Основы управления в автоматизированном производстве

 

Многообразие устройств и оборудования ГПС (роботы, транспортные устройства, склады и т.д.) приводит к выводу о разнохарактерном управлении этими устройствами.

Если рассматривать самый нижний уровень управления - станок, то станок как объект управления нуждается в управлении приводами механизмов подачи и приводами дискретных цикловых механизмов автоматики. Механизмы подачи станков с технологическими простыми схемами обработки нередко также относятся к классу механизмов
дискретного циклового действия. В этом случае задачи управления всеми приводами становятся единообразными, а в качестве системы управления удобно применить
микропроцессорный логический автомат с программируемыми циклами, т.е. программируемый контроллер.

В задачу системы управления роботом входит:

– управление движениями механической системы, а также координация и контроль этих движений;

– связь с оборудованием ГПМ, координация действий систем управления в рамках ГПМ;

– общий контроль и планирование работ робота;

– связь с оператором, ввод программ, обучение робота, отладка и разработка управляющих программ;

– сбор и обработка сенсорной информации для адаптивного управления;

– тестирование и контроль работоспособности;

– связь с другими локальными системами управления и ЭВМ.

Задача управления движениями находится под влиянием специфичной координатной системы робота, но в принципе напоминает задачу управления приводами подачи станка. В зависимости от степени сложности и самого факта существования тех или иных задач роботом управляет специализированное устройство ЧПУ или программируемый контроллер.

В механообрабатывающем производстве роботы выполняют чаще вспомогательные функции, а в механосборочном производстве – основные технологические, что дополнительно расширяет круг задач, решаемых системой управления. Сборочные автоматы обычно строят по агрегатному принципу. Если в одном автомате использованы, например, два робота, то потребуется и два устройства ЧПУ.

Транспортные средства автоматизированных производственных систем столь разнообразны, что системы их управления невозможно привести к общему знаменателю. Транспортёры и каретки являются машинами дискретного действия, и для их управления можно использовать программируемые контроллеры. Транспортные тележки (робокары) должны решать навигационную задачу, и в этой связи располагают нередко бортовой ЭВМ.

Автоматические склады с разнообразными по конструкции и схеме движения штабелерами с позиций управления не являются сложными объектами и относятся к числу дискретных механизмов циклового действия. Однако система управления складом должна нередко вести динамическую информационную модель склада, построенную по типу базы данных. В таких случаях в качестве системы управления используют ЭВМ.

В состав оборудования автоматизированной производственной системы могут входить машины и механизмы с ручным управлением; однако все этапы ручного управления должны найти соответствующее отражение в общей информационной модели производственной системы. Для этого на каждом рабочем месте ручного управления должна быть установлена ЭВМ, входящая в единую управляющую сеть. ЭВМ передает на экран директивы оператору и получает, в свою очередь, сообщения обо всех выполненных действиях. Таким образом, можно сказать, что в автоматизированной производственной системе машина с ручным управлением полностью находится в поле зрения управляющей ЭВМ.

Транспортная система гибкого автоматизированного участка состоит из центрального замкнутого контура и двух фронтальных линий: передней, обращенной к операторам, и задней, обращенной к станкам. Операторы работают за пультами станций перегрузки. На пульт (экран ЭВМ) поступает информация о необходимости перегрузочных операций. Оператор сообщает ЭВМ о выполнении заданий.

Перегрузочную операцию оператор выполняет с помощью шлюза, который осуществляет перемещение между центральным контуром и фронтальной линией. Шлюзы выделяют восемь сегментов для очередей к станкам и шесть сегментов для загрузки-разгрузки всей системы. В сегменте для очереди к станку имеются три позиции загрузки станка, в которых палеты могут быть зафиксированы на время работы робота.

Палета располагает кодовой планкой для кодирования перемещаемой партии в двоичном коде. Детали типа дисков укладывают без дополнительного закрепления. Датчики распознавания палет расположены в зонах перегрузки из центрального контура транспортной системы на фронтальную линию, и наоборот.

Заговорив об интеграции оборудования, вспомним, что её начальным этапом является образование ГПМ, в состав которого могут войти станок, робот, накопитель палет и другие машины и механизмы, некоторые из которых располагают собственными локальными системами управления. Микролокальная сеть управления ГПМ интегрирует указанные локальные системы, кроме того, нередко включает ещё и диспетчирующий терминал на основе персонального компьютера.

ГПМ и ГПС объединяют оборудование в интегрированный комплекс на технологической основе. Цель - организация замкнутой технологической среды, решающей некоторую технологически завершенную задачу. Однако существуют и более простые принципы интеграции оборудования – лишь на формальной информационной основе. Такие объединения получили наименование DNC (Direct Numerical Control, прямое числовое управление). Их цель состоит в передаче по каналам связи управляющих программ и таблиц коррекций.

Центральная ЭВМ (возможно на основе персонального компьютера) содержит пакет управляющих программ. В аппаратуру канала связи локальной системы управления с центральной ЭВМ входит микропроцессорный модуль (приставка DNC), посредством которого манипулируют файлами управляющих программ и таблицами коррекций.

Возвращаясь к интеграции оборудования на технологической основе, заметим, что подобной интеграции непременно сопутствует и информационная. Аппаратной основой информационной интеграции являются локальные сети, объединяющие все виды упомянутых ранее управляющих устройств и ЭВМ. Существуют следующие локальные сети: гомогенные сети полностью однотипных и абсолютно совместимых устройств; гетерогенные сети разноплановых, но совместимых устройств; гетерогенные сети разнохарактерных и несовместимых устройств, для объединения которых приходится прибегать к специальным мерам. Все три типа локальных сетей широко распространены в практике управления автоматизированными производственными системами.

