Интегрированные системы проектирования и управления

Интеграция систем автоматизации инженерного труда и управления приводит к расширению функциональных возможностей таких систем и к появлению систем двойного назначения, которые объединяют функции проектирования продукции и разработки технологии её изготовления. В механообработке результатом функционирования интегрированной системы САПР+САП будет комплекс управляющих программ для станков с ЧПУ, создаваемый в процессе конструирования детали.

В семидесятых годах прошлого столетия развитие систем автоматизации инженерного труда привело к созданию интегрированных автоматизированных производственных систем CAD/CAM (САПР/АПП). Этой аббревиатурой принято обозначать область деятельности, связанной с созданием и применением систем автоматизированного проектирования и автоматизированного производства. САПР/АПП – система автоматизированного проектирования/автоматизации производственных процессов.

Схема использования интегрированной САПР/АПП приведена на рис. 212. Группа высококвалифицированных специалистов, владеющих методами проектирования изделий и технологий, с помощью интегрированной системы разрабатывает как само изделие, так и технологию его изготовления. В автоматизированном производстве результатом проектирования технологии будет пакет управляющих программ для оборудования с ЧПУ и программное обеспечение ПО для АСУ ТП.

В соответствие с календарным планом выпуска изделий ПО передаётся в АСУ ТП и обеспечивает автоматизированную настройку производственного подразделения (ГПМ, ГПС) на изготовление требуемой продукции. Функционирование производственного подразделения под управлением АСУ ТП с установленным ПО обеспечивает выпуск нужных изделий в требуемом количестве. При этом обеспечивается интеграция ранее независимых процессов проектирования продукции и её изготовления в автоматизированном производстве.

Технологический процесс обычно состоит из многих технологических операций, выполняемых на разном оборудовании. Поэтому вначале разрабатывается маршрутный технологический процесс, а затем разрабатываются операционные технологии. Структура технологического процесса показана на рис. 213.

При разработке технологического маршрута определяется последовательность операций, выбирается технологическое оборудование, оценивается трудоемкость операций. Для реализации технологического маршрута необходимо программное обеспечение для АСУ ТП.

Разработка операционных технологий предусматривает детальное описание каждой технологической операции, выполняемой на конкретной единице технологического оборудования. Каждая операция делится на элементарные переходы. Каждый переход характеризуется обрабатываемым элементом изделия (обрабатываемая поверхность детали), используемым для обработки инструментом и оснасткой, а также параметрами обработки (технологическими режимами).

Реализация операционных технологий осуществляется на оборудовании с ЧПУ при помощи управляющих программ для УЧПУ, которые необходимо разрабатывать.

В многономенклатурном производстве для изготовления продукции используются станки и другое оборудование с ЧПУ. Следовательно, технологический маршрут должен быть реализован в виде комплекса управляющих программ для оборудования с ЧПУ и общей программы управления технологическим маршрутом для АСУ ТП. Разработка программного обеспечения входит в технологическую подготовку производства. При реализации технологического процесса изготовления изделия в ГПС необходимо обеспечить управление рабочими циклами основного и вспомогательного оборудования технологического процесса, а также осуществить управление для согласования этих рабочих циклов во времени с целью обеспечения требуемого хода процесса (выполнить диспетчерское управление процессом).

Управление рабочим циклом оборудования с ЧПУ осуществляется с помощью управляющей программы (УП) ЧПУ. Управление технологическим маршрутом изготовления изделия осуществляется с помощью программы диспетчерского управления, реализуемой на верхнем уровне АСУ ТП. Общая структура АСУ ТП показана на рис. 214.

Объектами управления в ГПС являются автоматизированный склад, автоматизированная транспортная система АТС, технологическое оборудование с ЧПУ и технологическое оборудование с перепрограммируемыми системами циклового программного управления, а также технологический процесс в целом. Для управления рабочими циклами технологического оборудования используются локальные системы управления (ЛСУ): микроЭВМ, программируемые контроллеры (ПК) и устройства ЧПУ (УЧПУ).

