1.7 Управление гпс

Основным, можно сказать, универсальным модулем управления автоматическим оборудованием является функциональный автомат, в котором могут быть выделены операционный и управляющий автоматы (рисунок 1.38а).

Автоматическое производственное оборудование независимо от степени его интеграции (отдельно станок с ЧПУ, ГПМ, ГПС) построено по типу функционального автомата.

На рисунке 1.38б – г показаны соответственно структуры функциональных автоматов применительно к станку с ЧПУ, ГПМ, ГПС. Во всех случаях легко выделяются исполнительная (операционная) и управляющая части. Это означает, что организация управления на разных уровнях иерархии принципиально идентична. Однако классы задач для операционного и управляющего автоматов на каждом уровне иерархии сугубо специфичны.

а)

б) в)

г)

Рисунок 1.38 – Иерархия моделей автоматического производственного оборудования:

а) структурная схема функционального автомата и его связи с внешней средой; б) станок с ЧПУ как функциональный автомат; в) ГПМ как функциональный автомат; г) ГПС как функциональный автомат

Прикладные функции управляющего автомата ГПС, если ограничиться реальным временем, уже были сформулированы (см. рисунок 1.5). Они состоят в решении четырёх задач: диспетчеризации, прямого управления, терминальной, информационной. Функции системы управления аппаратно по-разному распределяются в зависимости от выбора варианта архитектурного решения. Возможны следующие варианты (рисунок 1.39).

Первый вариант соответствует наибольшей степени централизации управления (рисунок 1.39 а). Иерархическая локальная сеть объединяет центральную ЭВМ, коммуникационные термины (выполняющие функции посредников и накопителей информации), локальные системы управления (устройства ЧПУ, программируемые контроллеры, специальные системы). Здесь использованы выделяемые каналы связи типа «точка – точка».

Второй вариант (рисунок 1.39 б) по степени централизации близок к первому, однако здесь применён разделяемый (т.е. используемый более чем двумя абонентами) канал связи типа «общая шина». Достоинством подобного решения является прямая, без посредников, связь любых пар абонентов, заинтересованных в такой связи.

а)

б)

Рисунок 1.39 – Архитектура системы управления ГПС: а) централизованное управление с использованием выделяемых каналов связи; б) централизованное управление с использованием разделяемого канала связи

В третьем варианте можно предложить определённую децентрализацию задач управления, что в значительной мере разгружает центральную ЭВМ. Терминалы ГПМ принимают на себя часть функций оперативного управления, ведут часть общей распределённой базы данных (отображающей информационную модель ГПС), располагают средствами для автоматизированной разработки управляющих программ. Таким образом, в этом варианте происходит некоторое выравнивание вычислительных мощностей в определённых узлах локальной вычислительно-управляющей сети ГПС. Однако и в этом варианте в качестве центральной ЭВМ используют достаточно мощную машину.

В четвертом варианте можно развить идею выравнивания вычислительных мощностей машин, составляющих сеть управления ГПС. В качестве любой узловой машины используют персональный компьютер. Один из персональных компьютеров осуществляет функцию оперативного управления, т.е. функции центральной ЭВМ. Но этот компьютер разгружен от задач автоматизированной подготовки управляющих программ, расчёта оперативного плана (расписания), которые возложены на другие персональные компьютеры, выступающие в роли автоматизированных рабочих мест (АРМов). Другие персональные компьютеры применяют как управляющие терминалы ГПМ.

Укрупненная схема организации управления ГПС в реальном времени показана на рисунке 1.40. Объектом управления в ГПС является оборудование, представленное модулями из числа ввода-вывода, технологических, транспортных, вспомогательных, хранения. Управление осуществляется посредством инициирования (или передачи) управляющих программ ЧПУ, а также с помощью команд прямого управления оборудованием. Состояния оборудования и технологических процессов отображаются в информационной модели, которая и замыкает двумя каналами обратной связи контур управления. Один из этих двух каналов является главным, т.е. определяющим стратегию управления, а другой – информационным. Таким образом, процесс управления может быть замкнут главной обратной связью по состоянию оборудования или по состоянию активных технологических процессов, представленных маршрутами операций. Выбор способа замыкания контура управления главной обратной связью означает предпочтение одной из двух концепций управления.

