ПРСУ ч2. к курсу лекций (методическое обеспечение от Бунько Е.Б.)

Московский государственный технический университет

«МАМИ»

Факультет «Автоматизация и управление»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

Бунько Е.Б.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Часть 2. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Программные средства САУ» для студентов, обучающихся по специальностям 210100 «Управление и информатика в технических системах», 21200 «Автоматизация технических процессов и производств» и по направлению 550200 «Автоматизация и управление».

Москва – 2008

к.т.н. доц. Бунько Е.Б.

Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Программные средства САУ, часть 2» для студентов, обучающихся по направлению 550200 и специальностям 210100, 21200.

С.18 , Рис.9 , Библ. 6, МАМИ, 2008 г.

В методических указаниях представлена информация, необходимая для выполнения студентами курсовой работы по дисциплине «Программные средства САУ».

Московский государственный технический университет «МАМИ» 2008 г.

Производственный процесс машиностроительного производства как объект автоматизации.

Большинство основных производственные процессов (циклов) в современном машиностроительном производстве основаны на технологии, использующей робототехнические комплексы (РТК) в сочетании с автоматическими линиями, автоматизированными складами и системами управления на базе ЭВМ и микропроцессоров. Одним из широко распространенных классов, таких процессов является технологические процессы, которые состоят из операций выполняемых одновременно над группой объектов, при этом все технологические операции в группе выполняются последовательно. Примерами подобных технологических процессов могут служить процессы, имеющие место в сборочных производствах автотракторной техники и в приборостроении.

Эти процессы обладают следующими особенностями:

Процессы можно охарактеризовать как переключательные или дискретные. Характерной чертой дискретных процессов является то, что они полностью детерминированы, т.е. задана (описана) в явном виде логика их функционирования, следовательно, задана и логика управления, определяющая оптимальную стратегию переключения исполнительных механизмов технологического объекта (см. л. ).

Технологические операции, из которых состоят эти процессы представляют собой, как правило, тоже дискретные процессы, но гораздо более простые и меньшей размерности, и могут быть в иерархической подчиненности с операциями старшего уровня,

Технологические операции начинаются одновременно, после чего они выполняются независимо друг от друга и момент их завершения заранее не известен,

Синхронизацию технологических операций (их запуск и ожидание самой длительной) может осуществлять специальная операция называемая, транспортной, назначение которой одновременная передача объектов сборки с одной позиции на другую.

В различных процессах технологические операции выполняются агрегатными головками, промышленными роботами, специальными станками и другими технологическими средствами, а транспортная операция осуществляется линейными или поворотными транспортными системами дискретного или непрерывно-дискретного действия.

Системы управления технологическим оборудованием, выполняющим эти технологические процессы, как правило, являются системами управления нижнего уровня АСУТП участков и цехов, и реализуют алгоритмы логического управления (АЛУ см. раздел 3 этой главы).

АЛУ, в соответствии с перечисленными выше особенностями технологических процессов характеризуются иерархией, параллелизмом, асинхронностью и цикличностью.

1. Иерархия АЛУ состоит в том, что эти алгоритмы естественным образом могут быть представлены в виде набора иерархически связанных фрагментов. При этом, например, алгоритм управления транспортной системы, одновременно описывающий взаимодействие транспортной системы (ее синхронизацию) с агрегатными головками, роботами, а также входными и выходными накопителями , являются фрагментом старшего уровня описания. Фрагментами младшего уровня описания являются сами алгоритмы управления агрегатными головками или роботами и накопителями.

2. Параллелизм АЛУ может быть продемонстрирован одновременной работой агрегатных головок и роботов, входных и выходных накопителей и транспортной системы.

3. Асинхронность же АЛУ выражается тем, что длительность интервала времени, в течении которого остается неизменным состояние датчиков технологического агрегата, является величиной переменной и не синхронизируется никакими внешними, по отношению к агрегату, устройствами что приводит к заранее неизвестным длительностям операций.

4. Цикличность рассматриваемых АЛУ заключается в том, что они обеспечивают запуск процессов реализуемых в технологическом агрегате, как в начале его работы, так и в промежуточных состояниях, определяемых, например, моментом завершения очередной транспортной операции.

Управление производственными процессами, реализующими АЛУ осуществляется системами логического управления, системы логического управления, построенные на базе микропроцессорных средств (МП-средств), носят название микропроцессорных систем логического управления (МП СЛУ). МПСЛУ должны обеспечивать надежную работу всех элементов объекта управления в соответствии с заданным алгоритмом управления. При этом должны быть организованы все необходимые наладочные и диагностические режимы работы объекта управления. А также взаимодействие его с оператором и с ЭВМ верхнего уровня управления участком или цехом.

Большинство серийно-выпускаемых в настоящее время, МП-средств, предназначены, в основном, на их использование в составе универсальных микро-ЭВМ общего назначения. Эти средства конструктивно плохо встраиваются в технологическое оборудование и не имеют соответствующих технологических пультов, с помощью которых можно было бы управлять оборудованием и следить за режимами его работы. По этой причине устройства управления на базе указанных средств часто приходится компоновать в виде отдельных стоек или тумб достаточно больших габаритов и конструктивно не связанных с оборудованием, имеющим, как правило, свой пульт управления.

Кроме того, программное обеспечение, которым комплектуются серийные МП-средства, мало приспособлено для оперативного ввода, редактирования и диагностики алгоритмов управления технологическим объектом, задаваемых на языках, понятных проектировщикам и пользователям этого оборудования. Противоречия между языками, имеющими технологическую интерпретацию, такими, например, как язык цикловых диаграмм, и языками программирования, отражающими специфику процесса обработки информации в средствах вычислительной техники, существенно затрудняет составление, редактирование и отладку программ для МП-средств по исходному описанию АЛУ, а также ввод этих программ в память этих МП-средств.

Путь к преодолению этих противоречий лежит в построении МПСЛУ на базе серийных или, специально разработанных для определенного класса процессов и оборудования, микропроцессорных логических управляющих устройств – микропроцессорных контроллеров (микроконтроллеров), аппаратные средства и резидентное программное обеспечение которых должно быть ориентировано на реализацию алгоритмов логического управления.

МПСЛУ, построенная, на базе логических контроллеров (рис. ), состоит из следующих трех основных элементов:

1. Системы связанных между собой микроконтроллеров МК1-МКN,

2. Блока внешнего электропитания БП,

3. Пульта управления - ПУ.

Процесс синтеза МПСЛУ естественным образом распадается на два следующих этапа:

1. Этап аппаратного синтеза

2. Этап синтеза программ.

1. При разработке аппаратных средств решаются следующие задачи:

1. Выбор типовых или разработка специализированных МП логических управляющих устройств (логических микроконтроллеров).

1. Разработка нестандартных устройств сопряжения микроконтроллеров с объектов управления, специализированных пультов и блоков питания.

2. Выбор способов загрузки в микроконтроллеры управляющих программ.

3. Разработка документации по конструктивной и электрической привязке микроконтроллеров к объекту управления.

Вышеперечисленные задачи трудно формализуются, поскольку они существенно зависят от большого числа противоречивых факторов, среди которых можно назвать следующие:

1. Количество объектов управления, используемых в технологическом процессе,

2. Необходимая степень и частота их перестройки.

3. Характер взаимодействия объектов между собой.

4. Наличие средств автоматизации программирования микроконтроллеров.

5. Требования к быстродействию и объемам памяти микроконтроллеров.

6. Число и электрические параметры датчиков и исполнительных механизмов объекта управления.

Однако параметры современных логических микроконтроллеров, в том числе:

- встроенные средства загрузки управляющих программ,

- встроенные средства обеспечения взаимодействия микроконтроллеров между собой и вычислительной техникой более высокого ранга управления по стандартным протоколам,

- агрегатируемая структура, позволяющая гибко варьировать объемы памяти и число каналов ввода-вывода, с целью обеспечения эффективного и безизбыточного использования микроконтроллеров в конкретных МПСЛУ,

существенно упрощают учет большинства из вышеперечисленных факторов, и все задачи аппаратного синтеза могут быть полностью (или почти полностью) сведены к имеющимся готовым решениям.

Поэтому основная задача при проектировании МПСЛУ - это синтез программ управления - программная реализация.

Под программной реализацией алгоритма понимается совокупность

операций, осуществляющих переход от записи алгоритма на первичном языке к программе на входном языке микроконтроллера (на языке его команд).

Указанный переход может быть выполнен двумя способами:

1. Способ интерпретации, при котором операторы первичного языка взаимно-однозначно соответствуют командам входного языка микроконтроллера. В этом случае программа моделирует (интерпретирует) управляющий алгоритм. Этот способ наиболее эффективен для МПСЛУ с оперативным изменением программы ( с оперативной настройкой), однако требует использования либо сложных резидентных аппаратных и программных средств, реализующих интерпретирующие процедуры, либо если это не эффективно, первичного языка низкого уровня близкого к входному языку микроконтроллера.

2. Способ компиляции, при котором между операторами первичного языка и командами входного языка микроконтроллера нет однозначного соответствия. Переход от записи алгоритма на первичном языке к программе в командах микроконтроллера может быть выполнен путем компиляции с внешних по отношению к микроконтроллеру, средств: вручную или с использованием кросс-систем программирования.

Метод внешней компиляции может применяться как для МПСЛУ с редко изменяемой программой (с однократной настройкой), так и для МПСЛУ с оперативной настройкой (если в штатных средствах настройки микроконтроллера реализованы необходимые трансляторы).

Для технологического объекта, работающего в ГАПС, в условиях довольно частой смены продукции ядром МПСЛУ может служить специализированный микроконтроллер с резидентным интерпретатором, реализующий понятный пользователю-непрограммисту язык элементарных технологических операций имеющих место в этом объекте.

Наряду со специализированными микроконтроллерами в МПСЛУ таких объектов возможно использование простых и дешевых микроконтроллеров с процедурным входным языком низкого уровня ассемблерного типа. Программы для таких микроконтроллеров готовятся компилирующим способом.

В настоящее время задача синтеза программ для МПСЛУ объектами, работающими в ГАПС, разбивается на следующие этапы:

1. Этап алгоритмического проектирования (абстрактный синтез) заключающийся:

- в описании АЛУ на первичном языке. Эти первичные языки должны быть понятны специалистам различного профиля, (конструкторам, технологам, электрикам), быть не непроцедурными, технологическими и эффективно описывать многоуровневые, параллельные и взаимодействующие между собой алгоритмы логического управления, обладающие свойствами асинхронности и цикличности.

- в проверке корректности, включающей устойчивость, описания алгоритма простыми способами без привлечения трудоемких методик и сложных автоматизированных систем моделирования и проектирования.

В частности, задача многоуровневого описания АЛУ, реализуемыми в ГАПС успешно решается с помощью моделей, основанных, на известных модификациях сетей Петри - параметрических графов операций (ПГО). Проверка корректности описания АЛУ в указанных моделях осуществляется путем представления первичного описании в виде иерархически вложенных друг в друга простейших и заведомо корректных блоков.

П араметрический граф операции (ПГО). Способ первичного описания сложных технологических объектов в ГАПС.

Аналитическое представление ПГО.

Графическое представление ПГО.

На рисинке изображено графическое представление ПГО, описывающего иерархический (двухуровневый) АЛУ объекта. Динамика функционирования ПГО отображается таблицей смены достижимых маркировок ПГО.