Организация связей между компонентами системы управления

Варианты реализации открытой архитектуры систем ЧПУ

Гибкие и наиболее сложные системы ЧПУ с открытой архитектурой выполняют согласно двухкомпьютерной архитектурной модели (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Двухкомпьютерная архитектурная модель системы ЧПУ

Двухкомпьютерная модель предусматривает размещение
РС-подсистемы на одном компьютере, а NC-подсистемы – на другом.

В РС-подсистеме наиболее целесообразна операционная система Windows NT, а в NC-подсистеме – операционная система реального времени, например, UNIX. Обе операционные системы совместимы в том понимании, что поддерживают коммуникационные протоколы TCP/IP. Это позволяет построить коммуникационную среду, которая объединяет обе подсистемы. Включение в эту среду прикладного уровня с функциями доступа к интерфейсам модулей (а общее число таких функций может достигать нескольких сотен) создает виртуальную шину, которая обеспечивает низкоуровневые услуги доступа. Объектную надстройку в шине формирует глобальный сервер, т.е. единая для обеих подсистем объектно-ориентированная магистраль.

Однокомпьютерная модель допускает использование компьютера, оснащенного дополнительными контроллерами для связи с мехатронными объектами управления (рис. 1.7). В их числе могут быть контроллер следящих приводов, программируемый контроллер PLC (Programmable Logic Controller), специальные устройства для управления технологическими процессами и др.

Рисунок 1.7 - Однокомпьютерная архитектурная модель системы ЧПУ

Как операционная система может быть использована система Windows NT, снабженная соответствующим расширением, например, в виде системы RTX 4.1 американской фирмы VentureCom.

Windows NT не может использоваться в режиме реального времени по следующим причинам:

· недостаточное количество real-time приоритетов;

· отсутствие наследования приоритетов, как средства борьбы с инверсией приоритетов;

· не подходящая для RTOS (операционных систем реального времени) система обработки прерываний.

В Windows NT доступ к прерываниям осуществляется из драйвера ядра, а сами прерывания обрабатываются в два этапа:

· на первом этапе вызывается очень короткая программа (Interrupt Service Routine, ISR), которая осуществляет критическую обработку;

· на втором этапе происходит основная обработка прерывания в программе Deferred Procedure Call (DPC).

Особенностью обработки прерываний в Windows NT является то, что все обработки прерываний (DPC) выполняются с одинаковым уровнем приоритета в порядке поступления (принцип FIFO). При этом время окончания обработки DPC оказывается зависимым от непредвиденной активности других драйверов системы. Это недопустимо для систем реального времени, которые строятся по принципу жесткого детерминизма - необходимо точно знать максимальное время от момента возникновения прерывания к входу в процедуру обработки с гарантией, что это время не будет превышено.

Фирма VentureCom, будучи партнером Microsoft, получила право устанавливать свой исходный код в слой HAL (Hardware Abstraction Layer) операционной системы Windows NT. Фирма VentureCom разработала систему RTX (Real Time eXtention), которая модифицирует слой HAL и дополняет его диспетчером потоков (threads) реального времени. Этот диспетчер изолирует прерывания, что создает возможность строить приложения реального времени, о существовании которых любые другие приложения ничего не знают.

Подсистема реального времени RTSS (Real-Time Sub-System), которая реализована в виде драйвера Windows NT, служит дополнениям к операционной системе и использует сервисы Windows NT и HAL для работы приложений реального времени отдельно от любых других приложений. Выполняя собственные функции, эта подсистема осуществляет управление ресурсами RTX.

После установки RTX стандартная NT превращается в операционную систему реального времени с жестким детерминизмом (hard real-time). При этом сама NT об этом не подозревает, так как ни ядро, ни исполняющая подсистема NT не изменены. Подсистема реального времени видна с Windows NT, как еще один драйвер устройства.

На интерфейсном уровне прикладные программные интерфейсы Win32 и RTX схожи. В них реализованные функции, необходимые для создания обычных приложений (Win32) и приложений реального времени (RTX). При этом разработанную с использованием RTX программу можно налаживать и запускать в среде Win32.

