автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности систем управления электроавтоматикой автоматизированного производства за счет включения персональных компьютеров в архитектуру систем

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПОТАСКУЕВ ВИТАЛИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 658. 52. 011. 56. 012. 3:681. 3(043. 3)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЗА СЧЕТ ВКЛЮЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ В АРХИТЕКТУРУ СИСТЕМ

Специальность: 05. 13. 07 -Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва—1992

О у^ /V

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПОТАСКУЕВ Виталий Леонидович

УДК 658.52.011.56.012.3:681.3(043.3)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЗА СЧЕТ ВКЛЮЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ В АРХИТЕКТУРУ СИСТЕМ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре "ЧПУ станками и комплексами" Московского ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментального института'.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Сосонкин В. Л.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Шварцбург Л. - кандидат технических наук, ведущий инхенер ВНИИА Коваов Е. Е.

Ведущее предприятие - Дмитровсхий завод фрезерных

станков

Защита состоится _ 199 года в час. мин.

на заседании специализированного совета К 063.42,04 при Московском ордена Трудового Красного Знамени станкоин-струментальном институте по адресу: 101472. ГСП, Москва, Вадковский пер., д. 3-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского станкоинструментального института.

Автореферат разослан _ 199 года.

Ваш отзыв по данной работе в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Одной из главных задач сегодня является задача посыпания эффективности отечественной экономики на базе новейпих достижений науки и техники. Важным направлением интенсификации современного производства является широкомасштабное внедрение во аса его сферы средств вычислительной техники.

Ранее при построении систем управления (СУ) реального времени основное внимание уделяли оптимизации использования дефицитных ресурсов, которыми являются машинное время, память, устройства ввода-выЕода. Сейчас, при наличии новых нощных аппаратных средств, основной акцент переносится на расаирениа функциональных воэмоаностей СУ и оптимизацию работы пользователей.

При использовании персональных компьютеров в состава СУ реального времени расяиряется универсальность систем, появляются новые возмояности применения современных технологий информатики з область управления производственным оборудованием, а также повыиается уровень сервиса для пользователей СУ.

Системам электроавтоматики (ЗА) принадлезит значительная доля в общем объеме средств автоматизации производства. СУ ЭЛ относятся к важным средствам автоматизации и выступают как составная часть сногоуровнесой гибкой структуры совместимых средств управления.

В связи с этим актуальны: проблема выбора аппаратных средств, удовлетворяющих требованиям к современным автоматизированным СУ промыиленной ЗА; проблема построения на основе подобных средств СУ оптимальной архитектуры; проблема разработки программно-математического обеспечения (ПМО), реализующего расанронниэ функциональнио позмояности скстаки.

- г -

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цель работы заключается в повышении эффективности автоматизированных СУ промышленной ЭА за счет использования современных универсальных компьютерных аппаратных средств, оптимальной организации ПМО, улучшения качества человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) и использования развитых программных инструментальных подсистем.

НЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использовались методы теории графов, теории формальных грамматик, эргономики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Основные научные результаты работы состоят:

в выявлении информационных потоков, в указании принципов их Формирования.и отображения в автоматизированных СУ реального времени, построенных на базе персонального компьютера;

в Формулировании принципов организации ЧИН для СУ промышленной ЭА, построенных на базе персонального компьютера;

в разработке методики проектирования графических пользовательских информационных моделей (ИМ) реального времени для систем ЭА;

в разработке оптимальной архитектуры ПМО и выделении его инвариантной части для СУ промышленной ЭА, построенной на базе персонального компьютера.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Применение полученных научных результатов позволило:

построить модульную СУ промышленной ЭА, в архитектуру которой включен персональный компьютер, работающий в рекиме "on-line";

создать базовое ПМО автоматизированной СУ ЭА, построенной на базе персонального компьютера;

разработать набор программных инструментальных средств для проектирования ПМО системы управления ЭА.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы представлены в виде комплекса программных средств и использованы при разработка в Мосстанкине гаммы систем числового программного управления (ЧПУ) "ПЕРСОНА" на база персонального компьютера, а также при создании опытного образца программируемого, контроллера (ПК) "ПЕРСОНА-К".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались на заседаниях кафедры "ЧПУ станками и комплексами" Мос-станкина; на республиканской научно-технической конференции "Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин" (г. Курган, 1991 г.). Программная инструментальная подсистема проектирования ИН "ГРАФКОН" заняла первое место в конкурсе программных продуктов» разработанных в СССР в 1991 г., проводимом фирмой BORLAHD. ПК "ПЕРСОНА-K" экспонировался на международной выставке-продаже "ЭЛЕКТРОТЕХ-92" (г. Москва, 1992 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы, список которых представлен в автореферате.

ОБЪЕН РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из. введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и прилоаений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содераит 39 рисункоо. список использованных источников из 80 наименований.

С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и формулируется основная цель работы.

В ПЕРВОЕ ГЛАВЕ проведен анализ современных СУ промыалеи-ной ЭА, поставлены задачи, трабуюцие ревения для повышения

эффективности ПК.

