Разработка инструментария для мониторинга и настройки разнородных мехатронных систем на основе унификации программных компонентов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Соколов, Сергей Владимирович

• Соколов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколов, Сергей Владимирович

Введение.

1 Анализ существующих решений в области мониторинга и настройки параметров мехатронных устройств.

1.1 Задачи мониторинга и настройки параметров в системах числового программного управления мехатронным оборудованием.

1.1.1 Объект и субъект мониторинга и настройки параметров системы управления мехатронным оборудованием.

1.1.2 Задачи мониторинга и настройки параметров в системе ЧПУ механообрабатывающим оборудованием.

1.1.3 Задачи мониторинга и настройки параметров в системах на основе ГОЖ.

1.2 Анализ систем мониторинга и настройки параметров мехатронного оборудования разных производителей.

1.2.1 Настройка параметров в системах управление Sinumeric фирмы Siemens

1.2.2 Система визуализации Siemens SIMATIC WinCC.

1.2.3 Мониторинг и настройка параметров в системе 3S CoDeSyS

1.3 Обзор и выбор технологий разработки.

1.4 Анализ патентной чистоты проводимых научных разработок.

1.5 Постановка задач исследования.

2 Классификация способов представления данных и выявление существующих взаимосвязей в системах мониторинга и настройки параметров.

2.1 Способы представления информации в системах управления мехатронным оборудованием.

2.1.1 Отображение текущего значения параметра.

2.1.2 Отображение значения параметра во времени.

2.1.3 Мониторинг значения параметра.

2.1.4 Обобщенный метод представления информации в системах управления мехатронным оборудованием.

2.2 Выявление набора общих компонентов в системах мониторинга и настройки параметров различных мехатронных систем.

2.3 Классификация пользовательских приложений мониторинга и настройки параметров.

2.3.1 Текстовое представление значения параметров.

2.3.2 Табличное представление параметров.

2.3.3 Графическое развертка значений параметров во времени.

2.3.4 Графическая визуализация параметров.

2.4 Выводы по второй главе.

3 Разработка обобщенной архитектурной модели и метода построения инструментария мониторинга и настройки параметров разнородных мехатронных систем.

3.1 Обобщенная архитектурная модель инструментария мониторинга и настройки параметров.

3.1.1 Агент мониторинга и настройки параметров.

3.1.2 Терминальный клиент мониторинга и настройки.

3.1.3 Организация сетевого взаимодействия между агентом мониторинга и настройки и прикладным приложением.

3.2 Метод построения инструментария мониторинга и настройки параметров.

3.2.1 Метод и его составляющие.

3.3 Выводы по третьей главе.

4 Создание на базе разработанного метода инструментария мониторинга и настройки параметров для системы управления роботом и системы ЧПУ.

4.1 Разработка инструментария мониторинга и настройки для системы управления промышленным роботом.

4.1.1 Визуализация параметров в системе управления мехатронным оборудованием.

4.1.2 Разработка схемы языка описания интерфейса визуализации параметров системы управления промышленным роботом.

4.1.3 Создание инструментария мониторинга и настройки для системы управления промышленным роботом ТУР.

4.2 Разработка системы мониторинга и настройки для цифрового привода системы ЧПУ.

4.2.1 Модель представления данных цифрового осциллографа.

4.2.2 Реализация механизма хранения данных.

4.2.3 Построение вычислительной подсистемы.

4.3 Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка инструментария для мониторинга и настройки разнородных мехатронных систем на основе унификации программных компонентов»

Современный этап развития машиностроительных производств характеризуется широким применением решений комплексной автоматизации. Подобные решения зачастую строятся на базе использования мехатронного оборудования различных производителей, которое, с одной стороны, хорошо подходит для решения поставленных задач, но, с другой стороны, порождает проблему интеграции данных разнородных систем в рамках единого информационного окружения предприятия.

Построение системы мониторинга и настройки параметров мехатронного оборудования для представления множества числовых параметров мехатронной системы в удобной для оператора форме - важный аспект в задаче обеспечения качественного выполнения технологического процесса и снижения времени наладки и ввода оборудования в эксплуатацию [1;2].

Ведущие производители систем управления мехатронным оборудованием предоставляют собственные инструментальные среды для создания приложений мониторинга и настройки параметров. Эти среды достаточно сложны, несовместимы между собой и не предусматривают возможности работать с оборудованием сторонних производителей.

