Реализация watchdog-механизма контроля активности системы ЧПУ для функций
безопасности в ПЛК
Р.А.
Абдуллаев,
м.н.с., преп., abdullaev@ncsystems.ru,
Е.В. Саламатин,
н.с., salamatin@ncsystems.ru,
ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва
Аннотация
Статья содержит описание
решения актуальной проблемы обеспечения безопасности в системах ЧПУ при работе
с дорогостоящим оборудованием. Таким оборудованием может быть головка
измерительного щупа, движение которой должно строго контролироваться системой
ЧПУ. Механизм watchdog осуществляет непрерывный контроль работоспособности
системы ЧПУ и является удобным способом решения проблем, которые могут
возникнуть при обмене данными между системой управления и приводами движения.
Abstract
The article describes a solution of actual problem – protecting
expensive equipment in CNC systems. Example of such equipment is a probe head,
whose motion is controlled by CNC system. Watchdog-mechanism carries out an
uninterrupted control of CNC system availability. This mechanism is a
convenient way to solve problems which may occur at exchanging data between the
control system and drives.
Современные функции систем
ЧПУ настолько разнообразны, что требуют от разработчиков реализации множества
различных задач[1].
Одной из таких задач является контроль активности системы ЧПУ. Это возможно
благодаря контроллерам электроавтоматики, которые организуют постоянный опрос
состояния работы системы ЧПУ. Такой механизм получил название watchdog.
рис. 1. Обобщенная структура компонентов логической задачи
для взаимодействия с ПЛК
Ключевым инструментом для
реализации watchdog-механизма является универсальная платформа компонентов
интеграции устройств электроавтоматики. С ее помощью можно организовать обмен
данными ядра системы ЧПУ с различными программируемыми логическими
контроллерами вне зависимости от используемого протокола передачи данных.
Контроллер электроавтоматики подключается к ядру системы ЧПУ через
последовательный порт RS-232/RS-485 и осуществляет обмен данными о состоянии
системы ЧПУ и нахождении запрещенных предметов в рабочей области станка через
компонент интеграции, который представляет собой реализацию определенного
протокола передачи данных.
Поддержка стандартных
протоколов обмена данными (одного и более) с аппаратными средствами
электроавтоматики станка и вспомогательным оборудованием его оснастки расширяет
спектр использования программного обеспечения системы ЧПУ. Расширяется ряд
возможных конечных решений (станков, агрегатов, обрабатывающих центров),
создаваемых на базе оборудования разрозненных производителей, для которых
возможно построение соответствующих конфигураций компонентов одного
программного обеспечения ЧПУ.
В случае построения электроавтоматики
станка на основе аппаратных средств обобщенно можно сказать, что задача
взаимодействия с ними разделяется на две части: отправка команд управления и
получения информации о состоянии процесса управления (рис. 1).
Высокоуровневые запросы к
контроллерам электроавтоматики осуществляются из различных потоков. С целью
систематизации обращений к одному контроллеру вводится уровень обработчика
запросов к ПЛК, где организуется очередь асинхронных запросов и механизмы
обратного вызова для уведомления о выполненной на стороне ПЛК работе.
Для реализации возможности
применения различных средств ПЛК в составе систем ЧПУ в структуре компонентов
логической задачи вводятся компоненты, инкапсулирующие в себе протоколы и
команды взаимодействия с аппаратными устройствами по их специфичным протоколам
данных. В случае работы через средства последовательного порта обработчик
запросов производит обращение к соответствующему протоколу данных, (см. 2.1 на
Рис. 2) протокол данных на основе этого запроса формирует команду (см. 2.2) для
обращения к ПЛК, и далее эта команда передается в последовательный порт (см.
2.3).
В представленной структуре
также возможно использование средств электроавтоматики, поставляемых
разработчиками с программным обеспечением для взаимодействия с аппаратными
устройствами (так называемый комплект разработчика – Software Development Kit (SDK)). В этом случае компоненты протокола
данных и команд ПЛК используют функции внешнего программного интерфейса для
взаимодействия с контроллерами электроавтоматики. Таким образом, внешний
программный интерфейс ПЛК может полностью скрывать детали взаимодействия с
промышленными сетевыми протоколами, облегчая тем самым процесс интеграции
контроллеров в состав системы ЧПУ.