Систены ЭА широко распространены во всех сферах производства. Они выполняются на различной элементной базе: релейно-контоктних схемах, бесконтактных интегральных схемах, ПК. Проектирование устройств ЭА является слояной технической задачей.

Проведенний анализ систем ЭА позволил сделать следующие выводы. Основный современным способом реализации промышленной ЭА является применение ПК, обеспечивающих широкие функциональные и диагностические возможности, быструю переналадку на рабочем месте, высокую надежность. ПК выпускают в двух основ-•ных видах - автономный и встроенный в систему ЧПУ Потребность производства в ПК очень велика.

В настоящее время ПК строятся на основе новейших мощных аппаратных средств, которые позволяют перенести основной акцент на расширение Функциональных возможностей СУ.

На основании анализа сформулированы следующие требования к современному ПК: открытая архитектура; высокая надежность; нодульные аппаратура и программные средства; мощный язык (или языки) задания алгоритмов управления; развитые системные средства и средства ведения библиотеки программ; высокоскоростные каналы обмана информацией; собственные периферийные устройства ввода-вывода; универсальность, возмокность реконфигурации, наращивания вычислительной мощности и количества входов/выходов. ПК долнен осуществлять следующие функции: управление технологическими процессами по заданной программе; сбор и обработку технологической информации; простую и удобную диалоговую разработку программ управления на нескольких языках; отладку и контроль выполнения программ управления; видеографическое отображение хода управляемого технологического процесса и работы СУ в реальном масштабе времени с выдачей сооб-

щений, фиксирующих последовательность и время наступления этапов управления; объединение в промышленную вычислительную сеть (связь с другими ПК, системами ЧПУ, ЭВМ других уровней); техническую диагностику состояния СУ и управляемого технологического оборудования с локализацией отказов и соответствующей сигнализацией; защиту от несанкционированного доступа человека а процесс управления; документирование по желанию пользователя и сбор статистической информации (печать отчетов, информационных сводок, таблиц, графиков, ведение дневника работы объекта и т. п.); обучение технического персонала.

Функциональные возможности ПК, помимо мощности процессора и объема запоминающих устройств, в значительной мере определяются возможностями ПМО. Отечественные ПК значительно уступают зарубежным по аппаратным характеристикам и Функциональным возможностям.

В соответствии с поставленной целью работы и с учетом проведенного анализа, определен ряд проблем, требующих научного исследования и технических решений. Наиболее существенными иэ них являются следующие.

1. Определение набора задач управления с целью выбора оптимальной архитектуры современной автоматизированной СУ ЗА.

2. Анализ информационных связей в автоматизированных СУ промышленной ЭЛ.

3. Обоснование необходимости использования персонального компьютера в составе СУ ЭА для реализации расширенных Функциональных возможностей системы.

4. Установление связи функциональных возможностей СУ ЭА с составом ПМО.

5 Анэлиэ особенностей оргзни!ации ЧНИ н формулирование требований к нему в автоматизированных СУ ЭА.

6. Разработка методик проектирования программ управления и графических пользовательских ИМ реального времени для выбранной структуры СУ ЭЛ.

7. Выделение набора базовых программных средств, инвариантных к конкретной специализации СУ ЭА.

8. Реализация предложенной концепции су ЭА и проверка правильности ее положений на практике.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассматривается концепция построения автоматизированной СУ ЭА на базе персонального компьютера.

Укрупненно активность автоматизированной СУ ЭА можно представить в трех фазах - поведение объекта, собственно работа СУ и действия человека-оператора. На фоне такой активности возникают два противоположно направленных информационных потока - поток управления и поток отображения.

Системный поток управления нацелен на формирование задания для СУ. Объектный поток управления предназначен для передачи' управляющих команд ( типа "включить-выключить") от СУ к объекту. Поток отображения представлен. ИМ. Системная ИМ составлена из осведомительных сигналов (например, "конечный выключатель замкнут"), поступающих к СУ со стороны объекта. Пользовательская ИМ представляет информацию человеку-оператору в виде реакции на его действия и в виде сообщений задач управления.

Фазу работы СУ можно детализировать в виде работы задачи интерфейса и работы задачи управления. Уточненная модель активности автоматизированной СУ ЭА может быть представлена двумя достаточно автономными фрагментами. Первый фрагмент ориентирован на разработку и передачу задания в виде программы управления и указаний человека-оператора; а после передачи задания - на прием от второго фрагмента и отображение статусов, содержащих описание состояний объекта и СУ. Второй

фрагмент ориентирован на исполнение задания, поступающего со стороны первого фрагмента; а такав на формирование статусов объекта и системы. Поведение фрагиентоп столь специфично, что сидится целесообразным выделение двух блоков в состава программно-аппаратных средств СУ для обеспечения активности выделенных Фрагментов.

итак, функционирование СУ ЭЛ автоматизированного производства укрупненно определяется решением двух задач. Первая задача заключается в непосредственном логическом управлении технологическим объектом а реальном времени (задача управления), а вторая - о обеспечении связи СУ с "внешним миром" (задача интерфейса). Задача интерфейса обеспечивает взаимодействие СУ с человеком-оператором и внеинимн устройствами, переключает режимы работы, поддеряивает меабяочную конмупнка-циго. Подзадачи, выделяемые в рамках задачи интерфейса, решаются как в реальном, так и в кзазиреальком масштабе времени. Реиение указанных задач управления включает два этапа - этап подготовки и этап исполнения.

