Практические аспекты применения многоцелевого канала передачи неспецифицированных пакетов данных для расширения функциональных возможностей системы ЧПУ  

П.А. Никишечкин,
инж. 2 кат.,
e-mail: pnikishechkin@gmail.com
МГТУ «Станкин», г. Москва

Статья посвящена исследованию и анализу механизмов взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ, а также использованию механизма передачи неспецифицированных пакетов данных для расширения функциональных возможностей системы ЧПУ AxiOMA Ctrl, на примере разработки и интегрировании в нее новых программно-аппаратных решений.

 

The article is devoted to research and analysis of mechanisms of interaction terminal part with kernel of CNC systems, and the use mechanism of transmission of unspecified data packages for extend the functionality of the CNC AxiOMA Ctrl. There are some example of development and integration in this control system new software and hardware solutions by means of developed mechanism of transmission.

 

Современные промышленные технологии требуют высокого уровня автоматизации и гибкости систем управления, что сегодня реализовывается с помощью принципов открытости и модульности. [1,2] Модульная организация аппаратно-программного обеспечения системы управления формирует такие ее характеристики, как масштабируемость, конфигурируемость и многофункциональность. Открытая архитектура системы управления позволяет, во-первых, адаптировать ее для различных видов технологического оборудования и технологических задач, и во-вторых, расширять ее функциональные возможности за счет простой интеграции новых программно-аппаратных решений.

Проделанный анализ систем ЧПУ показал, что системы от таких мировых производителей, как Power Automation, Siemens, Beckhoff, имеют открытую модульную архитектуру, и в каждой из них имеется свое средство интеграции сторонних приложений. Однако, все средства расширения функциональных возможностей, существующие на данный момент у систем ЧПУ мировых производителей, требуют приобретения специализированной лицензии, а также настройки внедряемых приложений под жестко специфицированные требования, что значительно усложняет поставленную задачу и, зачастую, делает ее экономически не выгодной. Исходя из этого, разработка универсального механизма взаимодействия между терминальной частью и ядром системы ЧПУ, является актуальной задачей, решение которой ведет к повышению открытости системы и реализации возможностей по расширению ее функциональных возможностей.

Система ЧПУ AxiOMA Ctrl, разрабатываемая на кафедре «Компьютерные Системы Управления» МГТУ «СТАНКИН», построена по типу двухкомпьютерной архитектуры, и относится к классу PCNC-2. Архитектура данной компьютерной системы числового программного управления технологическим оборудованием включается в себя терминальную часть, работающую в машинном времени (ОС Windows), и ядро, функционирующее в реальном времени (Linux RT).  [3] Терминальная часть предназначена для визуализации оператору информации о работе системы ЧПУ, параметров обработки, сообщений об ошибках, и предоставляет интерфейс управления процессом обработки. Ядро системы осуществляет все необходимые функции по непосредственному управлению технологическим процессом в режиме реального времени. В качестве терминальных клиентов могут выступать как стандартные терминальные средства системы ЧПУ, а также внешние средства визуализации процессов работы системы ЧПУ. [4]

Для физической связи ядра системы ЧПУ и ее терминальных клиентов применяется протокол TCP/IP (рис. 1).

Модель взаимодействия

рис 1. Модель взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ класса PCNC-2

Взаимодействие и обмен данными между ядром и терминалом производится при помощи двух типов каналов связи – синхронного канала обмена данными и асинхронного канала обмена. Канал синхронного обмена является основным, он обеспечивает получение данных из ядра, передачу данных, и отправку основных команд в ядро системы. Канал асинхронного обмена предназначен для уведомления клиентов об изменениях, происходящих в ядре.

Для обмена основными данными между терминальной частью системы ЧПУ AxiOMA Ctrl и ядром, − информацией о состоянии сервера, канала, режимов работы, текущих координат осей, и т.д., используется механизм подписки клиентов на изменения определенных данных в ядре. Для решения поставленных задач по обмену информацией, требуемой для всех клиентов, разработаны утвержденные спецификации форматов передаваемых данных. В таком случае, при работе ядра системы ЧПУ должны быть четко определены размеры пакетов передаваемых данных, и их содержание для каждой из производимых операций взаимодействия. Также, должны быть созданы идентичные объекты, как в терминальной части, так и в ядре системы, с идентичным описанием констант, идентификаторов, отвечающих за состояния, и т.д. При помощи данного механизма достигается работа быстрого и корректного обмена данными между клиентами и ядром системы ЧПУ.

