Модульная архитектура систем ЧПУ класса PCNC

В последнее время стало появляться все больше открытых, ПК - совместимых систем управления. Их аппаратная начинка практически такая же, как и у вашего домашнего персонального компьютера. Преимущество такого метода - в доступности и дешевизне электронных компонентов, большинство из которых можно приобрести в обычном компьютерном магазине. Однако есть и недостаток. Пока считается, что надежность таких систем ниже, чем у закрытых систем управления.

Архитектура системы ЧПУ на прикладном уровне определяется количеством и составом задачами управления.

Ø Структура системы PCNC-1

Структура системы ЧПУ типа PCNC-1 (рис.11) представляет собой совокупность базовых модулей (обведены сплошными линиями) и дополнительных модулей (обведены пунктирными линиями). Модули закреплены за задачами управления. К дополнительным модулям отнесены коммерческие приложения. Модуль автономен и является вложенным объектом: он располагает собственными алгоритмической структурой, структурой данных и интерфейсной оболочкой для работы в клиент-серверной среде.

Общая структура представлена NC-подсистемой (Numerical Control) и РС-подсистемой (Personal Computer). Первая формирует среду для ЧПУ ориентированных модулей, работающих в реальном времени, и (возможно) для специальных приложений пользователя. Вторая подсистема образует среду Windows-образного интерфейса пользователя и включает инструментальную систему подготовки и тестирования управляющих программ, а также (возможно) другие специальные приложения.

Рисунок 12 -
Модульная архитектура системы ЧПУ типа PCNC-1

Взаимодействие модулей осуществляется посредством программной объектно-ориентированной магистрали, которая не только поддерживает коммуникационные протоколы, но и выполняет серверные функции. Это значит, что магистраль является глобальным механизмом предоставления модулям информационных услуг. Такая возможность отражена и в самих интерфейсах модулей: они могут предоставлять данные, запрашивать данные, управлять состояниями других модулей. Запрос данных осуществляется синхронным, асинхронным способами или по событию. Выбор механизма запроса зависит от конкретной задачи. При синхронном запросе клиент (модуль, осуществляющий запрос) останавливается в точке запроса и ждет до истечения тайм-аута ответа от сервера (модуля, обслуживающего запрос). При асинхронном запросе клиент продолжает свою работу, а обработка ответа, независимо от времени его получения, выполняется специальной функцией; ее работа напоминает механизм обработки прерывания. Запрос по событию (синхронный, асинхронный) означает, что ответ будет получен только после изменения данных.

Геометрическая задача (motion control) ЧПУ является традиционной, однако требования к ней за последние годы изменились. Эти изменения связаны с внедрением общей концепции открытых систем управления, а также с использованием объектно-ориентированной технологии программирования.

В свою очередь геометрическая задача состоит из трёх 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.

Программируемые контроллеры – это устройства управления электроавтоматикой станка. Большинство программируемых контролеров имеют модельную конструкцию, в состав которой входят источник питания, процессорный блок и программируемая память, а также различные модули входов/выходов. Для создания и отладки программ работы станка применяют программирующие аппараты. Принцип работы контроллера: опрашиваются необходимые входы/выходы и полученные данные анализируются в процессорном блоке. При этом решаются логические задачи и результат вычисления передается на соответствующий логический или физический выход для подачи в соответствующий механизм станка.

В программируемых контролерах используют различные типы памяти, в которой хранится программа электроавтоматики станка: электрическую перепрограммируемую энергонезависимую память; оперативную память со свободным доступом; стираемую ультрафиолетовым излучением и электрически перепрограммируемую.

Программируемый контролер имеет систему диагностики: входов/выходов, ошибки в работе процессора, памяти, батареи, связи и других элементов. Для упрощения поиска неисправностей современные интеллектуальные модули имеют самодиагностику. Программоноситель может содержать как геометрическую, так технологическую информацию. Технологическая информация обеспечивает определенный цикл работы станка, а геометрическая — характеризует форму, размеры элементов обрабатываемой заготовки и инструмента и их взаимное положение в пространстве.

