Программная реализация систем цикловой

Электроавтоматики

Раздел рассматривает управление станками с числовым программным управлением как объектом, представляющим собой автоматизированный комплекс, предназначенный для выполнения операций обработки деталей по заданной программе и выполнению вспомогательных операций технологического обеспечения. К последним относятся: управление автоматической сменой инструмента; управление переключениями в приводах подачи; управление в приводе главного движения; управление охлаждением, смазкой, зажимными механизмами, перемещением устройствами защиты, блокировки и др. Эти функции поручены системы цикловой электроавтоматики, обеспечивающей подготовку к работе, работу станка в заданных режимах, индикацию состояния электрооборудования и самой системы автоматики во всех режимах, а также выход из аварийных ситуаций, хранение информации, защиту электрооборудования и др.

Структура управления автоматикой, показанная на рисунке 8.1, приведена в виде обобщенной модели, в которую включены технологическая панель, устройство управления объектом, объект (металлорежущий станок), устройство ЧПУ. В автоматическом режиме устройство управления получает от устройства ЧПУ команды β на запуск циклов, а сигналы y уведомляют устройство ЧПУ о завершении циклов на станке. В ручном режиме оператор с помощью органов управления технологической панели станка или панели управления устройства ЧПУ вызывает отдельные операции или циклы операций командами α. Реакция устройства управления на нерегулярные ситуации (нажатие кнопки аварийного останова, срабатывание путевых ограничительных выключателей, снятие питания и др.) проявляется в виде прерывания текущего режима, причем устройство управления останавливает станок в положении текущей операции или переводит его заданное состояние. Во всех режимах устройство управления воздействует на объект управления командами z. В результате управляющего воздействия и выполняются вспомогательные операции технологического обеспечения, а по мере завершения отдельных стадий этих операций изменяются значения осведомительных сигналов х. Отработка операций на станке визуализируется с помощью средств индикации по сигналам ν.

В станках с ЧПУ существуют четыре способа структурной реализации функций цикловой электроавтоматики (рис. 8.2). В первом варианте устройство управления цикловой автоматикой размещают в автономном электрошкафу (рис. 8.2, а). Само устройство управления строят на контактных элементах (реле), средствах бесконтактного управления (логических модулях, интегральных микросхемах) или с помощью автономных программируемых контроллеров.

Во втором варианте (рис. 8.2, б) устройство управления цикловой автоматикой встроено в устройство ЧПУ. Коммутацию с вычислителем устройства ЧПУ осуществляют с помощью внутреннего монтажа, а со станком – с помощью внешнего монтажа. Типовыми решениями устройства управления в этом случае являются микропрограммный автомат или встроенный программируемый контроллер.

В третьем варианте один из процессоров мультипроцессорного устройства ЧПУ резервируют за управлением цикловой станочной автоматикой. В составе устройства ЧПУ появляется встроенный функционально ориентированный модуль, математическое обеспечение которого и выполняет все необходимые функции (рис.8.2, в).

В четвертом варианте функции управления цикловой станочной автоматикой возлагают на процессор однопроцессорного устройства ЧПУ. Взаимодействие задач ЧПУ (формообразования и технологического обеспечения) осуществляется на программном уровне (рис.8.2, г).

В общем случае структура устройства управления станочной автоматикой может быть организована стандартно или нестандартно. При нестандартной структуре устройства управления уникальны, состав элементов и связи между ними для каждого нового процесса управления определяют заново. В свою очередь стандартная структура может быть специализированной и универсальной. При стандартной специализированной структуре устройства управления собирают из регулярно организованных блоков, а сами блоки строят агрегатным способом из унифицированных типовых узлов. Применение стандартной специализированной структуры существенно сокращает процедуру логического проектирования, улучшает условия контроля за правильностью работы устройства управления, упрощает диагностику неисправностей. Примерами стандартных специализированных структур могут послужить позиционная и микропрограммная структуры.

За последнее время все большее предпочтение отдают стандартной универсальной структуре системы управления автоматикой. При этом имеют в виду стандартную универсальную аппаратную часть, на основе которой создается специальная программно – реализованная система управления. В этой области конкурируют два решения: программируемый контроллер и обычная микропроцессорная реализация.