Рисунок 1.40 – Укрупненная схема организации управления ГПС в реальном времени

Предположим, что контур управления замкнут главной обратной связью по состоянию оборудования. В этом случае состояния станков, роботов, транспортных средств и других устройств (свободен, занят, требует загрузки, требует разгрузки, неисправен и т.д.) предъявляют запросы на выполнение работ или от подобных запросов уклоняются. Система управления ГПС, располагая некоторым резервом работ (ресурсов), выделяет их соответственно запросам в виде управляющих программ ЧПУ. Под управляющей программой ЧПУ в широком смысле понимаем программу для любой локальной системы управления или координирующего компьютера ГПМ. В дальнейшем управление осуществляется в форме координации и синхронизации работающих программ ЧПУ и напоминает по своим функциям задачу управления пакетом алгоритмов. Подобные координация и синхронизация и составляют задачу диспетчеризации, или оперативного управления.

Предположим теперь, что контур управления замкнут главной обратной связью по состоянию активных технологических процессов, представленных маршрутами операций. Маршруты состоят из отдельных операций (рисунок 1.41). Под операциями подразумеваются процессы хранения, транспортирования, ввода-вывода, технологические и вспомогательные и действия, выполнение которых связано с «захватом» соответствующих модулей в составе оборудования ГПС. Поскольку одновременно могут быть активны несколько маршрутов, постольку на один и тот же модуль могут претендовать более одной операции. Таким образом, возникают очереди, управление которыми и является задачей диспетчеризации, или задачей оперативного управления. Выделение модуля для операции означает продвижение маршрута на один очередной шаг. Полное множество активных маршрутов находится в поле зрения системы оперативного управления, которая и руководит продвижением маршрутов через управление оборудованием ГПС.

Рисунок 1.41 – Маршрут операций

Мы сформулировали первую задачу управления ГПС, т.е. задачу диспетчеризации (оперативного управления), в двух вариантах, из которых второй, пожалуй, более популярен. Остановимся на некоторых понятиях, необходимых для анализа задачи диспетчеризации.

Системой оперативного управления будем называть ту часть системы управления ГПС, которая относится к реальному времени и управляет пакетом алгоритмов локальных систем управления (первый вариант) или осуществляет продвижение маршрутов операций в очередях (второй вариант).

Диспетчер – это ядро системы оперативного управления, состоящее из внутренних управляющих программ, целью которых является привлечение ресурсов ГПС для реализации нескольких параллельно-последовательных управляющих программ локальных систем управления (в первой версии) или нескольких параллельно-последовательных технологических процессов, представленных маршрутами операций (во второй версии).

Ресурсами здесь являются пространство и время. Таким образом, можно говорить о физическом местоположении в рабочем пространстве ГПС и времени исполнения операции на процессоре ГПС. Уточняя представление о рабочем пространстве ГПС, выделим оперативное пространство (т.е. покрываемое маршрутами операций) и внешнее пространство (в котором выполняется хранение, т.е. складирование). К числу процессоров относятся технологические, транспортные и вспомогательные, а также и те, которые выполняют функции управления хранением, вводом-выводом. В полном соответствии с этим и операции в составе маршрута могут быть технологическими, транспортными, вспомогательными, хранения, ввода-вывода (см. рисунок 1.38).

Ресурсы различаются способами их совместного пользования. Некоторые можно делить между технологическими процессами в буквальном смысле, доставляя ресурсы действительно одновременно. Примером может послужить рабочее пространство, в котором находятся детали, принадлежащие различным технологическим процессам. Другие ресурсы (как, например, конкретные технологические процессоры) подобным образом делить нельзя, но можно предоставлять их одновременно так, что создаётся эффект квазипараллельного исполнения различных технологических процессов (режим квантования).

Ресурсами распоряжается диспетчер. При проектировании диспетчера можно следовать одному из трёх критериев его эффективности:

– критерию максимальной производительности при исполнении всех заданных технологических процессов, но не какого-то одного процесса;

– критерию наименьших затрат, связанных с использованием ресурсов, т.е. рабочего пространства ГПС и процессоров ГПС;

– критерию наиболее полного использования ресурсов ГПС.

