автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности систем ЧПУ за счет использования персонального компьютера с интеллектуальными контроллерами

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ ЧПУ.

1.1 Эволюция систем ЧПУ.

1.2 Архитектура системы ЧПУ класса PCNC.

1.3 Проблема дефицита вычислительных ресурсов системы.

1.4 Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ЧПУ НА БАЗЕ АППАРАТУРЫ ПК

С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ КОНТРОЛЛЕРАМИ.

2.1 Разработка структурной схемы.

2.2 Выбор магистрали.

2.3 Организация связей.

2.4 Концепция интеллектуального контроллера.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ВЫБОРА АППАРАТУРЫ СИСТЕМЫ ЧПУ.

3.1 Критерии выбора.

3.2 Формальный метод выбора аппаратной части.

3.3 Оценка аппаратной реализации.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ВЫБОРА СИСТЕМНОЙ ЧАСТИ.

4.1 Выбор операционной системы для задач ЧПУ.

4.2 Расширения реального времени для Windows NT.

4.3 Разработка драйвера в среде RTX 4.x.

4.4 Выводы.

Несмотря на некоторое снижение объемов выпуска металлорежущих станков в последние годы, почти во всех странах мира растет выпуск станков, оснащенных системами числового программного управления (ЧПУ). На рис.1 приведена диаграмма выпуска станков с ЧПУ в Германии. В Японии этот показатель еще выше, так с 1991 г. по 1996 г. производство станков с ЧПУ увеличилось с 72% до 83%.

Чтобы удовлетворить спрос на новую технологию, производители оборудования все чаще действуют в рамках принципа, называемого аутсорсингом (outsourcing).

Под аутсорсингом в контексте принципов построения современных систем ЧПУ понимается привлечение к техническим разработкам сторонних технологий, использование уже готовых разработок или компонентов, в частности выпускаемых серийно (off the shelf) и, как правило, стандартизованных. Эта новая знаменательная тенденция обусловлена тремя следующими обстоятельствами:

• возросшая сложность систем требует большей концентрации на профильном направлении, или основной компетенции (core competence);

• системы, полностью разработанные самостоятельно (proprietary systems), не способны вовремя адаптироваться к продуктам с укороченным жизненным циклом;

• удовлетворить многие требования потребителей можно с помощью подходящих стандартов.

Рис.1 Оснащенность станков системами ЧПУ в Германии.

Все три обстоятельства взаимосвязаны. Раньше для получения конкретных рабочих характеристик системы ЧПУ разрабатывались на базе собственных фирменных архитектур. Однако растущий спрос на новые услуги сократил жизненный цикл изделий настолько, что производители технических средств уже не могут развивать свои продукты, базирующиеся на собственных архитектурах. И дело не только в стоимости. При удвоении производительности процессоров каждые полтора года, совершенствовать в таком же темпе сложное оборудование с оригинальной архитектурой просто невозможно. Технология разработки систем на базе стандартов достигла такого уровня развития, что нужда в самостоятельной разработке систем отпала. Потребность в вычислительной платформе базового уровня легко удовлетворяется с помощью готовых серийно выпускаемых изделий. Таким образом, производитель систем ЧПУ может сосредоточить основные усилия на совершенствовании отличительных характеристик своего изделия, обладающего более широкими функциональными возможностями и более высокой производительностью за счет использования сторонней базовой компьютерной платформы. Причем, если в ее основе лежат открытые стандарты, то последующие усовершенствования не потребуют фундаментальных аппаратных переделок.

Переход к открытым стандартам и спецификациям - еще одна особенность сегодняшней жизни. С точки зрения пользователя, открытые стандарты обладают многими достоинствами, в число которых входят:

• возможность применения изделий разных производителей,

• большое число поставщиков,

• более низкие цены,

• более высокая конкуренция,

• разветвленная сеть базовых поставок,

• возможность выбора на основе предлагаемой функциональности, а не используемой платформы.

При постоянно растущих запросах пользователей систем ЧПУ скачкообразный рост функциональных возможностей наиболее современных и перспективных систем ЧПУ класса РС1МС сдерживается вычислительными способностями современных вычислительных средств.

Дальнейшее повышение эффективности систем ЧЕТУ связано с построением аппаратной части системы на базе персонального компьютера с интеллектуальными контроллерами, которые возьмут на себя решение ряда задач программного управления.

