Лекция 14

Система PCNC-2

К этому классу принадлежат системы фирм ANDRON и BoschRexroth (Германия). Система ЧПУ фирмы ANDRON относится к полному двухком- пьютерному варианту. Ее структура представлена в виде набора модулей: терминального компьютера, ЧПУ-компьютера, панели оператора и монитора, удаленных входов-выходов программируемого контроллера, одной или нескольких групп цифровых (SERCOS) приводов подачи и глав­ного привода. Аппаратура системы практически полностью состоит из по­купных компонентов и плат. В силу этого обстоятельства фирма ANDRON не скрывает деталей аппаратной реализации, и эта реализация весьма пред­ставительна для двухкомпьютерных версий систем ЧПУ других фирм.

В состав терминального компьютера входят: материнская плата с Се1еrоn-процессором и интегрированными контроллерами SCSI, VGA, TFT, IDE; многофункциональная интерфейсная плата MFA с памятью CMOS- ROM (связь с внешним модемом; транспьютерный контроллер коммуни­кационного канала, связывающего терминальный и ЧПУ-компьютеры). Все платы установлены на пассивной ISA-шине, при этом предусмотрена ус­тановка дополнительных (по заказу) резервных плат: внутреннего моде­ма, сетевой платы, SCSI-платы. Для специальных задач возможна уста­новка PCI-плат.

В состав ЧПУ-компьютера входят: материнская плата с Celeron-npo- цессором; плата МIO (Main Input-Output) поддержки как коммуникацион­ного интерфейса с терминальным компьютером (со скоростью 10 Мбит/с), так и интерфейса маховичка ручного перемещения; плата программируе­мого контроллера с интерфейсом InterBus-S (с циклом 4 мс для 1024 вхо­дов-выходов); одна или несколько плат SERCOS-интерфейса (с микросхе­мой SERCON410-B). Все платы установлены на пассивной ISA-шине. Каж­дый SERCOS-интерфейс обслуживает (с периодичностью 0,5 мс) одну группу из трех автономных приводов подачи и одного привода шпинделя. Приводы одной группы включены в кольцевую оптоволоконную сеть.

В платформе системы ЧПУ фирмы ANDRON аппаратный уровень рас­положен под операционной системой Windows NT в терминальном компь­ютере и оригинальной операционной системой реального времени в ЧПУ- компьютере. На прикладном уровне терминальный компьютер открыт для разнообразных приложений и специальных диалогов конечного пользователя, которые можно назвать САМ-приложениями. Для построения САМ-приложений предусмотрен инструментальный язык ANLOG-C, обеспечи­ли доступ к функциям ядра в ЧПУ-компьютере

Система ЧПУ фирмы BoschRexroth построена на основе высокопроизводительных компьютеров (классический двухкомпь- 1ый вариант) и обладает исключительно мощным набором функций. Терминальный компьютер имеет операционную систему Windows NT, а ЧПУ-компьютер - операционную систему UNIX. Связь операционных сред осуществляется с помощью протоколов TCP/IP, что опускает удаленное размещение терминала и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером. В свою очередь ЧПУ-компьютер пред­полагает многоканальную работу более чем с одной управляющей про­граммой. Прикладное математическое обеспечение терминального ком­пьютера и прикладное математическое обеспечение ядра в ЧПУ-компьютере окружены оболочкой из нескольких сот интерфейсных API-функций (Application Programming Interface), которые предоставляют конечным пользователям возможность разрабатывать собственные приложения и расширения. В оболочку терминального компьютера включена мощная DLL-библиотека NCS (Numerical Control System) классов объектов, «по­крывающая» API-функции, делающая разработку дополнительных при­ложений более простой и комфортной. В остальном состав прикладного математического обеспечения традиционен; впрочем, можно отметить хо­рошо проработанный программно-реализованный контроллер электро­автоматики и несколько очень интересных приложений. Среди них - отладчик высокоуровневых управляющих программ, логический анализа­тор для удаленного контроля программируемых контролеров, осциллог­раф для анализа динамики следящего привода, в том числе и с помощью рассчитываемых здесь же частотных характеристик.

Рисунок 4.3- Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-2 фирмы BoschRexroth: ОС-операционная система; ОС РВ-операционная система реального времени

Система PCNC-3

Типичным представителем систем этого класса является система фир­мы DeltaTau (Великобритания). Она относится к двухкомпьютерному ва­рианту, но такому, при котором ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдель­ной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA (или РС1)-шине терминального персонального компьютера (рисунок 4.4). Терминальный компьютер с Windows NT операционной системой выпол­няет классические функции терминальной задачи и функции интерпрета­тора управляющих программ. Одноплатный ЧПУ-компьютер РМАС (процессор Motorola 56300) решает геометрическую и логическую задачи [2, 3], выполняя функции интерполятора, контроллера управления приво­дами (подачи и шпинделя), программно-реализованного контроллера элек­троавтоматики.