Попытка унифицировать интерфейсы взаимодействия и создать единый протокол передачи данных между системой управления мехатронным оборудованием и приложениями мониторинга и настройки была сделана в рамках стандарта ОРС [3; 4]. Основным недостатком этого подхода является то, что технология ОРС основана на механизме DCOM (Distributed Component Object Model) операционной системы Microsoft Windows и реализация его на других программно-аппаратных платформах затруднена.

Параллельно с данным направлением унификации, со стороны технологии разработки программных систем установились тенденции применения объектно-ориентированного и компонентного подходов [5]. Данный подход подразумевает использование стандартных технологий разработки, таких как COM, DCOM, ActiveX, платформы .NET Framework вкупе с применением шаблонов проектирования, таких как MVC (Model -View - Controller, Модель-представление-контроллер), «Адаптер», «Цепочка обязанностей» и др. [6].

Независимо от существующих тенденций и способа реализации, к системам мониторинга и настройки параметров предъявляют вполне определенный набор требований:

• открытость для использования с системами управления мехатронным оборудованием сторонних производителей;

• возможность работы со стандартными промышленными шинами для передачи данных (Profibus, CANopen, ProfiNet, DeviceNet и др.);

• возможность распределенного функционирования в составе комплексного решения автоматизации.

При всем многообразии предлагаемых на рынке решений в области систем мониторинга и настройки параметров они располагают ограниченной открытостью, что вызывает затруднения при их выборе и не позволяют четко обрисовать возможности, которые предлагает то или иное решение. Этим объясняется тот факт, что потребители чаще всего используют только базовые возможности оборудования, а дорогостоящие функциональности остаются незадействованными.

По своей сути система мониторинга и настройки параметров является специализированной информационной системой в составе системы управления мехатронным оборудованием. Анализ развития современных систем управления [7; 8; 9] позволяет выделить тенденцию к объединению разработок и созданию единого информационного пространства для проектов промышленной автоматизации [10; 11]. В рамках подобного проекта предусматриваются единые механизмы реализации систем 6 мониторинга и визуализации технологических параметров для различного мехатронного оборудования разных производителей.

Расширение функциональности системы мониторинга и настройки параметров осуществимо при помощи встраивания компонентов сторонних производителей, т.е. внешних по отношению к системе. Таким путем можно внедрить новую функциональность в пользовательские приложения мониторинга и настройки и организовать взаимодействие с системами управления более высокого уровня, т.е. системами планирования ресурсов предприятия и системами оперативного управления производством [12].

Увеличение сложности процессов автоматизации в промышленности ведет к росту требований, предъявляемых к системам мониторинга и настройки параметров. Поэтому круг наиболее привлекательных для конечного пользователя задач, решаемых прикладной составляющей подобных систем, развивается наиболее динамично. С другой стороны, существенный прогресс в развитии вычислительной, коммуникационной аппаратуры, в инструментальных средствах и технологиях разработки программного обеспечения создаёт предпосылки для решения качественно новых задач в этой области [13].

Анализ подсистем мониторинга и настройки параметров в системах управления мехатронным оборудованием ведущих мировых разработчиков (Siemens, Bosch Rexroth, KUKA, 3S и др.) выявил следующие проблемы их функциональных возможностях, решаемых задачах и в степени открытости решений:

• отсутствует единый подход к систематизации прикладных компонентов систем мониторинга и настройки параметров, что усложняет анализ, проектирование и разработку программных компонентов для расширения её возможностей;

• отсутствует единый подход к интеграции функциональных компонентов различных производителей в состав системы мониторинга и настройки параметров;

• современные системы мониторинга и настройки не предоставляют возможности гибкого конфигурирования набора программных компонентов для создания проблемно-ориентированных решений и настройки под задачи конкретного пользователя.

В результате исследования было определено, что наиболее перспективным является способ построения системы мониторинга и настройки параметров в виде открытой модульной системы на основе интеграции специализированных программных компонентов как собственной разработки, так и сторонних производителей. Таким образом, тема диссертации, направленная на расширение возможностей мониторинга и настройки систем числового программного управления мехатронными устройствами является актуальной.