Программируемый контроллер представляет собой специализированную управляющую ЭВМ, предназначенную для реализации функций автоматики станков с ЧПУ, универсальных станков, автоматических линий, транспортных систем и др. Как правило, в контроллерах использованы однобитовые логические процессоры, осуществляющие поразрядную последовательную обработку входных сигналов. Контроллеры выполняют логические операции и несложные арифметические действия с целыми положительными числами. Рабочим режимом является обычно режим сканирования — непрерывного последовательного опроса входов с отработкой алгоритмов управления, соответствующих входной комбинации.

В контроллерах передача управления от одного программного блока, реализующего часть алгоритма управления цикловой станочной автоматикой, к другому осуществляется последовательно в порядке расположения блоков в управляющей программе. После отработки последнего блока управление вновь передается первому. При этом с одинаковой частотой опрашиваются входные сигналы от преобразователей аварийных ситуаций на станке, которые в принципе требуют быстрой реакции (порядка 10 мс), а также и входные сигналы, не требующие немедленного вмешательства в технологический процесс. В результате период одного цикла контроллера может оказаться большим, чем допустимое время реагирования на сигналы аварийного останова; в таком случае обработку аварийных сигналов приходится осуществлять средствами ЭВМ устройства ЧПУ.

Универсальные микроЭВМ и специализированные микропроцессорные структуры, на базе которых строят устройства ЧПУ, имеют более широкие функциональные возможности, чем одноразрядные процессоры контроллеров. Восьми- или шестнадцатиразрядный микропроцессор позволяет обрабатывать параллельно все разряды слова, что ускоряет обработку многоразрядных сигналов. Развитая система прерываний, более широкая система команд, программные ветвления позволяют более гибко, чем в контроллерах, организовывать алгоритмы управления. Но самым главным является то, что появляется возможность оптимизации всего математического обеспечения ЧПУ как единого целого.

В случае применения в составе контроллеров многоразрядных микропроцессоров функциональные возможности контроллеров и микро-ЭВМ выравниваются.

Процесс проектирования всякого сложного дискретного устройства, и в том числе устройства управления электроавтоматикой станков, базируется обычно на интуиции и опыте разработчиков, использующих в основном эвристические методы. Этот процесс состоит из нескольких этапов синтеза: алгоритмического (блочного или структурного), логического и технического.

Алгоритмическое проектирование состоит в переходе от содержательного описания технического задания на проектирование, составленного в технологических терминах с использованием вспомогательных таблиц и диаграмм, к записи алгоритма функционирования проектируемого устройства управления на каком-либо формализованном языке. Этот этап наиболее сложен для автоматизации. Алгоритмов, позволяющих решать и автоматизировать задачи алгоритмического синтеза, пока не существует.

Логическое проектирование состоит в переходе от формализованной записи алгоритма функционирования к описанию структуры устройства управления. Другими словами, определяют состав входящих в устройство управления функциональных элементов и связи между ними, после чего проводят оптимизацию состава элементов и связей. Существуют алгоритмы, позволяющие полностью автоматизировать этот этап проектирования (однако лишь для схемной реализации устройства управления).

Техническое проектирование заключается в выборе технических средств.

Для проектирования дискретных автоматических устройств разработана обширная система языков' проектирования. Следует различать языки проектирования и языки программирования. Первые предназначены для выполнения проектных процедур, удобны для ведения диалога проектировщика с машиной, компактно представляют проектную информацию и т. д. Вторые отличаются универсальностью и предназначены для трансляции в машинные языки. Языки проектирования по способу задания инструкций можно разделить на табличные, графические, аналитические, словесные.

Выбор языка для описания алгоритмов управления определяет методы проектирования управляющего устройства и применяемый при проектировании математический аппарат. С этой точки зрения языки описания алгоритмов управления можно разделить на пять групп.

1. Автоматные языки основаны на представлении устройства управления в виде конечного автомата. К достоинствам автоматных языков следует отнести легкость проверки записей на полноту и непротиворечивость, легкость перехода от записи алгоритма управления к структуре устройства управления, возможность оптимизационных преобразований. К недостаткам относятся избыточность и громоздкость описания, малая выразительность языков, сложность процесса записи, который слабо соответствует методике составления технического задания на проектирование.

