Геометрическая задача управления

Математическое обеспечение системы ЧПУ на прикладном уровне со­стоит из нескольких фундаментальных разделов, называемых задачами ЧПУ [1]. Важнейшей из таких задач является геометрическая (motion control), которая присутствует во всех без исключения системах ЧПУ типа PCNC. В свою очередь геометрическая задача состоит из трех крупных модулей: интерпретатора управляющих программ, интерполятора, модуля управления следящими приводами. Последний модуль сильно зависим от типа следящих приводов и способа замыкания позиционных контуров, в то время как для двух первых модулей могут быть предложены инвариан­тные решения. В этой связи остановимся на проблемах реализации двух первых модулей.

Интерпретатор управляющих программ. Интерпретатор транслирует кадры управляющей программы в коде ISO-7bit с целью представления данных во входном формате интерполя­тора. В фазе интерпретации кадра система ЧПУ выполняет эквидистант­ные расчеты и расчеты, связанные со стыковкой эквидистантных конту­ров; осуществляет преобразование координатных систем (в абсолютную или относительную системы) и преобразование систем измерения (в мил­лиметры или дюймы); вызывает стандартные циклы и подпрограммы; раз­деляет потоки данных геометрической, логической и других задач.

Интерполятор. Задачами модуля интерполяции являются уменьшение цены дискреты в приводе до 0,5 микрона и меньше; пря­мой выход на приводы, при котором перемещение в кадре задано в прира­щениях следящего привода, что необходимо при особо высоких скоростях подачи; разложение сложных перемещений на линейные комбинации ос­новных перемещений. Подобные требования определяют новую (открытую) архитектуру интерполятора, в которой четко обозначены отдельные блоки.

Открытый интерполятор допускает свободное наращивание алгорит­мов интерполяции и произвольную их комбинацию при воспроизведении сложных траекторий в многокоординатном пространстве

4.3.2 Логическая задача управления

Логическая задача, являясь по сути системой управления цикловой элек­троавтоматикой, реализуется двояко: программно в рамках системы ЧПУ или с помощью программируемого контроллера. Традиционный контрол­лер - это специализированный аппарат, дооснащенный терминалом в виде персонального компьютера. При этом возрастание мощности и уровня сер­виса персонального компьютера позволяет объединить терминал, про­грамматор и собственно контроллер в рамках единой компьютерной архитек­туры с дополнительным модулем ввода-вывода сигналов электроавтоматики.

Существует прообраз, который называют системой РСС (Personal Computer- Controller -персональный программируемый контроллер). Прогнозируя раз­витие концепции РСС, можно постулировать такие ее особенности:

• использование однокомпьютерного варианта, с операционной сис­темой Windows NT и расширением реального времени;

• увеличение числа функций интерфейса оператора за счет многоре­жимного управления и применения встроенных инструментальных сис­тем программирования;

• поддержание в реальном времени динамических графических мо­делей (мнемограмм) управляемого объекта;

• построение терминальной части системы РСС по типу «виртуаль­ного прибора»;

• применение визуального программирования электроавтоматики (на­пример, по типу графического языка HighGraph фирмы Siemens) с генерацией С++ кодов исполняемого модуля; организация многопоточно­го управления (multi-thread).

Управление электроавтоматикой станков с ЧПУ по типу виртуальных контроллеров SoftPLC

Сегодня появляется реальная возможность программной реализации управления электроавтоматикой станков в рамках общего программного обеспечения систем ЧПУ без привлечения дополнительной аппаратуры и системного программного обеспечения программируемых контроллеров, которые являются неотъемлемой частью практически любой современной системы ЧПУ. (Далее предполагаются системы ЧПУ, построенные на базе персональных компьютеров.) [3].

Подобные программные системы управления электроавтоматикой полу­чили наименование виртуальных контроллеров SoftPLC. Указанный подход позволяет снизить стоимость системы управления при одновременном по­лучении ряда преимуществ, в том числе упрощение общего программного обеспечения, уменьшение ошибок системного программирования, возмож­ность отладки управляющих программ электроавтоматики в рамках самой системы ЧПУ, гибкость конфигурирования электроавтоматики, возмож­ность использования различных коммерческих библиотек.

Далее предлагается объектно-ориентированный подход для построе­ния виртуальных контроллеров электроавтоматики применительно к стан­кам с системами ЧПУ типа PCNC.

В основе технологии создания программного обеспечения электроав­томатики лежат обычные для объектно-ориентированного программиро­вания понятия класса и объекта. При этом класс описывает тип оборудова­ния, а объект - конкретный экземпляр. Таким образом, при объявлении класса, согласно принципу инкапсуляции, создаются шаблоны структур данных и методы, которые будут работать с этими данными. В объекте класса по шаблону выстраиваются конкретные данные и приводится ссылка на обслуживающий их процесс.