Ø Структура двухкомпьютерной системы системы PCNC-2

Такие системы ориентируют на многокоординатную, многостаночную, высокоскоростную и высокоточную обработку. Современные системы с открытой архитектурой выполняются согласно двухкомпьютерной архитектуре приведенной на рис.12.

Структура двухкомпьютерных систем 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.

В состав терминального компьютера входят: материнская плата с Celeron-процессором и интегрированными контроллерами; многофункциональная интерфейсная плата с памятью. Все платы установлены на пассивной ISA-шине, при этом предусмотрена установка дополнительных (по заказу) резервных плат: внутреннего модема.

Рисунок 13 - Двухкомпьютерная модель системы PCNC-2

В состав ЧПУ-компьютера входят: материнская плата с Celeron-процессором; плата поддержки коммуникационного интерфейса с терминальным компьютером (со скоростью 10 Мбит/с), и интерфейса маховичка ручного перемещения; плата программируемого контроллера. 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.

Из приведенной структуры видно, что PC-подсистема располагается на обычном персональном компьютере, а NC-подсистема на другом NC-компьютере. В роли NC-компьютера может выступать традиционный компьютер, оснащенный дополнительными специальными устройствами, или компьютер на базе RISC-процессора.

Базовой операционной системой на первом компьютере выступает операционная система, построенная на основе Windows NT. Характерной особенностью данной архитектуры является наличие человеко-машинного интерфейса (Man Machine Interface) и инструмента разработки и верификации управляющих программ (NC_PDT – NC Program Data Tool), расположенных в PC-подсистеме.

Инструментальная среда NC_PDT обеспечивает создание и редактирование файлов управляющих программ, осуществляет полный синтаксический контроль кадров управляющей программы, эмулирует отработку управляющей программы.

На втором компьютере располагается UNIX-подобная операционная система. Она может обеспечить требуемое гарантированное минимальное время отклика. Обмен между двумя операционными системами поддерживается посредствам коммуникационного протокола TCP/IP. Включение в эту среду прикладного уровня с функциями доступа к интерфейсам модулей создает виртуальную шину, оказывающую низкоуровневые услуги доступа. Объектная надстройка над этой шиной формирует сервер, представляющий единую для обеих подсистем объектно-ориентированную магистраль.

Ø Структура обногкомпьютерной системы PCNC-4

Однокомпьютерная модель предполагает наличие только одного PC-компьютера, оснащенного специальными устройствами в виде плат-контроллеров (рис. 1.9). В качестве этих плат могут быть использованы контроллер приводов подачи, программируемый контроллер PCL (Programmable Logic Controller), различные устройства управления технологическим процессом.

Рисунок 14 -
Однокомпьютерная модель системы PCNC

Переход от двухкомпьютерной модели к однокомпьютерной осуществляется формальным переносом программного обеспечения PC-подсистемы в NC-подсистему на уровне задач. Приведенные архитектурные варианты дают возможность четкого разграничения между системными, прикладными и коммуникационными компонентами, возможность независимого развития любого из этих компонент, как на основе оригинальных разработок, так и путем встраивания программных продуктов иных производителей.

Одпокомпьютерная модель предполагает использование традиционного компьютера, оснащенного дополнительными контроллерами для связи с мехатронными объектами управления. В их числе могут быть контроллер следящих приводов, программируемый контроллер PLC (Programmable Logic Controller), специальные устройства для управления технологическими процессами и др. В качестве операционной системы может быть использована система Windows NT, которая, однако, не является системой реального времени и в этой связи требует соответствующего расширения, например в виде системы RTX 4.1 американской фирмы VentureCom.

Однокомпьютерные системы построены по принципу многопроцессорных CNC-систем, т.е. с ЧПУ-процессором, процессором программируемого контроллера автоматики и графическим процессором. Они мот быть оснащена пассивным терминалом или промышленным компьютером с операционной системой Windows 98.

Вычислительная мощность этих систем исключительно высока, и этим объясняется широкий набор их функциональных возможностей. Так, предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого порядка) алгоритмы интерполяции, пяти-девяти координатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, одновременная работа по двум различным управляющим программам, 3D-графика и др.

Периферия систем ЧПУ становится сетевой, причем все чаще единая сеть используется как для приводов подачи, так и для системы управления электроавтоматикой.