Донбасская государственная машиностроительная академия
Кафедра автоматизации производственных процессов
Цифровые системы управления и обработки
информации
Модуль 1
Организация и программирование систем ЧПУ
Конспект лекций
(для студентов специальности “Автоматизированное
управление технологическими процессами”)
Краматорск 2013
УДК 681.142.2
Цифровые системы управления и обработки информации. Конспект лекций. Модуль 1: Организация и программирование систем ЧПУ. (для студентов специальности 7.05020201 “Автоматизированное управление технологическими процессами”) / Сост. А. А. Сердюк. - Краматорск: ДГМА, 2013. – 162 с.
Излагаются особенности проектирования современных систем ЧПУ. Освещается архитектурная организация систем ЧПУ. Приводятся методики проектирования информационной модели систем ЧПУ и разработки программного обеспечения систем ЧПУ.
Составитель А. А. Сердюк, доц.
СОДЕРЖАНИЕ
1 ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ
СИСТЕМ ЧПУ 5
1.1 Задачи числового программного управления станками 5
1.2 Варианты архитектурной организации современных систем ЧПУ 6
1.3 Варианты реализации открытой архитектуры систем ЧПУ 13
1.4 Организация связей между компонентами системы управления 17
1.5 Особенности реализации стандартов в системах ЧПУ 19
1.6 Реализация интерфейсных OPC в системах ЧПУ 23
1.7 Сущность производственных стандартов STEP 28
1.8 Разработка управляющих программ в стандарте STEP-NC 30
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ 36
2.1 Управление процессами операционной системой ЧПУ 36
2.2 Состав информационной модели 41
2.3 Система ЧПУ и объект управления как функциональный автомат 43
2.4 Языки программирования и управление систем ЧПУ 45
2.5 Анализ кадра управляющей программы 48
2.6 Пример проектирования управляющей таблицы МП-автомата 49
3 МЕТОДЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИКОЙ 52
3.1 Применение метода маскирования 52
3.2 Метод бинарных программ (разложение в ряд Шеннона) 53
3.3 Метод адресных переходов 54
3.4 Метод маскирования многоместных логических функций 56
3.5 Формализм описания сложных автоматических циклов 58
3.6 Графическое представление параллельных процессов сетью Петри 63
3.7 Формальное определение сети Петри 65
3.8 Применение сетей Петри для моделирования 67
3.9 Разработка сети Петри для моделирования цикла автоматической смены инструмента 70
3.10 Моделирование процесса управления гибкими производственными модулями (ГПМ) 73
4 РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ 75
4.1 Базовые понятия 75
4.2. Координатные оси и координатные системы 77
4.3 Программирование интерполяции 85
4.4 Сплайновая интерполяция 100
4.5 Что дает применение сплайновой интерполяции? 104
5 МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЧПУ 107
5.1 Анализ целей и задач модернизации 107
5.2 Модернизация станков ЧПУ на базе систем ЧПУ SINUMERIK 112
5.3 Разработка структурной схемы системы ЧПУ станка и её конфигурирование 121
5.4 Разработка алгоритмов программного обеспечения 129
6 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ И КОМПОНЕНТОВ SIMODRIVE 133
6.1 Общая характеристика двигателей 133
6.2 Обзор датчиков 135
6.3 Обзор приводных модулей SIMODRIVE 139
6.4 Модули питания 145
7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИВОДА SIMODRIVE 148
7.1 Принципы выбора двигателей, датчиков и плат управления 148
7.2 Косвенная регистрация положения с аналоговым и цифровым интерфейсами 150
7.3 Прямая регистрация положения с аналоговым управлением 152
7.4 Прямая регистрация положения с цифровым управлением 155
7.5 Выбор и подключение модулей структуры привода 158
ЛИТЕРАТУРА 162
1 Особенности проектирования современных систем чпу
1.1 Задачи числового программного управления станками
Задачи программного управления определяют спецификацию функций, которые должна выполнять система управления.
