WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Директор ЭЛТИ ТПУ проф., д. ф.-м. наук А.П. Суржиков «_» 2007 г.

ИЗУЧЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ PCNC Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Комплексная автоматизация технологических процессов” для студентов специальности 140604 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов” Томск 2007 УДК 621 ИЗУЧЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ PCNC. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Комплексная автоматизация технологических процессов” для студентов специальности 140604 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов”– Томск: Изд. ТПУ, 2007. – 40 с.

Составители: асс. Гусев Н.В., ст. преп. Нечаев М.А., инж. Коваленко М.В.

Рецензент: д.т.н., профессор Букреев В.Г.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры электропривода «_» 2007 г.

Зав. каф. ЭПЭО доц., к.т.н. Ю.Н. Дементьев 2 ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

изучение принципов построения систем числового программного управления (ЧПУ) электромеханическими объектами;

изучение принципов построения многокоординатных цифроаналоговых электроприводов на базе ЧПУ;

изучение элементной базы цифровой системы управления двухкоординатным столом;

экспериментальное исследование работы алгоритмов линейной интерполяции.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ КОНЦЕПЦИЯХ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ Разработчики современных систем числового программного управления выделяют 5 основных архитектурных вариантов, которые представлены на рынке [3, 4]. Первый вариант – это классические системы CNC (Computer Numerical Control). Такие системы выпускаются фирмами с богатой традицией производства высококачественной собственной микроэлектронной аппаратуры. Однако эти фирмы под влиянием пользователей технологического оборудования, желающих иметь гибкий интерфейс оператора, предлагают модификацию PCNC-1 с персональным компьютером в качестве терминала (второй вариант). Следующим шагом в развитии систем с ЧПУ стала реализация двухкомпьютерного варианта PCNC-2 (третий вариант). Несколько позднее появились системы PCNC-3, ядро которых реализовано на отдельной плате, устанавливаемой в корпусе промышленного персонального компьютера (четвертый вариант). С бурным развитием микропроцессорной техники и повышением производительности микропроцессоров все большее распространение получает однокомпьютерный (пятый) вариант системы PCNC-4.

Наиболее наглядно классификация архитектурных решений систем ЧПУ приведена в табл. 1.1.

1.1. Системы типа CNC и PCNC-К этим типам относится семейство NUM (концерн Schneider, Германия) (рис. 1.1), построенное по принципу многопроцессорных CNC-систем: с ЧПУ-процессором, процессором программируемого контроллера автоматики и графическим процессором. Система NUM оснащается пассивным терминалом или промышленным компьютером с операционной системой Windows98.

Семейство представлено компактными и модульными версиями, которые различаются числом координат и возможностью формировать независимые каналы ЧПУ из координатных групп, а также использованием традиционных аналоговых или автономных цифровых следящих приводов, подключенных к оптоволоконной сети.

Таблица 1.Вычисли- Наименование архитектурных решений тельное CNC PCNC-1 PCNC-2 PCNC-3 PCNC-устройство Интерфейс оператора.

Ядро ЧПУ.

ПрограммПерсоИнтерфейс Интерфейс Интерфейс нональный оператора оператора оператора реализованкомпьютер ный контроллер электроавтоматики Ядро ЧПУ.

ПрограммВстроен- ноный одно- реализованплатный ный конткомпьютер роллер электроавтоматики Коммуника- КоммуникаИнтерфейс ционный ционный интерфейс интерфейс Ядро ЧПУ.

Программно-реаВторой лизованный компьютер контроллер электроавтоматики Интерфейс Ядро ЧПУ.

оператора.

Специаль- ОдноЯдро ЧПУ.

ный про- платный Внешний цессорный контроллер контроллер модуль электроавтоэлектроавматики томатики Периферий- Периферий- Периферийные шины ные шины ные шины Управление Управление следящих следящих следящих приводами и приводами и приводов и приводов и приводов и электроавто- электроавтоэлект- элект- электИнтерфейс матикой матикой роавтомати- роавтомати- роавтоматики ки ки Автономные Автономные Автономные Объекты Объекты объекты объекты объекты управления управления управления управления управления Рабочий кадр Интерпретатор Эквидистантная коррекция Управление Интерпоприводами лятор Управляющая программа Координата Z Очередь буферных кадров Y Привод подачи Станочные X M параметры Фаза подготовки Обратная связь Обработка функций электроавтоматики Периферия Контроллер Выходы автоматики Входы Фаза исполнения Фаза управления Рис. 1.1. Архитектура системы ЧПУ типа CNC фирмы NUM В зависимости от требований устанавливается различное число входоввыходов электроавтоматики. Вычислительная мощность систем NUM достаточно высока, и этим объясняется широкий набор их функциональных возможностей. Так, предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого порядка) алгоритмы интерполяции, пяти-, девятикоординатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, одновременная работа по двум различным управляющим программам, 3D-графика. В системах с терминальным компьютером возможна адаптация интерфейса оператора к запросам конечных пользователей, диалоговое программирование.



