На правах рукописи

Нежметдинов Рамиль Амирович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ РЕАЛИЗАЦИИ РЕГУЛЯРНЫХ МОДЕЛЕЙ АРХИТЕКТУРЫ ПРОГРАММНО РЕАЛИЗОВАННЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ТИПА SoftPLC.

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009 г.

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН Научные руководители: доктор технических наук, профессор Сосонкин Владимир Лазаревич кандидат технических наук, профессор Шемелин Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Глумов Виктор Михайлович кандидат технических наук Хазанова Ольга Владимировна Ведущее предприятие: Институт конструкторско-технологической информатики РАН (г.Москва)

Защита диссертации состоится л10 июня 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете СТАНКИН по адресу:

127055, Москва, Вадковский переулок, д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета СТАНКИН.

Автореферат разослан л08 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.т.н., доц. Семячкова Е. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время 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.

Наибольший эффект подобная идея дает в системах ЧПУ типа PCNC, где программное обеспечение виртуального программно реализованного контроллера работает в одной операционной среде с программным обеспечением ЧПУ. В этой связи возникает необходимость построения хорошо организованного и обозримого математического обеспечения виртуального контроллера на основе объектно-ориентированного подхода.

Проектирование и использование программно реализованных контроллеров предполагает использование современных методов анализа и построения архитектуры программных приложений, а так же применение высокоэффективных инструментов создания, тестирования и внедрения программного обеспечения, что способствует повышению уровня надежности и производительности системы.

Цель работы Повышение эффективности функционирования систем электроавтоматики станков с ЧПУ типа PCNC на основе применения программно реализованных контроллеров, встраиваемых в общую программную платформу станка с ЧПУ.

Объектом и предметом исследования в данной работе является разработка новых эффективных форм управления электроавтоматикой станков с ЧПУ типа PCNC на основе методов и средств построения программно-реализованного контроллера SoftPLС, как клиент-серверного приложения, с использованием моделей автоматных графов и объектноориентированного подхода.

Задачи исследования. Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа существующих методов и способов повышения эффективности функционирования систем электроавтоматики станков с ЧПУ типа PCNC, на основе применения программно реализованных контроллеров, обосновать критерии выбора структуры и функции контроллера SoftPLC, встраиваемого в общую программно-аппаратную структуру системы управления станком.

2. Определить зависимость повышения качества процесса управления электроавтоматикой станков с ЧПУ типа PCNC станком от архитектуры и функций реализации программно-реализованных контроллеров SoftPLC, как компонентного клиент-серверного приложения.

3. Разработать модели и методику проектирования системы управления электроавтоматикой станков на основе разработки архитектуры программно-реализованных контроллеров SoftPLC, как клиентсерверного приложения, в котором клиентское приложение включает в себя среду прикладного программирования, модуль визуализации и конфигуратор системы, а серверное приложение представляет собой управляющий цикл по реализации клиентского приложения.

4. С целью повышения гибкости и инвариантности в контексте расширения приложений контроллера, разработать модель ядра серверного приложения виртуального контроллера с применением формализма автоматных графов и представить программную реализацию серверной части программно-реализованного контроллера SoftPLC, как открытую систему, с применением объектно-ориентированного подхода.

5. Показать практическую и экономическую целесообразность применения разработанных в диссертации положений в реальной промышленной среде в виде серверного приложения программнореализованного контроллера SoftPLC, для управления электроавтоматикой конкретного станка с ЧПУ типа PCNC.

Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются:

принцип организации структуры управления электроавтоматикой станков с ЧПУ типа PCNC, на основе модификации традиционной системы управления, как аппаратно реализованного контроллера, в структуру программно реализованного контроллера типа Soft PLC, встраиваемого в общую программную систему станка с ЧПУ, что повышает надежность работы и снижает стоимость реализации управления электроавтоматикой станка;

модель проектирования системы управления электроавтоматикой станков на основе разработки архитектуры программно-реализованных контроллеров SoftPLC, как клиент-серверного приложения и модель ядра серверного приложения виртуального контроллера с применением формализма автоматных графов, что повышает гибкость и инвариантность в контексте расширения приложений;

методика построения функций программно-реализованного контроллера Soft PLC, на основе реализации регулярных автоматных моделей в среде компонентной клиент-серверной структуры, как средство повышения гибкости структуры управления и реализации функций новых приложений.

Методы исследований.

При решении задач, поставленных в работе, были использованы следующие методы: теории автоматического управления, аппарат объектноориентированного подхода при разработке приложений, методы автоматных графов, методы построения распределенных приложений.

Практическая значимость Полученные в диссертации результаты, в виде программно- реализованного контроллера SoftPLC, позволяют снизить стоимость системы управления станком с ЧПУ типа PCNC 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.

Реализация работы Разработанные в работе модели, методика проектирования и реализации программно реализованных контроллеров типа Soft PLC, как системы управления электроавтоматикой, построенной на основе технологии клиент-сервер, реализация ядра серверного приложения Soft PLC могут быть рекомендованы для использования на предприятиях занимающихся разработкой систем ЧПУ, а также используются в учебном процессе по подготовке специалистов по специальности Автоматизация технологических процессов и производств.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы публиковались и докладывались на заседаниях кафедры Компьютерные Системы управления МГТУ Станкин, на Международном форуме информатизации МФИ-2007// Труды международной научно-технической конференции Информационные средства и технологии. 16 - 18 октября 2007 г., в 3-х т.т. Т3. - М.:МЭИ, 2007, стр.152-155; на Международном форуме информатизации МФИ-2008// Труды международной научнотехнической конференции Информационные средства и технологии. 21 - 23 октября 2008 г., в 3-х т.т. Т3. - М.:МЭИ, 2008, стр.263-268;

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, изложенных на страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 6 таблиц, список использованной литературы из 78 наименований и приложение на страницах. Общий объем работы - 130 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы и основные направления исследования, формулируется постановка задачи.