Для задания требуемого рабочего цикла локальная система должна быть запрограммирована на этот цикл. Для неё составляется управляющая программа. Эта программа должна быть разработана в ходе технологической подготовки производства.

Чтобы осуществить технологический процесс в целом, необходимо обеспечить взаимодействие технологического оборудования и требуемую технологическим маршрутом последовательность операций. Для этого необходимо согласовать работу локальных систем управления.

Задача обеспечения локальных систем управления требуемыми в данный момент управляющими программами и согласования их работы решается с помощью ЭВМ верхнего уровня, которая связана каналом передачи информации с локальными системами управления. Необходимая последовательность выполнения операций технологического процесса и условия его осуществления определяются программным обеспечением ЭВМ верхнего уровня управления. При изменении технологического процесса это программное обеспечение должно быть модернизировано.

Таким образом, при технологической подготовке производства необходимо на основе созданного технологического процесса производства изделия разработать комплекс управляющих программ для локальных систем управления оборудованием и изменяемую часть программного обеспечение верхнего уровня АСУ ТП.

Для разработки программного обеспечения используются различные автоматизированные системы программирования. Разработка УП для оборудования с ЧПУ ведётся с использованием систем автоматизированного программирования станков с ЧПУ (САП). Разработка ПО верхнего уровня управления и программируемых контроллеров ведётся с использованием инструментальных SCADA-систем.

САПР/АПП рассматривается как программно-аппаратный комплекс. Аппаратная часть реализуется на ЭВМ, которая должна иметь достаточные вычислительные возможности (быстродействие, объем памяти и др.) и необходимый состав периферийных устройств. Могут использоваться персональные компьютеры, рабочие станции или ЭВМ общего применения. ЭВМ должна быть оснащена соответствующей операционной системой.

Функции и возможности САПР/АПП будут определяться прикладным программным обеспечением. Это программное обеспечение укрупнено состоит из двух подсистем: подсистема проектирования и подсистема управления автоматизированным производством (технологическим процессом). Человек взаимодействует с системой, используя средства интерактивной графики, а система взаимодействует с производством путём программирования АСУ ТП или локальных систем управления (систем ЧПУ) в составе АСУ ТП.

Укрупнённая структура САПР/АПП показана на рис. 215. Подсистема САПР выполняет функции автоматизированного проектирования, взаимодействуя с оперативным персоналом в интерактивном режиме. Подсистема АПП выполняет функции автоматизированной технологической подготовки производства. Таким образом, при работе с системой проектирование изделия объединяется с проектированием технологии изготовления этого изделия (в виде программного обеспечения для АСУ ТП).

Взаимодействие подсистем осуществляется через единую для этих подсистем базу данных. База данных содержит всю информацию об изделии, которая формируется в процессе проектирования изделия (форма деталей, спецификации, технические требования и др.), а также дополнительные сведения для изготовления изделия. Начинает формировать базу данных подсистема САПР.

Подсистема АПП, используя информацию базы данных, в интерактивном режиме формирует информацию о технологическом процессе изготовления изделия, которая так же заносится в базу данных. Таким образом, в базе данных имеется вся информация, необходимая для технологического процесса изготовления изделия.

Технология изготовления изделия оформляется в виде программного обеспечения для АСУ ТП. Связь системы САПР/АПП с АСУ ТП обычно осуществляется с использованием локальной вычислительной сети ЛВС по стандарту Ethernet или промышленному стандарту (PROFIBUS, MODBUS и др.).

Примером современной системы САПР/АПП может служить распространённая в отечественной практике система автоматизации проектирования и подготовки производства t-flex. Эта система состоит из ряда программных компонентов, обеспечивающих проектирование изделий, разработку для них технологии изготовления и моделирование процессов обработки для проверки получаемых результатов:

· T-FLEX CAD 2D, CAD 3D – системы автоматизации двухмерного и пространственного проектирования с использованием параметрического метода построения чертежей.

