1.6. Особливості механіки в завданнях керування
Ще одна особливість «машин і систем з комп'ютерним керуванням рухом» складається в об'єднанні віртуальної й реальної частин системи в єдиному процесі - експлуатації або функціонування. Подібні завдання об'єднання вирішувалися й раніше, наприклад, при створенні робототехнических комплексів, систем штучного клімату й інших [29]. І дійсно, майже всі елементарні рішення керування для механотроники Ви знайдете у відомих автоматизованих системах [9, 28, 29, 33]. Змінилися тільки пріоритети в застосуванні цих рішень: унікальні сталі загальноприйнятими, рідкі одержали статус стандартних, а найпоширеніші реалізовані в елементній базі пристроїв. Такий перерозподіл ролей привело до зміни границі між традиційними «об'єктом» і «системою» керування.
Наприклад, PLC у складі модульної станції завантаження, явно належить до системи керування [32, 33]. Але коли станція утягується в роботу, її дії підлеглі змінам станів суміжних станцій. У цей момент і станція, і її PLC уже виступають у ролі об'єкта керування. Хто ж виконує роль системи керування, якщо суміжним є головний циліндр гідравлічного преса, що розвиває зусилля 100000 тонн і имеющего потужність 110 кіловатів? Як ні дивно, але в цей момент аналоговою обчислювальною машиною є гідравлічний потік рідини під тиском і маси, що рухаються. У цю машину закладені закони Бернуллі й Паскаля, рівняння Навье-Стокса, закони Ньютона й Гука, вона одержує від навантаження й насосного агрегату «граничні й початкові умови», і в режимі реального часу обчислює швидкість, зусилля, прискорення, тиск, витрату, потужність, температуру й інші фізичні параметри. При необхідності, вона моделює кавітацію або гідравлічний удар, зміну режиму плину й інших явищ. Результати обчислень «преса» через систему сенсорів і датчиків перетворяться в сигнали керування для станції завантаження й інших учасників технологічного процесу. Ті, у свою чергу, оброблять сигнали по своїх алгоритмах і подають сигнали команд своїм виконавчим пристроям.
Оборотний увага, що в цьому процесі ніякі хитрі алгоритми й сверхбыстродействие PLC не зможуть вплинути на алгоритми обчислювальної машини «преса» і результати її розрахунків. Вони можуть тільки їх ураховувати з тим або іншим ступенем точності.
Але от прес закінчив дію, і ролі кардинально змінилися. Станція завантаження виконує свою частину роботи, а прес очікує нових команд від контролера, сенсорів і датчиків для початку нової дії. На перший погляд можна сказати, що об'єкт керування й система керування обмінюються ролями (мал. 1.25). І хоча це не зовсім точне визначення, але воно ближче до реального процесу функціонування механотронной системи, і в цьому можна побачити першу особливість завдань керування.
Продовжимо аналіз. Робота «преса» є керуванням для контролера, а робота контролера управляє пресом. Але якою мірою? Контролер управляє пресом тільки в тій мері, у якій він ураховує процеси, що відбуваються в пресі. Якщо мова йде про систему, що працює за графіком «включене» - «виключено», то можна говорити про повне керування. Подали команду «Включити», і через якийсь час одержали підтверджувальний сигнал нового стану преса - дія виконана. Аналогічно й при подачі сигналу «Виключити» - очікуємо й одержуємо підтвердження, що прес у вихідному стані. Але в цьому випадку із завдання керування зникає та дія, заради якого прес був включений до складу системи. Тобто підведення штампа, операція штампування з обмеженою швидкістю й точним технологічним зусиллям, дожим наприкінці ходу, відвід і підйом у вихідне положення - з боку контролера це всього лише перехід від стану «0» до стану «1» і назад. Для логічного контролера й організації зв'язків із суміжними станціями двох сигналів стану цілком достатньо, в інформаційному плані.