2.Композиционно-автоматные языки основаны на представлении управляющих устройств в виде композиции конечных автоматов, образованной отождествлением выходов одних автоматов со входами других. Формальных методов, позволяющих выполнить декомпозицию исходного устройства управления, не существует, и разбиение на блоки делается интуитивно. В остальном же языки группы достаточно удобны. Выразительные средства языка ЯРУС (пункты, ограничения, приоритеты и т. п.) приближают методику записи к обычной работе проектировщика. Блочная структура языка позволяет при записи одного пункта не думать о работе устройства в целом.

3.Языки граф-схем алгоритмов (ГСА), логических схем алгоритмов, матричных схем алгоритмов, логических схем программ, микропрограммтрадиционно применяют при программировании. Эти языки позволяют описывать условия работы устройства с большим числом входов и выходов. Исходным представлением является то, что в любой момент дискретного времени выполняется только один оператор алгоритма. Учет параллельности алгоритмов, синхронизации параллельных ветвей, прерываний, блокировок и других процессов потребовал расширения языков, что усложнило их и снизило наглядность. Расширением ГСА, например, является язык операторных схем с памятью (ОСПАП). Еще одним недостатком языков данной группы является затрудненность проверки записи на полноту и непротиворечивость, отсутствие эффективных средств оптимизационных преобразований.

4. Языки маркированных графовпредназначены для описания параллельно-последовательных процессов. Маркированный граф представляет собой ориентированный граф, состояние которого маркируется путем размещения меток в некотором подмножестве его вершин, интерпретируемых как подмножество одновременных операций. Процессу функционирования устройства управления соответствует перемещение по определенным правилам меток из одного подмножества вершин в другое. Основное отличие маркированного графа от графа конечного автомата состоит в том, что в первом метки могут находиться одновременно в нескольких вершинах, а во втором -только в одной из вершин. Маркированные графы компактнее соответствующих конечно-автоматных графов. Они позволяют эффективно описывать сложные параллельные процессы, однако такое описание нельзя считать доступным для широкого практического применения специалистами по технологии.

5. Проблемно-ориентированные языкиполучены при изучении и систематизации текстовых заданий на проектирование. Степень формализации первичных текстовых языков в настоящее время незначительна и позволяет лишь разбивать словарный состав языков на классы (части проектируемого устройства, отношения между частями, внешние воздействия и реакции на них со стороны устройства, алгоритмы его функционирования и т. п.), а также определять порядок ввода первичного описания. В этих языках нет равносильных оптимизационных преобразований, по ним не может быть определена структура устройства управления без перехода к языкам более формального уровня. Высокая степень выразительности проблемных языков позволяет достаточно просто описывать специфику алгоритмов управления. Современными тенденциями в этой области являются близость проблемных языков к естественным, приближение средств, предоставляемых математическим обеспечением, к тем средствам, которыми привык оперировать пользователь в процессе решения своих задач, а также освобождение от чисто машинных атрибутов. Последнее обстоятельство обеспечивает быстрое освоение языков пользователями. Примерами языков этой группы служат УСЛОВИЕ и ФОРУМ. Проблемно-ориентированные близкие к есте­ственным языки существенно упрощают процесс записи алгоритмов управления, однако не создают возможностей их однозначного описания. В богатом и выразительном языке трудно согласовать отдельные части сложной записи.

Система языков проектирования служит инструментальной основой для реализации автоматизированной системы проектирования дискретных автоматических устройств.

Автоматизация проектирования схема реализуемых устройств управления к настоящему моменту хорошо разработана и пригодна для применения в станкостроении при проектировании устройств управления цикловой автоматикой станков с ЧПУ, но все же не нашла широкого применения. Одной из основных причин такого ограничения следует считать то, что проектирование осуществляется не на станкостроительном предприятии, а в специализированных научно-исследовательских подразделениях. Другая часть проблемы состоит в том, что широкое разнообразие элементной базы требует разработки большого числа постпроцессоров для реализации этапа технического проектирования.

