Модернизация систем управления технологическим оборудованием

нии персонального компьютера или промышленного контроллера, с соответствующим программным обеспечением, к приводам подач станка (иногда вместе с заменой самих приводов подач). Они, как правило, не затрагивают подготовку управляющих программ (УП), что иногда требует дополнительных усилий соответствующих подразделений предприятий на приведение УП в соответствие с изменившимися особенностями системы управления. В свою очередь, это может привести к увеличению трудоемкости подготовки УП и снижению их качества.

В устаревших системах ЧПУ с магнитной лентой используется метод двухэтапной подготовки УП. Подготовка УП согласно этому методу выполняется в два этапа: на первом этапе формируется декодированная программа (из кодированной программы, представленной в форме текстового описания работы станка в виде последовательности кадров) с записью ее на программоноситель, а на втором – воспроизведение декодированной программы у станка. Основными достоинствами данного метода являются выполнение сложных расчетных задач практически в лабораторных условиях и простота устройства воспроизведения декодированной программы. Однако в традиционном исполнении, когда декодированная программа записывается на программоноситель как фазо-модулированный аналоговый сигнал, названные достоинства перекрываются недостатками магнитной ленты, перечисленными ранее. К ним можно добавить еще и отсутствие всякой возможности анализа декодированной УП, непосредственно поступающей на станок.

Возможности современных вычислительных средств и элементной базы позволили предложить новую модификацию метода двухэтапной подготовки УП (метод двухэтапного воспроизведения УП), при которой декодированная программа представляется в цифровой форме и записывается на электронный программоноситель. Представление декодированной УП в цифровой форме (цифровая декодированная УП) расши- ряет возможности ее анализа и контроля. При этом сохраняются преимущества двухэтапного подхода к воспроизведению УП и исключаются проблемы, связанные с использованием ленточных программоносителей.

В рамках метода двухэтапного воспроизведения УП немаловажное значение приобретает применение методов неискажающего сжатия данных, что связано с большими объемами цифровых декодированных УП. Объем цифровой декодированной УП определяется следующим образом:

Q = t · f , где t – время работы программы, f – частота выдачи символов программы на станок. Например, объем часовой декодированной программы при исполнении на станке с частотой 2000 байт/с равен:

Q = 3600 с * 2000 байт/с = 7200000 байт ≈ 6.9 Мб.

Поэтому для обеспечения записи как можно большего количества УП на относительно недорогой носитель информации их необходимо предварительно сжимать. Вероятность существования эффективных процедур сжатия цифровых декодированных УП обуславливается их структурой и использованием символов ограниченного алфавита (символов унитарного кода). Символы унитарного кода представляют собой последовательность битов, каждая пара которых соответствует движению по одной из координат (первый бит кодирует элементарный шаг в одном направлении, а второй – в противоположном направлении). Таким образом, для большинства станков символ унитарного кода имеет размер одного байта (большинство станков имеют не более четырех координат).

Исследование свойств цифровых декодированных УП, позволяющих их эффективно сжимать, проводилось на наборе, используемом в технологических процессах на казанских авиационных предприятиях. Эксперименты были проведены на персональном компьютере с процессором Celeron 1800.

В настоящее время наиболее часто используются следующие универсальные методы сжатия данных: методы контекстного моделирования, словарные методы и методы сортировки блоков. Так как методы сортировки блоков, основанные на преобразовании Барроуза-Уиллера, являются ресурсоемкими, то во встраиваемых системах их использование ограничено и подробно в данной работе они не рассматриваются.

Для модификации методов сжатия выбраны методы PPM (метод контекстного моделирования) и LZ77 (словарный метод). При этом был получено среднее значение фактора сжатия, превышающее величину 100. Для оценки ресурсо-емкости разработанных модификаций были исследованы среднее время сжатия на символ, среднее время восстановления на символ и объем требуемой оперативной памяти.

