автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка моделей, методов и устройств управления для робото-технологических комплексов дискретно-непрерывного типа

Академия наук Институт проблем управления

На правах рукописи

ДРУЖИНИН ВАЛЕРИЙ АНДРЕЕВИЧ

Разработка моделей методов и устройств управления

для робото-технологических комплексов дискретно-непрерывного типа

"специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной технжи и систем управления.

05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

москва 1995г.

Работа выполнена в Мяституте проблей управления к СКБТЛ при Тираспольскоы концерне литейного наишюстроения.

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор,

Едищсий С.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, Ыалвгнн В.Д.

кандидат технических наук,

доцент,

Евсеев О.В.

Ведущее предприятие - Московский технический университет "СТА11ХНН".

Защита состоится "_"_1995 г. в _час. на

заседании специализированного совета Н 2 института проблей управления Д 002.68.01 по адресу : 117806, Иосква, Профсоюзная ул., 65.

С диссертацией иокно ознакомиться в библиотеке Института проблей управления.

Автореферат разослан ~_"

Ученый секретарь Специализированного совета

1995 г.

Ж.

Сркевич Е.В.

Общая характеристика работы

Актуальпость работы. Последние. годы характеризуются интенсивным внедрением в сферу управления различными промышленном процессами микропроцессорных устройств. При этом в области с преимущественно дискретным характером управления применяются программируемые контроллеры (ПК) с упрошенным языком программирования; в области с преимущэстеенно непрерывным характером управления применяются распределенные средства управления на базе микропроцессоров с современными языками программирования реального времени типа АДА, Си, Модула и др. Вместе с тем существует класс процессов, для ' которых требуется дискретно-непрерывное управление, т.е. сочетаются задачи из упомянутых двух областей. Это, например, процессы управления робото-технологическими комплексами дискретно-непрерывного типа (РТК/ДН). Исследований по оптимальному выбору микропроцессорных устройств управления (типа ПК) для такого рода процессов и поиска комплексного подхода, позволяющего ускорить процессы подготовки и отладки управляющих алгоритмов для РТК/ДН, не проводилось.

В связи с этим актуальной является задача исследования специфики состава и поведения таких объектов, представление их функционирования с помощью моделей, реализация программного и аппаратного обеспечения, опирающихся на выбранную модель.

Цель работа. Разработка моделей функционирования и методов проектирования алгоритмов управления РТК/ДН ; разработка. языков программирования эффективно представляющих эти алгоритмы; разработка программного и аппаратного обеспечения на базе микропроцессорных средств, поддерживающих работу в данных языках программирования.

В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертации являются:

- исследование структурной организации и принципов

функционирования РТК/ДН;

- исследование и анализ моделей дискретной и непрерывной составляющей функционирования РТК/ДН с целью выбора типа модели;

разработка основных принципов представления функционирования РТК/ДН с помощью выбранной модели -графа операций, представляющего из себя "нагруженную" сеть Петри;

- исследование и разработка подхода к построению правильных сетей Петри, составляющих''костяк''графа операций;

- исследование и оценка представления графа операций и других граф-моделей с помощью языков типа релейно-контактной символики (РКС) у языков автоматной группы;

- разработка базового языка "среднего** уровня для представления графа операций;

- выбор и адаптация (с использованием подходов, реализованных в базовом языке) к целям управления РПС/ДН языка высокого уровня;

разработка программных и аппаратных средств реализации выбранных языков с учетом требований к текущему процессу управления РТК/ДН и условиям работы в цеху.

Нетоды исследования. В работе использованы методы теории сетей Петри, алгебры Буля, системного программирования.

Научная новизна работы заключается в:

- использовании графа операций на базе сетей Петри для представления функционирования РТК/ДН

- разработке метода конструирования (построения) правильных сетей Петри, образующих "костяк" графа операций, на основе типовых блоков

- разработке языка "среднего" уровня, автоматного типа для представления графа операций

- использовании и адаптации к задачам управления РТК/ДН языка высокого уровня - диалоговой системы структурированного программирования (ДССП)

- разработке микрокомпьютера для ПК, исключившей с использованием принятых подходов необходимость в аппаратном

ускорении битовых операция.

Практическая ценность работы. Использование графа операций для отображения функционирования РТК/ДН позволяет

- создать единый уровень общения и обсуждения проблем проектируемого РТК/ДН для специалистов различного профиля -механиков, электриков, программистов;

- снизить трудоемкость и сроки проектирования программ управления и их отладки, облегчить, при необходимости, передачу работы над программой другому специалисту.