Традиционные одномашинные архитектура СУ по большей части не способны а нужном объеме реиать стоячие перед ними задачи, так как вплотную приблизились к предельней скорости вычислений. Новые возможности откршЗаются при использовании многомашинных архитектур, обеспечизаюцих параллельную обработку.

Так как в процессе управления ЭА решаются две, указанные випе специфичные задачи, то целесообразно при построении автоматизированной СУ ЗА использовать двухмесячную систему, где под решение управляющей и интерфейсной задачи выделена специально построенные вичислитоли и организована интерактивная связь меаду ними.

Задача управления требует высокоскоростной логической

обработки дискретных сигналов, работы в реальном времени с большим числом входных и выходных регистров, наличия силовых выходных цепей. При выделении отдельнЬ'г'о вычислителя для решения задачи управления оптимальной средой ее реализации является устройство, представляющее собой логический ПК.

Задача интерфейса развивается в различных масштабах времени, используот большие объемы оперативной и внешней памяти, привлекает мощное системное и прикладное ПМО, перерабатывает множество информации. При ее реализации необходимо обеспечить удобство работы и сервис для пользователя, легкость расширения и сопровождения. Следовательно, для функционирования задачи интерфейса необходим мощный аппарат с широкими возможностями. Подходящим вариантом для оптимальной реализации задачи интерфейса и одновременно готовым аппаратным решением, является персональный компьютер в промышленном исполнении.

Таким образом, рассматриваемая СУ ЭА• представляет собой двухмашинный ПК, имеющий в своей архитектуре персональный компьютер в промышленном исполнении. Обозначим такую СУ ЗА аббревиатурой ППК (РРС>.

В концепции ППК к функциям персонального компьютера относятся: организация интерфейса с пользователями; поддержка межмашинной коммуникации; формирование управляющих заданий; обработка информации о ходе управляемого процесса; переключение режимов работы; использование инструментальных подсистем; управление средствами визуализации; связь с периферийном оборудованием и СУ других уровней в иерархии.

Взаимодействие пользователей со всеми инструментальными подсистемами осуществляется через интерфейсную машину. Программы управления проектируются на компьютере при помощи инстру-

ментальной подсистемы в режиме "off-line", затем они прреда-ются по каналу связи в управляющую машину, после чего производится окончательная отладка программ в режиме "on-line" и их исполнение. Средства визуализации процесса управления проектируются при помощи своей инструментальной подсистемы на интерфейсной машине в режиме "off-line". Отладка и отработка программ визуализации осуществляется при помощи исполняющей' подсистемы на персональном компьютере в режиме "on-line".

Управляющая машина (управляющий блок) ведет непосредственную работу с производственным оборудованием согласно программе в реальном времени и поддерживает постоянную связь с интерфейсной машиной (терминальным блоком).

В работах профессора Сосонкина В.Л. обоснована концепция системы ЧПУ, построенной на основе персонального компьютера (PCNC). Активность системы ЧПУ представлена решением шести задач: геометрической, логической, технологической, диагностической, задачей "система ЧПУ" и терминальной. Логическая задача управляет циклическими действиями дискретных механизмов (автоматики станка). Терминальная задача организует интерфейс системы ЧПУ с пользователями, а также с СУ более высокого ранга в целях формирования пакета заданий ЧПУ.

Решение терминальной задачи ЭЛ. в рамках терминальной задачи ЧПУ, соответствует решению интерфейсной задачи ППК. Терминальная задача ЭА в устройствах ЧПУ включает в себя следующие подзадачи: поддержание ЧНИ, реализуемого диалоговой средой ЧПУ; использование инструментальных подсистем; организация управления ЭА в наладочном режиме; поддержание-связи с СУ других уровней иерархии; отображение в реальном времени И!! ЭА управляемого объекта.

Анализ логической и терминальной задач ЭА в системах ЧПУ, построенных на основе персонального компьютера, показывает возможность свободного их решения средствами', описанными в концепции ППК., Совместимость концепций PCNC и РРС (ППК) открывает большие возможности по созданию широкой гаммы разнообразных совместимых СУ на единой аппаратно-программной базе. На основе модульных аппаратно-программных средств могут быть созданы различные специальные и специализированные системы ЧПУ (для токарной, лазерной, фрезерно-расточной, электрохимической обработки ит. д.), автономные и встроенные ПК.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена проблеме организации ЧИИ в ППК.

СУ ЭА первоначально создавались как устройства управления реального времени, взаимодействующие в основном с объектом управления. В настоящее время значительно возрос объем диалоговых процедур, связанных с разработкой задания, оценкой событий на объекте и в СУ и т. п.

Под ЧМИ в СУ понимают совокупность аппаратно-программных средств совместно с протоколами обмена, обеспечивающих взаимодействие человека с техническими средствами. Качество ЧМИ обеспечивает успешную работу ППК и активно влияет на производительность пользователей.