Фирма Allen Bradley выпускает широкое семейство систем ЧПУ: от традиционной CNC до системы CNC с персональным компьютером в качестве терминала и системы класса PCNC. Последняя модель (рис. 1.2) выполнена по классической схеме: специализированный промышленный компьютер с операционной системой Windows NT и возможностью разрабатывать пользовательские приложения на Visual Basic, PCI-одноплатный ЧПУ-компьютер, выполняющий все функции ядра, включая программно-реализованный контроллер электроавтоматики. С помощью общего для всей системы терминала осуществляется программирование и редактирование контроллера.

Интерфейс приводов подачи ЧПУкомпьютер Сетевой контроллер автоматики Промышленный Контроллер компьютер удаленной связи Входы-выходы автоматики Интерфейс привода шпинделя Панель оператора Рис. 1.2. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-1 фирмы Allen-Bradley 1.2. Системы типа PCNC-Представителями этого класса являются системы фирм ANDRON, BoschRexroth. Система ЧПУ фирмы ANDRON (Германия) представляет собой полный двухкомпьютерный вариант. Ее структура представляет набор модулей (рис. 1.3): терминального компьютера, ЧПУ-компьютера, панели оператора и монитора, удаленных входов-выходов программируемого контроллера, одной или нескольких групп цифровых (SERCOS) приводов подачи и главного привода. Аппаратная часть системы практически полностью состоит из компонент других фирм-производителей.

В состав терминального компьютера входят: материнская плата с процессором Intel Celeron и интегрированными контроллерами SCSI, VGA, TFT, IDE; многофункциональная интерфейсная плата MFA с памятью CMOSROM; контроллер коммуникационного канала, связывающего терминальный и ЧПУ-компьютеры. Все платы установлены на пассивной ISA-шине. При этом предусмотрена возможность установки дополнительных резервных плат: внутреннего модема, сетевой платы, SCSI-платы. Для специальных задач возможна установка РСI-плат.

В составе ЧПУ-компьютера имеются: материнская плата с процессором Intel Celeron; плата MIO (Main Input-Output) поддержки как коммуникационного интерфейса с терминальным компьютером (со скоростью 10 Мбит/с), так и интерфейса ручного перемещения; плата программируемого контроллера с интерфейсом InterBus-S (с циклом 4 мс для 1024 входов-выходов); одна или несколько плат SERCOS-интерфейса (с микросхемой SERCON410-B).

Все платы установлены на пассивной ISA-шине. Каждый SERCOSинтерфейс обслуживает (с периодичностью 0,5 мс) одну группу из трех автономных приводов подачи и одного привода шпинделя. Приводы одной группы включены в кольцевую оптоволоконную сеть.

SERCOS-кольцо В подобных платформах систем ЧПУ терминальный компьютер обычно работает под управлением операционной системы Windows NT, а ЧПУкомпьютер оснащается операционной системой жесткого реального времени.

На прикладном уровне терминальный компьютер открыт для разнообразных приложений и специальных диалогов конечного пользователя.

Панель оператора Клавиатура, видеоадаптер, флоппи InterBus-S Диск Модули ввода-вывода Флоппи Коммуникационный канал 10Мбит/с Терминальный ЧПУ-компьютер компьютер M Цифровой привод с SEROCS-интерфейсом Рис. 1.3. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-2 фирмы FNDRON Система ЧПУ фирмы BoschRexroth (Германия) построена на основе двух высокопроизводительных компьютеров и обладает исключительно мощным набором функций. Терминальный компьютер оснащен операционной системой Windows NT, а ЧПУ-компьютер – операционной системой UNIX. Связь операционных сред осуществляется с помощью протоколов TCP/IP, что позволяет осуществить удаленное администрирование и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером. В свою очередь, ЧПУкомпьютер обеспечивает многоканальную работу более чем с одной управляющей программой. Прикладное программное обеспечение терминального компьютера и ядра ЧПУ в ЧПУ-компьютере окружены оболочкой из нескольких сот интерфейсных API-функций (Application Interface), которые предоставляют пользователям возможность разрабатывать собственные приложения и расширения. В оболочку терминального компьютера включена InterBus-S MIO Резерв Резерв Резерв (IDE+VGA) Процессор Резерв MFA (IDE+VGA) Процессор SERCOS Резерв Резерв электроавтоматики Контроллер Пассивная ISA-шина Пассивная ISA-шина SERCOS оптоволоконное кольцо 250мкс 250мкс 62,5мкс 62,5мкс Ток Скорость Положение Угол ротора мощная DLL-библиотека NCS (Numerical Control System) классов объектов, делающая разработку дополнительных приложений более простой и комфортной. Помимо этого программно реализован контроллер электроавтоматики и цифровой осциллограф для анализа динамики следящего привода.

1.3. Системы типа PCNC-Типичным представителем PCNC-3 является система фирмы DeltaTau (Великобритания). Архитектура такой системы предполагает наличие 2-х компьютеров. В отличие от предыдущего типа систем ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA- или PCI-шине терминального персонального компьютера (рис. 1.4). Терминальный компьютер с операционной системой Windows NT выполняет классические функции терминальной задачи и функции интерпретатора управляющих программ.