Автоматизация проектирования программно реализуемых устройств управления по ряду причин недостаточно разработана. Эти причины связаны с отсутствием унификации методов и способов реализации алгоритма управления. С другой стороны, в настоящее время широко используется автоматизация программирования алгоритмов функционирования электроавтоматики станков. Подобные системы осуществляют трансляцию алгоритмов с некоторого входного языка в машинные коды без выполнения проектных процедур анализа автоматной корректности записи в языке и оптимизации структуры проектируемого устройства управления, присущих системам автоматизированного проектирования. Все трудности алгоритмического и логического проектирования приходятся на долю человека-проектировщика, облегчается лишь процесс программирования управляющих ЭВМ. Эффективность систем автоматизированного программирования зависит от результатов ручного проектирования, простоты исходной записи алгоритма функционирования, программной реализуемости выразительных средств входного языка. Входных языков программирования в настоящее время разработано достаточно много. Практически каждая фирма-изготовитель управляющих микропроцессорных систем предлагает свой язык для программирования функций электроавтоматики технологического оборудования.

По аналогии с языками проектирования входные языки программирования можно классифицировать по виду инструкций языка (словесные, мнемонические и аналитические, графические) и по степени детализации процесса программирования (высокого и низкого уровня). Во многих языках допускается сочетание инструкций различных видов. Например, языки релейно-контактных символов часто дополняются мнемоническими командами. Многие языки допускают несколько форм представления исходной записи. Вид инструкций и уровень языка определяют форму представления исходного материала для программирования, предъявляют свои требования к квалификации пользователя, влияют на структуру процесса проектирования управляющего устройства. По виду инструкций и уровню языки программирования электроавтоматики станков можно разделить на шесть групп.

1.Языки релейно-контактных символов основаны на соответствии языковых команд обозначениям релейных схем: нормально открытым и нормально закрытым контактам, катушкам аппаратов (реле, электромагнитов и пр.), последовательным и параллельным соединениям контактов и катушек аппаратов и др. В качестве дополнительных команд имеются команды выдержек времени, подсчета импульсов, арифметических операций и прочие. Программирование ведется по предварительно разработанной принципиальной релейной схеме с помощью специального программирующего устройства, клавиши которого имеют обозначения элементов релейной схемы, дополнительных команд или десятичных цифр. Оператор вводит релейную схему в память последовательно цепь за цепью (при этом для каждого контакта, катушки, их соединений набирается цифровой адрес входа, выхода или ячейки промежуточной памяти) и нажимает клавишу с обозначением нужного элемента на панели программирования. К достоинствам языков релейно-контактных символов относят их простоту, наглядность, легкость программирования, возможность использований богатых архивов электросхем, имеющихся в настоящий момент на станкостроительных предприятиях. Однако при проектировании нового станка неизбежна предварительная трудоемкая разработка релейной схемы. Кроме того, часто для программирования релейные схемы приходится дорабатывать в связи с ограничениями, накладываемыми самой организацией системы управления.

2.Языки функциональных электрических схем имеют команды, которые соответствуют не обозначениям элементов релейно-контактных схем, а обозначениям функциональных электрических схем. Языки функциональных электрических схем предпочтительнее языков релейных схем, так как абстрагированы от конкретной практической реализации схемы и поэтому более универсальны.

3.Языки логических (булевых) выраженийимеют в своем составе команды, соответствующие функциям булевой алгебры: конъюнкция, дизъюнкция, инверсия, скобки. Логические операции осуществляются над входными, выходными и промежуточными переменными. Для упрощения организации программ команды логических функций дополняются мнемоническими командами условных и безусловных переходов, командами выдержек времени и подсчета импульсов. Исходным документом для программирования является запись алгоритма функционирования управляющего устройства в виде системы логических выражений. Проектирование выполняет квалифицированный персонал, при этом не требуется предварительной раз работки релейных или функциональных электросхем. Запись в подобных языках компактна, удобна для визуализации на дисплее, но малонаглядна. Недостатком языков данной группы также является их низкий уровень.

4.Языки мнемонических команд представляют обширный класс языков программирования, инструкциями которых служат мнемонические (сокращенно - буквенные) обозначения операций различного вида - от машинных команд до макроопераций. Различные языки допускают в качестве исходного задание алгоритмов функционирования в одной из описанных ранее форм либо в форме структурных схем, либо предназначены для непосредственной записи алгоритмов без разработки промежуточных описаний. В последнем случае языки программирования сближаются с языками проектирования.

5.Алгоритмические языки являются еще одним направлением развития языков программирования. Так, многие контроллеры позволяют вводить программу на языках Фортран-IV и ПЛМ. Использование подобных языков сокращает время программирования по сравнению с мнемокодами низкого уровня. Языки программирования этой группы напоминают языки проектирования группы граф-схем и имеют аналогичные достоинства и недостатки.