рис. 2. Применение средств ПЛК для контроля движения
приводов
Открытость современных систем
ЧПУ позволяет контроллеру электроавтоматики взаимодействовать с ЧПУ как на
уровне команд, так и на уровне данных. Взаимодействие на уровне данных сводится
к тому, что в ПЛК существует область памяти, в которую контроллер может
записывать текущие данные управляющей программы, а компоненты системы ЧПУ – эти
данные считывать. Обратное также верно. Необходимость в этом возникает, когда
компонентам системы ЧПУ нужно передать какие-либо данные для настройки работы
электроавтоматики (например, реализовать адаптивное управление процессом
резания путем изменения скорости резания в зависимости от износа инструмента)
или считать данные о текущем состоянии (например, получить реальное текущее
значение положения оси или строковое сообщение от электроавтоматики) [1]. Характер данных и их размещение в памяти
контроллера определяются станкостроителем при разработке управляющей программы
электроавтоматики на этапе ввода системы ЧПУ в эксплуатацию.
С помощью описанного выше
механизма компонентов интеграции средств электроавтоматики система ЧПУ может
получать и устанавливать любые данные, доступные в программируемом контроллере.
В том числе такой универсальный способ позволяет устанавливать сигнал Enable контроллерам приводов (Рис.
2), который хранится в памяти контроллера в заранее
определенной станкостроителем ячейке памяти [2]. Движение приводов возможно
только при наличии сигнала Enable. Во всех
остальных случаях движение привода будет остановлено. Состояние работы
ограждения кабинетного типа передается на входы контроллера электроавтоматики.
Внутренняя управляющая программа ПЛК перезаписывает эти данные со входов
контроллера во внутреннюю память, доступную для считывания ядром системы ЧПУ.
Таким образом осуществляется контроль состояния ограждения кабинетного типа
ядром системы ЧПУ.
В случае обнаружения отказа
работы системы ЧПУ программируемый логический контроллер снимает сигнал Enable
с приводов движения, тем самым останавливая перемещение рабочих органов станка.
Это позволяет избежать возможного выхода из строя дорогостоящего оборудования,
каким может являться, например, щуп измерительной головки. В случае
использования ограждения кабинетного типа контроллер электроавтоматики может
следить за тем, закрыты ли дверцы защиты рабочей области. Обнаружив открытые
дверцы ограждения, контроллер останавливает движение приводов и сообщает об
этом ядру системы ЧПУ. Такой механизм обеспечивает контроль за попаданием в
рабочую область недопустимых предметов во время обработки детали.
рис. 3. Реализация watchdog-механизма для задачи контроля
работоспособности контроллера движения
Для реализации watchdog-механизма
станкостроитель определяет в памяти контроллера регистр памяти x1 (рис. 3), который хранит информацию о работоспособности ядра
системы ЧПУ [3]. При получении команды Enable приводам движения (вызов 1.1 на рис. 3) ядро системы ЧПУ устанавливает в регистр x1 значение
1 (1.2), что соответствует работоспособности системы управления. Управляющая
программа контроллера электроавтоматики периодически анализирует состояние
регистра памяти х1 (1.3). В случае если байт x1 установлен, управляющая
программа ПЛК подает на выход, соединенный с контроллером привода, значение 1
(1.4), что означает, что движение разрешено. После разрешения движения приводам
ПЛК сбрасывает значение регистра x1 (1.5), для того, чтобы проверить, запишет
ли ядро системы ЧПУ вновь значение 1 в этот байт (1.6). Это нормальный алгоритм
работы watchdog-механизма, когда управляющая программа контролирует регистр
памяти x1, который показывает, что ядро системы ЧПУ по-прежнему функционирует.
Так как среднее время цикла работы контроллера электроавтоматики примерно
составляет 100 мс, то в среднем такой опрос занимает около 200 мс.
В случае получения команды о
снятии сигнала Enable с приводов движения (2.1), ядро системы ЧПУ устанавливает
значение регистра памяти в значение 0 (2.2). Считав это значение (2.3),
управляющая программа электроавтоматики устанавливает на выход сигнал о том,
что движение приводов запрещено (2.4). В случае, если после сброса байта x1
управляющей программой контроллера (3.5) система управления по каким-то
причинам не успела установить регистр x1 в значение 1, движение приводов
останавливается (3.6).
Для реализации
watchdog-механизма контроля активности системы ЧПУ для функций безопасности в
ПЛК используется универсальная платформа интеграции контроллеров
электроавтоматики в ядро системы ЧПУ. С ее помощью система управления
осуществляет чтение и запись регистров памяти ПЛК. Станкостроитель определяет
адреса ячеек памяти контроллера, которые содержат сигнал включения приводов
движения и состояние работы ограждения кабинетного типа. Описанный механизм
работы позволяет отслеживать работоспособность ядра системы ЧПУ и избежать
материальных потерь, связанных с выходом из строя системы управления.
Литература
2.
Григорьев С.Н.,
Мартинов Г.М. Перспективы развития распределенных гетерогенных систем ЧПУ децентрализованными
производствами // Автоматизация в промышленности. 2010. №5. C. 4-8.
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(12). С. 116-122.