При проектировании диспетчера необходимо обозначить и целый ряд его частных характеристик. Так, следует решить, как далеко простираются функции диспетчера; относятся ли, например, к числу таких функций управление ресурсами гибкого производственного модуля. Далее следует определить степень интерактивности диспетчера с оператором ГПС. Здесь существует дилемма: должен ли диспетчер полностью заменять оператора или привлекать к решению каких-то проблем управления ресурсами человеческий интеллект. И, наконец, необходимо определить уровень мощности услуг, предоставляемых диспетчером, например, допуская (или не допуская) динамическое изменение приоритетов отдельных операций, динамическое перераспределение рабочего пространства и т.д.

В основу работы диспетчера должна быть заложена некоторая стратегия. Первый вариант стратегии, например, состоит в том, чтобы завершать технологические процессы по возможности в том же порядке, в каком они были инициированы оперативным планом (расписанием). Второй вариант заключается в более быстром обслуживании коротких по продолжительности маршрутов операций в сравнении с длительными. Согласно третьей стратегии диспетчер стремится к максимальному увеличению пропускной способности ГПС. Возможны и другие варианты стратегий.

Осуществление стратегических принципов обеспечивается некоторыми способами. К примеру, в рамках второй стратегии можно воспользоваться двумя различными способами. Первая возможность: задано полное время каждого технологического процесса; контролируется фактическое время; процессор предоставляется той работе, для которой оставшееся время минимально. Другая возможность: все технологические процессы поделены на операции, близкие по своей продолжительности. Процессоры предоставляются всем технологическим процессам поочередно. Первый способ не гарантирует, что какой-то продолжительный технологический процесс будет вообще закончен, если в ГПС неправильно поступают короткие работы. Второй способ гарантирует завершение всех работ, однако требует более частого переключения процессов (т.е. их переналадки).

Конкретные функции диспетчера состоят в управлении оперативным рабочим пространством, управлении процессорами, управлении процессами, управлении технологической системой ГПС.

Оперативное рабочее пространство ГПС занято очередями к процессорам и приостановленными операциями. Нерациональное или неверное использование этого ресурса приводит к снижению производительности ГПС и дедлокам.

Загрузка операций в оперативное рабочее пространство может быть простой и динамической. При простой загрузке диспетчер выбирает из входной очереди некоторый маршрут операции и вызывает управляющую программу загрузки, которая и определяет начальное местоположение операции. Однако может оказаться так, что пространство, требуемое для всех созданных маршрутов операций, превышает объем оперативного рабочего пространства. Если при этом отдельные операции не обязательно должны присутствовать в оперативном рабочем пространстве, то это пространство может быть использовано последовательно. Откладываемая операция в этом случае передается во внешнее рабочее пространство (на склад), пока не потребуется её перемещение в оперативное рабочее пространство для продолжения технологического процесса. Подобная загрузка является динамической.

ГПС имеют, как правило, собственные накопители, т.е. собственные разделы оперативного рабочего пространства. Но нередко имеются и промежуточные накопители, т.е. коллективно доступные разделы оперативного рабочего пространства. Перемещение работ между собственными разделами может сопровождаться их передачей в раздел коллективного доступа или из этого раздела. Совокупность действий по отладке и подкачке составляет свопинг. Свопинг полезен тем, что позволяет динамически перераспределять оперативное рабочее пространство ГПС; такое перераспределение можно использовать для обслуживания высокоприоритетных работ и предотвращения дедлоков.

Чрезвычайно продуктивной моделью рабочего пространства ГПС является виртуальное рабочее пространство, использование которого позволяет не различать местоположение операций в оперативном рабочем пространстве и в определенной зоне внешнего рабочего пространства, т.е. на складе. Такой подход позволяет увеличить число созданных маршрутов операций и тем самым повысить гибкость использования ресурсов ГПС. Виртуальное рабочее пространство создает иллюзию независимости местоположений операций, принадлежащих различным технологическим процессам.