Однако, описанный механизм взаимодействия между терминалом и ядром системы ЧПУ не всегда удобен, т.к. при расширении функциональных возможностей системы зачастую не требуется производить передачу данных для всех клиентов. Создание для каждой из таких подсистем своей спецификации передаваемых данных значительно усложняет интеграцию новых компонентов в систему ЧПУ и их взаимодействие с ядром, а значит, вносит определенные трудности при расширении возможностей системы ЧПУ, что ведет к снижению открытости системы, а значит, и ее конкурентоспособности.

Для решения проблемы организации взаимодействия терминала с ядром системы управления при интеграции в нее новых функциональных возможностей, в системе ЧПУ AxiOMA Ctrl был создан многоцелевой канал обезличенных данных XData, не содержащий жесткой спецификации передаваемых данных, за исключением заголовка, содержащего информацию о размере пакета и его получателе (рис. 2). Сообщения многоцелевого канала связи содержат последовательно следующие поля:

       номер версии ядра системы ЧПУ;

       время в микросекундах относительно старта  системы ЧПУ;

       идентификатор обезличенного канала – параметр для определения адресата передаваемых данных, т.е. идентификатор подсистемы;

       длина обезличенных данных в байтах – параметр служит для определения получателем того, где заканчивается данное сообщение, и начинается новое, либо сообщение заканчивается полностью;

       пакет байтов с обезличенными данными – передаваемые данные.

Разработанный канал позволяет добиться того, что модули приема/передачи системы не знают о назначении передаваемой информации, что позволяет исключить требование к жесткой спецификации данных, хранящихся в сообщении, а только отправлять уведомления об изменении данных в многоцелевом канале взаимодействия. При приеме такого уведомления получатели данных сообщений определяют то, для каких модулей предназначены эти данные, и, в зависимости от результата проверки, производят их распаковку и обработку.

Взаимодействие3

рис. 2. Каналы взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ

Предложенный подход позволяет упростить и сделать универсальным процесс взаимодействия между встраиваемыми компонентами с ядром системы ЧПУ, что сделало возможным интеграцию прикладных решений в систему ЧПУ AxiOMA Ctrl. [8]

С увеличением технологических возможностей станков и усложнению управляющих программ повышаются требования к обеспечению непрерывного контроля технологических процессов и поддержанию их надежности. Становятся актуальными задачи разработки систем контроля технологических процессов, в частности, систем верификации управляющих программ, визуального контроля перемещения режущего инструмента, а также систем диагностирования его состояния.

Для решения задачи по верификации управляющих программ и мониторинга перемещения режущего инструмента в реальном времени, в системе ЧПУ AxiOMA Ctrl был создан специализированный режим «Графика» (рис. 3). Первой функциональной возможностью данного средства является подрежим «моделирование», – возможность проверки работы управляющей программы без вывода управляющих сигналов на приводы двигателей, т.е. режим имитации работы станка. Задача моделирования работы управляющей программы без непосредственного процесса обработки обуславливается тем, что технолог-программист, передавая программу в цех, должен быть полностью уверен, что программные ошибки исключены, а значит, исключен риск поломки дорогостоящего станка и инструмента. Описанные функциональные возможности системы позволяют определять корректировки в управляющей программе без проверки на реальных деталях, устранить ошибки без процесса обработки, и добиться ее максимальной оптимизации.