Для модификаций метода PPM время сжатия и восстановления на символ меняется от 3.53 мкс/байт (модель 1-го порядка) до 9.41 мкс/байт (модель 8- го порядка). Соответственно потребный объем памяти меняется от 1300 байт до 104000 байт. При этом требуемый объем оперативной памяти можно сократить более чем в 5 раз, если выполнить предварительное разделение координат (сжимать последовательность битов по каждой координате отдельно).

При использовании модификаций LZ77 время сжатия на символ не превышает 17 мкс, а время восстановления на символ не превышает 0.2 мкс. При этом объем оперативной памяти не превышает 10 Кб. Таким образом, модификации метода LZ77 являются более подходящими для использования в системе с ограниченными ресурсами, каковой является система с двухэтапным воспроизведением УП.

Для оценки фактора сжатия цифровых декодированных УП при использовании метода LZ77 была получена зависимость (с коэффициентом детерминированности 0.97):

F _сж( LB , LD ) = 21.9Ln( LB ) + 9.2Ln( LD ) – 166.9, где F _сж – фактор сжатия, LB – размер упреждающего буфера, LD – размер словаря. Время сжатия на символ (мкс) можно аппроксимировать полиномом:

t ( LB, LD ) = 0.001 LB + 0.002 LD + 0.7.

При реализации метода сжатия УП в системе ЧПУ основными параметрами являются фактор сжатия, требуемый объем оперативной памяти и время сжатия и/или восстановления данных. В устройстве управления с ограниченными ресурсами, которое непосредственно подключается к станку, наиболее важным является соотношение между фактором сжатия, который должен быть как можно больше, и затратами оперативной памяти, которые должны быть как можно меньше. Поэтому в общем случае задача выбора метода сжатия является многокритериальной.

Тогда, если F – фактор сжатия, V – объем оперативной памяти, t – время сжатия, F₀ – допустимый фактор сжатия, V₀ – допустимый объем оперативной памяти, t₀ – допустимое время сжатия, то задачу выбора метода сжатия в общей форме можно представить в следующем виде:

F → max

V → min

F ≥ F 0    .               (1)

V ≤ V0

t ≤ t0

Задачу (1) можно свести к однокритериальной форме (2), выбрав в качестве целевой функции отношение фактора сжатия F к затратам памяти V , при тех же ограничениях:

F

> max.(2)

V

Для метода LZ77 задача (2) имеет следующий вид:

AFLn(X!) + BFLn(x2) - CF > max

^{( x} 1 ^{+ x} 2 )

A F Ln ( x 1 ) + B F Ln ( x ₂) - C F >  F ₀,

• X1 + x2 < V0,

AtXi + BtX2 + Ct < 10,x1 > 0, x2 > 0.

В этой постановке задачи выбора метода сжатия x₁ є LB, x₂ є LD, A_F = 21.9, B_F = 9.2, C_F = 166.9; A_t = 0.001, B_t = 0.002, C_t = 0.7 ( A_F , B_F , C_F , A_t , B_t , C_t – коэффициенты аппроксимирующих выражений для фактора сжатия и времени сжатия).

Решение задача (3) с помощью метода множителей Лагранжа позволило определить, что при минимально допустимом значении фактора сжатия F₀ = 70 максимум целевой функции достигается в точке (2297, 1591), т. е. оптимальной модификацией метода LZ77 является модификация с размером упреждающего буфера LB = 2297 байт и размером словаря LD = 1591 байт.

На основе метода двухэтапного воспроизведения УП разработана и внедрена система, содержащая автоматизированное рабочее место (АРМ) технолога, устройства хранения и выдачи программ (УХВП), блоки сопряжения (БС) с технологическим оборудованием.