Применение языка "среднего" уровня позволило упростить средства ввода и -отладки программ до простого малогабаритного пульта.

Применение языка высокого уровня позволило в необходимых случаях решать задачи, связанные с измерением быстропротекавщих непрерывных процессов и с отображением технологической информации на мониторе.

Введение на системном уровне аппарата временного контроля движения механизмов дало возможность ускорить определение причины нештатной остановки функционирования объекта.

Упрощение структуры микрокомпьютера позволило реализовать его в габаритах одной платы, что привело к улучшению ремонтопригодности и к: увеличению надежности этого центрального блока ПК.

Реализация результатов работы. На основе проведенных исследований при участии автора разработано программное и аппаратное обеспечение программируемого контроллера ПК-85. Партия этих контроллеров изготовлена на Черниговском радиоприборном заводе в 1989 - 1930 гг.

На базе контроллеров ПК-85 были разработаны станции управления, написаны и отлажены управляющие программы с использованием моделей и методов, изложенных в работе, для следующих робото-технологических комплексов дискретно-непрерывного типа:

1. Автоматическая линия изготовления модельных блоков: 62001; 2. Автоматизированная линия для изготовления обуви :

Л1.6-Д; 3. Автоматизированный комплекс для литья под давлением: А711И08; 4. Гибкий производственный модуль для литья под давлением: ГПМ711Е08.

Апробация работа. Основные результаты работы докладывались на республиканской научно-технической конференции, Кишинев, '1984 г, на научно-технических семинарах лаборатории 50 Института проблем управления в 1987-1990 гг.

Публикации. По теме .диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Объем диссертации: 132 стр. текста, содержит 21 стр. рисунков, список литературы на 6 стр. и приложения на 73 стр.

СОДЕРЗАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формируются цели и решаемые в ней задачи, раскрываются научная новизна и практическая ценность работы, приводится общая характеристика работы.

В первой главе исследуются особенности робототехнологических комплексов дискретно-непрерывного типа (РТК/ДН) как объектов управления. Робото-технологическим комплексом дискретно-непрерывного типа называется совокупность единицы технологического оборудования 4 в которой происходит некоторый физико-химический процесс получения изделия (впрыск,кристаллизация,пластикация и т.д.), промышленных роботов и средств оснащения, автономно функционирующая и осуществляющая многократные циклы.- В качестве РТК/ДН могут выступать комплексы литья из цветных сплавов, комплексы литья обуви из полимерных материалов, комплексы на базе термопластавтоматов и т.д.

На рис. 1 приведена структурная схема объекта управления типа РТК/ДН.

1ДЛДМДТД1 1ДТН11ДПР 1 1 11111 Л.1 .....

ОУ/ДН ) •У/ДН

Лп Д-п ИМД ИМН 1 .

. Рис.1.Структурная схема автоматизированной системы РТК/ДН.

Здесь, наряду, с дискретными датчиками положения (ДПД) и технологических параметров (ДТД), применяются также датчики технологических параметров непрерывного типа СДТН -давления, температуры, усилия), датчики перемещения (ДПР) и датчики управления перемещением (ДУП). Вместе с исполнительными механизмами дискретного типа (ИМД - на базе гидропривода и пневмопривода с использованием золотниковых клапанов) могут использоваться механизмы непрерывного типа (ИМН - на базе электропривода или гидропривода с использованием пропорционального клапана).

Отмечается, что в качестве устройства управления (УУ/ДН) все шире применяются программируемые контроллеры.

Рассмотрены принципы функционирования РТК/ДН. Центральным7 является понятие операции - развернутого во времени целенаправленного действия, которое характеризуется своей целью и способом достижения этой цели. В РТК/ДН есть два типа операций - операции механического перемещения и операции управления технологическими режимами. Определены простые и сложные операции.

Операции на объекте управления инициируются дискретными - У1 (0/1) или непрерывными - Р1 воздействиями со стороны УУ/ДН. Окончанию операции сопоставляется логическая функция р(Х,Н,2,В), где X - подмножество сигналов (0/1) от дискретных датчиков; Н - подмножество

)

сигналов (0/1), вырабатываемых по истечении заданных интервалов времени; Ъ ~ подмножество сигналов (0/1), вырабатываемых по достижению датчиками технологических параметров заданных граничных' значений; В - подмножество (0/1) пронумерованных битов, используемых как память о событиях.