ППК построен на базе персонального компьютера, следовательно к его ЧМИ применимы существующие подходы по организации взаимодействия человека и компьютера. В то же время человеко-машинное взаимодействие в ППК, как в СУ реального времени, имеет некоторые отличительные особенности определяющиеся тем, что СУ работает в реальном времени, и человек-оператор должен получать информацию о состоянии объекта также в реальном времени. При этом важнейшим показателем является время реакции системы на изменение состояния объекта управления.

ЧМН в ППК реализует диалоговая среда, ориентированная на работу в реальном времени. К общим задачам диалоговой среды относятся: организация дружественного ЧМИ; определение задания пользователя; прием и обработка логически связанных входных данных; организация взаимодействия с процессами выполнения заданий; вывод результатов выполнения заданий . з необходимом пользователю Формате отображения.

Диалоговая среда поддерживает единые языки и одинаковые стили работн во всех режимах ППК, обеспечивая связь меяду различными группами пользователей; предоставляет возможность редактирования нескольких программ одновременно в окнах на экрана; обеспечивает подключение различных трансляторов с языков проектирования; имеет развитую систему диагностики синтаксических и семантических ошибок, а также средства защиты от несанкционированного доступа пользователей в процесс управления и средства защиты от порчи данных; предоставляет помочь о работе со средой и справочную информацию о СУ и управляемом объекте; имеет возможность документирования; обеспечивает связь с операционной системой и внешним ПНО.

Важной задачей ЧМИ является его адаптация к пользователям. Психика человека обладает исключительной способностью к адаптации. Следовательно, разработка песткого ЧМИ. о расчете на "среднего пользователя" но может гарантировать эффективного взаимодействия чолооека с ППК.

Выделаны следующие профессионально ориентированные группы пользователей ППК: системные программисты и специалисты, разрабатываазцно и отлаживающие прикладное ПМО, управляющие программа, использующие специальные инструментальные системы, настраивающие ППК на конкретный управляемый объект; персонал, обеспечивающий контроль и наладку управляемого объекта в

предпусковом и профилактическом режимах; операторы, наблюдающие за работой технологического оборудования в основном эксплуатационном режиме.

Для адаптации ЧНИ к пользователям при работе в разных резинах ППК предлагается использовать следующие типы диалога. Для режима автоматического управления - оконные меню с использованием функциональных клавии. Для релина работы с диалоговой средой - цветные иерархические меню с привязкой действий к определенным клавишам и звуковым сопроиоадениам. Для реяима подготовки и отладки управляющих программ - языки команд. Для регшюв конфигурации системы, ввода данных, определения параметров - заполняемые экранные формы.

В автоматизированных СУ чологак-оператор выполняет опосрэдовамную деятельность. 0:1 имоот дело не с самими объектами управления, а лишь с их ИИ. Под ИН здесь понимается описание параметров управляемого объекта и данных о СУ, организованное по определенной системе правил, и соответ-ствуюцее им отображение.

Для обеспечения своевременного прохождения информации, быстрого принятия решений и эффективного воздействия па управляемый процесс необходика специально организованная система отображения. На основе информации, полученной от системы отображения, человек принимает управленческие решения. В результата анализа автоматизированных СУ ЭА с точки зрения информативности, сделан вывод о тон, что наиболее подходящим типом моделей для ППК являются'динамические смешанные ИМ.

Всю информацию пользовательской ИН реального времени можно разделить на статическую и динамическую. Под статической понимается та информация, которая постоянна по содержанию и

используется в качестве фона ИМ. Динамическая информация изменяется с течением времени по содержанию или местоположению на экране. К динамической информации отоносятся, например, графические объекты, соответствующие рабочим органам или изменяющимся параметрам, а также выводимые текстовые сообщения и звуковые сигналы.

Создание ИМ является творческим процессом. Процесс проектирования состоит в формировании семантической структуры, связывающей графические элементы модели, и синтаксической структуры, описывающей графические объекты формируемых изображений.

Проектирование пользовательских ИМ производят для конкретной программы управления в диалоговом режиме. Преимущество имеют единые языки проектирования (охватывающие составление программ управления и описание логики графических объектов ИМ), которые обеспечивают связь между различными группами пользователей ППК.

Определена следующая исходная информация, необходимая для праектиропання ИМ реального времени: эскиз управляемого объекта; описание логики функционирования упрааляеного объекта; программа управления объектом на языке программирования; справочная информация.

Процесс проектирования пользовательской ИМ для ППК включает □ сзбя следующие этапы: изучение исходной для создания ИМ информации; выбор общей структуры ИМ, включающей набор оконных ИМ, и определение логики ее отображения; создание набора графических объектов; проектирование глазной оконной ИМ; создание и отладка вторичных оконных ИИ; компоновка единой ИМ из ранее созданных оконных ИМ; отладка единой ИМ без подключения к управляемому объекту (при программном моделировании поведения объекта); общая отладка ИМ с управляемый

объектом в режиме "on-line". В процессе создания ИМ при необходимости возвращаются на более ранние этапы проектирования для устранения возникоих неточностей.