Теоретические исследования в работе базировались на методах системного анализа, объектно-ориентированного проектирования (декомпозиции, абстракции, иерархии), концепции объектно-ориентированного программирования. Использовались теоретические основы технологий .NET, DCOM (distributed component object model), автоматизация OLE (object linking and embedding), стандарт OPC (OLE for process control), язык описания разметки XML (extensible Markup Language).

В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1) выявлены взаимосвязи между параметрами процессов мониторинга и настройки, позволившие выдвинуть единый подход к решению задач мониторинга и настройки разнородных мехатронных систем;

2) разработана архитектурная модель инструментария для мониторинга и настройки параметров разнородных мехатронных систем на основе выделения общих программных компонентов и спецификации интерфейсов взаимодействия между ними;

3) предложен метод построения инструментария для мониторинга и настройки параметров, позволяющий формализовать процесс разработки программного обеспечения, выявить набор необходимых компонентов и организовать их взаимодействие в единой программной среде системы управления;

4) разработан язык описания отображения для графической визуализации параметров, позволяющий представлять параметры функционирования мехатронной системы в понятном оператору графическом виде.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Соколов, Сергей Владимирович

Основные выводы и результаты работы

1. В работе решена задача, имеющая существенное значение для автоматизированного машиностроения, и заключающаяся в повышении эффективности процесса разработки систем ЧПУ посредством создания единого инструментария мониторинга и настройки параметров разнородного мехатронного оборудования.

2. Выявлены взаимосвязи между компонентами программ мониторинга и настройки, определяющие способы запроса параметров мехатронных систем и схемы их отображения.

3. На основе установленных взаимосвязей разработана архитектурная модель инструментария мониторинга и настройки параметров, предполагающая использование общих программных компонентов и спецификацию интерфейсов их взаимодействия.

4. Разработан метод построения инструментария мониторинга и настройки параметров с открытой модульной архитектурой, позволяющий формализовать процесс разработки программного обеспечения, выявить набор необходимых компонентов и организовать их взаимодействие в программной среде системы управления.

5. Разработан язык описания отображения для графической визуализации параметров, позволяющий представлять параметры функционирования мехатронной системы в понятном оператору графическом виде.

6. Полученные результаты рекомендованы к применению на предприятиях машиностроительного профиля, использующих мехатронное оборудование с ЧПУ при реализации инструментария мониторинга и настройки промышленных роботов и цифровых приводов системы ЧПУ; а также в учебном процессе по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Сергей Владимирович, 2011 год

1. Мартинов Г.М., Сосонкин B.JI. Концепция числового программного управления мехатронными системами: реализация терминальной задачи // Мехатроника, автоматизация, управление. 2001. №4. С. 2-8.

2. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: реализация диагностической задачи управления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2001. №3. С. 2-6.

3. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: интеграция на основе открытого управления и стандарта ОРС //Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. №8. С. 12-18.

4. Официальный сайт организации ОРС Foundation http://www.opcfoundation.org/.

5. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Системы числового программного управления: Учеб. пособие. М. : Логос, 2005 г. стр. 296. ISBN 5-98704-012-4.

6. Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Дж. Влиссидес. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. СПб : «Питер», 2007 г. ISBN 978-5-469-01136-1, 5-272-00355-1, 0-201-63361-2,5469-01136-4.

7. Григорьев С.Н., Мартинов Г.М. Концепция построения базовой системы числового программного управления мехатронными объектами // Информационные технологии в проектировании и производстве, 2011. №2, с.21-27.

8. Григорьев С.Н. Принципы создания многофункциональной системы числового программного управления технологическим оборудованием на базе общего ядра с открытой модульной архитектурой // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.2011. №05. С. 1-1.

9. Григорьев С.Н., Мартинов Г.М. Перспективы развития распределенных гетерогенных систем ЧПУ децентрализованными производствами // Автоматизация в промышленности. 2010. №5. С. 4-8.

10. Добровольский А. Интеграция приложений: методы взаимодействия, топология, инструменты. Открытые системы. №9 2006. Интернет версия http://www.osp.ru/os/2006/09/3776464/.

11. Гайфуллин Б.Н., Обухов И.А. Автоматизация систем управления предприятиями стандарта ERP/MRPH Изд. "Интерфейс-Пресс" 2002, ISBN:5895890210.

12. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Тенденции развития архитектуры и математического обеспечения систем ЧПУ // Стружка. 2006. №4. С. 26-30.