Настоящая работа посвящена вопросам исследования структурной схемы однокомпьютерной системы ЧПУ, а также разработке средств повышения эффективности систем ЧПУ и методик выбора необходимой аппаратуры и системной части.

В главе 1 диссертации проводится анализ состояния систем ЧПУ. Прослеживается эволюция систем ЧПУ до современных систем класса PCNC с использованием открытых стандартов, рассматриваются требования к современным системам ЧПУ и недостатки вычислительных ресурсов системы.

На основании анализа указанных систем сформулированы задачи исследования.

В главе 2, на основании сформулированных в главе 1 задач исследования, проводится разработка структурной схемы однокомпьютерной системы ЧПУ, которая может быть реализована с использованием внутренних или внешних контроллеров. Проводится выбор магистрали, а также рассматривается вопрос организации связей в системе. Предложена концепция интеллектуального контроллера для управления следящими приводами и устройствами электроавтоматики станка.

В главе 3 приводится методика выбора аппаратной структуры системы ЧПУ. Выбраны критерии для оценки используемой аппаратуры и способ определения весовых коэффициентов, представлен алгоритм выбора изделий для реализации аппаратной части. Показан пример оценки структурной реализации системы ЧПУ с использованием как внутренних (в стандарте CompactPCI), так и внешних контроллеров.

В главе 4 проводится анализ операционных систем для задач ЧПУ. Рассматриваются расширения реального времени для ОС Microsoft Windows NT, позволяющие использовать эту ОС в системах ЧПУ. Приводится пример разработки драйвера для устройств дискретного ввода/вывода информации в среде RTX 4.x. 5

В заключении приводятся выводы по проведенным исследованиям. Дан список использованной литературы.

В приложениях приводятся акты о внедрении и листинг программы управления логическим анализатором ЛА-16.

Работа выполнена на кафедре Компьютерных систем управления Московского Государственного Технологического Университета «СТАНКИН» под руководством доктора технических наук, профессора В.Л.Сосонкина в русле деятельности по разработке новых систем программного управления технологическим оборудованием с использованием персональных компьютеров.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Из анализа эволюции систем ЧПУ следует, что сегодня наиболее перспективной является система ЧПУ на базе персонального компьютера (РСМС), построенная по принципам открытых систем.

2. Рост производительности персональных компьютеров, а также появление специальных операционных систем реального времени создали предпосылки для проектирования однокомпьютерной системы ЧПУ класса РСЫС с использованием интеллектуальных контроллеров.

3. Наблюдается четко выраженная тенденция привлечения сторонних технологий, использование уже готовых разработок и компонентов, в частности выпускаемых серийно и, как правило, стандартизованных.

4. Реализация однокомпьютерной системы ЧПУ класса РСЫС возможна с использованием как внутренних, так и внешних интеллектуальных контроллеров, а также комбинации обоих вариантов. При этом очевидных преимуществ сегодня ни один из вариантов не имеет, а выбор архитектурной модели зависит от предъявленных к системе требований, в первую очередь по конструктивному исполнению. Однако по мере увеличения производительности процессоров и повышении пропускной способности магистрали предпочтительнее будет использование системы с внутренними контроллерами, т.к. при такой организации проще обмен данными.

5. Для использования в качестве системной магистрали очевидные преимущества имеет стандарт СотрайРСЛ как по техническим характеристикам, так и по экономическим показателям. Стандарт Сотрас1РС1 наилучшим образом подходит для построения однопроцессорных систем управления, поддерживается большим числом независимых производителей электронной техники и имеет хорошие перспективы по улучшению своих характеристик.

6. Для организации связи между системами ЧПУ, интеллектуальными контроллерами, датчиками и исполнительными механизмами однозначно необходимо использовать РмеИЬиБ-сети. Они отвечают ключевым требованиям к связям в системах ЧПУ - детерминированностью поведения и повышенной надежностью передачи данных.

7. Для связей на цеховом уровне лучше всего подходит стандарт Profibus-FMS, для организации быстрого канала связи с устройствами электроавтоматики станка - стандарты Profibus-DP и CAN.

8. Для управления автоматизированными следящими приводами целесообразно применять специализированный стандарт управления движением SERCOS, а при использовании автономного электропривода - те же стандартные интерфейсы Profibus-DP и С AN.

