1 Программное управление в автоматизированном производстве
1.1 Задачи программного управления
Описать функции устройства ЧПУ можно рассматривая его внешние взаимодействия. Во-первых, устройство ЧПУ выступает как управляющий автомат по отношению к своему объекту (станку, технологическому оборудованию). Во-вторых, устройство ЧПУ вместе со станком само является объектом управления в производственной среде. Описывая указанные функции, их можно разбить на четыре класса (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Четыре класса функций (задач) устройства ЧПУ
Взаимодействие устройства ЧПУ с объектом-станком состоит в управлении формообразованием детали (геометрическая задача ЧПУ), в управлении дискретной автоматикой станка (логическая задача ЧПУ), в управлении рабочим процессом станка (технологическая задача ЧПУ). Взаимодействие с окружающей производственной средой (терминальная задача ЧПУ) проявляется через диалог с оператором и информационный обмен с управляющей ЭВМ более высокого ранга.
Первой появилась геометрическая задача ЧПУ, и в то время у устройств ЧПУ она была единственной. Ведь получить изделие, соответствующее чертежу, управляя приводами подачи станка, – это тот минимум возможностей, который требуется от оборудования, действующего автоматически. Поскольку геометрическая задача ЧПУ раньше упрощенно сводилась к интерполяции, устройства ЧПУ первых поколений нередко называли интерполяторами.
Появление логической задачи ЧПУ явилось следствием автоматизации на станке большого числа многообразных вспомогательных простых или циклических операций: зажимы – разжимы, подводы – отводы, переключения, пуски – остановы, автоматическая смена инструмента и т.д. Большое число операций составляет специфику логической задачи. Это проявляется в большом количестве дискретных обменных сигналов (их десятки) между устройством ЧПУ и объектом.
Технологическая задача ЧПУ присутствует лишь в тех случаях, когда основной рабочий процесс сам становится объектом управления (либо с целью его поддержания, либо с целью его оптимизации). Примерами оптимизируемых рабочих процессов могут послужить фрезерование или токарная обработка, управление которыми состоит в изменении подачи и скорости резания с целью увеличения производительности, снижения приведённых затрат, повышения качества обработки.
Терминальная задача ЧПУ поддерживается устройством ЧПУ как персональным компьютером. Диалог с оператором охватывает управление объектом и устройством в различных режимах, а также операции с управляющей программой ЧПУ, некоторые действия системного характера.
Конфигурация системы ЧПУ, показанная на рисунке 1.2, способна решать все четыре класса задач. Конфигурация описывает состав аппаратных средств и обобщённые каналы связи, при выделении которых не уточняли число линий, характер сигналов и способы их передачи. Анализируя рисунок, можно предположить, что начало и завершение любой задачи выходят за границы собственно устройства ЧПУ.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) является более сложным объектом управления, чем традиционный станок, поскольку в состав модуля входят периферийные средства станка (робот, накопитель палет, устройство смены инструментальных магазинов и т.д.), нередко располагающие собственными средствами управления.
Для решения общей технологической задачи эти средства должны быть скоординированы, а потому объединяются в единую микролокальную вычислительно-управляющую сеть, которая и выступает в роли системы управления. Её функции можно определить посредством необходимых внешних взаимодействий с объектом (ГПМ) и окружающей производственной средой (рисунок 1.3).
Рассматривая функции системы управления ГПМ, можно разбить их на четыре класса (рисунок 1.4). Задача диспетчеризации обусловлена диспетчеризацией отдельных систем управления ГПМ, входящих в микролокальную сеть ГПМ, и осуществляется в рамках оперативного управления.
Другие функции взаимодействия микролокальной сети с объектом состоят в поддержании безлюдного режима и свойств гибкости на основе решения соответственно задач мониторинга и идентификации. Терминальная задача обусловлена взаимодействием с окружающей производственной средой, она проявляется в процессе диалога с оператором и информационного обмена с управляющей ЭВМ более высокого ранга.
Задача диспетчеризации вытекает из самого факта существования в микролокальной сети нескольких систем управления, развитие процессов в которой должно быть согласовано для достижения единой цели управления. Согласование состоит во взаимных передачах управления, блокировках, организации использования разделяемых ресурсов (местоположений, перегрузочных средств). Следует напомнить, что целью управления является получение готовых изделий заданного качества.