Предметно-ориентированные языки высокого уровня можно отнести и к языкам проектирования, и к языкам программирования. Примером может послужить одна из версий языка ЯРУС, который специально предназначен для записи и программной реализации средствами микро-ЭВМ алгоритмов логического управления технологическими процессами. Описание алгоритма, т. е. программа в указанной версии ЯРУСА, состоит из описания переменных (с указанием их начальных значений) и логически законченных частей алгоритма, называемых пунктами (с описанием самих пунктов и связей между ними). Пункт состоит из меток, называемых ситуациями, условных предложений, описывающих условие перехода от одной ситуации к другой, и действий, совершаемых при переходе. Условия задаются булевыми выражениями, а действия - логическими, арифметическими, управляющими и временными операторами. Исходным материалом для программирования служит словесное описание алгоритма управления. Для большей наглядности описание может быть сделано в виде совокупности графов переключений (т. е. графов, на ребрах которых указаны только те выходные переменные, которые изменяются на данном переходе). Подобный граф соответствует одному из пунктов описания алгоритма; его вершины соответствуют ситуациям пункта, а ребра - переходам от ситуации к ситуации. Условия и действия записывают на ребрах. Система автоматизированного проектированияможет быть создана именно на основе подобных языков и транслирующих систем с них.

Переход от системы автоматизированного программирования функций электроавтоматики станков с ЧПУ к системе автоматизированного проектирования может быть осуществлен лишь в том случае, если язык программирования будет слит с языком проектирования и допустит осуществление в нем проектных процедур.

Рассмотрим некоторые общие принципы построения и разработки системы управления автоматикой металлорежущего станка с ЧПУ, ориентированной на микропроцессорную реализацию и функционирование в режиме реального времени.

Устройство управления автоматикой станка при программной реализации должно содержать запись алгоритмов управления автоматикой на языке высокого уровня и транслятор с этого языка в объектный код управления. Возможная организация математического обеспечения показана на рисунке 8.3.

Для упрощения проектирования и сокращения времени цикла электроавтоматики целесообразно двухуровневое представление алгоритмов. Формализованное описание алгоритмов управления на входном языке высокого уровня вводится в устройство ЧПУ и преобразуется компилирующей программой в некоторое внутреннее представление, удобное для обработки в микропроцессоре в реальном режиме времени. На этапе отработки алгоритмы развертываются интерпретирующей программой в последовательность управляющих воздействий (объектный код) для исполнительных механизмов автоматики станка. Подобное разделение функций транслирующей системы позволяет просто и компактно организовать математическое обеспечение трансляции алгоритмов автоматики, заданных в высокоуровневом языке. При дополнении транслирующей системы функциями оптимизации записей алгоритмов управления и реализуется автоматизированная система проектирования автоматики станков с ЧПУ.

Система цикловой автоматики современных металлорежущих станков с ЧПУ отличается сложностью структуры, разнообразием функций, сложной взаимосвязью режимов, многообразием технической реализации. В числе способов реализации системы электроавтоматики станков безусловно перспективна программная микропроцессорная реализация. Ее достоинства -в повышении эффективности станков с ЧПУ за счет увеличения функциональных возможностей системы управления, повышения надежности системы управления, сокращения времени и стоимости проектирования, удешевления монтажных и отладочных работ, повышения удобства обслуживания. Универсальные системы автоматизированного проектирования аппаратных дискретных устройств управления не обеспечивают полной автоматизации процесса проектирования. Этап алгоритмического проектирования, в основном определяющий эффективность проектирования, в подобных системах осуществляется ручными методами. Формализация этапа алгоритмического проектирования возможна при ограничении задачи рамками управления автоматикой станков с ЧПУ. Повышение производительности труда проектировщиков систем цикловой автоматики станков в настоящее время развивается по линии автоматизации программирования (кодирования) функций автоматики, однако логика развития этого направления такова, что в будущем неизбежно приведет к автоматизации проектирования. Созданию подобной системы предшествует разработка формализованной методики сквозного проектирования систем электроавтоматики станков с ЧПУ, которая должна развивать существующие методы проектирования устройств управления технологическими процессами.