13. Д., Катцель Инвестиции в HMI отражают расширяющийся рынок // Control Engineering Россия, 2006. №1. С. 43-49.

14. Подураев Ю. В. Мехатроника. Основы, методы, применение. 2-е изд., перераб и доп. М.: Машиностроение, 2007. стр. 256. ISBN 978-5-21703388-1.

15. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Архитектоника цифровых следящих приводов подач технологических машин // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. №10. С. 24-30.

16. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

17. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Новейшие тенденции в области архитектурных решений систем ЧПУ // Автоматизация в промышленности. 2005. №4. С. 3-9.19. http://www.3s-software.com/ сайт компании Smart Software Solutions GmbH.

18. Эш Рофэйл, Яссер Шохауд. СОМ и СОМ+. Полное руководство: Пер. с англ. Киев.: ВЕК +, Киев.: НТИ, М.: Энтроп, 2000.

19. ГОСТ 21021-2000 Устройства числового программного управления. Общие технические требования.

20. Мартинов Г.М. Виртуальные приборы диагностики в системе ЧПУ // Информатика-машиностроение. 1998. JSfe4. С. 8-12.

21. Катцель Д. Виртуальные приборы // Control Engineering Россия, 20066.

22. Соколов C.B. «Расширение цифрового осциллографа системы управления за счет включения анализатора сигналов» Труды международной научно технической конференции «Информационные средства и технологии» т. 3, стр. 279-286, М. 2008.

23. Соколов C.B. «Визуализация параметров в системе управления мехатронным оборудованием» Вестник МГТУ Станкин, №1, стр. 124-127, М. 2009.

24. Мартинова Л.И., Григорьев A.C., Соколов C.B. «Диагностика и прогноз износа режущего инструмента в процессе обработки на станках с ЧПУ» Автоматизация в промышленности №5, М. 2010 г.

25. Соколов C.B., Григорьев A.C. «Построение автономной подсистемы диагностики режущего инструмента для станков с ЧПУ» «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». Материалы международной научно-технической конференции. Том 1, стр. 33-35, Севастополь 2010.

26. Григорьев A.C., Никишечкин П. А., Сероухов П. Ю., Соколов C.B. «Интеграция алгоритмов диагностики режущего инструмента в отечественную систему ЧПУ» Труды международной конференции130

27. Системы проектирования, технологической подготовки производства и управ лен.

28. Нежметдинов Р.А, Соколов C.B., Обухов А.И., Григорьев A.C. «Расширение функциональных возможностей систем ЧПУ для управления механо-лазерной обработкой» Автоматизация в промышленности. №5, 2011, С. 49-53.

29. Г.Олсон, Д.Пиани, Цифровые системы автоматизации и управления. Санкт Петербург, Невский Диалект, 2001.

30. Мартинов Г.М. Сосонкин B.JI. Концепция числового программного управления мехатронными системами: проблема реального времени // Мехатроника. 2000. №3, с. 37 40.

31. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Принципы построения систем ЧПУ с открытой архитектурой, Приборы и системы управления. 1996. №8 с. 18-21.

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

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

34. Орлов С., Ethernet в системах промышленной автоматизации, LAN, №06/2002.

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

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

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

38. 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.

39. Черемисин А., Кобызев О. Linux реального времени. Открытые системы. №09-10 1999. Интернет версия http://www.osp.ru/os/1999/09-10/177813/.

40. Торрес Р. Дж. Практическое руководство по проектированию и разработке пользовательского интерфейса 2002 г.: Вильяме: Серия института качества программного обеспечения, 400 стр., ISBN 5-8459-0367-Х.

41. Таненбаум Э. ван Стен М. Распределённые системы. Принципы и парадигмы. Спб. Изд. Питер, 2003 877 е.: ил. - (Серия «Классика computer science»). ISBN 5-272-00053-6.

42. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Модели математического обеспечения открытых систем ЧПУ // Стружка. 2006. №4. С. 26-30.

43. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Мульти-агентная модель открытой системы ЧПУ типа PCNC // Автоматизация в промышленности. 2007. №5. С. 3-6.

44. Новиков A.M., Новиков Д.А. О предмете и структуре методологии. В редакции журнала «Мир образования образование в Мире». Интернет публикация: http://www.methodolog.ru/method.htm.

45. Новиков A.M., Новиков Д.А. Методология. M.: СИН-ТЕГ. - 668 с. ISBN 978-5-89638-100-6.

