоков (threads) в PCNC-системе и схема их диспетчеризации 139
Методика создания эмуляторов реального времени под ОС WindowsNT 141
4.2 ПОСТРОЕНИЕ КОММУНИКАЦИОННОЙ СРЕДЫ ПО ТИПУ ОБЩЕЙ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ
Файл:ёосШ thesis.doc
дата: 09.24.01
Содержание стр. :4
МАГИСТРАЛИ 144
4.2.1 Взгляд на проблему коммуникации как проблему системной интеграции модулей системы
ЧПУ 145
4.2.2 Формулирование базовых функций коммуникационной среды 146
\22.\ Определение клиент-серверных транзакций при запросе данных 148
4.2.2.2 Определение схемы отображения отслеживаемых данных 151
4.2.3 Виртуальная структура общей объектно-ориентированной магистрали 153
4.2.4 Организация коммуникационной среды в виде открытой и модульной системы 154
4.3 Выводы 156
5. ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДУЛЕЙ ОТКРЫТОЙ
СИСТЕМЫ ЧПУ 157
5.1 Реализация геометрической задачи 157
Интерпретатор управляющих программ 157
Интерполятор 163
5.2 Реализация логической задачи управления 171
Формализм описания циклов электроавтоматики 172
Инструментальная поддержка визуального программирования циклов электроавтоматики 177
Генерация C++ кодов исполняемых модулей циклов электроавтоматики при помощи инструментальной системы 775
5.3 Реализация терминальной задачи 179
Интерпретатор диалога оператора в Windows-интерфейсе 180
Специфика построения редактора управляющих программ в коде ISO-7bit (в составе терминальной задачи) 185
Редактор-отладчик управляющих программ на языке высокого уровня (в составе терминальной задачи) 191
5.4 Реализация диагностической задачи управления 194
Формализация основных понятий процесса измерения (диагностики) 194
Структура подсистемы диагностики 196
Пример реализации диагностики программируемого контроллера (логический анализатор) 198
Пример реализации диагностики следящего привода (осциллограф) 201
5.5 ВЫВОДЫ 204
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 207
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 209
ПРИЛОЖЕНИЕ 222
Файл -.doctor thesis.doc дата: 09.24.01
Содержание
стр. :5
Список РИСУНКОВ 222
СПИСОК ТАБЛИЦ 225
Файл:сІосіог thesis.doc
дата: 09.24.01
Основные обозначения и сокращения
стр. :6
Основные обозначения и сокращения
Эквивалент в русской терминологии
Интерфейс прикладных программ
Система автоматизированного проектирования
Поддержка Жизненного Цикла Изделия
Система автоматизированной подготовки производства
Система автоматизированного проектирования
Компьютерное числовое программное управление - ЧПУ
Модель компонентных объектов
Динамически подключаемая библиотека
Графический интерфейс пользователя
Интерфейс пользователя
Производитель собственного оборудования
Механизм (протокол) связывания и внедрения объектов
Персональный компьютер
Персональный программируемый контроллер
Персональная система ЧПУ
Программируемый контроллер
Система интеграции устройств и получение данных на уровне предприятия
Содержание
стр. :7
SERCOS
STEP
Serial Real-time Communication System
Standard for the Exchange of Product Model Data
Unified Modelling Language
Стек протоколов последовательной сетевой коммуникации в реальном времени
Стандарт на обмен
производственной
информацией
Унифицированный язык моделирования
Аббревиатура
ОСРВ ЧПУ
Расшифровка
Операционная система
Операционная система реального времени
Числовое
программное
управление
Файл-.doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Введение к работе
стр. :8
Введение
Изготовление продукции, конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках, - требует внедрения автоматизации и применения новейших технологий. При этом необходимы значительные капитальные затраты, об эффективности которых трудно судить на стадии проектирования. Несмотря на накопленный опыт создания отдельных высокоэффективных технологических систем, в разной степени удовлетворяющих запросы производства отсутствует опыт их тиражирования и адаптации к конкретным условиям.
Сегодня производственная сфера переориентируется на использование информационных технологий. Все более актуальной становится проблема создания производственных систем, обеспечивающих информационное сопровождение полного Жизненного Цикла Изделия [15]. Под изделием здесь понимается сложный технический объект, удовлетворяющий долговременным интересам многих потребителей, и допускающий множество вариантов его использования самими потребителями без непосредственного контакта с производителем [59]. Компьютеризованные информационные системы, охватывающие все этапы Жизненного Цикла Изделия, получили название CALS, а процессы их использования CALS-технологией. В зависимости от вида изделия и поставленных целей возможны варианты разбиения Жизненного Цикла на этапы. Для такого сложного объекта, как система ЧПУ, в настоящей работе выделены такие этапы ее существования: у производителя, у станкостроителя и у потребителя [74].