Под оконной ИМ здесь понимаем ИМ, ¿отданную средствами подсистемы проектирования ИМ, которая выводится на экран в процессе отображения в своем графическом окне. Главная оконная ИМ - это оконная ИМ, постоянно присутствующая в процессе отображения и занимающая всю рабочую площадь экрана. Вторичная оконная ИМ - это оконная ИМ, отображаемая на экране в графическом окне заданного размера и местоположения. Вторичную оконную ИМ можно выводить на экран и удалять с экрана СУ непосредственно d процессе отображения.

При проектировании оконной ИМ соблюдается следующая последовательность действий: создание фона оконной ИМ при помощи графического редактора; соэданио и описание графических объектов ИМ; последовательная отладка отображения графических объектов; сохранение оконной ИМ на внешнем носителе информации; отладка созданной оконной ИМ по заданной программе. При описании графических объектов задают их атрибуты (положение на экране, цвет, логическое условие активизации, текстовое сообщение, наличие звукового сигнала и т. д.). В процессе компоновки единой ИМ определяют размеры и взаимное расположение вторичных оконных ИМ на экране.

В число задач по реализации ЧМИ в автоматизированной СУ реального времени входит задача проектирования пультов ручного управления. обеспечивающих эффективное и надежное управление технологическим оборудованием. Предлагаемая концепция ППК предполагает использование возможностей персонального компьютера для наглядного и удобного управления объектами в ручном режиме. В стандартный набор программно-аппаратного обеспечения

ППК включают средства, поддерживающие функции, которые ранее выполнялись исключительно с помощью специально созданных физических пультов ручного управления. Средствами инструментальной подсистемы проектирования ИМ экранный пульт управления создается в виде оконной ИМ, после чего осуществляется привязка органов-управления на оконной ИМ к устройству ввода СУ.

В процессе управления объектом по желанию человека-оператора оконная ИМ с "пультом управления" выводится на терминал СУ в составе единой пользовательской ИМ. При этом человек-оператор получает возможность выполнять помимо функций контроля и наблюдения еще и функцию непосредственного управления, используя наглядную ИМ органов управления.

В заключении третьей главы приведены рекомендации по проектированию ИМ реального времени для систем ЭА, учитывающие поихо-физиологические и эргономические особенности зрительной деятельности человека, а также личный опыт автора по созданию ИМ.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы организации и разработки ПМО ППК.

Расаиренные функциональные возможности ППК в основном обеспечиваются развитым ПМО. Рассматриваемая концепция ППК предполагает двухмашинную конфигурацию СУ. в которой каждая из машин решает свою специфическую задачу и, следовательно, должна инеть свою операционную систему, поддерживающую решение данной задачи.

Для реализации расширенных функциональных возможностей СУ ЭА в ее архитектуру введен персональный компьютер, а виртуальная машина пополнена соответствующими уровнями ПМО, формирующими ЧМИ. Использование широких возможностей компьютера в архитектуре ППК позволяет создать функционально мощное и гибкое

ПНО системы управления ЭЛ. Причем, дополнения и изменения, вносимые в решаемые задачи ППК, в большинстве случаев реализуются за счет совершенствования ПМО, не затрагивая аппаратной части. На верхних уровнях виртуальной машины размещаются Диалоговая среда и система отображения ИМ.

Программное обеспечение ППК укрупненно состоит из ПМО управляющей машины и ПМО терминальной машины. ПМО управляющей машины функционирует в среде операционной системы реального времени и обеспечивает реализацию задачи логического управления (логической задачи). ПМО терминальной машины Функционирует в многозадачной операционной среде, обеспечивая выполнение задачи интерфейса. Для реализации функций терминальной машины можно использовать операционную систему общего назначения с многозадачным монитором, обеспечивающим работу в кваЗипараллельном многопроцессорном режиме.

ПМО логической задачи осуществляет управление ЗА в реальном времени по заданной управляющей программе. В процессе работы СУ поддерживается •постоянная связь с интерфейсной задачей по информационному каналу связи. ПМО логической задачи включает в себя программный модуль данных, модуль многозадачности, модуль управляющей программы. Модуль данных содераит параметры, используемые управляющей программой и характеризующие систему ЗА конкретного управляемого объекта. Модуль многозадачности обеспечивает псевдопараллельное исполнение процессов управления, описанных в управляющей программе. Модуль управляющей программы формируется в торминальном блоке и передается через канал связи в управляющий блок. Управляющая программа содержит описание алгоритма управления ЗА объекта.

ПНО канала связи обеспечивает поддержку протокола обнена между интерфейсной и логической задачами и обеспечивает выход

ППК в локальную вычислительную сеть. Протокол обмена организует передачу в управляющий блок следующей информации: модуля управляющей программы, тестовых программ, запросов, управляющих команд, данных, установочных параметров, кодовых сегментов. В терминальный блок передается информация о текущем состоянии управляющих процессов и сигналов, сообщения системного ПМО и управляющей программы, ответы на запросы.