46. Мунипов В.М., Зинченко В.П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды. Изд. Логос, 2001 г. 356 с. ISBN 5-94010-043-0.

47. Мартинова Л.И., Мартинов Г.М. Практические аспекты реализации модулей открытой системы ЧПУ // Автотракторное электрооборудование, 2002. №3. С. 31-37.

48. Мартинов Г.М., Сосонкин B.JI. Концепция числового программного управления мехатронными системами: технология объектно-ориентированного программирования // Мехатроника, . автоматизация, управление. 2001. №7. С. 5-9.

49. Мартинов Г.М., Сосонкин B.JI. Концепция числового программного управления мехатронными системами: методологические аспекты построения открытых систем ЧПУ // Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №2.

50. Мартинов Г. М., Козак Н. В. Декомпозиция и синтез программных компонентов электроавтоматики // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. №12. С. 4-11.

51. Макгрегор Д., Сайке Д. Тестирование объектно-ориентированного программного обеспечения. Практическое пособие. Пер. с англ. К.: ООО «ТИД «ДС», 2002.-432 с. ISBN 996-7992-12-8.

52. Качала В.В. Основы теории систем и системного анализа. Учебное пособие для вузов. Изд. Горячая Линия Телеком 2007 - 216 с. ISBN: 978-593517-340-9.

53. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. Второе издание. Изд: Невский Диалект, 2000 г., перевод с английского под редакцией И. Романовского и Ф. Андреева. ISBN 5-7940-0017-1.

54. Бартос Ф. Платформа ПК в промышленных системах управления // Control Engineering Россия, 2006. №5. Интернет версия: http://www.controlengrussia.com/ma y06-5.php4?art=l 160.

55. Голенищев Э.П., Клименко И.В. Информационное обеспечение систем управления. Серия «Учебники и учебные пособия». Ростов н/Д: «Феникс», 2003 352 с. ISBN 5-222-02848-8.

56. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Программирование систем числового программного управления: Учеб. пособие. М. : Логос, 2008 г. стр. 344 . + компакт-диск. ISBN 978-5-98704-296-8.

57. Соколов C.B. «Специфика реализации мониторинга технологических параметров в системе управления мехатронным оборудованием» // Вестник МГТУ Станкин №4(17), 2011, с. 89-92.

58. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010616696 «Компонент для трехмерной визуализации траектории режущего инструмента при обработке деталей на станках с ЧПУ» от 08.10.2010.

59. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010617383«Визуальный редактор сплайн-контуров с генератором управляющих программ для систем ЧПУ» от 10.11.2010.

60. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610553«Терминальная часть подсистемы диагностирования состояния режущего инструмента для станков с ЧПУ» от 11.01.2011.

61. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610551 «Компонент графической визуализации параметров технологической системы» от 11.01.2011.

62. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616439 «Многофункциональный пользовательский интерфейс для систем послойного порошкового синтеза» от 17.08.2011.

63. Троелсен Э. С# и платформа .NET. Библиотека программиста. СПб.: Питер, 2003.

64. Erik Т. Ray. Learning XML, Second Edition. September 2003, ISBN: 0596-00420-6, 416 pages.

65. John E. Simpson. XPath and XPointer. Locating Content in XML Documents. July 2002 ISBN 10: 0-596-00291-2, ISBN 13: 9780596002916, Pages: 208.

66. Eric van der Vlist. XML Schema. The W3C's Object-Oriented Descriptions for XML. June 2002 ISBN 10: 0-596-00252-1, ISBN 13: 9780596002527, Pages: 396.

67. Peter Drayton, Ben Albahari, Ted Neward. C# in a Nutshell . O'Reilly Media, 2002. ISBN:978-0-596-00181-0. Pages: 864.1. Ht1. Сервотехника

68. Сервотехника» ЗАО Выборгская ул , д. 22 125130 Москва Россия

69. Научные и практические результаты диссертационной работы Соколова C.B. были использованы при создании программного обеспечения интегрированного сервопривода СПП1, разработанного в ЗАО "Сервотехника".

70. Применение предложенного инструментария мониторинга и настройки параметров позволило сократить время разработки и выпуска продукта на рынок.

71. Руководитель отдела разработки ЗАО "Сервотехника", к.т.н.10 ноября 2011 годаихонов А.О.