Также, немаловажной задачей разрабатываемого режима является мониторинг траектории перемещения режущего инструмента во время обработки детали. Это позволяет улучшить представление о протекающем технологическом процессе, в особенности, когда рабочая зона скрыта от оператора, получать информацию, на каком этапе управляющей программы находится обработка, что зачастую позволяет предотвратить аварийные ситуации при обработке. [9]

Графика3

рис. 3. Структура подсистемы визуализации перемещений режущего инструмента

В процессе работы данного режима из ядра системы ЧПУ в терминальную часть поступают пакеты, как с командными (рассчитанными в интерполяторе) значениями координат, так и с актуальными значениями (с приводов системы). Это требуется для решения задач по верификации управляющей программы без непосредственного процесса обработки, а также для визуализации траектории перемещения режущего инструмента при обработке. Информация о командных значениях координат в системе ЧПУ является стандартизированной, и эти данные передаются по основному каналу взаимодействия. Также, по данному каналу производится передача информации об управляющей программе, для ее отображения в данном режиме. Информация об актуальных значениях координат, и команды на передачу этих значений – является нестандартной для системы ЧПУ, и передача этих данных производится по разработанному каналу взаимодействия XData, путем передачи обезличенных пакетов данных, с указанным идентификатором режима визуализации перемещений режущего инструмента.

Вторым немаловажным аспектом контроля режущего инструмента в процессе обработки является диагностика и прогнозирование его состояния в будущем. Диагностирование износа режущего инструмента позволяет исключить поломку и уменьшить время на его замену, что приводит к увеличению производительности и повышает надежность работы систем. При интеграции системы диагностики в систему ЧПУ достигается возможность оперативного вмешательства в производственный процесс и проведения корректировки отклонений непосредственно при обработке путем передачи управляющих команд в систему ЧПУ, что делает задачу интеграции наиболее актуальной.

Диагностика3

рис. 4. Структура подсистемы диагностики, интегрированной в систему ЧПУ

Структура разрабатываемой подсистемы диагностики (рис. 4) 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. В разработанной подсистеме диагностики используется метод контроля состояния режущего инструмента, основанный на использовании датчиков для измерения различных параметров обработки, характеризующих состояние режущего инструмента.

Для реализации приема и первоначальной обработки данных, поступающих с датчиков, используется специально разработанный блок обработки сигналов (БОС), подключаемый к подсистеме диагностики по COM-порту. Блок обработки сигналов позволяет производить подключение до 36 датчиков различных типов: вибродатчики, термодатчики, тензодатчики.  Подсистема диагностики, установленная на одном компьютере с ядром системы ЧПУ как независимый модуль, взаимодействует с блоком обработки сигналов, принимая от него данные с датчиков, установленных в зоне резания.

В терминальной части системы ЧПУ реализован отдельный режим диагностики, позволяющий производить визуализацию всего диагностического процесса оператору, а также производить управление работой подсистемы диагностики. Взаимодействие терминала и ядра ЧПУ также производится по неспецифицированному каналу передачи данных XData, что еще раз доказывает возможность использования данного канала для решения различных задач. Разработанная подсистема позволяет обеспечить требуемые точностные характеристики изделия посредством диагностирования состояния и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента в реальном времени.

Особое значение в современных системах ЧПУ занимают программируемые логические контроллеры (ПЛК). ПЛК являются базовыми элементами систем промышленной автоматики. На их основе построены все АСУ ТП, системы мониторинга, контроля функционирования, телеметрии, обеспечения безопасности и многие другие. В системах ЧПУ ПЛК помогают решать логическую задачу и выполнять программирование механизмов смены инструмента, открытия/закрытия защитного ограждения станка, подачи СОЖ, работу кнопок панелей оператора, и многих других задач.

В ходе работы был проведен анализ имеющихся средств программирования и отладки рабочих программ для логических контроллеров, который показал, что для задач интеграции программного обеспечения в состав систем ЧПУ необходим специализированный аппаратно-независимый инструментарий, который был разработан и интегрирован в состав системы ЧПУ AxiOMA Ctrl. С помощью разработанного средства имеется возможность решать множество задач по программированию логических контроллеров на языке FBD стандарта МЭК 61131, независимо от используемой аппаратуры. Разработанное средство создания управляющих программ для электроавтоматики является мощным и универсальным инструментом для программирования ПЛК и является адаптированным под работу с аппаратной частью от различных производителей. Основными возможностями разработанного средства являются создание, визуализация и отладка управляющих программ для электроавтоматики. Программный продукт выполнен как в виде независимого приложения, так и интегрированного в систему ЧПУ AxiOMA Ctrl.