Применительно к ЧПУ CALS-технология должна поддерживать обмен контекстно-зависимыми данными между этапами Жизненного Цикла Изделия с использованием уже существующих и работающих моделей и стандартов ЧПУ, в рамках общей концепции управления созданием систем ЧПУ, в значительной степени независимой от их конкретной реализации.
Мелкие и средние фирмы, составляющие большинство в развитых странах, нуждаются в производствах, которые обладают структурной, функциональной и технологической гибкостью. Такие производства создают на базе оборудования с ЧПУ, так как только системы ЧПУ располагают потенциалом обеспечения гибкости на всех стадиях жизненного цикла: у производителя, станкостроителя
Файл-.doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Введение
стр. :9
и конечного пользователя. Созданные на основе систем ЧПУ технологические комплексы позволяют, при разумном сочетании программных и аппаратных решений, компромиссным образом удовлетворять противоречивым требованиям гибкости и быстродействия [66].
На сегодняшний день до 60 % продукции фирм, производящих системы ЧПУ, предназначены для крупных заказчиков. Остальную часть составляют мелкие заказы и единичные изделия. При этом любые пользователи хотели бы: применять системы ЧПУ в своих специфических технологических производствах; иметь собственные интерфейсы с оператором системы ЧПУ; работать с программным обеспечением ЧПУ, использующим их собственное "ноу-хау" (know-how); а также применять покупные коммерческие программные продукты. Целый ряд важнейших факторов (см. Табл. 1) инициировал потребность в системах ЧПУ нового типа.
Табл. 1 Основные факторы, инициирующие потребность в системах ЧПУ нового
типа
^^6W^ficrfpe6ntejfT^KHe%B^Cfia^
Большая доля специальных и мелкосерийных систем ЧПУ
Необходимость конфигурации систем ЧПУ для разных типов станков.
Применение систем ЧПУ в новых областях.
Открытая архитектура для производителей систем ЧПУ, станкостроителей и конечных пользователей, обеспечивающая независимость от изменений базовой платформы.
Модульная архитектура, допускающая
конфигурацию под конкретные задачи управления.
Возможность встраивания покупных
программных пакетов, решающих проблемно-ориентированные задачи.
В настоящее время сокращается выпуск специализированных систем ЧПУ для станков разных технологических типов (для фрезерных, шлифовальных, электроэрозионных, лазерных станков и т.д.). Возрастание сложности систем ЧПУ, повышение технологических и потребительских требований к ним не позволяют производителям систем ЧПУ выпускать принципиально разные системы ЧПУ для различных технологических задач. Возникает потребность в системах ЧПУ нового поколения, обладающих отрытой модульной архитектурой, конфигурируемых под разнообразные конкретные задачи.
Файл-.doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Введение
стр. :10
Применение систем ЧПУ в новых областях связано со стремительным проникновением вычислительной техники в самые различные сферы деятельности человека. Помимо станков, системы ЧПУ используют в испытательных стендах, в стендах контроля; в производствах, не связанных с машиностроением, где требуются исключительно высокие скорости отработки задания и минимальное время перестройки на новую продукцию.
Указанные факторы привели к тому, что проблема создания систем ЧПУ нового поколения вышла за пределы внутрипроизводственных и отраслевых задач и превратилась в национальную и межгосударственную. Важность и актуальность этой проблемы подтверждается тем, что за последние несколько лет разработан ряд национальных и международных проектов, объединивших производителей систем ЧПУ, станкостроителей, крупных пользователей и независимых поставщиков (OEM) программного и аппаратного обеспечения, с целью создания систем ЧПУ нового типа. В американском проекте ОМАС (Open Modular Architecture Control), общеевропейских проектах OSACA (Open System Architecture for Controls within Automation Systems) и OPC (OLE for Process Control); в немецком проекте HUMNOS, в японских проектах IROFA (Japan International Robotics and Factory Automation) и OSEC (Japan Open System Environment for Controller Architecture) приняли участие десятки национальных и международных компаний.
В рамках указанных проектов тенденции развития систем ЧПУ состоят в коренном переосмыслении потребительских свойств, структуры, архитектуры и математического обеспечения систем ЧПУ [60]. В идеале любая современная система ЧПУ должна обладать открытой модульной архитектурой, в которой стандартизованы как отдельные модули, так и их интерфейсы. Подобная проблема до сих пор полностью решена не была. Именно персональные системы ЧПУ типа PCNC (Personal Computer Numerical Control) относятся к принципиально новому поколению систем управления [67, 68, 87]. Они допускают конфигурирование на всех этапах жизненного цикла, позволяют интегрировать покупные программные продукты, обеспечивают непрерывную эволюцию в условиях максимальной независимости от базовой платформы, предоставляют возможность доступа к информации о состояниях любого программного модуля системы, а также к диагностической информации
aCm:doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Введение
стр. :11
аппаратуры, приводов и объекта [84].