Архитектурные варианты, представленные на рисунках 1.6-1.7, разработаны с учетом принципов открытой архитектуры относительно ЧПУ.

Принципы открытой архитектуры сводятся к следующему:

· четкое размежевание между системным, прикладным и коммуникационным компонентами;

· возможность независимого развития каждого из этих компонентов как на основе оригинальных разработок, так и путем встраивания покупных программных систем;

· клиент-серверная организация взаимодействия подсистем; стандартизация интерфейсов и транзакций.

В вертикальном сечении PC-подсистема имеет многоуровневую структуру (рис. 1.8) и в полной мере отвечает модели виртуальной машины.

Рисунок 1.8 - Виртуальная модель PC-подсистемы

Нижний уровень представляет аппаратура - компьютер и контроллер (контроллеры). Выше размещается операционная система Windows NT вместе с драйверами виртуальных устройств (VxD), которые обеспечивают управление внешними устройствами.

Доступ к операционной системе и ее службам осуществляется с помощью API-слоя (прикладной интерфейс), который поддерживается Win 32-функциями и NC-функциями. Указанные функции обеспечивают вход в подсистемы Windows NT и NC. Функции реализованы в виде DLL (Dynamic Link Library, библиотека с динамическим связыванием).

Выше API-слоя расположен объектно-ориентированный сервер, который создает фундамент для приложений в системе PCNC.

Объектно-ориентированный сервер включает в себя объекты стандартных классов из библиотеки MFC (Microsoft Foundation Classes), а также специально разработанные классы OOC_CL объектно-ориентированной магистрали ООС (Object Oriented Channel). Объектно-ориентированный сервер содержит общие для всех приложений алгоритмы - обработчики ошибок, средства форматирования и конвертирование данных, управляющие элементы многооконного экрана и др.

На прикладном уровне размещаются разнообразные приложения: интерфейс пользователя MMI (Man Machine Interface), инструмент разработки и верификации управляющих программ NC_PDT (NC Program Data Tool) и др.

Следует учесть, что в однокомпьютерном варианте распределение работы допускает оптимальное использование вычислительных ресурсов системы для реализации необходимого масштаба реального времени.

С учетом изложенного можно сделать следующие выводы:

• Архитектура системы ЧПУ определяется количеством и составом задач управления.

• Архитектурная компоновка системы ЧПУ представляет собой совокупность модулей. Каждый модуль автономен и является вложенным объектом. Он имеет собственную структуру данных и алгоритмов, а также собственную интерфейсную оболочку для работы в клиент-серверной среде.

• В двухкомпьютерной архитектуре коммуникационная среда, которая объединяет две операционных системы, поддерживается протоколами TCP/IP.

• В однокомпьютерной архитектуре используется операционная система Windows NT с расширением реального времени. Как коммуникационная среда используется объектно-ориентированная магистраль, которая реализует функции сервера.

Параллельный интерфейс. В стандартную комплектацию PC входит 8-разрядный параллельный интерфейс Centronics, который предназначен для односторонней передачи информации от PC до периферийного оборудования на расстояние до 2 м. со скоростью 100 Кбайт/с.

Фирмы Intel, Xircon, Zenith и другие совместно разработали спецификацию улучшенного порта EPP (Enhanced Parallel Port), который позволяет осуществлять двунаправленную передачу по каналу прямого доступа. Для использования такого порта необходимо специальное программное обеспечение. EPP обеспечивает скорость обмена данными до 2 Мбит/с и подключение в цепочку до 64 периферийных устройств. Разработан также порт ECP (Exstendet Capability Port), который позволяет подключать до 128 устройств.

Последовательный интерфейс. В стандартную комплектацию PC входит наиболее распространенный интерфейс RS-232C, известный как CCITT V.24. В промышленности наиболее часто применяют интерфейс RS-485, который использует симметричную двухпроводную линию связи и позволяет строить сети с числом абонентов до 32 на расстояние до 1200 м.