· T-FLEX/ТехноПро – система автоматизированного проектирования технологии изготовления.

· T-FLEX ЧПУ – система автоматизированного программирования станков с ЧПУ.

· T-FLEX NC Tracer – система имитации процесса обработки на станке с ЧПУ и редактирования управляющих программ.

· T-FLEX DOCs – автоматизированная система управления проектами и документооборотом для технических документов.

Кроме перечисленных основных систем в составе t-flex имеются также системы другого назначения. Все системы, входящие в комплекс, полностью интегрированы между собой. Передача информации от одной системы к другой осуществляется за счёт внутренней связи между модулями. Каждая из систем может работать как в комплексе с любой комбинацией других систем, так и автономно, что позволяет гибко и поэтапно решать задачи автоматизации подготовки производства любого предприятия.

Внедрение систем САПР/АПП вызвано эффективностью этих систем и повышением уровня автоматизации производства, использующего названные системы. Эффективность интегрированных САПР/АПП определяется следующими факторами:

· увеличение производительности высококвалифицированного оперативного персонала, возможность сокращения его численности и, соответственно, сокращение затрат на оплату труда;

· сокращение длительности цикла производства и ускорение реакции производства на запросы потребителей, что обеспечивает максимальную прибыль производителю;

· уменьшение влияния субъективного фактора операторов на результаты проектирования и производства, что приводит к повышению качества производственного процесса (уменьшение субъективных ошибок, оптимизация технических решений, повышение качества конструкторской и технологической документации и др.).

· Для разработки программного обеспечения АСУ ТП используются, как отмечалось, инструментальные SCADA-системы.

Инструментальная SCADA-система позволяет разрабатывать графический интерфейс оператора и программное обеспечение для средств управления в АСУ ТП.

Получили распространение пакеты: Genesis (ICONICS Process management at your fingertips), Trace Mode (AdAstrA Research Group, LTD), Genie (Advantech Industrial Automation with PCs), RSView (Rockwell Automation), InTouch, FIX, работающие в среде Windows и позволяющие достаточно быстро создать человеко-машинный интерфейс для индустриальных и исследовательских технологических систем.

Состав и возможности инструментальной SCADA-системы можно продемонстрировать на примере системы GENESIS32, которая включает в свой состав (рис. 216):

· GraphWorX32 – инструментальное средство для визуализации контролируемых технологических процессов и оперативного управления на верхнем уровне АСУ ТП;

· TrendWorX32 – многооконная среда для обработки и интерпретации получаемой в процессе управления и контроля информации;

· AlarmWorX32 – мультимедийная среда для обработки и отображения аварийных ситуаций.

В пакете GENESIS32 имеются также средства системного администрирования и управления правами доступа к информации, связанной с системой (Project Manager). Имеется среда редактирования сценарных процедур (VBA Scripting), обеспечивающая возможность разработки части программного обеспечения средствами Visual Basic.

Встроенные сетевые средства (Networking) позволяют использовать систему в локальных сетях стандартов Arcnet и Ethernet. Для связи с устройствами управления, контроллерами, измерительными средствами используется "механизм связывания и внедрения объектов для сбора данных и управления в системах промышленной автоматизации" (OPC). OPC обеспечивает интерфейс между источниками данных (серверами) и получателями данных (клиентами) путем использования стандартного механизма.

Инструментальные SCADA-системы позволяют существенно упростить процесс разработки программного обеспечения АСУ ТП, автоматизировать этот процесс и повысить качество программного обеспечения. Использование стандартных средств обмена информацией в оборудовании различных производителей дает возможность в проектируемых системах применять широкую номенклатуру контрольно-измерительных средств и исполнительных механизмов, выпускаемых в мире.