ПНР интерфейсной задачи при помощи модуля многозадачности обеспечивает одновременную работу нескольких программных моду-»01): модули управления, подсистемы отображения, модуля связи, модульных инструментальных средств, системы управления базой данных. Модуль многозадачности организует псевдопараллельную работу, реализуя механизмы очередей, приоритетов, работы по прерываниям. Модуль управления обеспечивает распознавание и передачу управляющих заданий через канал в управляющий блок. База данных слудит для хранения информации (библиотек программ, данных системы отображения, справочной информации, данных для модуля статистики и документирования и др.).

Все модули объединяет диалоговая среда, обеспечивающая ЧМИ ППК. Диалогорля среда поддерзнвает одновременное существование трех рекимных состояний - управления, контроля и проектирования. Состояние управления соответствует выполнению текущих заданий. Состояние контроля поддерживает ЧИП и предо-стаплчет пользователю возможность наблюдения за реальными процессами, происходящими на объекте и в СУ. Состояние проектирования поддержипает выполнение проектных процедур с помощью набора инструментальных средств. Пользователь по своему кела-нию мояет изменять соотношение объемов отображения резимных состояний на мониторе ППК в различные периоды работы СУ. Диалоговая среда помогает пользователям взаимодействовать с

ресурсами СУ, предоставляя им необходимый сервис (технику окон, иерархические меню; функции помощи и др.) и расширенну» информацию (правила работы с оборудованием, данные по средствам технического обслуживания и др.). Диалоговая среда осуществляет также работу с файловой системой, универсальным редактором текстов, трансляторами; позволяет подключать специальные инструментальные средства, внешние программы.

Одно из главных назначений ПМО задачи интерфейса состоит в предоставлении пользователям ППК развитых инструментальных средств. В состав базовых инструментальных средств ППК входят две их категории.

Инструментальная система первой категории предназначена для генерации управляющей программы и ее передачи в управляющий блок ППК с целью исполнения. Исходной информацией служат: описание (алгоритмы) работы объекта управления схема и таблицы подключения ППК к объекту управления. При проектировании используется описание программной подсистемы проектирования управления ЭА, включающее документацию по работе с инструментальной подсистемой, описание языка (языков) программирования ЭА.

Процесс проектирования программы управления ЭА в ППК включает следующие этапы: изучение исходной информации и определение общей структуры управляющей программы; запись управляющей программы на языке программирования при помощи встроенного в диалоговую среду редактора; трансляция программы и устранение синтаксических ошибок; отладка управляющей программы в терминальном блоке ППК (при программной имитации поведения объекта управления); формирование загрузочного модуля программы управления ЭА и пересылка его в управляющий блок ППК при -помощи ПМО канала связи; отладка программы без подклю-

чения к объекту; окончательная отладка управляющей программы с объектом. Отладку программы мохно осуществляв отдельно по каждому узлу объекта. При обнаружении логических ошибок в управляющей программе возвращаются к началу процесса проектирования, при помощи редактора вносят необходимые Коррекции, после чего возобновляют процесс проектирования.

Инструментальная система второй категории предназначена для проектирования пользовательских ИМ реального времени. Инструментальная система обеспечивает: работу с файловой системой, связь с функциями операционной системы; проектирование элементов ИМ при помощи' графического редактора; создание и описание графических объектов ИМ; обслуживание библиотек графических элементов и объектов; компоновку ранее созданных оконных .ИМ в единую ИМ; отладку ИМ; задание конфигурации инструментальной системы; документирование; помощь в работе с инструментальной системой.

В основном эксплуатационом режиме ППК состоящем в автоматизированном управлении производственными объектами, ЧМИ обеспечивается подсистемой отображения ИМ. ПМО подсистемы отображения управляет выводом необходимой в данный момент ИМ на монитор ППК и поддерживает выбранные режимы индикации. Оно состоит из нескольких программных модулей, размещаемых как в терминальном, так и в управляющем блоке ППК (рис. 1). ПМО управляющего блока ППК осуществляет непосредственное управление объектом. Сигналы управления поступают к исполнительным механизмам в соответствии с заданной программой управления. Информация о состоянии объекта управления формируется модулем системы отображения в оперативной памяти управ ляющего блока и постоянно передается по каналу связи в терминальный блок в виДе информационных посылок. В терминальном

Рис. 1. Процесс автоматизированного управления с использованном ППК

блоке данные о текущем состоянии объекта принимаются ПМО канала связи и размещаются в оперативной памяти. Затем эти данные сравниваются модулем сравнения с данными, характеризующими текущее состояние отображаемой ИМ. В модуле динамического отображения используется описание ИМ из базы данных ИМ и информация, поступающая от модуля сравнения. На этой основе создается новая структура отображения ИМ., соответствующая обновленной информации о состоянии объекта управления. После этого модуль отображения выводит соответствующую ИМ на монитор ППК. Человек-оператор имеет возможность выбора способа отображения ИМ, формируя набор оконных ИМ на экране по своему усмотрению. При этом он может получать информацию в разных Формах детализации. Оператор, анализируя текущее состояние ИМ, принимает управленческие решения и при необходимости может вмешиваться в ход процесса управления. Через устройство ввода (например, клавиатуру) он может задавать необходимые команды управления, которые через канал связи передаются в управляющий блок и там исполняются. При наличии пульта ручного управления оператор может передавать сигналы управления непосредственно на объект.

