ИНЭЛСИ

Статьи

Применение контроллеров движения для систем управления электромеханическими объектами (НТЦ "ИНЭЛСИ", г.Иваново)

В статье рассматриваются вопросы построения систем управления движением различного назначения на основе встраиваемых вычислительных устройств – контроллеров движения.

В настоящее время в машиностроении существует тенденция к росту применений устройств, обеспечивающих заданный характер движения или взаимную синхронизацию отдельных машин. Использование программируемых электромеханических связей позволяет, как правило, добиться значительного расширения функциональных возможностей, повысить производительность машин и уровень автоматизации производства. Функциональные возможности, предоставляемые программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), обеспечивают решения задач управления автоматизированными технологическими процессами (АСУТП). Однако для построения систем управления движением (СУД) манипуляционных роботов, металлорежущих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), ряда поточных линий их ресурсов оказывается недостаточно. Последнее связано с тем, что ПЛК традиционно создавались для управления технологическими объектами и значение термина «реальное время» применительно к АСУТП определяется быстродействием механических, гидравлических или пневматических элементов. Для решения задач, требующих высокой точности, быстродействия, координирующего управления применяются, как правило, системы автоматического управления многодвигательным электроприводом, построенные на одном или нескольких вычислительных устройствах. В случае однопроцессорных вычислителей предельное быстродействие определяется числом одновременно обслуживаемых электродвигателей и скоростью нарастания тока в электрических цепях, обычно составляющей десятки микросекунд. Необходимая точность вычислений координат траекторий движения может быть достигнута при 24-32 битовой разрядной сетке.

Использование для этой цели комплектных электроприводов с цифровым управлением совместно с ПЛК не дает возможности достигнуть высоких результатов вследствие ограниченного быстродействия интерфейсов, сложности организации перекрестных связей между электроприводами и недостаточно развитого программного обеспечения.

Другое развиваемое в настоящее время направление использования PC-совместимых компьютеров (PC-base) для управления многодвигательными электроприводами [1] также не лишено ряда недостатков. Несмотря на высокую вычислительную мощность процессоров, реализовать ее в полной степени для СУД не удается вследствие следующих причин:

  • жесткие требования по стабильности времени квантования, высокоскоростному интерфейсу, быстрому отклику на прерывание, типичные для СУД, несущественны для (PC-base) процессоров. С другой стороны, для СУД нет необходимости в обеспечении совместной работы программ различных производителей, механизма трансляции логических адресов в физические, наличии большого объема памяти и т.п.;
  • частота системной шины существенно ниже тактовой частоты процессора, а кэширование приводит к непредсказуемому изменению времени обработки;
  • программы логического и цифрового управления состоят из фрагментов, имеющих небольшой объем (от десятков до сотен машинных команд). Использование операционных систем (ОС) для управления подобными задачами приводит к значительному увеличению затрат времени на переключение контекста, а вывод таких задач за рамки операционных систем весьма существенно тормозит работу самой ОС. Особые требования предъявляются к анализу и обработке исключительных ситуаций в СУД, т.к. последние используются в ответственных и потенциально опасных машинах.

В этой связи, а также с увеличивающимися потребностями в системах управления движением (СУД) в различных отраслях промышленности рядом иностранных фирм предприняты попытки создания встраиваемых вычислительных устройств, предназначенных для решения широкого класса задач управления движением контроллеров движения (КД) [2].

Характерной особенностью КД можно считать то, что производитель предлагает целый комплекс изделий, включающий, кроме собственно вычислительного устройства, силовые модули для двигателей различного типа, развитый набор периферийных устройств, средства интерфейса с ведущим компьютером (хостом) и силовыми модулями, а также специализированное программное обеспечение для разработки СУД. Конкретная разработка СУД производится системными интеграторами. К устройствам подобного рода можно отнести изделия фирм ACS Motion Control (SPiiPlus) [3], Galil (Accelera DMC) [4], Performance Motion (Navigator) [5], Delta Tau (PMAC) [6] и некоторые другие. КД может использоваться для создания СУД совместно с персональным компьютером или автономно.

Стандартный набор функций управления движением, поставляемый с КД, включает в себя управление положением «точка-точка», толчковый режим «jog», режим «PVT» (положение-скорость-время), слежение за положением, позиционирование, линейную, круговую и сплайновую интерполяции. Некоторые производители включают в этот набор поддержку алгоритмов прямой и инверсной кинематики. Программное обеспечение позволяет задавать, помимо величин перемещения, профили скоростей и ускорений. Все КД обеспечивают, помимо функций управления движением, функции логического управления, типичные для ПЛК.