На множестве операций определены отношения следования и параллелизма. Процесс в РТК/ДН представляет из себя множество операций, на котором заданы бинарные отношения следования и параллелизма. Дискретное управление в этом процессе обеспечивает инициирование операций и следование от одной операции к другой. Непрерывное управление обеспечивает в процессе выполнение некоторых операций по определенному закону (ход операций).

Отмечена необходимость текущего контроля протекания процесса. Раскрыто назначение средств оператора (СО), позволяющих оказывать влияние на протекание процесса.

Во второй главе рассматриваются модели, которые могут быть применены для описания функционирования РТК/ДН.

Отмечается, что модель может быть использована:

1. Как исходное задание (спецификация) для проектирования РТК/ДН или для составления текста программы (в случае использования микропроцессорных средств).

2. Для анализа корректности процесса.

3. Как часть эксплутационной документации для ознакомления обслуживающего персонала с процессом функционирования РТК/ДН.

Из двух возможных подходов к построению моделей : на базе формальных текстовых языков; на базе граф-моделей -выбран второй в силу большей наглядности.

Особенностью функционирования РТК/ДН является необходимость отображения в них как дискретной, так и непрерывной составляющей процесса.

Так как условия смены операций при функционировании РТК/ДН всегда могут быть выражены в виде булевых функций от логических переменных , в качестве ведущей составляющей

модели используется дискретная граф-модель с отображением непрерывной составляющей процесса в виде нагрузки на вершины графа.

Под граф-моделью дискретной составляющей процесса понимается помеченный ориентированный граф, элементы которого (вершины, дуги, пометки вершин и дуг) отображают операции процесса и существующие между ниш временные связи - отношения следования и параллелизма.

рассмотрены примеры известных граф-моделей: автоматной системы взаимосвязанных графов .(АСВГ), дологических автоматов, граф-схем взаимодействия параллельных процессов; отмечено также применение А-сетей и языка операторных схем с памятью (ОСПАЛ).

Более подробно изложены сведения о маркированных сетях Петри - граф-моделях, дающими возможность не только отображать взаимосвязи между операциями, но и позволяющими отслеживать динамику процесса с помощью изменения , так называемого, маркирования графа. Определены правильные сети Петри, отвечающие условиям "безопасности" и "живости'.'

Принято решение об использовании сетей Петри для отображения дискретной составляющей функционирования РТК/ДН как модели наиболее полно сочетавшей свойства наглядности и возможности проверки правильности (коректности) процесса.

Рассмотрены способы построения моделей непрерывной составляющей функционирования РТК/ДН, для чего, в частности, могут быть использованы методы идентификации технологических процессов. Подчеркивается, что одним из важнейших моментов обеспечения хорошего качества изделия является поддержание технологических параметров в заданных пределах.

В конечном счете, мы должны объединить дискретную и непрерывную составляющие подели в единую модель - граф операций.

Граф операций представляет из себя нагруженную сеть -тройку <N,1^ ,Е2>, где N - правильная сеть Петри;

£ : Р-^ё) помечающая функция позиций сети (над алфавитами У и

Г, элементам которых сопоставлены исполнительные воздействия (дискретные и непрерывные)) и Х^Т^Х помечающая функция переходов сети (над алфавитом X, элементами которого являются логические переменные из которых формируются булевые функции, определяющие условия окончания операциии, инициированной исполнительным воздействием). Используются пустые символы : в алфавитах У и Г - а, обозначающий отсутствие действия; в алфавите X - к, обозначающий тождественно истинную пометку перехода.

Математическая модель непрерывной составляющей функционирования РТК/ДН присутствует в графе операций в неявном виде в виде пометки верами сети Петри, обеспечивающей поддержание параметров в заданных пределах.

С целью большей взаимоувязанное™ со всеми специалистами, принимающими участие в разработке РТК/ДЙ, принято решение для пометок вершин графа использовать систему обозначений, принятую для датчиков и исполнительных механизмов в электрических и гидравлических схемах объекта управления; при этом номер канала устройства управления должен совпадать с номером соответствующего ему датчика или исполнительного механизма на объекте управления.

Датчики - общее обозначение Х±: -дискретный датчик положения; БА1 - переключатель, БВх - кнопка.

Исполнительные механизмы - общее обозначение У±: УАх -электромагнит, Шл - лампа индикации, Е\?1 - катушка реле.