Интерполятор обеспечивает все виды интерполяции (включая сплай- новую), разгоны и торможения, опережающий просмотр кадров Look Ahead, циклическое формирование управляющих воздействий с периодом 440 мкс (в этом же периоде в фоновом режиме работает и контроллер электроавто­матики).

Контроллер приводов способен управлять 32 координатными осями, сгруппированными в 16 координатных систем; он принимает сигналы позиционных датчиков обратной связи, замыкает позиционные контуры, выполняет функции ПИД-регулятора, имитирует в цифровом виде сиг­налы обратной связи по скорости, вырабатывает (в цифровом виде) широтно-импульсный сигнал для приводов подачи и сигнал ±10В для при­вода главного движения. Программно-реализованный контроллер элект­роавтоматики поддерживает параллельное управление 64 циклами электроавтоматики.

Рисунок 4.4- Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-3 фирмы DeltaTau: PWM - Pulse Width Modulation, щиротно-импулъспая модуляция; Lim (Limit) - ограничители; Home - нулевая точка

Выходные сигналы (для управления приводами и электроавтоматикой) поступают в кольцевой оптоволоконный канал (со скоростью передачи дан­ных 125 Мбит/с) для дистанционного управления своими объектами. При­нимающим устройством служит интеллектуальный периферийный терми­нал Масго-станция (Motion and Control Ring Optical). Допустимо включе­ние в кольцо нескольких таких терминалов. Терминал замыкает скоростные контуры восьми приводов и принимает сигналы ограничителей рабочей зоны и датчиков нулевых точек координатных систем (в блоках ACS), фор­мирует сигналы управления двигателями любого типа (асинхронными, постоянного тока и др.) с помощью блока Quad Amplifier (для управления четырьмя двигателями общей мощностью до 25 кВт). Другая функция пе­риферийного терминала - управление электроавтоматикой через модули оптоизолированных входов-выходов.

Набор модулей фирмы DeltaTau (РМАС и Macro) ориентирован на построение собственных систем ЧПУ у конечных пользователей, на долю которых остается разработка терминальной задачи, и интерпре­татора в среде промышленного персонального компьютера. Однако сами модули являются для конечного пользователя «черными ящиками» и их архитектура закрыта.

Лекция 15

Системы PCNC-4

Система ЧПУ фирмы Beckhoff (Германия) демонстрирует яркий при­мер чисто однокомьютерной архитектуры PCNC, в рамках которой все за­дачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решены чи­сто программным путем, без какой-либо дополнительной аппаратной под­держки (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5- Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-4 фирмы Beckhojf

Внешний интерфейс выстроен на базе любой стандартной (по выбору) периферийной шины Fieldbus, в частности на базе шины Lightbus фирмы Beckhoff. Эта шина выполнена в виде кольцевого канала для передачи сиг­налов управления автономными следящими приводами, а также сигналов электроавтоматики. Выход к объектам осуществляется с помощью пери­ферийных терминалов ввода-вывода. Операционная среда представляет собой комбинацию Windows NT для поддержания процессов машинного вре­мени и системы TwinCat (Total Windows Control and Automation Technology).

Операционная система TwinCat фирмы Beckhoff интегрирована в Windows NT, добавляет ей функции реального времени, не изменяя самой Windows NT. Перемещение данных и доступ к прикладным функциям API программ­ных модулей осуществляется через программную шину ADS (Automation Device Specification).

Системный менеджер, являющийся подсистемой TwinCat, служит цен­тром системной конфигурации, поддерживающим синхронное или асин­хронное взаимодействие всех процессов, а также ввод-вывод сигналов управления. На прикладном уровне в потоках управления работают про­граммные модули ЧПУ и программируемые контроллеры, имеющие кли­ентскую (для подготовки данных) и серверную (для работы в реальном времени) части. ЧПУ-клиент интерпретирует кадры управляющей про­граммы в стандарте DIN 66025, а ЧПУ-сервер выполняет интерполяцию в группах приводов - по три координаты в группе. Группы формируются системным менеджером. Для безэквидистантных программ можно обой­тись без интерпретации, которую заменяет компилятор клиента контрол­лера автоматики. Одновременно работают до четырех контроллеров (вир­туальных процессоров, выполненных в стандарте IEC 1131-3), каждый из которых решает четыре задачи, имеющих свой приоритет и свое вре­мя цикла.