В контроллерах предусматриваются возможности управления коллекторными и бесколлекторными двигателями постоянного и переменного тока, линейными и шаговыми двигателями. Для организации обратных связей по положению могут быть использованы квадратурные и синусоидальные энкодеры, резольверы и датчики Холла. В качестве регуляторов положения, как правило, применяются ПИД-регуляторы с упреждающими связями по скорости и положению, настраиваемые пользователем. Для сложных объектов управления имеется возможность использования регуляторов высокого порядка например полиномиальных. В ряде случаев возможно применение регуляторов, создаваемых пользователем контроллера, что однако допускается при их достаточной квалификации. Для управления электроавтоматикой СУД контроллеры имеют широкий набор дискретных входов и выходов.

Конструктивное исполнение КД возможно в виде платы расширения шины PCI, на которой установлен процессор с устройствами памяти и интерфейса или в виде отдельного блока, причем в последнем случае связь с ведущим компьютером производится по высокоскоростному каналу USB или Ethernet. Появление контроллеров движения было обусловлено, с одной стороны, возникновением новых, более совершенных микропроцессоров, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), силовых модулей и с другой – усложнением задач управления многодвигательными электроприводами, повышением требований к точности, быстродействию и надежности приводных устройств.

Важной особенностью КД является аппаратная реализация функций, требующих высокого быстродействия, таких как формирование широтномодулированных импульсов управления силовыми ключами, интерполяция сигналов измерительных преобразователей положения, фиксация начала отсчета положения. С этой целью используются ПЛИС. Как правило, на ПЛИС реализуется и многоканальная система ввода-вывода дискретных сигналов связи с многочисленными модулями расширения. Такое решение позволяет значительно снизить вычислительную нагрузку процессора и освободить его от необходимости решения большого числа быстродействующих задач. Обычно КД имеет около 200 линий ввода-вывода, обеспечивающих взаимодействие с группой приводных устройств. Общее количество управляемых электроприводов зависит от сложности решаемых задач и как правило секционируется с кратностью равной 4.

Основная вычислительная мощность КД определяется используемым процессором. По различным данным, в КД применяются процессоры цифровой обработки сигналов (DSP) или RISC-процессоры с тактовой частотой 120-240 МГц.

Типичным примером использования однопроцессорных КД является семейство PMAC фирмы Delta Tau [6], снабженное процессороми 563xx фирмы Motorola с тактовой частотой 80-240 МГц. Контроллеры могут иметь память команд и данных от 128Кх24 до 512Кх24-разрядных слов. Для постоянного хранения программ и данных используется внешняя энергонезависимая Flashпамять объемом от 1МБ.

Примером использования распределенной микропроцессорной архитектуры является устройство SPiiPlus [3], в котором один процессор движения 4 управляет группой RISC-сервопроцессоров с тактовой частотой 120МГц, каждый из которых контролирует два электропривода. Каждый сопроцессор имеет доступ к 2Кб памяти программ, 352х24-разрядным словам оперативной и 96х24 двухпортовой памяти.

Программные модули в КД могут быть разделены на три основных типа – программы логического управления (PLC), управления движением (PMC) и очереди, включающие кольцевые буферы данных с программами соответствующей обработки. Наивысшим приоритетом обладают PMC, запускаемые через равные промежутки времени по прерыванию таймера, а также некоторые из PLC программ, требующие фиксированного временного масштаба и программы прямого цифрового управления. Свободную часть временного интервала занимают остальные PLC программы, очереди и ряд сервисных функций. Результаты вычислений значений регуляторов и широтно-импульсных сигналов объединяются в единый «сервоцикл», наличие которого в системе может быть необязательным в случае, если КД используется без силовых модулей или с отдельными силовыми преобразователями. Период расчета «сервоцикла» в большинстве случаев находится в пределах 50-120 мкс.