Продовжимо аналіз безпосередньо біля преса (мал. 1.26). Представимо пуансон, що рухається, вагою в кілька тонн, триметрові штоки циліндрів дожима й підйому, 312-киловтный насосний агрегат, клапан тиску й запобіжний клапан, настроєний на 32Мпа, а також потік масла при температурі°80 С и тиску 28Мпа з потужністю 270кВт, і два сигнали контролера «0» і «1» постійного струму й напруги 24У (мал. 1.27).
Навіть при повній інформації про умови роботи преса сучасні обчислювальні засоби й методи розрахунку не дозволяють у режимі реального иремени обчислювати параметри під час його роботи. Тобто, контролер, в умовах дефіциту інформації, повинен приймати рішення й виробляти сигнали команд. До деякої міри цей недолік інформації компенсує «аналоговий обчислювач» механічної частини - прес. Але значення обчислених параметрів необхідно передати контролеру на зрозумілому йому мові, а не у вигляді тиску, витрати або температури масла.
Передачу інформації від фізичної частини системи до віртуального виконують різні перетворювачі: датчики, сенсори, підсилювачі, компаратори, реле й інші пристрої.
Питання визначення кількості параметрів, достатнього для обробки контролером обґрунтованих команд, і побудови ланцюжків узгодження й передачі цих параметрів контролеру, займають особливе місце при проектуванні систем. Комплект параметрів повинен бути достатнім, що б утримувати технологічний процес у необхідних границях. Параметри будуть проаналізовані й, відповідно до алгоритму керування, будуть вироблені сигнали керуючих команд. Ідеальним можна було б уважати варіант, при якому віртуальна частина системи дзеркально копіює фізичну частину, і має свій алгоритм керування.
Якщо в обчислювальному алгоритмі контролера відбудеться збій через некоректну інформацію від «фізичного обчислювача», то це може викликати розподіл на «0», переповнення буфера або інші факти, що приводять до переривання виконання програми [9, 28, 32, 33]. Якщо збій досить серйозний, те, можливо, прийде переінсталювати контролер, повторно завантажити програму від зовнішнього пристрою. Після чого роботу системи можна відновити. Але якщо помилкова інформація надійде від «віртуальної частини» (контролера) до преса й він почне неї обробляти із залученням доступної потужності за законами фізичних процесів, то переінсталяцією, швидше за все, обійтися не вдасться. Розподіл на «0» в інформатиці це гідравлічний удар і руйнування трубопроводу в гідравліці, а переповнення буфера можна зрівняти зі скипанням або замерзанням рідини.
Це відмінність можна сформулювати так - в інформатиці основними є стабільні стани (умовно «0» і «1»), для механіки основними є перехідні процеси - континуум крапок на відрізку (0, 1). Строго стаціонарних станів у працюючій механіці практично не буває, хоча процеси можуть бути майже стаціонарними або сталими.
Високі вимоги до надійності й вірогідності віртуальної частини систем підтверджуються високою вартістю й гнучкою конфігурацією контролерів (Schneider, Siemens, Grnron, FESTG) [1, 13, 14, 37]. Навіть при середній комплектації, при відсутності монітора, дисководів, клавіатури, миші й жорсткого диска, логічний контролер зрівняємо за ціною з персональним комп'ютером, що володіє незрівнянно більше високими показниками. Якщо мова йде про автоматизоване виробництво, з багатьма механізмами безперервної дії, то віртуальна частина містить у собі логічні контролери різної конфігурації, регулятори й промислові комп'ютери. Вони можуть бути об'єднані в мережу або взаємодіяти через сигнали стану фізичної частини системи. Состав і характеристики вибираються відповідно до технологічного встаткування й процесом, у якому це встаткування зайняте.
Хоча інформаційна копія не дзеркальна, але вона дозволяє одержувати таке відбиття фізичної частини, у якому можна буде «розглянути» весь технологічний процес.