При появлении нового типа оборудования, благодаря механизму насле­дования, разработчик не нуждается в том, чтобы заново разрабатывать но­вый класс - достаточно выбрать наиболее близкий и реализовать отличия в новом классе. Тем самым обеспечивается простота модификаций, сокра­щаются затраты времени на разработку, снижается общая стоимость раз­работки.

Наиболее важен тот факт, что объектный подход позволяет создавать хорошо структурированные сложные системы управления электроавтома­тикой. Основные преимущества, приобретаемые при этом, состоят в сле­дующем:

• повышается уровень унификации разработки; для повторного ис­пользования пригодны не только управляющие программы, но и проекты в целом, что служит хорошей основой для построения среды разработки. Снижаются затраты времени и средств на создание нового проекта;

• возникает возможность повторного использования собственных функциональных модулей и готовых модулей других разработчиков, что делает систему управления открытой. Уменьшается вероятность ошибок при разработке сложных систем, увеличивается уверенность в правильно­сти принимаемых решений.

Все эти достоинства обеспечиваются благодаря лежащим в основе объектно-ориентированной технологии принципам наследования, инкап­суляции и полиморфизма.

Архитектура виртуального контроллера

В системе ЧПУ виртуальный контроллер работает в среде операцион­ной системы Windows NT с расширением реального времени RTX фирмы VentureCom [4]. Проектирование контроллера предполагает последователь­ное рассмотрение его модели на трех уровнях абстракции: уровне модели потоков (структуры потоков), уровне функциональных модулей и уровне программной реализации (рисунок 4.11).

Сначала рассмотрим структуру потоков. Основная задача контроллера состоит в одновременном выполнении нескольких команд и параллельной обработке внешних сигналов. Каждый процесс контроллера, который нуж­дается в выделении отдельного потока, выполняется в рамках основного процесса виртуального контроллера, запущенного под RTX. Процессор­ное время, выделяемое операционной системой основному процессу, дол­жно быть распределено между потоками.

Далее воспользуемся идеей псевдомногопоточности на основе меха­низма выделения квантов (разделения времени). Процессорное время вы­деляется потокам отдельными квантами с помощью внутренних механиз­мов виртуального контроллера. В каждом кванте может выполняться только один поток.

Рисунок 4.11- Последовательная трансформация модели виртуального контроллера SoftPLC

Все потоки разделены на группы по приоритетам, причем управление группой осуществляется отдельным программным таймером. Программный таймер аналогичен системному, реализованному в опера­ционной системе, но не генерирует прерывания, и его обработчик запуска­ется планировщиком (в нашем случае - модулем синхронизации). Выде­ление нескольких групп потоков в виртуальном контроллере связано с тем, что различные его задачи требуют разного времени реакции на внешнее воздействие: чем меньше время реакции, тем выше приоритет потока, об­служивающего задачу.

4.3.3 Терминальная задача управления

Терминальная задача в составе математического обеспечения ЧПУ имеет особое значение, поскольку предъявляет конечному пользователю функциональные возможности управления. Наполнение терминальной за­дачи определяет привлекательность и конкурентоспособность системы ЧПУ на рынке. Свойства открытой системы ЧПУ развиты настолько, на­сколько терминальная задача поддается конфигурации и расширению. Наи­более важными разделами терминальной задачи служат: интерпретатор диалога оператора в Windows-интерфейсе, редактор управляющих про­грамм в коде ISO-7bit, редактор-отладчик управляющих программ на языке высокого уровня.

Интерпретатор диалога оператора в Windows-интерфейсе

Современные системы управления используют архитектуру персональ­ного компьютера и располагают широкими возможностями организации человеко-машинного интерфейса MMI (Man-Machine Interface) в операци­онных средах Windows NT или Windows 95/98/2007. Терминальную задачу уп­равления обычно сводят к проблеме построения MMI; в этом случае задача выполняет функции клиента в клиент-серверной архитектуре мате­матического обеспечения системы управления. Проектирование MMI-приложения предполагает создание скелета приложения, реализацию экранов, разработку интерпретатора диалога, организацию информационных сес­сий с другими модулями системы управления.

К редактору управляющих программ предъявляют как стандартные тре­бования, характерные для текстового редактора, так и ряд специфических требований. К стандартным требованиям относятся:

• ввод и редактирование текста, скроллинг и перелистывание стра­ниц; операции перехода, контекстного поиска и замены;

• блоковые операции маркировки, удаления, копирования, перемеще­ния, загрузки и добавления блоков.