Другая функция диспетчера состоит в управлении процессорами ГПС путем выделения их операциям. По отношению к технологическому, транспортному или вспомогательному процессору операция может находиться в одном из таких состояний: исполнения, готовности, блокирования. Состояние исполнения соответствует основному рабочему процессу. В состоянии готовности операция пребывает в том случае, если может выполняться тотчас после освобождения процессора. Такой операции уже выделено место в рабочем пространстве, а также все другие необходимые ресурсы. Если операция не может выполняться из-за отсутствия некоторого события или возникновения непредусмотренной ситуации (отсутствие инструмента достаточной стойкости, неудовлетворительный результат промежуточного контроля), то она находится в состоянии блокирования. По отношению к конкретному процессору в состоянии использования может находиться только одна операция, а в остальных состояниях – одновременно несколько операций.

Если операция попадает в очередь к некоторому процессору, то она является по отношению к нему созданной и переходит в состояние ввода. Если операция выполнена и попадает в выходную очередь процессора, то переходит в состояние вывода, вслед за которым по отношению к данному процессору уничтожается.

Необходимость в управлении процессами при диспетчеризации в ГПС существует лишь в том случае, если соответствующим образом построена сама концепция диспетчера, а именно использована обратная связь по состоянию оборудования.

Ранее в качестве цели управления рассматривалось продвижение параллельных и независимых маршрутов операций. При таком выборе цели предметами анализа со стороны диспетчера являлись отношения операций к ресурсам, а не отношения операций на разных процессорах между собой. По мере предоставления ресурсов вызывались необходимые управляющие программы, одновременно привязанные к деталям и ресурсам. Подобный подход требует такой фрагментации управляющих программ, при которой их исполнение будет только последовательным. Проблема конкуренции параллельных маршрутов решается путем управления ресурсами, а проблема синхронизации операций на разных процессорах исчезает. При этом нет необходимости в каких-либо специальных механизмах управления процессами.

Однако, как уже отмечалось, возможен и другой выбор цели управления со стороны диспетчера, не изменяющий конечных результатов управления. Представим в качестве такой цели управление полным множеством управляющих программ ЧПУ для всех маршрутов операций, причём под управляющей программой ЧПУ будем понимать любую управляющую программу станком, роботом, магазином, транспортной тележкой, штабелером. Снимем ограничение на фрагментацию управляющих программ, которая превращает процесс их исполнения в простое сцепление. При этом полные управляющие программы превратятся в параллельные процессы, некоторые из которых взаимодействуют, используя нечто, условно называемое «переменной». «Переменная» интерпретируется достаточно широко: это может быть деталь, файл, местоположение в пространстве и др. Взаимодействие управляющих программ токарного станка, робота и магазина уже было показано ранее на примере ГПМ (см. рисунок 1.34). Подход, при котором первичной целью управления со стороны диспетчера является организация координации и взаимодействия управляющих программ, требует управления процессами, т.е. управляющими программами ЧПУ. Такое управление состоит во взаимном исключении, синхронизации, организации связей, исключении дедлоков и др.

Взаимное исключение требуется в тех случаях, когда в тексте управляющих программ встречаются интервалы, которые исключают одновременное воспроизведение двух управляющих программ. Такие интервалы можно называть критическими секциями. На критическую секцию налагают следующие требования:

– в данное время только одна управляющая программа ЧПУ может находиться внутри критической секции;

– управляющая программа ЧПУ не может бесконечно долго оставаться внутри критической секции;

– управляющая программа ЧПУ не может бесконечно долго ждать входа в критическую секцию.

Синхронизация проявляется в том, что для управляющих программ, выполняющих общую работу с одной и той же деталью, характерны взаимные передачи управления. Это обстоятельство должно найти своё отражение в частных управляющих программах ЧПУ в виде упоминаний об ожидании определённого сообщения.

Связь управляющих программ ЧПУ может быть более сильной, чем простая временная синхронизация. Так, для передачи и получения произвольных данных требуются специальные средства связи. Для хранения уже посланного, но ещё не полученного сообщения необходимо место, которое называют почтовым ящиком. Почтовый ящик может быть связан с парой управляющих программ ЧПУ, или только с отправителем, или только с получателем. Инициатива в организации и ведении почтовых ящиков может принадлежать диспетчеру.