АРМ предназначено для выполнения вычислительных операций, связанных с подготовкой цифровой декодированной УП. Подготовка такой программы заключается в ее формировании из кодированной УП с контролем качества будущего исполнения на конкретном оборудовании со своими динамическими особенностями. Так как на АРМ может осуществляться подготовка программ для парка станков различных типов, то необходимо учитывать организационные особенности производства, т. е. решать на АРМ задачи ведения базы данных станков, программ для них и соответствующих УХВП. Кроме этого, для увеличения количества программ, которые могут быть записаны в УХВП, и уменьшения времени записи, на АРМ выполняется их сжатие.

УХВП предназначено для управления станком от записанных в него программ. Так как цифровые декодированные УП могут храниться в УХВП в сжатом виде, то перед выдачей их на станок необходимо выполнить их предварительное восстановление.

БС предназначены для требуемого преобразования символов унитарного кода в сигналы управления, поступающие на приводы подач станка.

АРМ базируется на аппаратных средствах персонального IBM PC- совместимого компьютера стандартной конфигурации, работающего под управлением операционных систем MS DOS, Windows 98, Windows 2000 или Windows XP (и совместимых с ними).

По существу АРМ представляет собой набор программных модулей, выполненных в виде отдельных исполняемых файлов (*.EXE). В этот набор входят следующие модули:

• -    монитор, который представляет собой операционную оболочку для организации взаимодействия между технологом, АРМ и УХВП при подготовке УП;

• -    интерполятор, который осуществляет интерполяцию кодированной программы с настройкой на динамические особенности оборудования и диагностикой ее качества. На выходе интерполятора формируется декодированная управляющая программа, если кодированная программа удовлетворяет необходимым критериям качества;

• -    модуль распределения памяти УХВП, который предназначен для выделения и освобождения памяти в УХВП при записи и удалении программ;

• -    модуль загрузки, который предназначен для управления процессом записи информации в УХВП через параллельный (LPT) или последовательный (COM) интерфейс персонального компьютера;

• -    модуль сжатия программ, который предназначен для сжатия декодированных УП;

• -    вспомогательные модули для тестирования подключения УХВП к АРМ и для сброса питания УХВП;

• -    драйвер, который предназначен для доступа к интерфейсу ввода/ вывода, используемого для подключения УХВП, при работе в операционных системах Windows.

Основными элементами УХВП являются AVR-микроконтроллер и энергонезависимая память стандарта CFC (Compact Flash Card). На выбор AVR-микроконтроллеров повлияло то, что в настоящее время они являются наилучшими для встраиваемых систем по соотношению различных показателей.

Микроконтроллер предназначен для управ- ления следующими режимами работы УХВП: режим загрузки УП с АРМ, режим выбора УП для исполнения на станке и режим выдачи УП на станок.

В режим загрузки управляющих программ с АРМ УХВП переходит при подключении его к АРМ. Остальные режимы предназначены для работы с УХВП непосредственно у станка.

Энергонезависимая память стандарта CFC используется для хранения УП. В УХВП она подключается к микроконтроллеру по интерфейсу IDE/ATA с минимальным количеством линий (14 линий). В этом случае используются OE (разрешение чтения), WE (разрешение записи), CE1 (выбор регистра), D0 – D7 (шина данных), A0 – A2 (шина адреса).

Память УХВП разделена на две области: оглавление и область УП. Оглавление содержит системную информацию о программах, а сами программы размещаются в области УП в виде сплошных блоков. Для размещения УП в памяти УХВП соответствующим модулем АРМ решается задача оптимизации, которая в общей форме может быть выражена следующим образом:

mn    V

ЁЁxj   ^ max

j = 1 i = 1      Q j

n

Е XjVi< Qj, j = 1,2,..., m i =1

Xj e {0,1}, i = 1,2,..., n, j = 1,2,..., m

Здесь x_ij – двоичная переменная для определения того будет ли выбран j -й пустой блок для размещения i -й программы ( x_ij = 1) или нет ( x_ij = 0); V_i – размер i -й программы; Q_j – размер j -го пустого блока; m – число пустых блоков; n – число программ. Целевая функция отражает необходимость максимально заполнить пустые бло-

Vi ки. При этом q jj =     - есть относительный вес i-й программы в j-м пустом блоке.