9. Концепция построения интеллектуального контроллера предполагает использование его для решения геометрической и логической задач, а также организации связи с пультом оператора. Для выполнения этих требований интеллектуальный контроллер должен иметь постоянное ядро и специфические узлы для конкретной задачи. В качестве магистрали для интеллектуального контроллера наилучшим образом подходит локальная шина PCI. Для организации гибкого ввода/вывода - мезонинные технологии РМС и PC-MIP.

Ю.Методика выбора стандартной аппаратуры по соотношению потребительских свойств затраты/производительность/надежность позволяет провести оценку и принять решение об использовании изделий в качестве компонентов системы ЧПУ с достаточно высокой степенью достоверности. При этом данная методика является открытой, т.е. допускает варьирование технических и эксплуатационных характеристик, а также потребительских свойств исследуемых изделий.

11 .Предложенная методика использовалась предприятиями ЗАО «РТСофт» и ОАО «СЭЗ» и получила высокую оценку.

12.Операционную систему Microsoft Windows NT нельзя применять в системах "жесткого" реального времени, в системах "мягкого" реального времени можно применять при соблюдении следующих условий:

- поток событий невелик;

- низкая нагрузка на центральный процессор;

- экспертиза драйверов третьих фирм, применяемых в системе.

13.Расширение реального времени RTX 4.x фирмы VenturCom содержит достаточно полный набор средств для написания приложений и драйверов "жесткого" реального времени, что позволяет использовать операционную

1. Айден К., Колесниченко О., Крамер М., Фибельман X., Шишигин И. Аппаратные средства PC. СПб., BHV - Санкт-Петербург, 1998. - 608 с.

2. Бабанов И. Compact PCI будущее промышленных компьютеров. PC WEEK/RE, №48, 9 декабря 1997г., с.58-59.

3. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М., Статистика, 1980. 263 с.

4. Вебер Р. Конфигурированные ПК на процессорах Pentium. М., Мир, 1996. -256 с.

5. Жданов A.A. Что день грядущий нам готовит? (В связи с появлением Windows NT на рынке ОС РВ). Мир компьютерной автоматизации, 1997, №4, с.88-94.

6. Жданов A.A. Продолжая разговор о расширениях реального времени для Windows NT. Мир компьютерной автоматизации, 1998, №2, с.83-87.

7. Жданов A.A. NT реально ли реальное время? Открытые системы, 1998, №1, с.25-29.

8. Жданов A.A. Операционные системы реального времени. PC WEEK/RE, №8, 9 марта 1999 г., с.17-18.

9. Калядин A. Windows NT для встраиваемых приложений. Открытые системы, 1998, №2, с. 15-19.

10. Ю.Кларк Э. Соединение PCI. Lan/Журнал сетевых решений, 1997, №6, с. 137143.

11. П.Коваленко В. Современные индустриальные системы. Открытые системы, 1997, №5, с.29-34.

12. Компьютерные технологии обработки информации. Под ред. С.В.Назарова. М., Финансы и статистика, 1995. 248 с.

13. Кошкин В.Л. Аппаратные системы числового программного управления. М., Машиностроение, 1989. 248 с.

14. Локотков A.B. Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты EIA RS-422A/RS-485. Современные технологии автоматизации, 1997, №3, с.110-119.

15. Митин Г.П. Предпосылки развития однопроцессорных систем ЧПУ класса PCNC. Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии», том 2, Москва, 1998, с. 208-213.

16. Митин Г.П., Марголин С.А. Особенности использования Windows NT для систем ЧПУ класса PCNC. Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии», том 2, Москва, 1998, с. 214-219.

17. Митин Т.П., Сосонкин B.JI. Структура однопроцессорной системы ЧПУ класса PCNC. Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Под ред. A.B.Пуша. Выпуск 12. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1998, с. 75-77.

18. Митин Т.П., Марголин С.А. Операционная среда систем ЧПУ класса PCNC. Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Под ред. A.B.Пуша. Выпуск 12. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1998, с. 80-85.

19. Митин Г.П. Какая магистраль нужна для систем ЧПУ класса PCNC. Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Под ред. A.B.Пуша. Выпуск 12. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1998, с. 77-80.

20. Митин Г.П. Предпосылки развития однокомпьютерных систем ЧПУ класса PCNC. Автоматизация и управление в машиностроении, 1998, №5.

21. Митин Г.П., Марголин С.А. Особенности использования Windows NT для систем ЧПУ класса PCNC. Автоматизация и управление в машиностроении, 1998, №5.