Кроме этого, введены соглашения, позволяющие отображать на графе работу с векторными наборами датчиков и исполнительных механизмов, памятью логических и числовых переменных; работу с таймерами.

Приведенному в 1ой главе понятию операции, как вытекает из определения графа операций, соответствует связка позиция-переход.В связи с возможностью различного рода сочетаний датчиков и исполнительных механизмов дискретного и непрерывного типа выделяется четыре типа операций-рис.2:

РИС.2 Типы операций в РТК/ДН по признаку сочетания датчиков и исполнительных механизмов.

Здесь; V44.V57- заданные числовые значения для датчиков перемещения; al- ускорение по 1оя координате; vl- заданная скорость по 1ой координате; +cl- инициирует перемещение по 1ой координате в положительном направлении.

Кроме того, введена классификация операций по признаку выполнения - рис.3:

Pi

YA104

SQ17

•h

Рг

SQ21 Рз

SQ27 Р4

t,

SQ3

УА106= SQ13

■Н

Y AI 05 = SQ42

'h

Y Al 10 В1ЭО

B1 30-~SQ24:

^ ь2 <-3

Рис.3 Типы операций в РТК/ДН по признаку выполнения.

Здесь с позицией рх связывается безусловное выполнение, с позицией р2 - условное выполнение,' с позицией Рз - следящее выполнение, выделяемое двойной чертой сверху и снизу (УА105 - "отслеживает" значение Б042 = 0/1 до тех пор, пока не сработает переход 13) и р4 - смешанное выполнение.

Рассмотрен иерархический подход к представлению модели, позволяющий главные особенности функционирования модели отображать на "старшем" уровне с дальнейшей постепенной детализацией.

Для полного учета особенностей функционирования РТК/ДН необходимо найти формы отображения в модели текущего контроля и возможных прерываний процесса, а также представление наладочного режима и переходов между рабочим (основным) и наладочным режимами.

С этой целью в работе предлагается использование совокупности трех графов: 1. Управляющий граф; 2. Рабочий граф; 3. Граф наладки.

Управляющий граф - предназначен для отображения взаимопереходов между рабочим и наладочным режимами, а

также для отображен/я нештатных ситуаций и реакции на них во время протекания указанных процессов; Рабочий грай -представляет из себя модель атоматического и/или полуавтоматического функционирования РТК/ДН; Граф наладки -представляет из себя модель режима, в котором оператор с помощью переключателя или кнопкиможет выполнить любую заданную операцию.

Подробно разобран обобщенный пример, раскрывающий функционирование совокупности таких трех графов.

В третьей главе исследуется проблема построения правильных Ливых* и "безопасных*) сетей Петри, составляющих 'костяк"графа операций.

Общие методы анализа сетей Петри, основанные на построении графа достижимых маркирований либо решении матричных уравнений, имеют экспоненциальную сложность и затруднительны для практического использования. Это обстоятельство побудило исследователей заняться поиском классов заведомо правильных сетей Петри и построении процедур, позволяющих "конструировать" (синтезировать) правильные сети.

Такое конструирование ведется путем подстановки в некоторую исходную "фундаментную" сеть Петри хорошо сформированных двухполюсных блоков.

Пусть имеется сеть Петри Ы=<Р,Т,Г,Мо>, где Р=<р1/1=1,п> - множество позиций, Т=<11/1=1,ш> - множество переходов, РГСГ=0, Г=РхШГхР^0,1> - функция инцидентности, Мо:Р=»<ОД> -начальная маркировка.

Сеть N называется двухполюсным блоком, если в ее двудольном графе содержатся две и только две вершины уь,иге{Р1Я} такие, что *уь=0 (входной полюс блока), -(выходной полюс блока), где - соответственно

множество входных и выходных вершин относительно

По виду периферийных элементов - полюсов различаются РР-,ТТ-,РТ-,ТР- блоки. Примеры РР- и ТГ- блоков приведены на рис.4 (а и б).

а) б)

Рис.4. Примеры РР- и ТТ-блоков (и их замыканий).

Определены замыкания приведенных блоков путем связывания выходной и входной вершины (на рис.4а,46 -показаны пунктиром ).

Блок называется хорошо сформированным, если его замыкание представляет собой правильную, т.е. "живую" и "безопасную"сеть Петри.