В_ПЯТОЙ Г-ЧЛВЯ описана реализация концепции ППК на

примере построения СУ гамны "ПЕРСОНА".

СУ гпмми "ПЕРСОНА" разработаны на кафедре "ЧПУ СК" Мос-станкнна и являются универсальными средствами управления технологическими процессами и оборудованием. СУ гамкы "ГТЕРСОНЛ" имеют единую структуру. Они построены по блочно-иоцульиому принципу и конструктивно состоят из двух блоков.

Рассматриваемая концепция СУ ЭА на базе персонального компьютера была реализована при управлении ЭА в системах ЧПУ гаммы "ПЕРСОНА" и в автономном ПК "ПЕРСОНА-К".

ППК "ПЕРСОНА-К" использует в своей архитектуре персональный компьютер, работающий в режиме "on-lina", и предназначен для решения широкого круга задач автоматизации производства. ППК "ПЕРСОНА-K" построен по модульному принципу с использованием базовых аппаратно-программных средств гаммы СУ "ПЕРСОНА" (рис. 2). Как и все представители гаммы, он состоит из управляющего и терминального блоков. В качестве управляющего блока выбран ' модуль "ЭЛЕКТРОНИКА НМС 12402". Терминальным блоком служит промышленный компьютер типа 1ВИ PC/AT с цветным графическим монитором. Связь между блоками осуществляется по специальному последовательному каналу. ППК "ПЕРСОНА-K" обладает возможностью вывода информации на печатающее устройство, а также подключения к вычислительным сетям. Связь с удаленными объектами управления производится при помощи волоконно-оптического мультиплексора. Использование волоконно-оптических линий связи позволяет при большом количестве передаваемых сигналов (1024/1024 входов/еыходов) использовать всего две линии. Программный доступ к сигналам объекта управления осуществляется через порты входов/выводов управляющего блока ППК.

ПНО управляющего блока функционирует в среде реального времени "ФОКОН". ПМО терминального блока работает в среда HS-DOS версии 3.30 и более поздних версий.

ПМО терминального блока обеспечивает дружественный ЧМИ. Взаимодействие пользователей с ППК происходит в мультизадачной диалоговой среде, поддерживающей: работу с файловой системой; связь с периферийными устройствами; автоматическое управление по программе с индикацией состояния объекта управления; подготовку и отладку программ управления; выдачу справочной информации; использование различных инструментальных подсистем. Программы управления создают при помощи универсального

К объекту К объекту

управления 1 управления Н

Рис. 2. Аппаратная структура ПК "ПЕРСОНА-К" на базе персонального компьютера : ПКС - последовательный канал связи; В0Л_.1 ... ВОЛ_М - волоконно-оптические линии связи

многооконного редактора текстов на проблемно-ориентированном языке управления электрооборудованием ФОКОН.

ПМО канала связи предназначено для выполнения функций, связанных с подготовкой и пересылкой информации между управляющим и терминальным блоками ППК, а также с приемом и расшифровкой сообщений, поступающих из управляющего блока. Программное обеспечение канала связи состоит из двух частей, входящих как в состав ПМО терминального блока, так и в состав ПМО управляющего блока. ПМО канала связи поддерживает протокол межблочного обмена.

Для СУ гаммы "ПЕРСОНА" разработаны две программные системы - ФОКОН (ФОНовый КОНтроллер) и ГРАФКОН (ГРАФический КОНструктор ИМ), обеспечивающие выполнение основных функций систем, состоящих в управлении объектом и отображении информации. Каждая из программных систем состоит из двух функциональных частей (подсистем) - инструментальной и исполняющей.

Программная система ФОКОН предназначена для проектирования и реализации алгоритмов управления электрооборудованием. Средства системы ФОКОН обеспечивают: проектирование программ управления цикловой ЗА на языке ФОКОН; пересылку загрузочного модуля программы управления в управляющий блок СУ; отработку программ управления; оперативную связь с системой ГРАФКОН.

Инструментальная подсистема ФОКОН служит для проектирования и отладки программ управления ЭА объекта. Она функционирует в терминальном блоке СУ "ПЕРСОНА". Инструментальная подсистема включает в себя программные модули текстового редактора, транслятора с языка ФОКОН, компоновщика загрузочного модуля, формирователя среды и отладчика.

Исполняющая подсистема ФОКОН предназначена для реализации в реальней времени алгоритмов управления цикловой ЭА, пред-

ставленных программой управления. Подсистема формируется в терминальном блоке и передается в управляющий блок через канал мояблочной связи. Исполняющая подсистема ФОКОН включает себя: собственно программу управления; модуль параметров; модуль поддеряанил параллельности процессов.

Программная система ГРЛФКОН предназначена для проектирования, отладки и динамического отображения на экране цветного монитора СУ пользовательских ИМ объектов управления.

Инструментальная подсистема ГРАФКОН служит для проектирования и отладки пользовательских ИМ. Она вкл;ачает в себя следующие программные модули: модуль диалоговой среди; модуль работы с файлами и DOS; универсальный графический редактор; модуль описания графических объектов; модуль работы с библиотекой графических образов; компоновщик ИН; отладчик ИМ; модуль графического отображения; модуль системы помощи.