В общем случае перечень этих функций может представлять сотни позиций, однако большинство функций формируется как бы автоматически, согласно сформированным представлениям и опыту проектирования систем ЧПУ по сравнительно небольшому перечню основных требований.
В зависимости от сложности технологических процессов и задач управления системы ЧПУ можно разделить на четыре группы:
простые системы с минимальным набором функций, которые используются для управления автоматикой в манипуляторах, пилах, подъемниках, штамповочных молотах и др.;
системы со стандартным набором функций, например, устройства ЧПУ для токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных станков, в которых предусмотренные стандартные программное и аппаратное средства, которые удовлетворяют большинства требований потребителей;
системы с гибкими возможностями для уникального оборудования, которые разрешают управлять большим числом координат, создать оптимальную конфигурацию системы управления и отличаются широким спектром функций;
системы, объединенные в локальные вычислительные сети с несколькими операционными системами, предназначенные для решения задач комплексной автоматизации участка или цеха.
Приступая к проектированию системы программного управления, необходимо, в первую очередь, изучить технологические процессы, проанализировать их особенности и недостатки, которые следует устранить, сформулировать требования к техническим и программным средствам.
На основе подготовленных требований формулируется структура задач ЧПУ, что в общем случае сводится к следующему.
Терминальная задача. Она содержит в себе ряд функций:
введение управляющих программ, анализ их корректности, редактирование и хранение программ;
общение с оператором, задание необходимых режимов работы;
тестирование и диагностика;
обеспечение связи и взаимодействия с другими системами.
Логическая задача. Эта задача содержит в себе функции:
управление автоматикой (количество устройств автоматики на оборудовании средней сложности достигает нескольких сотен единиц);
сбор и обработка информации от датчиков о состоянии объекта;
чтение пульта, вывод сообщений на пульт.
Геометрическая задача. Эта задача включает функции программного управления координатными движениями, регулирование параметров технологической системы, компенсация нелинейностей и др.
Решение каждой задачи требует конкретизации функций прикладной компоненты NC.
1.2 Варианты архитектурной организации современных систем чпу
Классификация архитектурных решений позволяет проследить эволюцию ЧПУ, а также понять содержание структурных преобразований систем ЧПУ. Системы ЧПУ, которые выпускаются в настоящее время можно разделить на две группы:
Программно-аппаратные системы CNC. Эти классические системы выпускаются лишь фирмами, которые имеют опыт разработки собственной высококачественной микроэлектронной аппаратуры. В настоящее время фирмы предлагают модификацию классической системы с персональным компьютером, который используется как терминал для удовлетворения нужд пользователей, желающих иметь гибкий интерфейс оператора.
Однокомпьютерные и двухкомпьютерные системы PCNC. PCNC-система содержит две компонента - терминальную (PC) и прикладную (NC). Каждая из компонент реализована или на отдельном компьютере (двухкомпьютерный вариант), или на одном компьютере, в котором на отдельной плате реализованное ядро операционной системы реального времени (однокомпьютерный вариант).
Варианты реализации отражают суммарный опыт разработчиков систем ЧПУ и перспективные тенденции.
Система CNC
Системы этого семейства построены по принципу многопроцессорных CNC-систем, которые включают в себя ЧПУ-процессор, процессор программируемого контроллера автоматики и графический процессор.
Система может быть также оснащенная пассивным терминалом или промышленным компьютером с операционной системой Windows 98, как, например, система NUM (Франция), структурная схема которой приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Архитектура системы ЧПУ класса СNC фирмы NUM
Устройства ЧПУ этих систем имеют компактные модули и различаются числом координат, а также числом входов-выходов для подключения средств электроавтоматики и сетевых ресурсов. Эти системы позволяют формировать независимые каналы ЧПУ из координатных групп, допускают использование традиционных аналоговых или автономных цифровых следящих приводов, а также подключение к локальной сети.
