Повышение эффективности функционирования электроавтоматики станков с ЧПУ на основе реализации регулярных моделей архитектуры программно реализованных контроллеров типа SoftPLC тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Нежметдинов, Рамиль Амирович

• Нежметдинов, Рамиль Амирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нежметдинов, Рамиль Амирович

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы повышения качества управления электроавтоматикой систем ЧПУ типа PCNC на основе применения программируемых контроллеров.

1.1 Этапы развития Программируемых Логических Контроллеров.

1.2 Современные тенденции в построении программируемых контроллеров, в контексте задачи повышения эффективности процесса управления электроавтоматикой станков с ЧПУ.

1.3 Постановка задачи исследования.

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.

2.1. Общее представление об архитектуре программно реализованного логического контроллера.

2.2. Реализация логической задачи ЧПУ на основе ПЛК.

2.3. Реализация логической задачи ЧПУ на основе программно реализованного контроллера.

2.4. Методы и средства встраивания программно реализованных контроллеров в общую аппаратно-программную структуру PCNC.

2.5. Выводы по главе.

Глава 3. Архитектурная модель контроллеров типа Soft PLC на основе технологии клиент-сервер.

3.1. Моделирование клиентского приложения Soft PLC.

3.2. Моделирование архитектуры серверного приложения Soft PLC.

3.3. Компоненты и исполнительная часть серверного приложения Soft PLC.

3.4. Методика проектирования системы управления электроавтоматикой станков.

3.5. Выводы по главе.

Глава 4. Разработка серверной части программно — реализованного контроллера типа Soft PLC, как средства повышения эффективности работы системы электроавтоматики станка с ЧПУ.

4.1. Описание технологического оборудования для иллюстрации работы программно реализованного контроллера типа Soft PLC.

4.2. Построение ядра сервисного приложения программно-реализованного контроллера Soft PLC с применением формализма автоматных графов.

4.3. Обоснование эффективности практического применения программно - реализованного контроллера типа Soft PLC для управления электроавтоматикой станка с ЧПУ.

4.4. Выводы по главе 4.

Основные результаты диссертационной работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности функционирования электроавтоматики станков с ЧПУ на основе реализации регулярных моделей архитектуры программно реализованных контроллеров типа SoftPLC»

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 уровень управления производством уровень управления производственным уч-и ткам уронсиьуправления процессом уровень локсыьиого Unp<i<j.u:uiiM

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 (MMI)). 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 Г

Органы Г Объект Датчики воздействия управления плк

Машина N

I 1 т

Сеть fieldbus

Система программирования и отладки

Локальная сеть

Сервер данных ОРС •

Ш

Scrrd

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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Нежметдинов, Рамиль Амирович

Основные результаты диссертационной работы.

1. Решена задача повышения эффективности функционирования электроавтоматики станков с ЧПУ типа PCNC на основе создания регулярных моделей архитектуры программно-реализованных контроллеров SoftPLC, встраиваемых в общую программно-аппаратную систему управления станком. Реализация предлагаемых решений имеет существенное значение для создания современных конкурентоспособных отечественных систем ЧПУ станками и комплексами.

2. Определена зависимость повышения качества управления электроавтоматикой станка типа PCNC от функционального построения программно-реализованных контроллеров SoftPLC в виде компонентной клиент-серверной структуры.

3. Предложена модель и методика проектирования системы управления электроавтоматикой станков на основе разработки архитектуры программно-реализованных контроллеров SoftPLC, как клиент-серверного приложения, в котором клиентское приложение включает в себя среду прикладного программирования, модуль визуализации и конфигуратор системы, а серверное приложение представляет собой управляющий цикл по реализации клиентского приложения.

4. Предложена модель ядра серверного приложения виртуального контроллера с применением формализма автоматных графов и программная реализация серверной части контроллера SoftPLC, в виде открытой системы, с применением объектно-ориентированного подхода, что повышает гибкость и инвариантность в контексте расширения приложений.

5. Разработанное серверное приложение программно-реализованного контроллера SoftPLC, как модель управления, было апробировано на примере управления электроавтоматикой станка с ЧПУ типа ARTI-431PCNC, и при этом была доказана практическая целесообразность применения разработанных в диссертации положений в реальной промышленной среде.

6. Показано, на основе расчета экономического эффекта от применения программно-реализованного контроллера SoftPLC в системе ЧПУ станком, что при меньшей стоимости созданного программного обеспечения, по сравнению с традиционной аппаратной реализацией контроллера, срок окупаемости программного продукта и индекс доходности показывают преимущество предлагаемых в диссертации решений.