Правильные сети Петри конструируются путем подстановки в исходную правильную сеть (вместо ее элементов) хорошо сформированных блоков: вместо перехода 1«. сети N подставляется ТТ-блок (13=»ТТ-блок) .далее: р3=>РР-блок, фрагмент р«-1.г=»РТ-блок, фрагмент 1гр3=»ТР-блок. Определена начальная маркировка позиций, принадлежащих блоку, в сети, образованной в результате подстановки. Сети, получаемые в результате таких подстановок, являются правильными и' называются хорошо сформированными сетями.

Определяется один из классов хорошо сформированных сетей Петри через предварительное введение понятий А-, П-, М- и С-блоков.

Хорошо сформированный блок называется автоматным (А-блоком), если для любого его перехода не являющегося полюсом, имеет место |*М = |1,*|=1. Примером автоматного блока является блок, приведенный на рис.4а.

Под П-блоком понимается хорошо сформированный ТТ-блок, в котором УреР, *р=1ь, р*=1г„ Обобщением П-блока является блок типа ациклического маркированного графа (М-блок), в котором для каждой позиции, не являющейся полюсом, имеет место |*г|=|р*|=1. Примером маркированного блока является

блок, приведенный на р/с.46.

Приведены правила хорошей сформированное™ определенных таким образом блоков.

Практика показала, что приведенных блоков достаточно для построения сетей, отображающих поведение РТК/ДН; при этом А-блоки моделируют следование и альтернативность операций; М-блоки - следование, параллелизм и синхронизацию операций. Однако с целью большей наглядности предлагается использовать также, так называемые стандартные блоки (С-блоки), позволяющие компактно отображать некоторые специальные (стандартные) режимы работы РТК/ДН.

С-блок - это блок общего вида с одним входным и одним выходным полюсом, не являющийся ни А-, ни П-, ни М-блоком. Более строго , для С-блока выполняется соотношение: УдеР^еГ <|«р1|>1^|ру|>1>& <!П^!>1-|^*|>1>.

Таким образом может быть наработана "библиотека" стандартных блоков, правильность которых проверяется один раз - при включении в библиотеку - с использованием общих методов анализа сетей Петри.

Примером С-блока может служить ТР-блок на рис.5.

Р1 ^г Рг ^-з

■ Ч г¡—»ЕЬ?Ь-ПР5 Н Рз й Р±£ |15 цЗ

Рис.5 С-блок.

Блок моделирует возможность отображения постепенной деградации при работе РТК/ДН, когда в работу могут включаться или исключаться средства механизации. В данном примере после срабатывания перехода Ц активизируются позиции р: и р3. В позиции Р!, помеченной символом а (пустая операция), определяется будут ли операции главного процесса (р3 и р4) выполняться совместно (при срабатывании перехода с параллельной операцией (р2) или нет (при срабатывании перехода

На базе приведенных блоков определен класс АМС-сетей, и

приводится утверждение, что любая АМС-сеть, построенная в соответствии с рассмотренными правилами, является корректной (""живой* и "безопасной).

Еще одна особенность работы РГК/ДН - обратный ход (вывод в исходное положение) средств механизации после совершения в параллельном режиме основного рабочего действия - моделируется в сетях с помощью вставки позиции (прямой и обратной).

-'Вставка позиции определена для любой правильно упорядоченной пары переходов некоторого.правильного

блока. Пару переходов Ч.Ц будем называть правильно упорядоченной, если в каждой последовательности 1е Ь (здесь 1- некоторая последовательность сработавших переходов рассматриваемого блока, а Ь- множество таких последовательностей) содержатся оба этих перехода, и притом по одному разу, и переход Ц предшествует переходу Ц. Таким образом определенная вставка не нарушает правильности сети. Пример прямой и обратной вставки (пунктир) приведен на р/с.6:

Рис.6 Прямая и обратная вставка позиции.

Вместе со вставкой мы, в итоге, получаем класс хорошо сформированных АМСВ- сетей (автоматные, маркированные, стандартные сети со вставкой позиции).

С целью последующей реализации алгоритмов, в основе которых лежат сети Петри, представляет интерес выделение на них параллельных ветвей, которым в дальнейшем будут сопоставлены некоторые ресурсы микропроцессорных средств. Параллельной ветвью будем называть путь на сети, начало которого определено на одном из переходов, из которого

выходит более чем одна позиция, а конец лежит на переходе, в' который заходит более чем одна позиция. В работе приведены алгоритмы разбиения М- и С-блоков на параллельные ветви. Пример разбиения М-блока на три параллельные ветви (номера ветвей - внутри позиций) можно видеть на рис. 46.