При использовании весов q_ij ( i = 1, 2, …, n , j = 1, 2, …, m ) исходная постановка может быть представлена в эквивалентном виде:

mn

ЕЕхцЧц ^max j=1i=1

n

Е Ху9у < 1 j = ^Е”, m i =1

xjj e {0,1}, i = 1,2,..., n, j = 1,2,..., m

Кроме этого, если ввести относительные остатки s_j ( j = 1, 2, …, m ) после заполнения каждого пустого блока, то можно преобразовать исходную постановку задачи к еще одному эквивалентному виду, который требуется для решения задач частично целочисленного программирования некоторыми алгоритмами.

m

Е s j ^ min j=1

n

Е xijqij + sj = 1, j 1,2,..., m i=1

xj e {0,1},i = 1,2,...,n, j = 1,2,...,m0 < sj < 1, j = 1,2,..., m

Для приближенного решения задачи за относительно малое время можно воспользоваться жадным алгоритмом. При этом задачу распределения памяти УХВП можно поставить следующим образом:

• 1)    задана матрица весов [ q_ij ] _nґm ;

• 2)    необходимо выбрать в каждой строке не более одного элемента, таким образом, чтобы сумма всех выбранных элементов была максимальной и сумма выбранных элементов в каждом столбце не превосходила 1;

• 3)    поставить в соответствие каждому элементу матрицы [ q_ij ] _nґm двоичную переменную x_ij таким образом, что x_ij = 1, если элемент q_ij выбран, и x_ij = 0, если элемент q_ij не выбран.

Для повышения эффективности “жадного” алгоритма элементы матрицы весов упорядочиваются так, что q_ij і q_lk при i <  j и l <  k . Для этого перед заполнением матрицы список программ сортируется по убыванию размеров, а список пустых блоков – по возрастанию размеров. Тогда число шагов при реализации жадного алгоритма не будет превышать mn .

При использовании упорядоченной матрицы весов можно получить точное решение за mn2 шагов. При этом процесс можно разбить на m этапов, на каждом из которых решается задача заполнения только одного пустого блока перебором возможных вариантов. Возможность этого определяется отношением. ,Е , q ij ~ Ё q ik , где I, I, - множество ie I j n Ik               e I j n Ik , j, k разрешенных строк (строк с элементами, которые можно выбрать) для j-го и k-го столбцов соответственно (j < k).

БС состоит из микроконтроллера, устройства сопряжения, схемы связи с пристаночным пуль- том управления и источника питания. В БС используется AVR-микроконтроллер с минимальнотребуемыми возможностями. Микроконтроллер преобразует символы унитарного кода в фазомо-дулированные сигналы прямоугольной формы. Устройство сопряжения согласует эти сигналы с блоком управления приводами подач станка (приводит к синусоидальному виду). Схема связи с пристаночным пультом управления обеспечивает поступление сигналов о начале и окончании работы с этого пульта. Источник питания предназначен для преобразования напряжения к нужному номиналу. От источника питания, встроенного в БС, питается также и УХВП ФАУСТ. Построение БС как микроконтроллерной системы позволило добиться необходимых свойств путем гибкого изменения соответствующего программ- ного обеспечения. Это означает, что он достаточно просто и без изменения схемы может быть адаптирован к требованиям конкретного блока управления приводами подач.

Изначально разработанная система была предназначена для исключения магнитной ленты. Однако на предприятиях, где проводились работы по модернизации систем ЧПУ, имеется большой парк станков, работающих от перфоленты. Применение метода двухэтапного воспроизведения УП позволило достаточно быстро адаптировать систему для исключения также и этих программоносителей. Таким образом, ее внедрение позволило полностью исключить из оборота ленточные программоносители и тем самым повысить качество управления технологическими процессами.

MODERNIZATION OF CONTROL SYSTEMS BY PROCESS EQUIPMENT