7. Результаты данной работы могут быть рекомендованы для использования на предприятиях занимающихся разработкой систем ЧПУ типа PCNC, а так же в учебном процессе для подготовки инженерных кадров по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нежметдинов, Рамиль Амирович, 2009 год

1. Г.Олсон, Д.Пиани, Цифровые системы автоматизации и управления. Санкт — Петербург, Невский Диалект, 20012. http://ua.elkor.com.ua/index.php3. http://www.kipservis.ru

2. Артюхов В.Д., «Настраиваемые модули для управляющих логических устройств», Ленинград Энергоиздат 1981

3. Гаврилов М. А. Теория релейно-контактных схем.- М. -Л.: Изд-во АН СССР, 1950

4. Гаврилов М. А., Копыленко В. М. Абстрактная и структурная теория релейных устройств. М: Наука, 1972

5. Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики, Г. Р. Грейнер, В. П. Ильяшенко, В. П. Май и др. Москва, Энергия, 1977

6. IEC DIS 61131-3 Programmable Controllers Programming Languages, Draft International Standard, International Electro technical Commission. 1997

7. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования. Москва, СОЛОН-Пресс, 2004

8. Мишель Ж., Программируемые контроллеры: архитектура и применение. Москва, Машиностроение 1992

9. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М., Системы числового программного управления, Москва, Логос, 2005

10. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: реализация логической задачи, Мехатроника. 2001. №2,с. 3-5

11. Мартинов Г.М. Сосонкин В.Л. Концепция числового программного управления мехатронными системами: проблема реального времени // Мехатроника. 2000. №3,с. 37-4014. http://www.osp.ru15. www.vxworks.ru

12. B.JI. Сосонкин, Г.М. Мартинов, M.M. Перепелкина, Концепция управления электроавтоматикой станков с ЧПУ по типу виртуальных контроллеров SoftPLC

13. Сосонкин B.JI. Задачи Числового Программного Управления и их архитектурная реализация, Станки и инструменты. 1988. №10. с. 39-40

14. Сосонкин B.JI., Мартинов Г.М. Принципы построения систем ЧПУ с открытой архитектурой, Приборы и системы управления. 1996. №8 с. 18-2126. http://www.can-cia.de.27. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/index.htm28. Протокол CAN 2.0 В

15. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2001. 432с.: ил. (Серия «Для программистов»)

16. B.JI.Сосонкин, Г.М.Мартинов, М.М.Перепелкина. Концепция управления электроавтоматикой станков с ЧПУ по типу виртуальных контроллеров SoftPLC, "Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика" №7 2003 года

17. А.Чернобровцев «Ethernet в промышленности», Computer World, №32/2000

18. Нежметдинов P.A, «Инструментальные средства программирования программируемых логических контроллеров (ПЛК) на основе комплекса CoDeSys", Автоматизация и управление в машиностроении, №23, 2005г., МГТУ «Станкин».

19. Шемелин В.К, Нежметдинов Р.А, «Повышение качества архитектурных решения систем ЧПУ на основе программно реализованного контроллера типа Soft PLC», Автоматизация и современные технологии, №6, 2008, Машиностроение, Москва. (ISSN 0869-4931)

20. Нежметдинов Р.А, «Применение программно реализованного контроллера типа Soft PLC для управления электроавтоматикой станков с ЧПУ PCNC», Научно-техническая конференция «МТИ-2008», том 2.

21. Шемелин В.К, Нежметдинов Р.А, «Программная реализация логической задачи числового программного управления (ЧПУ) на основе контроллера типа Soft PLC», Объединенный научный журнал, №10(216)6 Москва, 2008, стр. 46-48 (ISSN 1729-3707)

22. К. Ларман. Применение UML и шаблонов проектирования, Москва, Изд. Дом «Вильяме», 2001, 490 с.

23. Дуглас Э. Камер. Компьютерные сети и Internet. Разработка приложений для Internet. Третье издание. Издательский дом "Вильяме", Москва 2002 год

24. Исусственный интеллект. Применение в интегрированных производственных системах. Под редакцией Э. Кьюсиака. Москва "Машиностроение" 1991г.

25. В. JI. Бройдо. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник для вузов. Издательский дом "Питер" 2002г.

26. Б. Керниган, Д. Ритчи. Язык программирования Си. С-Пет, "Невский диалект", 2001

27. Г.С. Иванова, Т.Н. Ничушкина, Е.К. Пугачев. Объектно-ориентированное программирование. Москва. Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2001г.

28. Вольдер Б.С. Планирование на предприятии. Учебное пособие. М.: МГТУ "Станкин", 1999, 172с.

29. Горфинкель В.Я., Купряков Е.М. Экономика предприятия. Учебник для ВУЗов. М.: "Банки и биржи", ЮНИТИ, 1996, -367с.

30. С.А. Трофимов. Rational XDE для Visual Studio .NET, Москва, Бином, 2004,298 с.

31. Ч. Петцольд. Программирование для WINDOWS на С#. Microsoft русская редакция, 2002, том 1

32. Ч. Петцольд. Программирование для WINDOWS на С#. Microsoft русская редакция, 2002, том 2

33. Р. Калбертсон, Быстрое тестирование. «Вильяме» Москва, 2002г., 383 с.

34. В.В.Тимофеев. C/C++ Программирование в среде С++ ВшЫег.Бином, Москва, 2001,360 с.

35. А. Матросов, А. Сергеев, М. Чаунин, HTML 4.0. bhv Санкт-Петербург, 2000г., 671с.

36. Н. Питц-Моултис, Ч. Кирк, XML. «bhv Санкт-Петербург», 2001 г., 713 с.

37. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М., Любимов А.Б. Интерпретация диалога в windows-интерфейсе систем управления // Приборы и системы управления, 1998. №12. С.10-13.