В четвертой главе рассмотрены основные принципы представления графа операций языком программирования.

Проанализированы два варианта реализации графа оппераций на микропроцессорных средствах. В первом - граф преставляется системой булевых уравнений, а при реализации организуется их последовательное сканирование. Во втором -на графе предварительно определяют параллельные ветви, для которых во время реализации выделяются ресурсы (отдельные процессоры .или области памяти вместе с квантом времени). Показано, что для второго случая время сканирования (время полного просмотра системы булевых уравнений или' всех активных параллельных ветвей) для реальных графов на два порядка меньше, чем в первом случае. В силу этого обстоятельства в настоящей работе выбран второй подход.

Отмечается, что в настоящее время среди языков программирования, предлагаемых различными фирмами, преобладают языки релейно-контактной символики и функциональных схем, эквивалентных в смысле реализации система булевых уравнений. Вместе с тем, постепенно укореняется мнение, что эти языки, порожденные периодом массового перехода от релейных схем к программам на программируемых контроллерах, не имеют перспективы и будут постепено вытесняться "автоматными" языками, непосредственно коделирующиш структуру графа.

Кратко рассмотрены примеры существующих "автоглатных" языков программирования: ЯРУС-2, ПРАЛУ, РКЬ.

В связи с широким набором требований, предъявляемых к задачам управления РТК/ДН, было принято решение об использовании двух языков программирования: языка уровня цнекокода для основных задач дискретно-непрерывного управления РТК/ДН с простыми средствами ввода и отладки

програмы и языка высокого уровня с развитыми возможностями обработай данных для задач, связанных с вводом/выводом информации на монитор и/или задач, связанных с измерением быстропротекающих процессов.

В качестве первого языка был разработан язык ПАТ (параллельный ассемблер технологии), в полной мере учитывающий специфику управления РТК/ДН. Были введены специальные соглашения по дополнительной пометке некоторых позиций графа операций, которым на уровне языка были поставлены в соответствие: метки для инструкций перехода, подпрограммы, параллельные процессы, биты памяти (как средство синхронизации параллельных процессов).

В состав языка были введены следующие группы операций: исполнительные операторы и операторы обработки данных (сопоставляются нагрузке позиций); операторы опроса (сопоставляются нагрузке переходов); управляющие операторы (сопоставляются графическим возможностям по передаче управления сети Петри, лежащей в основе графа операций с дополнительной пометкой, рассмотренной выше).

Приведем программу в языке ПАТ элементарного графа с рис.3:

1 шаг

ВВ+104 ЕУ+017 ЕУ+013 ЕУ+021 ЕУ+042 ЕУ+027 Отметим,

ПВ

ВВ+105 ПВ

ВВ+105 ПВ

что

РЗ

шаг

2 шаг

3 шаг

ВВ+110 ЕУ+024

БО ВП+130 ЕУ+030 ПВ

ВП-130 1 4 шаг

БЗ

на графе

программы соответствует позиции с выходящим из нее переходом.

Здесь используются следующие операторы: ВВ - Включить Выход: подать напряжение на соответствующий числовому значению операнда; показывает желаемое состояние: "+"-воючить, выключить.ЕУ - Если Условие: опрашивает канал дискретного

канал, знак

ввода "+"- на включенное состояние,

"-на отключенное

состояние ЕП - - Если Память: аналогично ЕУ, но для бита

памяти. Щ - Приостанов ветви: если результат выполнения предшествующего оператора опроса отрицательный, происходит приостановка ветви, при этом .пауза до последующего обращения к этому участку программы используется для обслуживания параллельных ветвей (процессов); при положительном' результате опроса управление передается оператору, следующему за ПВ. £2 - Разрешить Загрузку: сменяет начало участка программы при повторных обращениях после паузы, следующей за выполнением ПВ. БО..,БЗ - Блок открыть...Блок Закрыть: операторные скобки - если результат оператора опроса перед скобками положительный, то выполняется группа операторов, заключенная в скобки, иначе - нет.

Язык ПАТ включает в себя как подмножество группу инструкций, позволяющих писать программы, эквивалентные языкам РКС.

Рассмотрен пример старшего графа операций, отображающего функционирование робото-технического комплекса литья под давлением и перевод его в программу на языке ПАТ.

В качестве языка высокого уровня был выбран язык РАЯ (на базе словарной организации FORTH), функционирующий в диалоговой системе структурированного программирования (ДССП) и разработанный в проблемной лаборатории ЭВМ, МГУ.