Исполняющая подсистема ГРАФКОН служит для динамического отображения ИМ, созданных инструментальнрй подсистемой, в процессе управления объектом. Подсистема включает в себя: программный модуль связи с объектом управления; модуль анализа текущего состояния; модуль динамического отображения; бм-зу данных ИН.

Спетому ГРАФКОН можно использовать для проектирования пультоп управления оборудованием с дальнейшим управлением объектом в ручном режиме непосредственно с экрана монитора СУ. Время проектирования пользовательской ИМ средней сложности составляет в...ti часов. Систему ГРЛФКОН мояно так яе использовать для отладки управляющих программ и при моделировании функционирования сложных технологических объектов.

При создании ПМО использовались языки программирования ЛССКМБЛКР, СИ. МОДУЛА-2.

- 26 -ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для эффективного решения логической задачи управления (реализующей заданный алгоритм функционирования системы ЭА в реальном времени) и интерфейсной задачи управления (обеспечивающей ЧИН, формирование управляющих заданий, связь с внешними устройствами), а также для реализации широкого спектра функциональных возможностей целесообразна двухмашинная архитектура автоматизированной СУ промышленной ЭА, включающая логический ПК (управляющую нашину) и работающий в режиме "on-line" персональный компьютер (терминальную машину). Компьютер настраивается на оптимальное решение интерфейсной задачи управления, в том числе и на реализацию ЧМИ. Управляющая машина реализует логическую задачу управления.

2. Решение задач управления протекает в двух фазах: фазе подготовки и фазе исполнения. Фазы, подразумевающие участие человека должны быть сконцентрированы в терминальной машине.

3. В автоматизированной СУ ЭА необходимо использовать развитые графические средства отображения пользовательских НИ. Для предоставления человеку-оператору реальных сведений о процессе управления, обеспечения своевременного прохождения информации, быстрого принятия реаений и эффективного воздействия человека на управляемый объект в ППК необходима специально организованная система отображения, дающая информацию о состоянии управляемого объекта в виде определенной ИМ, обеспечивая при этом высокую скорость реакции.

4. В ППК в отличие от вычислительных систем процессы отображения ИМ и оперативного управления объектом являются основными, а все остальные процессы (работа в диалоговой среде, использование инструментальных подсистем и т. п.)

являются фоновыми.

5. Проектирование и использование органов ручного управления объектами'на экране монитора ППК позволяет значительно сократить сроки и стоимость процесса создания пультов управления, использовать при проектировании и работе с пультами привычные методы общения человека с компьютером, снизить стоимость использования пультов управления за счет уменьшения дополнительных затрат на их изготовление, техническое обслуживание и эксплуатацию.

В. Рассматриваемая концепция ППК оставляет возможность наращивания мощности СУ за счет интеллектуального ЧИП, опирающегося на развитые методы работы со знаниями и технологию искусственного интеллекта.

7. В состав базовых модулей ПМО, поддерживающих решение задач управления ЭА.и инвариантных к конкретной специализации СУ, входят две программные системы, обеспечивающие подготовку и отработку управляющих программ и проектирование и отображение пользовательских ИН реального времени. Каждая из систем состоит из двух подсистем - инструментальной и исполняющей. Инструментальные подсистемы приближены к пользователю и реализованы в терминальном блоке СУ. Исполняющая подсистема отображения ИМ работает в режиме "on-line", ее программные модули расположены как в терминальном, так и в управляющем блоке. Исполняющая подсистема отработки управляющих программ приближена к объекту управления (расположена в управляющем блог.о) и решает логическую задачу.

0. Предлагаемая концепция ППК реализуема в устройствах ЧПУ, построенных на основе персонального компьютера. Таким образом, можно говорить о иирокой гамма совместимых СУ различною назначения, но на единой аппаратно-программной основе.

9. Предлагаемая концепция была использована в работах по созданию гаммы СУ "ПЕРСОНА" Проверка На практике предложенной методики проектирования пользовательских ИИ показала, что эта методика обеспечивает эффективное проектирование и высокое качество графических ИМ реального времени для систем промышленной ЗА'.

ПЕЧАТНЫЕ РАБОТЫ ПС ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Информационные модели управляемых объектов в автоматизированных человеко-машинных системах управления реального времени и инструментальные средства их Формирования / Потаскуеп В. Л. : Носк. станкоинструм. ин-т. - М., 1991. - 11 е.: - Деп. 11.07.01, (1 61-ми91.

2. Построение системы управления промышленной автоматикой на основе персональной ЭВМ / Потаскуев В. Л.: Моск. станкоинструм. ин-т. - М., 1991. - 17 е.: - Деп. 12.11.91, И 100-МШ91.

3. Потаскуев В.Л., Проблемы создания информационных моделей управляемых технологических процессов автоматизированного производства // Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин: Тез. докл. республиканской научно-техн. конф. - Курган, 1991. - II часть, С. 40 - 50.

4. Сосоикин В.Л., Потаскуев В. Л. Концепция программируемого контро1лера нового поколения // Приборы и системы управления. - 1892. - К 6. - С. 7-10.