Высокая вычислительная мощность систем NUM обеспечивает широкий набор их функциональных возможностей. В них предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого порядка) алгоритмы интерполяции, пяти-девятикоординатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, одновременная работа по двум разным управляющим программам, 3D-графика и другое.
В системах с терминальным компьютером возможна адаптация интерфейса оператора к запросам конечных пользователей, а также диалоговое программирование с помощью инструментальных систем PROGRAM_MILL и PROGRAM_TURN.
Системы PCNC
Фирма Allen Bradley в составе концерна Rockwell (США) выпускает широкое семейство систем ЧПУ - от традиционной CNC-системы к системам PCNC с персональным компьютером. Система PCNC этой фирмы выполнена по схеме, приведенной на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-1 фирмы
Allen-Bradley
Система содержит в себе:
специализированный промышленный компьютер с Windows NT операционной системой и возможностью разрабатывать пользовательские приложения на Visual Basic;
PCI-одноплатный ЧПУ-компьютер, который выполняет все функции ядра, в том числе программно-реализованного контроллера электроавтоматики.
Программирование и редактирование контроллера осуществляются через общий для всей системы терминал. Программируемый контроллер имеет сетевую плату и собственную сеть.
Система ЧПУ фирмы ANDRON (Германия) относится к полному двухкомпьютерному варианту. Ее структура представлена на рисунке 1.3.
Система содержит в себе следующие модули:
модуль терминального компьютера;
модуль ЧПУ-компьютера;
панель оператора и монитор;
модули удаленных входов-выходов программируемого контроллера;
одну или несколько групп цифровых (SERCOS) поводов подачи и главного привода.
Аппаратура системы практически полностью состоит из покупных компонентов и плат. В связи с этим фирма ANDRON не скрывает деталей аппаратной реализации.
Рисунок 1.3 - Система PCNC с SERCOS-Интерфейсом
В состав терминального компьютера входят:
материнская плата с Celeron-процессором и интегрированными контроллерами SCSI, VGA, TFT, IDE;
многофункциональная интерфейсная плата MFA с памятью CMOS-ROM (транспьютерный контроллер коммуникационного канала, который связывает терминальный компьютер с ЧПУ-компьютером).
Все платы установлены на пассивной ISA-шине. Предусмотрена установка дополнительных резервных плат - внутреннего модема, сетевой платы, SCSI-платы. Для специальных задач возможная установка PCI-плат.
В состав ЧПУ-компьютера входят:
материнская плата с Celeron-процессором;
плата MIO (Main Input-Output) поддержки коммуникационного интерфейса с терминальным компьютером (со скоростью 10 Мбит/с), а также плата интерфейса маховичка ручного перемещения;
плата программируемого контроллера с интерфейсом InterBus-S (с циклом 4 мс для 1024 входов-выходов);
одна или несколько плат SERCOS-интерфейса с микросхемой SERCON 410-B.
Каждый SERCOS-интерфейс обслуживает с периодичностью 0,5 мс одну из трех групп автономных приводов подачи и привод шпинделя. Приводы одной группы включены в кольцевую оптоволоконную сеть.
В платформе системы ЧПУ фирмы ANDRON аппаратный уровень расположен под операционной системой Windows NT в терминальном компьютере и под оригинальной операционной системой реального времени (ОС РВ) в ЧПУ-компьютере.
На прикладном уровне терминальный компьютер открыт для разнообразных приложений и специальных диалогов конечного пользователя. Эти приложения можно назвать САМ-приложениями. Для построения САМ-приложений предусмотрен инструментальный язык ANLOG-C, что обеспечивает доступ к функциям ядра в ЧПУ-компьютере.
Система ЧПУ фирмы BoschRexroth построена по классическому двухкомпьютерному варианту (рис. 1.4).
Терминальный компьютер имеет операционную систему Windows NT, а ЧПУ-компьютер – операционную систему UNIX. Связь операционных сред осуществляется с помощью протоколов TCP/IP, что допускает изъятое размещение терминала и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером. В свою очередь, ЧПУ-компьютер допускает многоканальную работу более чем с одной управляющей программой.
