Построение распределённых
гетерогенных вычислительных систем управления на базе промышленных сетей
А.И. Бондаренко,
инж.1 кат.
А.Б. Любимов,
н.с.,
bondarenko.ncs@gmail.com,
ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва
Аннотация
Цель
работы - описать способ построения распределенной гетерогенной вычислительной
системы для управления высокотехнологическими комплексами, построенными на базе
синтеза разнородных вычислительных компонентов, включенных в общую
информационно-вычислительную среду через промышленные сети. Работа выполнена по
Госконтракту №П858 на проведение НИР в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России" на 2009-2013 гг.
Abstract
Purpose of the work is to describe the method of
constructing a distributed heterogeneous computational control system for
high-technology complexes, based on the synthesis of the hybrid computational
components, which are included in the general information environment through
industrial networks. Work is performed in accordance with state contract № П858
on NIR (scientific research work) fulfill in the framework of FTP (Federal
Targeted Program) “Scientific and educational personnel of innovative Russia”
for 2009-2013.
Определение
требований и создание ключевых модулей системы в виде автономных компонентов
Распределенная
система управления строится на базе синтеза разнородных вычислительных компонентов, в качестве которых выступают
традиционные системы управления (системы ЧПУ, ПЛК или контроллеры движения), промышленные
компьютеры и специализированные системы
управления [1]. Специфика управляемого технологического процесса требует
распределенного их функционирования, то есть включения вычислительных
компонентов в общую информационно-вычислительную среду через промышленные сети.
Характеристика
ключевых модулей системы
Ключевыми
модулями распределенной гетерогенной вычислительной системы управления являются
следующие объекты: NC сервер, реализующий функции ядра системы числового
программного управления (numerical control kernel, NCK); NC клиент (терминал
системы управления), реализующий функции человеко-машинного взаимодействия
(human-machine interface, HMI); и контроллер электроавтоматики (программируемый
логический контроллер (ПЛК), programmable logic controller (PLC)), реализующий
логическую функцию управления.
рис.1
Ключевые модули распределенной гетерогенной системы управления
Рассмотрим
эти модули с функциональной точки зрения:
Терминал
реализует функцию HMI или человеко-машинного интерфейса, обеспечивает интерфейс
взаимодействия между системой ЧПУ и оператором, выполняет команды на отработку
машинных операций, отображает текущий статус системы, реализует возможности по
составлению, редактированию и отладке управляющих программ. Поскольку разные
производители систем управления по-разному могут видеть процесс взаимодействия
оператора и системы, существует различные виды концепций пользовательского
интерфейса, основанных на дизайнерских предпочтениях фирм-производителей.
Функции
терминальной части подразделяются на следующие категории:
1.
Отображение текущих процессов.
2.
Установка параметров
3.
Редактор управляющих программ
4.
Система мониторинга и оповещений
5.
Вспомогательные функции
В
логическую задачу управления, за которую отвечает модуль ПЛК входят следующие
задачи: последовательное управление сменой инструмента, задание скорости вращения
шпинделя, процесс смены заготовок и, конечно, обработка сигналов
входов/выходов. В целом, можно сказать, что ПЛК осуществляет управление
состоянием и поведением всего технологического комплекса, за исключением
системы сервоприводов.
Использование
подсистемы ПЛК несет ряд преимуществ, таких как гибкость, масштабируемость, надежность,
производительность и компактность.
Ядро
системы ЧПУ осуществляет интерпретацию УП и выполняет интерполяцию, управление
положением и компенсацию ошибки на основании данных, полученных в результате
интерпретации. Кроме этого, подсистема конфигурирования также выполняется
ядром. Наконец, ядро осуществляет управление системой сервоприводов, что, в конечном
счете, приводит к обработке заготовки.
В
архитектуре системы заложены следующие основные подсистемы ядра:
1.
Подсистема станка (включает в себя объекты канала, оси, привода, файловой
системы и т.д.)
2.
Подсистема конфигурирования (машинные параметры)
3.
Подсистема коммуникации (обмен данными между компонентами распределенной
системы управления)
Способы
достижения автономности модулей
На
рисунке 2 показаны способы взаимодействия ключевых модулей системы. Терминал
(равно как и удаленный терминал) подключается к ядру системы управления по протоколу
TCP/IP. При этом, как ядро, так и терминал могут быть реализованы на разных
платформах, об этом более подробно будет сказано далее. ПЛК подключается по интерфейсу
RS 232/485, приводная часть – как правило, по быстродействующему промышленному
интерфейсу (EtherCAT, SERCOS ll/lll[2], …).
рис.2
Способы взаимодействия ключевых модулей
Стандартизация
протокола взаимодействия терминала и ядра позволяет использовать в одной
системе различные ядра и терминалы. Если все терминалы и ядра сложной системы
поддерживают один протокол взаимодействия, то любой терминал может управлять
любым ядром в меру своих возможностей.
Терминалом
может служить любая программа, поддерживающая указанный выше протокол. В самом
простом варианте, это может быть приложение с двумя кнопками: «старт» и «стоп»
для запуска и останова работы. В наиболее сложном – приложение с разветвлённой
структурой окон, позволяющее осуществлять подготовку, запуск и контроль
исполнения управляющих программ, а также редактирование всевозможных параметров.
При этом возможно подключение одного терминала к нескольким различным ядрам.
На
рисунке 3 поясняется свойство гетерогенности системы управления. Описанные
ключевые объекты могут быть представлены совершенно разными устройствами (как
на программном уровне, так и на аппаратном). Например, в качестве терминала
может выступать панель оператора станка, планшетный компьютер или карманный персональный
компьютер (КПК), подключенный по Wi-Fi к веб-серверу ядра системы управления.
То же самое касается ядра, программный код которого написан таким образом,
чтобы обеспечить компиляцию и запуск на следующих платформах: Win32 (семейство
Windows NT/2000/XP), RTX (расширение реального времени для Windows NT), RTLinux
(Linux реального времени) [3]. Такая независимость от реализации компонентов
достигается за счет использования протокола TCP/IP в качестве средства связи.
Функцию
ПЛК также можно реализовать, используя контроллеры ПЛК разных производителей и
с разными характеристиками.
рис.3
Физическая реализация рассматриваемых модулей
Таким
образом, широкие возможности по выбору конкретного способа реализации, как
аппаратной, так и программной составляющей описываемой архитектуры позволяют
проектировать широкий диапазон систем ЧПУ – от простых до класса «Hi-End».
Литература
1.
Григорьев С.Н., Мартинов Г.М. Перспективы развития распределенных
гетерогенных систем ЧПУ децентрализованными производствами // Автоматизация в
промышленности. 2010. №5. C. 4-8.
2.
Мартинов Г.М., Бондаренко А.И. Использование SERCOS-интерфейса для управления
двигателями в компьютерных системах управления // VI Региональная конференция
научно-практическая конференция студентов и аспирантов: сборник трудов. –
Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСИС, 2010. - С.63-66
3.
Любимов А.Б., Бондаренко А.И. Архитектура кроссплатформенного драйвера
приводов для систем ЧПУ // Современные средства диагностики металлорежущих
станков. Всероссийская научная школа. Сборник тезисов выступлений 6-7 сентября
2011 г., Москва, - М: НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – С.11-13