22. Митин Г.П., Марголин С.А. К вопросу о разработке драйвера реального времени. Автоматизация и управление в машиностроении, 1999, №7.23 .Мишель Ж. Программируемые контроллеры. Архитектура и применение. М., Машиностроение, 1998. 320 с.

23. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений. М., Мир, 1990. 208 с.

24. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М., Эком, 1997. -224 с.

25. Рыбаков А. Архитектура современных промышленных систем. Открытые системы, 1998, №3, с.7-11.

26. Рыбаков А.Н. Новейший промышленный PCI-дизайн. Мир компьютерной автоматизации, 1998, №2, с. 65-74.

27. Рыбаков А. Новейший промышленный PCI-дизайн. PC WEEK/RE, №24, 23 июня 1998 г., с.31-33.

28. Рыбаков А. Эволюция стандарта PCI для жестких встраиваемых приложений. Открытые системы, 1997, №5, с.52-59.

29. Рыбаков А., Жданов A. Windows NT во встраиваемых, промышленных и коммуникационных приложениях. PC WEEK/RE, №27-28, 21 июля 1998г., с.28-29.

30. Сорокин С.A. IBM PC в промышленности. PC WEEK/RE, №19, 20 мая 1997г.

31. Сорокин С.А. Как много ОС РВ хороших . Современные технологии автоматизации, 1997, №2, с.7-11.

32. Соломенцев Ю.М., Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Построение персональных систем ЧПУ (PCNC) по принципу открытых систем. Информационные технологии и вычислительные системы, 1997, №3, с. 68-75.

33. Сосонкин B.JI. Концепция системы ЧПУ на основе персонального компьютера (PCNC). Станки и инструмент, 1990, №11, с.9-14.

34. Сосонкин В.Л. Задачи числового программного управления и их архитектурная реализация в устройствах ЧПУ. Станки и инструмент, 1988, №10, с.39-41.

35. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Принципы построения системы ЧПУ с открытой архитектурой. Приборы и системы управления, 1996, №8, с. 18-21.

36. Сосонкин В.Л. Концепция персональных систем управления в реальном времени. Приборы и системы управления, 1995, №7, с. 17-20.

37. Сосонкин В.Л. Взгляд на предстоящую эволюцию устройств ЧПУ. Станки и инструмент, 1992, №9, с.27-32.

38. Сосонкин В.Л., Соколов А.Н., Тучинский Я.Ф. Архитектурная концепция устройства ЧПУ на базе персонального компьютера. Приборы и системы управления, 1990, №5, с.5-7.

39. Сосонкин В.Л. Персональный компьютер как архитектурный компонент «персональной системы управления». СТИН, 1993, №5, с.2-7.

40. Сосонкин В.Л. Новое поколение устройств ЧПУ на базе персонального компьютера. Приборы и системы управления, 1992, №3, с.4-6.

41. Сосонкин В.Л., Потаскуев В.Л. Концепция программируемого контроллера нового поколения. Приборы и системы управления, 1992, №6, с.7-10.107

42. Сосонкин B.JI. Сетевая коммуникационная среда персональной системы управления. СТИНД996, №5, с. 12-17.

43. Сосонкин B.JI. Принципы построения персональных систем ЧПУ с открытой архитектурой. Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии». Том 2. Москва, 1997, с.154-159.

44. Сосонкин B.JI. Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для вузов. М.; Машиностроение, 1991. 512 с.

45. Сосонкин B.JI., Мартинов Г.М. Современное представление об архитектуре систем ЧПУ типа PCNC. Автоматизация проектирования, 1998, №3, с. 35-39.

46. Сосонкин B.JI., Митин Г.П. Тенденция развития персональных систем ЧПУ. Мир компьютерной автоматизации, 1998, №4, с. 31-34.

47. Сосонкин B.JI., Митин Г.П. Управление электроприводом в современных системах ЧПУ. Приводная техника, 1999, №1-2, с. 59-62.

48. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. М., СИН-ТЕГ, 1998. -376 с.

49. Хухлаев Е. Операционные системы реального времени и Windows NT. Открытые системы, 1997, №5, с.48-51.

50. UPGRADE новый уровень ваших компьютеров. Выпуск 6. М., ПИРИТ, 1997, с. 10-24.

51. Управление качеством продукции. Справочник. Под ред. В.В.Бойцова и А.В.Гличева. М., Издательство стандартов, 1985. 462 с.