Задача мониторинга заключается в оценке нормального протекания процесса резания, в диагностике возникающих отклонений, в наблюдении за остаточным ресурсом стойкости, в принятии решений относительно выхода из нерегулярных ситуаций.
Задача идентификации решается с целью определения типа детали, поступившей в ГПМ, и её положения в системе координат станка, с целью определения необходимых коррекций инструмента, организации условных переходов в управляющих программах ЧПУ.
Терминальная задача системы управления ГПМ наполняется содержанием в тех случаях, когда эта система обретает в системе микролокальной сети собственный отдельный аппарат, например, в виде персонального компьютера. Тогда можно организовать диалог с оператором, информационный уровень которого превышает уровень диалога для отдельного конкретного устройства ЧПУ. Наряду с этим можно обеспечить «вход» оператора в систему оперативного управления и т.д.
В отношении других задач управления ГПМ можно сказать, что их полный состав необязателен, а функциональное насыщение сильно отличается в конкретных реализациях.
Рисунок 1.3 – Внешние взаимодействия системы управления ГПМ
Рисунок 1.4 – Четыре класса функций (задач) системы управления ГПМ
Очередным по рангу объектом с программным управлением в автоматизированном производстве является гибкая производственная система (ГПС). Управление ГПС построено на основе пространственно-распределённой локальной вычислительно-управляю-щей сети, а сам объект (ГПС) представляет собой пространственно-распределённую технологическую сеть.
Детализируя функции системы ГПС, определим четыре их класса (рисунок 1.5). Напомним, что здесь, как и ранее, выделяем только фундаментальные прикладные задачи, выполняемые главным образом в реальном времени.
Диспетчеризация вычислительных машин и систем управления, составляющих локальную вычислительно-управляющую сеть, осуществляется в рамках оперативного управления (задача диспетчеризации). Скоординированное управление в пространственно распределённой системе возможно лишь на основе динамически обновляемой информационной модели, ведение которой входит в информационную задачу. Локальная сеть может формировать отдельные команды управления технологическими и вспомогательными объектами ГПС, минуя управляющие программы ЧПУ, таким образом, возникает задача прямого управления. Взаимодействие с окружающей средой (терминальная задача) протекает в рамках диалога с оператором и информационного обмена со службой автоматизированной системы управления производством (АСУП).
Необходимость в решении задачи диспетчеризации определяется тем обстоятельством, что в поле зрения системы управления ГПС находятся одновременно несколько технологических процессов, выполнение которых связано с закреплением и перераспределением технических ресурсов ГПС.
Информационная задача состоит в сборе данных о состоянии всех ресурсов, подготовке данных, являющихся предметом отчётности, или данных, запрашиваемых оператором, накоплении данных диагностической системы.
Рисунок 1.5 – Четыре класса функций (задач) системы управления ГПС
Задача прямого управления вытекает из сложной структуры технологической сети и разнопланового характера задач управления. Многие функции управления просто не могут быть спланированы заранее и оформлены в виде управляющей программы ЧПУ. К числу подобных задач относятся, например, функции управления транспортными средствами ГПС. Тогда и возникает задача прямого управления оборудованием.
Терминальная задача ГПС содержит два традиционных раздела (как и в рассмотренных ранее системах управления более низкого ранга):
взаимодействие с оператором через пульт оператора ГПС;
взаимодействие с сетью АСУТП для получения планирующей и другой информации.
Топология и архитектура локальных вычислительно-управляющих сетей ГПС разнообразны. Структурная схема системы управления может быть построена по иерархическому принципу. На нижнем уровне расположены объекты (станки, роботы, накопители) с собственными системами управления (устройствами ЧПУ, персональным компьютером). На среднем уровне находятся терминальные станции группового управления оборудованием и управляющая ЭВМ транспортно-складской системы. Верхний уровень принадлежит центральной группе из трёх персональных компьютеров, между которыми распределены отдельные задачи управления ГПС. Здесь же может находиться вычислительный центр службы АСУП, который может быть связан с локальной вычислительно-управляющей сетью ГПС.
Станок с ЧПУ, ГПМ, ГПС можно квалифицировать соответственно как объекты программного управления первого, второго и третьего рангов. Аналогичные рассуждения справедливы и в отношении задач управления. Анализ этих задач на уровне станка с ЧПУ, ГПМ, ГПС свидетельствует об их усложнении по мере повышения ранга объекта.