ДССП - представляет собой эмулируемый на микрокомпьютере традиционной архитектуры двухстековый процессор (ДССП-процессор), отличающийся возможностью неограниченного наращивания операций путем определения новых процедур, а также наличием команд структурированного управления. Средства структурирования программ сочетаются в ДССП с диалоговым функционированием: все ресурсы системы и любые фрагменты создаваемой или используемой программы доступны программисту непосредственно с терминала во внешнем представлении, т.е. на языке высокого уровня. Благодаря сочетанию структурированного программирования и диалога достигается увеличение производительности труда

программиста. При этом машинная эффективность программ в ДССП лишь в два-три раза ниже, чем программ на ассемблере.

В рамках данной работы было произведено расширение языка путем введения новых процедур (операторов), эквивалентных исполнительным и управляющим операторам, • а также операторам опроса языка ПАТ; введена возможность простого задания необходимой текстовой и числовой информации при вводе/выводе на монитор. Для работы с быстропротекающими процессами подготовлены подпрограммы в машинных кодах, работающие по прерываниям. С целью экономии памяти (за счет удаления системной части) совместно со специалистами МГУ разработана, так называемая, двухмашинная версия подготовки и отладки программ в ДССП, включающая в себя инструментальную (типа IBM) и целевую (на управляющем устройстве) машины.

В пятой главе рассмотрены архитектурные и программные аспекты микропроцессорных средств управления РТК/ДН. В качестве такого средства выбрана архитектура програмируемого контроллера (ПК).. Благодаря принятой ориентации на реализацию в контроллере автоматного языка и. связанной с этим экономии вычислительных ресурсов, удалось избежать необходимости применения битового процессора,, ипользуемого в контроллерах с языками группы релейно-контактной символики

На базе приведенного подхода при участии автора настоящей работы был разработан проект программируемого контролера ПК-85, обобщенная структура которого приведена на рис.6

Магистраль

Рис.6 Структура ПК-85. Здесь: МК- микрокомпьютер, ПКО- пульт контроля и

отладки, ЙРПС- последовательный радиальный интерфейс, ВК-внешний компьютер, ДВв- дискретный ввод, ДВыв- дискретный вывод, АВв- аналоговый ввод, АВыв- аналоговый вывод.

-В работе приведена также блок-схема микрокомпьютера, раскрыт полный состав модулей, входящих в ПК-85. Партия контроллеров ПК-85 была изготовлена на Черниговском радиоприборном заводе в 1989-1990 гг. .

Для обеспечения надежной работы в промышленных условиях с высоким уровнем помех введена программная избыточность на уровне операторов языка и системной поддержки. Это, в частности, оправдывает соображения в' пользу выбора реализации ПАТ в режиме интерпретации (а не компиляции), так как, помимо выигрыша в оперативности отладки программ, относительно снижается проигрыш в быстродействии по сравнению с компиляцией.

Приводится характеристика языка ПАТ и среды его функционирования (ОС "ЦИКЛ"). Рассмотрена организация работы параллельных процессов в ОС "ЦИКЛ", где может, выполняться до 16 процессов (ветвей). Каждому процессу сопоставлена своя область памяти - дескриптор ветви, сохраняющий текущую информацию о процессе при приостановке ветви.

Отмечается, что в процессе управления присутствуют задачи текущего контроля, выполняющиеся в режиме, эквивалентном просмотру системы булевых уравнений (РКС). •Так как, с одной стороны, в этих задачах нет высоких требований по быстродействию и, с другой стороны, для сохранения приемлемого времени сканирования при управлении основным процессом функционирования РТК/ДН - введен аппарат "медленных" ветвей (4 ветви), в которых реализуются указанные задачи.

В целом диаграмма распределения • процессорного времени приведена на рис.7.

а)Прерывания ^ от таймера

б)Выполнение „быстр- ветвей

в)Выполнение медл. ветвей

г)Программы пбддёржки 0

1 1 ! 1 ! 1_ -; ! 1

[_ 1 1 )

1 2 3 4 5 6 7

Рис.7 Диаграмма распределения процессорного времени в ПЕС-85 (вертикальные линии = таймер 10 мс).

Здесь присутствуют четыре системных процесса с разным временем обслуживания:

а) Прерывания от таймера (10 мс)- решаются задачи обслуживания модулей ввода/вывода, ведется подсчет числа прерываний, поддерживается работа с зондом в случае вхождения ПК в локальную сеть.