Система ЧПУ фирмы Power Automation (Германия) построена на осно­ве промышленного персонального компьютера с PCI-шиной (рисунок 4.6), опе­рационной системой Windows NT и ядром реального времени (собствен­ной разработки). Операционная система Windows NT поддерживает рабо­ту интерфейса оператора, в том числе системы программирования ЧПУ и контроллера электроавтоматики, встроенную САМ-систему (опирающу­юся на базы данных инструментов, материалов и технологических цик­лов), приложения конечного пользователя. Ядро реального времени син­хронизирует задачи ЧПУ с электроавтоматикой, диспетчеризует работу интерпретатора, интерполятора и модуля управления следящими приво­дами. Одновременно могут работать до восьми каналов ЧПУ и два про­граммно-реализованных контроллера электроавтоматики с разными при­оритетами.

Система имеет открытую архитектуру, которая допускает расшире­ние функций ядра ЧПУ за счет специальных функций пользователя (compile cycles - терминология Power Automation) (рисунок 4.7; см. также описание системы Siemens), и исключительно мощное сетевое окруже­ние, как внешнее (Ethernet-TCP/IP, Novell), так и периферийное (восемь оптоволоконных SERCOS-колец для 64 следящих приводов, InterBus-S, Profibus DP, CAN-Bus, ASI-BUS). Кроме того, предусмотре­ны собственная периферийная SUPERBUS-шина для удаленных входов-выходов электроавтоматики, а также удаленные входы-для стандарта фирмы OMRON (Япония) на PCI-шине.

Фирма Siemens не раскрывает особенностей своей архитектуры, этом плане можно лишь строить догадки. Однако обращает на себя внимание механизм поддержания открытой архитектуры, который абсолютно идентичен такому же механизму фирмы Power Automation.

Рисунок 4.6- Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-4 фирмы РВ-ядро реального времени

Рисунок 4.7- Схема расширения функций ядра ЧПУ в системе фирмы PowerAutomation: Ядро-модули ядра ЧПУ; Интер. -модули интерполяции;

Позиц. -модули связи со следящими приводами подачи;

Автом. -модулиуправления электроавтоматикой

В этой связи, по-видимому, можно предположить и идентичность архитектур Siemens и Power Automation.

При разработке новой модели системы ЧПУ фирма Siemens сделала акцент на открытую для конечного пользователя архитектуру со стороны как интерфейса оператора, так и ядра системы. Интерфейс опера­тора работает в операционной системе Windows NT, поэтому включение в интерфейс windows-приложений проблемы не составляет. Однако возможна и сравнительно глубокая реконфигурация интерфейса с помощью ориги­нальной инструментальной системы ProTooI.

Для расширения функций ядра предложена схема, в соответствии с ко­торой в процессы ядра включены своеобразные точки останова «break­out-points», называемые «events» (события). События инициируют фрагменты пользовательского кода на Visual С++, называемого здесь «compile cycles» (скомпилированные циклы). Скомпилированные циклы имеют уни­фицированный интерфейс OPI (OEM Program Interface), что обеспечивает им стандартный доступ к системным данным и функциям посредством механизма связывания «binding». С другой стороны, скомпилированные циклы могут использовать и собственные данные. Такой подход обеспечи­вает полную совместимость расширенного программного обеспечения системы ЧПУ.

Для сравнения обратимся вновь к архитектуре системы ЧПУ фирмы Power Automation. Даже беглое сопоставление и одинаковая терминоло­гия указывают на то, что в обоих случаях использованы одинаковые меха­низмы внедрения функций конечного пользователя, т.е. одинаковый под­ход к реализации открытой архитектуры.

В спектре архитектурных решений наиболее уверенные позиции зани­мает концепция PCNC, при этом по мере роста вычислительной мощности процессоров все чаще предпочтение отдают однокомпьютерному варианту. В качестве операционной системы стандартом де-факто стала Windows NT с расширением реального времени [4]. Программируемые контроллеры ре­ализуют программным путем в рамках единой вычислительной среды для ядра ЧПУ, а терминал системы ЧПУ используют для программирования электроавтоматики.

Периферия систем ЧПУ становится сетевой, причем все чаще единая сеть используется как для приводов подачи, так и для системы управления электроавтоматикой. Наиболее значительная тенденция состоит в разви­тии идей открытой архитектуры [5], предоставляющей конечному пользо­вателю широкие возможности для реализации собственных функций.