Несмотря на наличие определенного опыта и немалого количества научных работ, можно констатировать следующее: отсутствует единая глобальная концепция построения реальных систем ЧПУ типа PCNC с открытой модульной архитектурой; не выработаны принципы и методы формализации проектирования и разработки подобных систем, которые бы в полной мере отвечали широкому спектру требований производителей, станкостроителей и конечных пользователей систем ЧПУ.
Настоящая работа направлена на решение актуальной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, а именно: создание теоретического базиса нового поколения систем ЧПУ широкого назначения, обладающих гибкостью на всех этапах жизненного цикла; разработка методических основ проектирования и организации производства таких систем при многообразии требований потребителей и заказчиков.
Существо научной проблемы состоит в том, что до настоящего времени теория создания сложных открытых модульных систем, а также методы определения их архитектуры и формализации процессов построения систем управления, адаптируемых к производственным условиям, с высокой конкурентоспособностью и низкими эксплуатационными затратами, фактически отсутствуют.
Теоретические исследования базировались на теории интерфейсов, теории формальных грамматик, теории графов, теории конечных автоматов, теории алгоритмов; на методах объектно-ориентированного проектирования (декомпозиции, абстракции, иерархии) и методах компонентного моделирования и OLE (Object Linking and Embedding) автоматизации.
В результате комплекса исследований и разработок, выполненных при подготовке диссертации, созданы научные основы построения открытых модульных систем ЧПУ широкого назначения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана новая концепция открытых, модульных, масштабируемых, переносимых, экономичных систем ЧПУ широкого назначения с выделенными в
Файп-.doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Введение
стр. :12
их архитектуре компонентами и оригинальным механизмом межкомпонентного взаимодействия. Концепция показывает пути решения разнообразных задач управления технологическими машинами как за счет различных компоновок и конфигураций системы из предложенных модулей, так и за счет дополнительного включения модулей конечных пользователей.
Созданы модели системы ЧПУ; разработана теория построения модульной архитектуры систем ЧПУ (на основе новой концепции), предполагающая последовательную трансформацию моделей для получения целостного описания системы.
Разработаны теоретические основы формального построения компонентной СОМ-модели системы ЧПУ, которые позволяют с единых методологических позиций описывать СОМ-интерфейсы компонентов; систематизирован базовый набор интерфейсов.
Предложен методологический базис построения открытых систем ЧПУ и формироЕзания окружения процесса разработки, предполагающий использование средств языковых процессоров, стандартных средств операционной системы, стандартных инструментальных средств и оригинальных инструментальных средств.
Разработан теоретический базис для создания системы ЧПУ по типу открытого языкового процессора и для формирования системы команд этого процессора.
Разработаны теоретические аспекты построения диспетчера реального времени и коммуникационной среды PCNC-системы на базе объектно-ориентированного и компонентного подходов.
Разработаны методические аспекты и создано «ноу-хау» в области реализации геометрической, логической, терминальной и диагностической задач открытой системы ЧПУ, в том числе:
формализован процесс построения основных модулей геометрического канала системы ЧПУ, модуля интерпретации и модуля интерполяции;
предложен подход к формализации языка ISO-7bit, позволяющий проектировать такие модули систем ЧПУ, которые способны воспринимать любую версию языка программирования;
предложен новый подход к проектированию электроавтоматики и к разработке диалога с оператором, который использует метод
Файп-.doctor thesis.doc
дата: 09.24.01
Введение
стр. :13
иерархических графов, позволяющий создавать визуальные среды разработки соответствующих приложений;
систематизированы и формализованы принципы построения интерфейса оператора;
предложен новый подход для создания диагностического и проблемно-ориентированного программного обеспечения, использующий концепцию виртуальных приборов.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке базовых понятий открытой модульной архитектуры (персональных) систем ЧПУ широкого назначения;
в разработке методики проектирования PCNC-системы, обеспечивающей:
инвариантность компоновки и настройки системы PCNC как в отношении управляемого объекта, так и в отношении изменений производственного процесса;
тиражирование версий систем ЧПУ без их перепрограммирования и перекомпиляции; динамическое изменение и реконфигурацию системы на основе стандартного механизма компонентного подхода;
возможность использования стандартных средств операционной системы и расширения реального времени (real time extension), а также коммерческих инструментальных средств для разработки программного обеспечения PCNC системы;
в разработке основных компонентов, а также прототипа системы PCNC в
целом как открытой модульной системы ЧПУ на базе стандартного PC
оборудования, стандартной операционной системы и стандартного
инструментария.
Работа выполнена в Университете «СТАНКИН» на кафедре компьютерных систем управления, в лаборатории NCs (Numerical Control systems) при научной консультации профессора д.т.н. Сосонкина В.Л.
Теоретические и практические результаты, полученные автором, использованы в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН», а также в ряде отечественных и международных проектов.
дата: 09.24.01