Засоби побудови віртуальної копії не обмежуються сигналами входів і виходів, і матеріальними носіями віртуальної частини (СПК, ПК, регуляторами й ін.). Фізичні процеси заміняються алгоритмами, записаними формальними засобами - алгоритмічними мовами. Так само, як і у фізичній частині, у віртуальній діють свої закони, наприклад, алгебри логіки, диференціального вирахування, теорії автоматичного керування.
І тільки після подання технологічних дій за допомогою фізичних законів, переведених в алгоритми відповідно до інформаційних законів, ми одержуємо те відбиття, що те управляє механізмами, то саме ними управляється. І все це - через вимоги до надійності діалогу між інформаційною й фізичною частинами системи -контролером і механізмом.
Що стосується надійності «фізичної обчислювальної машини», те від поломки встаткування вона не застрахована, але закони механіки для її виконання незаперечні.
І облік цього фактора при розробці інформаційної частини можна назвати третьою особливістю. Перелік фізичних законів і їхнє застосування в конкретних умовах визначать потрібна кількість інформаційних сигналів для контролю станів механізмів і для передачі сигналів керування, зададуть тип цих сигналів - двійкові, імпульсні, аналогові, визначать вимоги до швидкодії процесора, зададуть швидкості передачі сигналів, періодичність опитування вхідних сигналів і відновлення значень вихідних сигналів, і багато чого іншого. Перелік сигналів і вимог дозволить вибрати алгоритмічну мову, зручний для опису технологічного процесу у вигляді алгоритму [1, 9, 32, 33, 36, 37].
Остання особливість, на якій ми б хотіли зупинитися, це співвідношення запланованого й реального. Хоча механіко-електронна система проектується розраховуючи на виконання певного технологічного або експлуатаційного процесу, у дійсності цей процес становить тільки середню й досить «монотонну» частину життєвого циклу. У період росту системі треба буде пройти складання, налагодження, тестування, навчання. У дозрілих літах - це обслуговування, заміна зношеного встаткування, аварійні ситуації, пуски й зупинки, помилки користувача, непередбачені обставини й - експлуатація. На останньому етапі - ремонти, модернізації, приєднання до більше сучасних систем, вивід про недоцільність подальшого використання. І чим краще система буде підготовлена до всіх перерахованих завдань, тим з меншими втратами вона пройде ці етапи й длиннее буде її життєвий цикл. Але все перераховане відсутній у вихідній фізичній частині, тобто в момент розробки її відбиття - віртуальної частини системи. Перераховане може бути, якщо не розроблене, те передбачено й в алгоритмах, що описує процеси, і в складі СПК, ПК (PLC, IPC), регуляторів, сенсорів, датчиків і іншого встаткування. У результаті цикл «Керування -Функціонування» у виконанні фізичної й віртуальної частин зможе відповідати не тільки вихідному технічному завданню, але врахує й неминучі завдання етапів життєвого циклу.
У представленому матеріалі завдання керування механотроники торкнуться тільки деякі з наступних питань:
Визначення фізичних параметрів для контролю, необхідних точності й меж їхньої зміни, швидкодії вимірювальних засобів;
Вибір технічних засобів для виміру параметрів (сенсорів, датчиків) і обробки сигналів (перетворювачів, підсилювачів і ін.);
Визначення кількості контролерів і завдання конфігурації;
Складання алгоритмів керування;
Складання й налагодження роботи механіко-електронної системи.
В останньому розділі Ви знайдете відомості про технічні й алгоритмічні засоби інформаційної частини системи й приклади побудови нескладних алгоритмів для СПК, орієнтованих на облік механічних алгоритмів функціонування в тексті програми. Як приклад розглянуті два варіанти будови алгоритму - з поділом процесу роботи системи на такти (відповідно до циклограми), - з поділом системи на минисистемы, взаємодія яких задається логікою процесу функціонування.