Рисунок 1.4 – Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-2 фирмы BoschRexroth
Прикладное математическое обеспечение терминального компьютера и прикладное математическое обеспечение ядра в ЧПУ-компьютере окружены оболочкой с нескольких сотен интерфейсных API-функций (Application Programming Interface), которые обеспечивают конечным пользователям возможность разрабатывать собственные приложения и расширения.
В оболочку терминального компьютера включена мощная DLL-библиотека NCS (Numerical Control System) классов объектов, «покрывающая» API-функции, которая упрощает разработку новых приложений.
Фирма DeltaTau (Великобритания) разработала двухкомпьютерный вариант PCNC, в котором ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA или РСI-шине терминального персонального компьютера (рис. 1.5).
Терминальный компьютер с Windows NT операционной системой выполняет классические функции терминальной задачи и функции интерпретатора управляющих программ.
Одноплатный ЧПУ-компьютер РМАС на процессоре Motorola 56300 решает геометрические и логические задачи, выполняя функции интерполятора, контроллера управления приводами подачи и шпинделя, а также программно-реализованного контроллера электроавтоматики.
Интерполятор обеспечивает все виды интерполяции, включая сплайновую, разгон и торможение, опережающий просмотр кадров Look Ahead, а также циклическое формирование управляющих воздействий с периодом 440 мкс. Контроллер электроавтоматики, реализованный программно, работает в фоновом режиме и поддерживает параллельное управление 64 циклами электроавтоматики.
Контроллер приводов способен управлять 32 координатными осями, сгруппированными в 16 координатных систем. Он принимает сигналы позиционных датчиков обратной связи, замыкает позиционные контуры, выполняет функции ПИД-регулятора, имитирует в цифровом виде сигналы обратной связи по скорости, вырабатывает в цифровом виде широтно-импульсный сигнал для приводов подачи и аналоговый сигнал ±10 В для привода главного движения.
Входные сигналы для управления приводами и электроавтоматикой поступают в кольцевой оптоволоконный канал, который обеспечивает дистанционное управление объектами со скоростью передачи данных 125 Мбит/с. Принимающим устройством служит интеллектуальный периферийный терминал Macro-Станции (Motion and Control Ring Optical). В кольцо можно включить несколько таких терминалов.
Рисунок 1.5 – Архитектура системы ЧПУ класса PCNC фирмы DeltaTau
Терминал замыкает скоростные контуры восьми приводов. Он принимает в блоках ACS (Axes Coordinate System) сигналы ограничителей рабочей зоны и датчиков нулевых точек координатных систем и формирует сигналы управления двигателями любого типа (асинхронными, постоянного тока и др.). Блок Quad Amplifier обеспечивает управление четырьмя двигателями общей мощностью до 25 кВт. Другая функция периферийного терминала - управление электроавтоматикой через модули оптоизолированных входов-выходов.
Набор модулей фирмы PMAC и Macro ориентирован на построение собственных систем ЧПУ у конечных пользователей путем разработки оригинальной терминальной задачи и интерпретатора в среде промышленного персонального компьютера. Однако сами модули являются для конечного пользователя «черными ящиками» и их архитектура закрыта.
Таким образом, в архитектурных решениях лидирующие позиции занимает концепция PCNC. При этом по мере роста вычислительной мощности процессоров преимущество отдается однокомпьютерному варианту.
Как операционная система стандартом де-факто принята система Windows NT с расширением реального времени. Программируемые контроллеры реализуются программным путем в рамках единой вычислительной среды для ядра ЧПУ, а терминал системы ЧПУ используют для программирования электроавтоматики.
Периферия систем ЧПУ становится сетевой, причем все чаще единая сеть используется как для приводов подачи, так и для системы управления электроавтоматикой. Наблюдается тенденция в развитии идей открытой архитектуры, которая предоставляет конечному пользователю широкие возможности для реализации собственных функций.