Каждому двигателю в СУД назначается ось, характеризующая геометрические параметры механизма. Возможно использование линейных и круговых осей. Ось имеет масштабные коэффициенты и начало отсчета. При необходимости согласованного управления группой электродвигателей оси могут быть объединены в координатные системы (КС). Общее число КС и осей определяется быстродействием используемого процессора. Любой из КС могут быть присвоены стандартные имена XYZ,ABC,UWV. КС могут быть определены как линейные и ортогональные. В этом случае РМС программы могут использовать линейную и круговую интерполяцию в плоскостях, перпендикулярных направляющим ортам I,J,K.

Основой РМС программ являются генераторы траекторий (ГТ). При вызове РМС программ генераторы траекторий формируют задания для положений одной или нескольких осей. При каждом вызове PMC расчет производится для всех КС, определенных в системе.

Генераторы траекторий могут иметь различные источники данных:

  • Значения приращений на каждом такте квантования, вычисляемые на основе начального, промежуточных и конечного положений, вида и характера кривой разгона, наличия или отсутствия интерполяции, допустимых значений скоростей и ускорений;
  • Значения положений других ГТ или измерителей, установленных на других осях, возможно, не имеющих собственных двигателей – при работе в следящем режиме;
  • Значения приращений, считываемые из особого буфера, заполняемого программой-планировщиком.

Для механизмов циклического действия возможно циклическое выполнение PMC программ, загруженных в специальный буфер. При использовании КД для управления станками с ЧПУ программы движения считываются из кольцевого буфера, пополняемого с хост-компьютера или локальной сети. Каждая КС имеет собственный кольцевой буфер.

PMC и PLC программы могут формировать значения логических переменных – события. События означают достижение заданных значений внешними или внутренними переменными. События используются для управления работой системы и синхронизации различных КС.

Кольцевые буфера PMC и PLC программ заполняются кодами исполняемых команд, которые формируются интерпретатором текста (компилирующим интерпретатором), в режиме загрузки программ.

Рис. 1. Стеклоформующий агрегат КД могут поставляться с обычными средствами разработки типа VB, C/C++ и с проблемно-ориентированными языками программирования собственной разработки фирм-производителей. Компиляция управляющих программ может происходить либо на хосткомпьютере с последующей загрузкой во Flash-память, либо на самом КД. Кроме того, для отладки СУД предлагаются программные средства, позволяющие вести диалоговый обмен, сбор данных и их визуализацию, мониторинг текущих процессов, автоматизировать процесс настройки приводов, Недостатком использования КД для построения СУД можно считать необходимость применения нестандартизированных программных средств [7]. Различие аппаратных платформ и высокая стоимость средств разработки препятствуют широкому распространению КД. Однако, появление в последние годы новых систем на кристалле (SoC) на основе платформы ARM позволяет рассчитывать на преодоление этих недостатков. Наличие большого числа независимых производителей (до нескольких десятков), бесплатного программного обеспечения, широкий ценовой и функциональный диапазон, совместимость программного обеспечения снизу вверх позволяет надеяться на то, что платформа ARM станет стандартом «де факто» для встраиваемых систем.

Рис. 2. Контроллер движения В качестве примера использования предложенного подхода можно привести создание цифровой СУД стеклоформующего агрегата [8] (рис.1). Основное требование – синхронно-синфазное движение 4-х рабочих органов с возможностью регулирования взаимного фазового положения. Учитывая трехсменный режим работы агрегата, сложные условия эксплуатации, а соответственно требования высокой надежности, был реализован вариант системы управления на базе автономного контроллера движения (рис.2). Причем по мере реализации системы ее возможности возрастали. К ним можно отнести возможность работы СУД с механизмами, имеющими различные, в том числе и дробные коэффициенты редукции, фазирование механизмов в процессе разгона агрегата, вариативность типов датчиков положения, управление сложным, изменяющимся в зависимости от производимого изделия, циклом работы комплекта пневмомеханизмов, динамический контроль аварийных режимов и т.п. Важным результатом явилось то, что возрастающие требования заказчика, благодаря заложенным принципам, удавалось относительно быстро и легко реализовывать. Конкурентные разработки, реализованные на ПЛКконтроллерах, не смогли выполнить весь комплекс поставленных требований и были вынуждены уступить этот сектор рынка.

Следующим применением предложенной концепции явилось создание систем управления электрооборудованием «IntNC» для металлорежущих станков с ЧПУ [9]. Традиционно системы управления для станков с ЧПУ включают в свой состав стойку ЧПУ, комплект электроприводов и набор электроавтоматики, изготовленные, как правило, разными производителями. Использование таких отдельных, неинтегрированных систем порождает ряд сложностей при их разработке и обслуживании, создает большое число межблочных соединений, приводит к увеличению цены без повышения качественных показателей.