В качестве примера дедлока можно привести такую ситуацию: станок запрашивает однохватный робот для выгрузки обработанной детали из рабочей позиции, в то время как в захвате робота уже находится деталь, которая претендует на обработку. Проблема дедлоков решается путем предотвращения, обхода, распознавания и восстановления.

Предотвращение дедлока по отношению к приведенному примеру может состоять в использовании двухзахватных роботов, перегрузочной позиции, принципа предварительного выделения ресурсов (когда процесс загрузки детали в рабочую позицию станка с помощью робота не начинается до освобождения рабочей позиции), в предоставлении диспетчеру прав отнимать ресурсы (когда деталь будет удалена из захватов робота и помещена в накопитель). Обход дедлоков состоит в прогнозировании, не приведет ли выделение затребованного ресурса к опасному состоянию. Распознавание и восстановление состоят в диагностировании дедлоков и возврате процессов в те условия, в которых они смогут восстановить свое исполнение.

Завершая рассмотрение функций диспетчера, остановимся на управлении технологической системой ГПС. Диспетчер выполняет те функции по управлению ГПС, которые в принципе (теоретически) в полной мере способен выполнить и оператор. На практике эти функции определенным образом распределены между диспетчером и оператором, причем так, что на долю оператора остается минимум. Пользователи (технологи) представлены в системе управления ГПС описаниями маршрутов операций. Естественно, что пользователи должны взаимодействовать с теми, кто их обслуживает (с диспетчером или оператором). Таким образом, диспетчер и оператор получают от пользователей составленные в какой-то форме инструкции. Множество подобных инструкций образует язык команд диспетчера.

С помощью языка команд диспетчера технологи требуют от диспетчера выполнения тех действий, которые не предусмотрены как автоматические. К числу таких действий могут относиться выделение и освобождение ресурсов, например, оперативного или внешнего пространства. Особенно важным является требование на выделение процессора, посредством которого выполняется операция. Используя язык команд, технолог может передать типовому технологическому процессу значения параметров.

Таким образом, на языке команд технолог предписывает диспетчеру выполнение определенных действий, тем самым программируя некоторую виртуальную технологическую систему, в составе которой имеются технические и программно-математические средства ГПС. Требуемые действия формулируются обычно в терминах их результатов, а не в терминах механизмов, выполняющих эти действия. В целом инициирование и завершение технологического процесса осуществляется следующим образом.

Считывается программа на языке команд диспетчера, чтобы определить, в каких ресурсах нуждается инициируемый маршрут операций. Технологический процесс ставится в очередь. Выделяется устройство ввода-вывода, однако может пройти некоторое время, пока это устройство станет доступным. Затем для детали выделяется местоположение в оперативном рабочем пространстве ГПС, и деталь передаётся в это местоположение. Вызываются необходимые обслуживающие программы. Наконец, начинается исполнение технологического процесса. Часть действий, явно или неявно определённых в языке команд, осуществляется перед исполнением, часть – в процессе исполнения. Примером последних является отказ от ненужных ресурсов и назначение новых. Действия, выполняемые по окончании работы, могут включать уничтожение технологического процесса, внесение в каталог справочно-информационных данных и др.

В заключение можно подвести следующий итог. Система оперативного управления ГПС занимает центральное место в числе прикладных задач управления реального времени. Существует аналогия в работе системы ЭВМ. Это позволяет установить не только терминологические, но и функциональные параллели, а в конечном счете построить некоторую достаточно универсальную модель управления в реальном времени. В частности, достаточно четко обозначаются функции диспетчера ГПС, которые состоят в управлении оперативным рабочим пространством ГПС, процессорами ГПС, управлении процессами, управлении технологической системой.

Рассматривая функции диспетчера, мы невольно соприкоснулись и с остальными тремя задачами управления ГПС. Мы говорили о прямом управлении оборудованием как проявлении связи системы управления и объекта управления; упоминали информационную модель ГПС, построенную по типу базы данных и отображающую состояния оборудования и технологических процессов; ссылались на определенную возможность перераспределения функций между оператором ГПС и автоматически действующим диспетчером (функции оператора выполняются в рамках терминальной задачи).