б) Выполнение быстрых ветвей (20-100 мс) - организуется работа 16 параллельных ветвей, причем за один цикл просмотра (скан) обслуживаются все шестнадцать ветвей.

в) Выполнение медленных ветвей (100-1000 мс) Выделяется квант времени для выполнения части программы из медленной ветви, т.е. за каждый новый скан выполняются последовательные участки программы.

г) Программы поддержки (-300 мс) - организуется текущий контроль выполнения программы, выполняется работа с таймерами языка ПАТ, работа с ПКО, возобновляется зонд связи (при его потере).

Для организации эффективной работы с импульсными датчиками и электроприводом введены "макрооператоры. При этом в первом случае счет импульсных сигналов (на вычитание - при заданной уставке) выполняется в модуле счета, а по достижению в счетчике значения "О** организуется прерывание с передачей управления на заданное место обработки, что обеспечивает быструю реакцию на это событие. Во втором случае введен в' использование дескриптор привода, позволяющий задавать в числовых кодах ускорение и скорость механизма, причем ускорение отрабатывается по плавной кривой, что обеспечивает отсутствие "рывков" при работе с

электроприводом.

С целью ускорения поиска причины "нештатной" остановки функционирования объекта управления реализован аппарат контрольных таймеров (на уровне дескриптора ветви). При этом в начале каждого перемещения (что соответствует шагу в программе) запускается контрольный таймер длительностью 5 сек; и при отсутствии перехода, к следующему движению (шагу) организуется анализ текущего шага программы с выдачей на ПКО номеров каналов дискретных датчиков, ожидаемых на данном шаге.

Приведены принципы объединения контроллеров в локальную сеть, которая организуется с использованием двухканальных модулей связи (стандарт ИРПС). Рассмотрены сосредоточенный (в едином шкафу) и расредоточенный варианты расположения контроллеров. Определены правила дополнительной пометки графов операций, позволяющих избежать декомпозиции графа на подграфы, согласно их привязке к различным ПК в локальной сети. Рассмотрены языковые и системные вопросы организации связи, позволяющие обеспечить связь с использованием того же самого компьютера, который обеспечивает управление процессом, в режиме разделения времени.

Основные результаты работы.

1. Проведены анализ и исследование основных принципов функционирования дискретно-непрерывного класса объектов -робото-технологических комплексов дискретно-непрерывного типа (РТК/ДН).

2. На основе анализа дискретной и непрерывной составляющей функционирования РТК/ДН разработаны подходы к представлению указанного функционирования в виде графов операций - помеченных сетей Петри.

3. Рассмотрены, систематизированы и расширены конструктивные методы построения правильных сетей Петри с использованием ограниченного набора типовых блоков.

Разработан проблемно-ориентированный язык уровня мнемокода - ПАТ (параллельный ассемблер технологии).

5. Произведено расширение и доработка языка РАЯ, включающее в себя основные структуры языка ПАТ, а также пакет программ для работы с монитором.

6. При участии автора разработан проект программируемого контроллера ПК-85 . Разработано программное обеспечение поддержки функционирования языка ПАТ.

7. Разработанные методы, программное обеспечение и аппаратура использованы при создании управляющих станций и разработки для них прикладных программ управления различными робото-технологическими комплексами дискретно-непрерывного типа.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Арабаджи В.И., Дружинин В.А. Применение микроэвм для управления и контроля в машинах литья под давлением /МЛПД/. Управляющие мини и микроэвм и их применение в народном хозяйстве. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции. 29-31 мая. Кишинев, 1984г. с.14.

2. Арабаджи В.И., Дружинин В.А., Кочкин C.B., Шнур И.К. Микропроцессорная система сбора, и отображения

'технологической информации // Механизация и автоматизация производства, 1988, Ы 5. с. 16-17.

3. Арабаджи В.И., Дружинин В.А., Шнур И.И. Системы управления гибкими производственными модулями литья под давлением // Литейное производство. 1988. N 11. с.20-21.

4. Арабаджи В.И., Дружинин В.А., Фалелеев В.А. 'Микропроцессорные средства управления технологическим оборудованием //Литейное производство. 1992. M 6. с. 12-13.

5. Дружинин В.А., Юдицкий С.А. Конструирование хорошо сформированных сетей Петри из типовых блоков. АиТ, 1992, 11, с.115-121.

Зак. 682. Ткр. 100.

11780В. Москва ГСП-7. Профсоюзная, 65. Институт проблем управления