Основной принцип построения системы управления «IntNC» заключается в том, что задачи расчета траектории движения, контроллера управления электроприводами и контроллера электроавтоматики интегрированы на единой платформе, основу которой составляет специализированный КД. Система управления в этом случае становится более компактной и надежной вследствие уменьшения аппаратной части и сокращения числа реальных связей между устройствами, которые теперь реализуются на программном уровне. Кроме того, объединение этих устройств на одной базе создает условия для разработки новых алгоритмов как управления оборудованием станка, так и технологических процессов обработки.

Рис. 3. Терминальное окно управления IntNC В КД реализован эффективный алгоритм цифрового управления стандартными асинхронными двигателями, что позволяет использовать их в приводах подач и главного движения. Вариант исполнения силовых блоков с прямым ШИМуправлением от КД обеспечивает максимально простое, качественное и надежное управление приводами. В систему инсталлирована программа, позволяющая производить автоматическую настройку приводов и отображать в графическом режиме значения токов, момента нагрузки, ошибку слежения и т.п. Кроме того, в такой системе программист может использовать значения переменных привода (момент нагрузки на шпинделе, ошибку рассогласования по положению и т.д.) в технологической программе.

Система «IntNC» относится к классу систем с открытой архитектурой PCNC. На компьютере реализованы терминальные задачи и функции интерпретатора управляющих программ. Открытая архитектура на аппаратном уровне дает возможность использовать такие преимущества ПК как большой ресурс памяти, наращиваемая вычислительная мощность, стандартные интерфейсы, а на программном уровне интегрировать в состав системы развитое системное, инструментальное и пользовательское программное обеспечение, работающее под операционной системой Windows. Для организации интерфейса между системой ЧПУ и оператором на компьютере устанавливается специальная программная среда IntNC (рис. 3).

Рис. 4. Токарный станок 16А20Ф3 с ЧПУ «IntNC» В качестве интегральной оценки точности разработанной системы и корректного сравнения с существующими системами ЧПУ была выбрана ошибка воспроизведения кругового движения. В результате на токарно-винторезном станке 16А20Ф3 (рис.4) при круговом движении на рабочей подаче F=6 м/мин максимальное отклонение от траектории составило 28мкм (рис. 5). Достигнутое повышение качества получаемой поверхности позволяет отказаться от финишной обработки деталей и тем самым не только сократить время изготовления (т.е. повысить производительность), но и уменьшить количество станков, задействованных в технологическом цикле. Рис. 5. Ошибка воспроизведения кругового движения Таким образом, «IntNC» – это комплексная промышленная цифровая система управления металлорежущего станка, в результате использования которой достигаются высокая производительность, надежность и современные технические возможности. В настоящее время ведется разработка СУД c использованием системы технического зрения (IntCAM285-1) [10] для промышленного 5-осевого манипулятора типа PUMA 560.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. www.powerautomation.com
  2. А.П.Бурков, Е.В. Красильникъянц. Принципы построения контроллеров движения // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП 2007», СанктПетербург, 2007, с.200.
  3. www.acs.com
  4. www.galil.com
  5. Turbo PMAC. User manual. Delta Tau Data Systems, Inc. documentation, 2004.
  6. Turbo PMAC. Software Reference manual. Delta Tau Data Systems, Inc. documentation, 2000.
  7. Н.А. Захаров М:, ИнфоАвтоматизация. ПЛК и РС-совместимые контроллеры: два подхода к построению систем. Автоматизация в промышленности. №4.2003. с.44.
  8. Е.В. Красильникъянц. Новые системы управления для стеклоформующих машин / Стеклянная тара, 2003, №5, с.10.
  9. Е.В.Красильникъянц, В.А.Иванков. Принципы рационального построения системы управления металлорежущего станка // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии», Иваново, 2005. Т.2, с.5.
  10. А.П. Бурков, В.Г. Комин, Е.В. Красильникъянц, Н.В. Салахутдинов. Математическое и аппаратное обеспечение промышленной системы машинного зрения // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы информационно-компьютерных технологий и мехатроники», Дивноморское, 2007. Т.2, с.256.

Применение контроллеров движения для систем управления электромеханическими объектами //
Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – №2. – С. 45-50.