В первой главе анализируются варианты решения задачи управления электроавтоматикой с помощью логических контроллеров. Отмечается, что управление автоматикой станков с ЧПУ имеет ряд специфических особенностей, в расчете на которые необходимо выбирать способ решения логической задачи управления. Рассматриваются и классифицируются существовавшие на данный момент варианты реализации логического контроллера, начиная от релейных схем и заканчивая современными тенденциями в данной области. Отмечается, что наиболее перспективными разработками в области управления электроавтоматикой являются программируемые контроллеры автоматики (PAC - programmable automation controllers) и программно реализованные логические контроллеры (Soft PLC).

В ходе исследования выявлено, что наибольший эффект идея Soft PLC дает в системах ЧПУ, где программное обеспечение виртуального контроллера работает в одной операционной среде с программным обеспечением ЧПУ. В этой связи возникает необходимость построения хорошо организованного и обозримого математического обеспечения виртуального контроллера на основе объектно-ориентированного подхода, что и осуществлено в ходе работы.

Для моделирования и разработки ядра программно реализованного контроллера в работе использован традиционный метод системного программирования с использованием автоматных моделей, как метод, широко применяемый и обеспечивающий высокие требования по надёжности программного обеспечения. В таких системах входные и выходные воздействия являются двоичными переменными, при этом операционная система обеспечивает режим их сканирования, с учетом функции перехода из состояния в состояние. Фактически этот процесс представляет собой реализацию автоматной модели, каждое состояние которой зависит от очередного входа и фиксации предыдущего состояния. В этом случае автоматные модели наиболее просто и наглядно реализуют процесс управления, в отличии, например, от генетических алгоритмов, которые позволяют создавать сложные системы принятия решений, которые излишни в логическом управлении, когда принятие решения достаточно, очевидно.

Для достижения поставленных целей сформулированы следующие задачи:

1.Анализ современного состояния проблемы повышения качества управления электроавтоматикой систем ЧПУ типа PCNC на основе применения программируемых контроллеров;

2.Исследование методов и средств повышения уровня управления электроавтоматикой станков с ЧПУ типа PCNC на основе построения контроллеров SoftPLC, встраиваемых в общую аппаратно - программную систему ЧПУ;

2.Построение архитектурной модели контроллеров типа Soft PLC;

3.Разработка серверной части программно - реализованного контроллера типа Soft PLC, как средства повышения эффективности работы системы электроавтоматики станка с ЧПУ.

Во второй главе рассматриваются методы и средства повышения уровня управления электроавтоматикой станков с ЧПУ типа PCNC на основе построения программно реализованных контроллеров, встраиваемых в общую аппаратно - программную систему ЧПУ.

На Рис. 1 представлены упрощенные модели работы ПЛК и Soft PLC.

На них можно проследить каким образом происходит преобразование множества входных данных в множество выходных данных. Формально это можно представить в виде некоторого множества входных сигналов как функцию отображения (преобразования) во множество выходных сигналов:

M(I) : F M(Q).

Чтение данных из Процесс Набор Набор других вычисле выходных входных циклов ния Запись сигналов сигналов работы Чтение данных в входных другие данных Запись циклы выходных работы данных I 1.1 I 1.2 Q 1.Набор Набор входных выходных сигналов сигналов ПЛК процессор Область памяти Блок Панель входных оператора входов данных Область памяти Блок Исполнит.

выходных устройство выходов данных Рис. 1. Модели работы Soft PLC и ПЛК.

В случае, когда в качестве системы управления электроавтоматикой применяется традиционная аппаратная компоновка ПЛК (см. рис. 1,нижний рисунок), то изменения структуры ПЛК невозможно и изменения можно внести только в управляющую программу на уровне алгоритма. Если рассматривать Soft PLC (см. рис. 1, верхний рисунок), то это полностью программный комплекс, изменение и модернизация которого как логической компоненты доступна, проста и не требуют замены оборудования.

На прикладном уровне архитектура системы ЧПУ определяется количеством и составом прикладных разделов, называемых задачами управления. К данным задачам относятся:

геометрическая, ориентированная на управление следящими приводами подач станка с ЧПУ;

огическая, организующая управление электроавтоматикой станка;

технологическая, гарантирующая поддержание или оптимизацию параметров технологического процесса;

диспетчеризации, обеспечивающая управление другими задачами на прикладном уровне;

терминальная, поддерживающая диалог с оператором, отображение состояний системы, редактирование и верификацию управляющих программ.

огическая задача ЧПУ до сих пор решалась с помощью отдельного программируемого логического контроллера, который был встроен в систему. На современном этапе развития информационных технологий, когда мощность и ресурсы вычислительного ядра системы ЧПУ повышаются с каждым днем, имеется возможность заменить ПЛК программно реализованным контроллером, работающим по типу Soft PLC и рассматривать его как часть программно - математического обеспечения системы ЧПУ. Указанный подход позволяет снизить стоимость системы управления при одновременном получении ряда преимуществ. В их числе: