ARTICL01 (Рабочие материалы к курсам лекций)

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. ЛЕБЕДЕВА

РАН

АСТРО-КОСМИЧЕСКИЙ ЦЕНТР

А.Е. Стефанович

ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Москва 1999

АННОТАЦИЯ.

В статье описана система автоматического управления АВТОТЕСТ и машинный язык высокого уровня АВТОТЕСТ, который использовался для автоматического управления испытательными комплексами космического назначения и для испытаний промышленных роботов на московском заводе “Красный пролетарий”.

The paper describes a systems of automatic control AUTOTEST and computer language of high level AUTOTEST, which was used to automatically control space testing equipment and to test industrial robots in the Moscow plant “KRASNY PROLETARII”.

Повышение эффективности и качества автоматических испытаний комплексов мехатронных объектов (КМО), имеющих структуру, показанную на рис. 1, является актуальным направлением машиностроения. Большую помощь в развитии этого направления в свете проводимой в стране конверсии может оказать опыт, накопленный при автоматизации систем научных исследований (АСНИ) в приоритетной до недавнего времени области космических исследований.

Развитие АСНИ в нашей стране и за рубежом привело к созданию на базе передовых достижений электроники, вычислительной техники, информатики информационных измерительных систем (ИИС) космического назначения, которые представляют собой комплексы аппаратных, программных и организационных средств, полностью обеспечивающих проведение научных исследований (экспериментов). В ИИС можно выделить три части ( см. рис. 2): комплекс управления экспериментом (КУЭ), включающий центр управления полетом (ЦУП), наземные измерительные пункты (НИП), научно-иследовательские центры (НИЦ); космический аппарат (КА); комплекс научной аппаратуры (КНА), предназначенный для получения данных об объекте исследования и устанавливаемый на КА. ИИС в целом обеспечивает проведение эксперимента, с целью получения данных об объекте исследований, их обработку средствами КНА до передачи по линиям связи, передачу научных данных с КНА и служебных данных с КА по линиям связи, централизованную обработку данных средствами КУЭ по разделам ЦУП, НИП и НИЦ, осуществление обратной связи с КНА и КА, представление результатов обработки данных экспериментаторам в удобной для анализа форме.КУЭ наиболее стабильная, медленно меняющаяся часть ИИС, обеспечивающая работу со всеми типами КА и КНА. Техническое, программное и организационное обеспечение ЦУП и НИП универсально, рассчитано на годы однотипной работы. Соответствующее обеспечение НИЦ также довольно консервативно. Процессы, связанные с испытанием систем, в целом хорошо отработаны. КА более подверженная изменениям часть ИИС. Вместе с тем, один и тот же тип КА в течение ряда лет может использоваться для установки совершенно различных КНА, при разработке новых типов КА сохраняется преемственность в техническом, программном и организационном обеспечении. Это приводит к тому, что испытательная база специализированных предприятий, выпускающих КА довольно стабильна. КНА очень разнообразны по решаемым задачам и составу мехатронных объектов (МО) и подвержены быстрым изменениям взависимости от прогресса науки и техники. КНА собираются из МО, изготовленных в разных организациях, часто в КНА входят МО, выполненные в разных странах по разным стандартам, имеющие разную научно-техническую идеологию. Ввиду этого проведение автоматических комплексных испытаний различных КНА на универсальных испытательных комплексах представляет собой сложную научно-техническую задачу. Долгое время эта задача не была решена в общем виде. Для каждого КНА практически заново создавался испытательный комплекс, состоящий из разнообразной контрольно-испытательной аппаратуры (КИА), которая в лучшем случае была выполнена в виде пультов, поставляемых вместе с приборами, входящими в КНА. Проблемно-ориентированная универсальная программная среда (ПС) отсутствовала.

Переломный момент в организации автоматических комплексных испытаний КНА в СССР совпал с выполнением международного космического проекта "Интершок". Запуск ИСЗ “Прогноз-Интеркосмос-10” по этому проекту, состоялся 26.04.85. КНА “Интершок“ предназначен для комплексного изучения параметров межпланетной среды на вытянутой околоземной орбите и процессов, происходящих в околоземной и межпланетных ударных волнах. Поставленные научные задачи потребовали совершенно нового подхода к технологии проведения экспериментов, проектированию КНА и методике его предполетных испытаний. Дело заключалось в том, что в предыдущих исследованиях каждый научный прибор, как правило, выполнял свою отдельную задачу и в информационном отношении не был связан на борту КА с другими научными приборами. Режимы его работы не зависели от событий в окружающей среде, которые регистрировали другие научные приборы.МО, входившие в КНА “Интершок“, представляли собой не отдельные приборы, а взаимосвязанный КМО, управлявшийся встроенной ЭВМ. МО обменивались информацией друг с другом, включали и выключали друг друга, переключали диапазоны датчиков магнитных полей и заряженных частиц, переходили с быстрой телеметрии на медленную и наоборот в зависимости от регистрируемых событий в изучаемой среде (адаптивное управление). Этот КМО в принципе не мог быть подготовлен к полету без создания системы автоматического управления (САУ) испытаниями и соответствующего проблемно-ориентированного програмного обеспечения.

В 1984 г. в Институте Космических Исследований АН СССР был создан испытательный комплекс, предназначенный для автоматических испытаний КНА “Интершок”, суть которого заключается в следующем (см. рис. 3). КИА научных приборов, выполненная в виде пультов, объединяется интерфейсной магистралью с бит параллельным, байт последовательным обменом информацией (скорость обмена 1 Мбит/с) ГОСТ 26003-80 (стандарт СЭВ IMS-2, стандарт МЭК IEC 625.1-79, стандарт США IEEE 488-1978, стандарт ФРГ DIN IEC 66.22 и др.). Системы КА, с которых на КНА подаются питание, сетка синхронизирующих частот, код бортового времени (КБВ), управляющие кодовые слова (УКС), функциональные команды (ФК) и к которым подключаются информационные выходы КНА, заменяются соответствующими имитаторами служебных систем (ИСС), которые подключаются к той же интерфейсной магистрали. Таким образом моделируется система КНА-КА. С информационных выходов данные идут на обработку в специальную ЭВМ, что в определенной степени моделирует связи с КУЭ. К интерфейсной магистрали подключаются две ЭВМ, одна для выдачи команд (контроллер магистрали), другая (универсальный слушатель) для регистрации информационного обмена в интерфейсной магистрали на дисплее и принтере.

В качестве математического обеспечения управления этим комплексом были приняты предложенные и разработанные автором проблемно-ориентированные язык (ПОЯ) и операционная система (ОС) АВТОТЕСТ. Основная идея ПОЯ АВТОТЕСТ заключается в следующем. Независимо от характера МО, находящегося на магистрали, он имеет уникальный адрес и участвует в отдельных актах информационного обмена, происходящих в определенное программой испытаний время. События информационного обмена делятся на небольшое число типов (выдача команды на МО, прием ответа МО, выдача массива на МО, прием массива с МО и т.п.), каждому типу ставится в соответствие определенный оператор (см. рис. 4). Программа испытаний представляет собой последовательность управляющих предложений, в каждом из которых указывается время выполнения оператора, оператор (т.е. тип информационного обмена, который должен быть выполнен) и адрес МО, который необходимо задействовать в данном типе информационного обмена. В ПОЯ АВТОТЕСТ также введены по аналогии с языками программирования операторы условных и безусловных переходов, оператор цикла, что позволяет создавать хорошо структурированные программы и динамически управлять ходом выполнения программы путем анализа событий. Основной частью ОС АВТОТЕСТ является интерпретатор ПОЯ АВТОТЕСТ, который дешифрует управляющее предложение и включает системную программу, соответствующую указанному оператору, которая в свою очередь через программы драйверы осуществляет в магистрали требуемый тип информационного обмена с заданным адресом в заданное время. В ОС АВТОТЕСТ имеются также средства автоматического поиска синтаксических ошибок, автоматического и операторского рестарта (запуска программы с определенного управляющего предложения), задержки запуска, изменения скорости следования управляющих предложений, выдачи текстовых сообщений для документирования листинга, выдачи предупреждающих и тревожных сообщений с включением звуковых и световых средств сигнализации. ПОЯ АВТОТЕСТ дает возможность писать все программы для всех МО, как входящих в состав КНА, так и входящих в состав ИСС КА, на едином языке. Это позволяет создать общую программу управления полностью автоматическими испытаниями КНА.

В области машиностроения в СССР, насколько можно судить по опубликованным работам, проблема создания универсальных АИК для автоматических КИ КМО, входящих в гибкие автоматические производства (ГАП), не была решена в общем виде и в достаточно полной форме. Испытания основных технологических элементов ГАП: автоматических обрабатывающих ячеек (АOЯ), обычно состоящих из станка с числовым программным управлением (ЧПУ) и робота (Р); автоматических транспортно-накопительных систем (АТНС), обычно состоящих из автоматических транспортных ячеек (АTЯ) и автоматических ячеек склада (АЯС), не проводятся на универсальных АИК, позволяющих поставить их тестирование, обработку полученных данных, принятие решений о годности выпускаемого оборудования и документирование результатов испытаний “на поток”. Вместе с тем, анализ принципов построения ГАП, алгоритмов взаимодействия его основных технологических элементов между собой и с оператором, ПОЯ и ОС, обеспечивающих эти взаимодействия, показывает, что возможно не только создание специализированных АИК, предназначенных для одновременных испытаний нескольких однородных элементов ГАП (например, нескольких роботов), но и для автоматических испытаний групп разнородных элементов (роботов, станков ЧПУ и т.д.).Для решения этой задачи может быть использован опыт, накопленный при создании АИК, предназначенных для испытаний КМО космического применения. Такие АИК в принципе, по самой своей сути, предназначены для одновременных испытаний самых разнообразных МО, изготовленных по разным стандартам, в разных странах, имеющих разное назначение, разные алгоритмы управления. Автоматические КМО, используемые в космических исследованиях и в ГАП, имеют много общего с точки зрения реализованных в них принципов технического и программного обеспечения, но очень сильно отличаются друг от друга по используемой элементной базе и конкретным техническим решениям.

Современные автоматические КМО, используемые в космических исследованиях, а также АИК для испытаний таких КМО имеют стандартизованные входные и выходные сигналы и информационные параметры. В качестве входных сигналов используются: УКС и последовательности УКС, в которых зашифрована управляющая информация; ФК, обычно предназначенные для включения и выключения устройств; КБВ, позволяющий осуществлять привязку всех событий, происходящих на борту, к единому времени. Выходная информация передается в виде: телеметрических блоков (последовательности байт) на цифровую телеметрическую систему (ЦТС); телеметрических блоков на высокоскоростную цифровую телеметрическую систему (ВЦТС); битовых сигналов (типа да-нет) на сигнальную телеметрическую систему (СТС), где эта информация также упаковывается в блоки. Информационные параметры определяют периоды циклов: опроса информационных каналов; формирования блоков измерительной телеметрической информации; формирования блоков статусной телеметрической информации (информации о состоянии КМО); формирования блоков битовых сигналов;

Основные технологические элементы современных ГАП используют в качестве входных сигналов: буквенно-числовой код Международной системы кодирования информации ISO-7 bit, который можно рассматривать как частный случай УКС; команды включения-выключения, являющиеся разновидностями ФК; цифровую информацию, поступающую с систем точного времени, являющуюся разновидностью КБВ. Выходная информация в ГАП передается обычно в цифровой форме (сигналы с датчиков, имеющих аналоговые выходы, как правило, преобразуются в цифровую форму) в виде: последовательности байт, содержащих измерительные данные; последовательности байт , содержащих статусные данные (данные о состоянии устройств технологических элементов ГАП); битовых сигналов (типа да-нет). Все выходные сигналы за один цикл измерения, охватывающий все измерительные или статусные каналы технологических элементов ГАП, в принципе могут быть сведены в байтовые последовательности фиксированной длины, являющиеся аналогами телеметрических блоков КМО космического назначения. Датчики, используемые в ГАП для измерения технологических параметров и параметров окружающей среды, значительно отличаются от датчиков, используемых в КМО космического назначения, но этот факт не является принципиальным, т.к. и в том и в другом случае выходная информация в конечном счете преобразуется в цифровую форму. Передача, хранение, анализ цифровой информации, схемы принятия решений и принципы организации обратной связи и оперативного управления в широких пределах не зависят от конкретного содержания информации. Однако, такая зависимость все же имеется. Она становится существенной при очень больших объемах и скоростях передачи, присущих некоторым видам информации (например, информации о быстрых процессах в околоземной ударной волне). Для обслуживания высокоскоростных и высокоинформативных телеметрических выходов как раз и служит ВЦТС. Из вышеизложенного следует, что постановка задачи, принципы и цели при создании АИК космического назначения и в области ГАП допускают широкое обобщение.

Примером успешного внедрения в народное хозяйство методов, используемых при испытаниях космических объектов, является создание участка для автоматических испытаний промышленных роботов на московском заводе “Красный Пролетарий” (1985 г.). До внедрения системы “АВТОТЕСТ” выходной контроль промышленных роботов выглядел следующим образом. К разъему, предназначенному для связи робота со станком ЧПУ, пристыковывался посредством многожильного кабеля кнопочный пульт, обычно применяемый для управления подъемно-транспортным оборудованием (например тельфером). По таблицам, приведенным в “Инструкции по проведению выходного контроля”, на кнопках набирался код команды управления и давался сигнал к ее выполнению. По отклику робота делалось заключение о его реакции на команду и в соответствующей колонке таблицы делалась условная отметка. Проверялось около 30 параметров. Процесс тестирования был длительным, трудоемким, заключения субъективными, надежность низкой. Специалистами ИКИ АН СССР в содружестве с сотрудниками завода была разработана интерфейсная карта, позволившая подключить роботы к интерфейсной магистрали ГОСТ 26003-80. Для управления роботами в процессе испытаний к интерфейсной магистрали ГОСТ 26003-80 подключались две ЭВМ Д3-28, одна для выдачи команд (контроллер магистрали), другая (универсальный слушатель) для регистрации информационного обмена в интерфейсной магистрали на дисплее и принтере (см. рис. 5). Управление осуществлялось по программам, написанным на ПОЯ АВТОТЕСТ, с использованием ОС АВТОТЕСТ. Программы вводились в ЭВМ Д3-28 либо с магнитных лент, либо через перфосчитыватель с перфолент, либо с клавиатуры ЭВМ. Для подготовки программ использовалась ЭВМ Д3-28 с подключенными к ней дисплеем, принтером и перфоратором. Комплекс работал в полностью автоматическом режиме. Системные программы на языке Ассемблер, а также программы испытаний на ПОЯ АВТОТЕСТ для этого участка были написаны автором. Одна ветвь интерфейсной магистрали ГОСТ 26003-80 позволяет подключить не более 15 абонентов при длине ветви не более 20 м. Расчеты, проведенные на заводе показали, что внедрение только одной такой ветви позволяет высвободить 20-25 операторов-испытателей. По результатам проведенных работ на заводе было принято решение создать участок для массового выходного контроля роботов. Для этого участка в ИКИ АН СССР был разработан оптико-электронный расширитель магистрали, который позволяет с помощью одной ЭВМ управлять несколькими ветвями интерфейсной магистрали ГОСТ 26003-80, к каждой из которых можно подключить 15 абонентов на длине 20 м. Был сделан вывод, что такой участок может быть использован без существенных изменений для испытаний станков с ЧПУ и других автоматических систем, т.е. на основе системы АВТОТЕСТ возможно создание гибкого автоматизированного производства по испытаниям, а также, что принципы, заложенные в системе АВТОТЕСТ, могут быть использованы для управления технологическими процессами в лабораториях и на производстве. Эта работа доказала, что мощные испытательные системы космического назначения могут найти успешное применение в народном хозяйстве.