Наиболее распространенным сетевым решением является сеть Ethernet со скоростью до 100 Мбит/с. Однако протокол Ethernet имеет недетерминированную природу, которая противоречит требованиям управления в реальном масштабе времени. Поэтому для обеспечения гарантии доставки сообщений в заданный интервал времени применяют улучшенный протокол ATM (Asynchronous Transfer Mode) со скоростью обмена 25 Мбит/с или специальную шину PROFINET, разработанную фирмой SIEMENS.

Во все центральные процессоры блоков управления SIMATIC S7 встроен MPI интерфейс. Он может быть использован для построения простых и наиболее дешевых сетевых структур. MPI интерфейс разрешает поддерживать одновременную связь одного блока управления SIMATIC S7 с несколькими программаторами или компьютерами, устройствами и системами человеко-машинного интерфейса, программируемыми контроллерами SIMATIC S7-300/400, блоками управления SIMATIC C7, системами компьютерного управления SIMATIC WinAC. При этом обмен данными может осуществляться с 16 центральными процессорами
(с использованием STEP 7 V4.x).

MPI интерфейс блоков управления SIMATIC S7 непосредственно связан с внутренней коммуникационной К-шиной центрального процессора, которая обеспечивает доступ через MPI интерфейс ко всем модулям, подключенным к К-шине. Скорость передачи данных через MPI интерфейс – 187,5 Кбит/с. Коммуникационные компоненты для MPI связи – это сетевые кабели, соединители и повторители RS 485 из спектра компонентов PROFIBUS.

Связь между PC и контроллерами. Для связи между PC и контроллерами принято применять последовательные шины. К этой группе относятся несколько европейских разработок: Profibus (DIN 19245), PROFINET, Bitbus, CAN, Interbus S, а также американская Fielbus HART.

Связь между контроллерами и приводами. Связь со следящими поводами зависит от типа привода. При использовании цифровых приводов подачи фирм INDRAMAT и Bosh связь может быть организована с помощью интерфейса SERCOS (SErial Real-time COmmunication System) – по стандарту IEC 61491.

Система SERCOS представляет собой кольцевую оптоволоконную сеть, узлами которой являются программно-аппаратные модули. Такой модуль состоит из специального однокристального контроллера и трансиверной части, причем ведущий модуль может быть оформлен в виде платы, устанавливаемой в РС. Помимо одного ведущего, все остальные модули являются ведомыми. Коммуникационная сессия осуществляется циклически с постоянной частотой, зависящей от числа ведомых модулей в сети, периодичность циклов настраивается на этапе инициализации системы. Так, управлять пятью следящими приводами можно с периодом 1 мс, а восемью приводами (максимальное число) с периодом 2 мс. В каждом цикле задаются скорость и крутящий момент, от каждого привода собирается информация о фактических значениях этих параметров. Ограничений на общее число одновременно работающих приводов практически не сущест-вует. Длина межузлового сегмента для пластиковых оптоволоконных кабелей может достигать 60 м, а для стеклянных 250 м.

Наиболее распространенным протоколом связи на уровне управления оборудованием с аппаратурой фирмы SIEMENS остается Profibus.

Возрастает признание интерфейса CAN (Controller Area Network), разработанного фирмой Bosh. Он представляет собой последовательный интерфейс, специально созданный для соединения между собой датчиков, исполнительных устройств и интеллектуальных контроллеров. Преимущества интерфейса CAN – обеспечение режима обмена в реальном масштабе времени благодаря возможности инициативной передачи данных при изменении состояния входных сигналов, высокая помехоустойчивость и протокол с коррекцией ошибок. Интерфейс CAN поддерживает коммуникационные протоколы прикладного уровня DeviceNet фирмы Allen-Bradly и CANopen, предусматривает коррекцию ошибок, а интерфейс стойкий к промышленным помехам. Скорость передачи через интерфейс CAN - 1 Мбит/с.