Особенности разработанного продукта:

·      аппаратная независимость;

·      отсутствие платной лицензии;

·      универсальность и простота работы;

·      стандартизированный язык программирования;

·      наличие режима эмуляции;

·      возможность использования в учебных целях. [10]

Разработанный инструментарий делится на две основные части. Терминал – графическая оболочка, позволяющая моделировать управляющие программы, конфигурацию оборудования, а также визуализировать процесс отладки управляющих программ. Ядро системы ЧПУ позволяет реализовывать логику работы построенной модели, выполнять необходимые расчеты, а также производить привязку к аппаратуре (рис. 5).

SoftPLC_4

рис. 5. Структура инструментария программирования электроавтоматики в системе ЧПУ

Взаимодействие между терминальной частью и ядром системы ЧПУ производится через разработанный многоцелевой канал взаимодействия XData. По нему производится передача управляющей программы для электроавтоматики и команд по управлению ее работой и отладкой. При отправке команды на запуск разработанная управляющая программа начинает работать в ядре системы ЧПУ. Ядро, в свою очередь, производит отправку текущего состояния работы программы, которое отображается в строке состояния редактора. Также, при включенном режиме отладки программы, ядро системы ЧПУ с заданной частотой производит отправку в терминальную часть редактора информацию о работе модели, и значений входов/выходов блоков. Таким образом, имеется возможность  производить отладку управляющей программы и следить за актуальными значениями входов/выходов разработанной модели.

Предложенный способ взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ, основанный на использовании многоцелевого канала передачи неспецифицированных пакетов данных, позволяет упростить и сделать универсальным процесс взаимодействия между встраиваемыми компонентами с ядром системы ЧПУ.

Интеграция вышеописанных прикладных решений в систему ЧПУ AxiOMA Ctrl значительно расширяет ее функциональные возможности, что делает ее многофункциональной и незаменимой на современном автоматизированном производстве. Описанные прикладные применения разработанного многоцелевого канала передачи обезличенных данных наглядно показывают возможности его применения при интегрировании в систему ЧПУ новых режимов и подсистем, с осуществлением простого взаимодействия терминальной части с ядром системы ЧПУ, что значительно повышает ее открытость, а значит и конкурентоспособность.

Литература

1.  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.

2.  Мартинов Г.М., Мартинова Л.И. Современные тенденции в области числового программного управления станочными комплексами // СТИН. 2010. №7. С. 7-10.

3.  Мартинов Г.М., Козак Н.В., Нежметдинов Р.А., Пушков Р.Л. Принцип построения распределенной системы ЧПУ с открытой модульной архитектурой // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. №4. С. 116-122.

4.  Мартинов Г.М., Мартинова Л.И., Козак Н.В., Нежметдинов Р.А., Пушков Р.Л. Принципы построения распределенной системы ЧПУ технологическими машинами с использованием открытой модульной архитектуры. Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2011. №12. С.45-51.

5.  Мартинов Г.М., Обухов А.И., Пушков P.Л. Принцип построения универсального интерпретатора языка программирования высокого уровня для систем ЧПУ. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 6. С. 42-50.

6.  Grigoriev S.N., Martinov G.M. Decentralized CNC automation system for large machine tools. Proc. of COMA 13, International Conference on Competitive Manufacturing, Stellenbosch (South Africa), 2013: ISBN: 978-0-7972-1405-7, pp. 295-300.

7.  Sergej N. Grigoriev, Georgi M. Martinov Scalable open cross-platform kernel of PCNC system for multi-axis machine tool // Procedia CIRP 1 ( 2012 ) p.p. 255 – 260.

8.  Мартинова Л.И., Козак Н.В., Нежметдинов Р.А., Пушков Р.Л., Обухов А.И. Практические аспекты применения отечественной многофункциональной системы ЧПУ ""АксиОМА Контрол" // Автоматизация в промышленности. 2012. №5. с.36-40.

9.  Соколов С.В., Никишечкин П.А. Разработка средств визуализации и контроля движения режущего инструмента для станков с ЧПУ. // Материалы Всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (ИТМ-2011) с. 81-84.

10.   Мартинов Г.М., Нежметдинов Р.А., Никишечкин П.А. Разработка средств визуализации и отладки управляющих программ для электроавтоматики, интегрированных в систему ЧПУ. // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2012. №4. С.134-138.