Наиболее очевидной представляется возможность построения гомогенной сети из программируемых контроллеров. На число контроллеров в такой сети каких-либо ограничений не существует, поскольку сеть можно свободно наращивать, добавляя дополнительные сегменты коаксиального кабеля через электронные устройства ретрансляции (повторители). К каждому сегменту можно подключать десятки контроллеров. Контрол-лерные сети используют для автоматизации развитого дискретного производства самого разнообразного технологического назначения, как механообрабатывающего, так и механосборочного. Естественно, что при этом учитывают специфику решаемых контроллерами логико-циклических задач управления. К числу таких задач относится управление станками и другими машинами с дискретными цикловыми исполнительными механизмами основных рабочих процессов, транспортными системами и складами, автоматическими линиями, координация и синхронизация локальных управляющих устройств в сложных системах и т.д.

Гетерогенные сети, в состав которых помимо программируемых контроллёров входят ещё ЭВМ, обладают, естественно, более широкими возможностями по управлению, поскольку способны обрабатывать символьную информацию, обновлять базы данных, манипулировать файлами и др. Обычно такие системы строят по иерархическому принципу так, чтобы декомпозиция задач управления соответствовала декомпозиции аппаратуры. На нижнем уровне размещены, например, программируемые контролеры, управляющие конкретными объектами с дискретным характером поведения. Такие программируемые контроллеры, как правило, представлены в модульном исполнении: модуль процессора, один или несколько модулей ввода-вывода дискретных сигналов, программатор для
программирования системы электроавтоматики. На более высоком уровне расположена система оперативно-диспетчерского управления, обеспечивающая координацию и синхронизацию локальных объектов. На этом же уровне поддерживается диалог с оператором. Самый верхний уровень занимается общими целеуказаниями, выполняет функции календарного и оперативного планирования, обеспечивает функции технологической и материально-технической подготовки производства, осуществляет связь с другими производственными службами и подразделениями.

Комплексные интегрированные производства решают сквозные задачи от автоматизированного конструирования и автоматизированной технологической подготовки производства (CAD: Computer-Aided-Design) до автоматизированного календарного и оперативного планирования (CAP: Computer-Aided-Planning) и автоматизированного изготовле-ния (CAM: Computer-Aided-Manufacturing). Системы управления подобными производствами особенно сложны и насыщенны разнообразной управляющей и вычислительной техникой, причём такой, которая в каждом конкретном узле локальной сети управления наилучшим образом решает собственные задачи местного характера. При этом система управления интегрированным производством должна иметь единые информационные представления в целом. Таким образом, возникает противоречие между необходимостью индивидуального выбора каждой отдельной ЭВМ или системы управления, обеспечивающего наилучшее решение задач своего потребителя, или своего объекта, и необходимостью гарантировать информационную и аппаратную совместимость всех абонентов локальной сети управления.

В состав сети входят разные системы управления (устройства ЧПУ станками и роботами, программируемые контроллеры), а также и ЭВМ различной вычислительной мощности, возрастающей по мере продвижения по иерархии управления вверх.

Проблема несовместимости в подобных сетях решается путём привлечения дополнительной аппаратуры чисто служебного назначения дополнительных (весьма объёмных) средств программно-математического обеспечения.

На рисунке 1.42 показана локальная сеть, абонентами которой являются ЭВМ, устройства ЧПУ, программируемые контроллеры, периферия ЭВМ. Базовым информационным каналом служит общая шина на основе широкополосного коаксиального кабеля, по которой циркулируют отправляемые сообщения, промодулированные одной частотой, и принимаемые сообщения, промодулированные другой частотой. Преобразованием моделирующей частоты сообщений после их выхода на общую шину занимается специальный преобразователь частоты. Абоненты сети подключены к общей шине не непосредственно, а через промежуточные устройства (сетевые контроллеры, шлюзы).

Сетевые контроллеры преобразуют принимаемые сообщения в местный стандарт потребителя информации, а отправляемые сообщения – в единый сетевой стандарт. Шлюзы преобразуют единый сетевой стандарт сообщений на общей шине в местные стандарты других общих шин специального назначения (например, в стандарт связи по специальной общей шине, разработанной для программируемых контроллеров).

Теперь подведём некоторые итоги, касающиеся номенклатуры технических средств управления в автоматизированном производстве. Эта номенклатура широка и в дальнейшем будет оставаться таковой. Нет никаких признаков того, что появятся экономически оправданные сверхуниверсальные устройства управления, в равной степени приспособленные к работе со станком, роботом, машиной циклового действия и другими объектами. Трудно себе представить, чтобы из многочисленных вариантов ЭВМ в сфере управления остался какой-то один. Таким образом, существует и сохранится определённое функциональное многообразие систем управления и их окружения.

Наряду с этим существует и неизбежно сохранится потребительское многообразие систем управления, обусловленное бесконечно различающимися требованиями пользователей, несогласованными действиями производителей, непрерывным прогрессом в электронике и вычислительной технике, прямым или косвенным воздействием мирового
рынка.

 

 

 

Рисунок 1.42 – Локальная сеть ЭВМ, устройств ЧПУ, программируемых

контроллеров