К специфическим требованиям относятся:

• перенумерация после изъятия-включения кадров;

• изменение масштаба и размерности;

• вывод активных G-функций (G-вектора) на основе предыстории кадра;

• синтаксический и семантический контроль;

• диалоговый (графический) ввод кадра и параметров стандартных циклов (файлы графической помощи находятся в составе конфигурацион­ного файла);

• создание управляющих программ (УП) в режиме обучения.

Средства отладки программ включают:

• пространственное графическое моделирование траектории инстру­мента с различением (по цвету, типу и толщине линий) быстрых и рабочих перемещений;

• активное использование точек останова (break points), используе­мых, в том числе, для выделения фрагментов графического изображения;

• масштабирование графического изображения (zooming);

• поддержку различных режимов изображения (пошаговый, автома­тический, между точками останова, со skip-пропуском);

• моделирование оставшейся части программы по отношению к те­кущей позиции станка.

Подобные возможности требуют включения в состав редактора неко­торого ядра и дополнительных подсистем: интерпретатора управляющих программ (для любых версий кода ISO-7bit) и имитатора интерполятора для рисования траекторий.

Говоря о редакторе, необходимо затронуть проблему представления уп­равляющих программ в коде ISO-7bit. Стандарт этого кода, принятый в 1970-х годах, практически не перетерпел изменений и тормозит использо­вание сложных алгоритмов интерполяции (таких, как сплайновая интер­поляция в реальном времени), управление лазерной и электроэррозион- ной обработкой и др. По этой причине производители систем ЧПУ исполь­зуют собственные версии кода ISO-7bit в соответствии с потребностями своего круга пользователей. Многие версии не имеют четкой структуры, а их синтаксис базируется скорее на исключениях, чем правилах, поскольку версии создавались без общей концепции и расширялись стихийно. Тем не менее код ISO-7bit остается действующим стандартом и ни одна систе­ма ЧПУ не может его игнорировать. Заметим также, что все CAD-CAM системы генерируют выходной файл в формате ISO-7bit. В этой связи су­ществует потребность в редакторе, конфигурируемом под конкретную вер­сию кода ISO-7bit.

Редактор-отладчик управляющих программ на языке высокого уровня (в составе терминальной задачи)

В числе языков высокого уровня управляющих программ можно упо­мянуть AnlogC (фирма Andron, Германия), CPL (фирма Bosch, Германия) и множество других. Независимо от версии структуры всех языков одно­типны: имеется основная программа и некоторый набор вызываемых под­программ. В теле программы представлен список переменных, которые по ходу реализации программы меняют значения. Процесс выполнения сопровождается информационными сообщениями, предупреждениями, со­общениями об ошибках.

4.3.4 Диагностическая задача управления

Наиболее совершенные системы ЧГГУ располагают отдельным режи­мом диагностики, который реализован в виде программно-аппаратного ком­плекса и ориентирован на тестирование и глубокое исследование логиче­ской и геометрической задач управления. Диагностика, как правило, вы­полняется «вне реального времени», что означает- измерения сохраняются в памяти, а затем анализируются. Подсистема диагностики способна кон­фигурировать измерения, считывать измеряемые сигналы, запоминать ре­зультаты измерений вместе с результатами конфигурации измерений, рас­печатывать осциллограммы измерений, считывать файлы с результатами измерений и результатами конфигурации измерений, выполнять разнооб­разные операции над измеренными сигналами. Для диагностики логичес­кой задачи управления служит логический анализатор, а для диагностики геометрической задачи предназначен осциллограф.

К числу важнейших в практике диагностических измерений относятся такие понятия, как триггер, точка измерения, сигнал, состояние процесса измерения, виртуальный прибор диагностики.

Триггеры используют для формирования события, устанавливающего границы измерительного горизонта.

Группа стартовых триггеров устанавливает начало измерения, а окон­чание измерения определяет группа конечных триггеров. Кроме того, су­ществуют триггеры специального назначения, например для выделения в процессе измерения некоторого события. Группа срабатывает при выпол­нении логических операций над ее триггерами.

Точки измерения представляют собой адреса аппаратных средств, осу­ществляющих измерительный процесс. Сигналы являются результатами измерительного процесса. Процесс измерения включает несколько фаз, ко­торые назовем состояниями измерительного процесса; в числе возможных состояний - «конфигурация», «начало измерения», «ожидание», «конец из­мерения», «ошибка».

Под виртуальным прибором диагностики будем понимать ActiveX-эле­мент, предоставляющий результаты диагностических испытаний и созда­ющий внешний образ измерительного устройства, например логического анализатора или осциллографа.