Одноплатный ЧПУ-компьютер РМАС построенный на процессоре Motorola 56300 решает геометрическую и логическую задачи, выполняя функции интерполятора, контроллера управления приводами, программнореализованного контроллера электроавтоматики. Интерполятор обеспечивает все виды интерполяции (включая сплайн-интерполяцию), алгоритмы разгона и торможения, опережающий просмотр кадров Look Ahead, циклическое формирование управляющих воздействий с периодом 440 мкс (в этом же периоде в фоновом режиме работает и контроллер электроавтоматики). Контроллер приводов поддерживает управление 32 координатными осями, сгруппированными в 16 координатных систем. Помимо этого он принимает и обрабатывает сигналы обратной связи от датчиков положения, замыкает позиционные контуры, выполняет функции ПИД-регулятора, имитирует в цифровом виде сигналы обратной связи по скорости, вырабатывает (в цифровом виде) широтно-импульсный сигнал для приводов подачи и сигнал задания (в пределах ±10В) для привода главного движения. Программно-реализованный контроллер электроавтоматики поддерживает параллельное управление циклами электроавтоматики.





Сигналы управления приводами и электроавтоматикой поступают в кольцевой оптоволоконный канал (со скоростью передачи данных Мбит/с) для дистанционного управления своими объектами. Принимающим устройством служит интеллектуальный периферийный терминал Macroстанция (Motion and Control Ring Optical). Допустимо включение в кольцо нескольких таких терминалов. Терминал замыкает скоростные контуры восьми приводов и принимает сигналы от конечных выключателей и датчиков нулевых точек координатных систем, формирует сигналы управления двигателями любого типа (асинхронными, постоянного тока и др.) с помощью блока Quad Amplifier (для управления четырьмя двигателями обшей мощностью до 25 кВт). Периферийный терминал также поддерживает управление электроавтоматикой через модули оптоизолированных входов-выходов.

Turbo PMAC для управления ISA-шина до 32-х осей и 64-х программ электроавтоматики Macro-станция 4-х осевая плата управления Процессор 4 оси Платы 144- входовИнтерфейсные платы для выходов подключения датчиков обратной связи, “0” и 48 (144) предельных концевиков 24 входа-выхода Ось Ось 24 входа-выхода Ось Ось Цифровой привод Рис. 1.4. Архитектура системы ЧПУ класса PCNC-3 фирмы DeltaTau Концепция такого типа систем ориентированна на построение собственных систем ЧПУ. Конечному пользователю остается только разработка терминальной задачи и интерпретатора в среде промышленного персонального компьютера. Однако при этом следует отметить, что архитектура самих модулей закрыта и недоступна для внесения каких-либо изменений.

1.4. Системы типа PCNC-Концепция системы ЧПУ фирмы Beckhoff (Германия) является ярким примером однокомпьютерной архитектуры PCNC. Ее отличительная особенность заключается в том, что все задачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решены программным путем, без какой-либо дополнительной аппаратной поддержки (рис. 1.5). Внешний интерфейс такой системы строится на базе любой стандартной периферийной шины, в частности, на базе шины LightBus фирмы Beckhoff. Эта шина представляет собой кольцевой канал для передачи сигналов управления автономными следящими приводами, а также и для передачи сигналов электроавтоматики. Доступ к объектам осуществляется с помощью периферийных "терминалов" вводавывода.

Операционная среда представляет собой комбинацию Windows NT для поддержания процессов машинного времени и системы TwinCat (Total Windows Control and Automation Technology). Операционная система Twin-Cat фирмы Beckhoff интегрированная в Windows NT, добавляет ей функции реального времени, не изменяя самой Windows NT. Обмен данными и доступ к прикладным функциям API программных модулей осуществляется через программную шину ADS (Automation Device Specification). Система TwinCat служит центром системной конфигурации, поддерживающим синхронное или асинхронное взаимодействие всех процессов, а также и ввод-вывод сигналов управления. На прикладном уровне в потоках управления работают программные модули ЧПУ и программируемые контроллеры, имеющие клиентскую часть (для подготовки данных) и серверную часть (для работы в реальном времени). ЧПУ-клиент интерпретирует кадры управляющей программы в стандарте DIN 66025, а ЧПУ-сервер выполняет интерполяцию в "группах приводов" (по три координаты в группе). Группы в свою очередь формируются с помощью системы TwinCat. Одновременно работают до четырех контроллеров (являющихся виртуальными процессорами, работающими в стандарте IEC 1131-3), каждый из которых решает четыре задачи, имеющие свой приоритет и время цикла.

Рассмотрим еще один пример построения системы ЧПУ типа PCNC-4.

Система Power Automation (Германия) построена на основе промышленного персонального компьютера с PCI-шиной (рис. 1.6), с операционной системой Windows NT и ядром реального времени. Операционная система Windows NT обеспечивает работу интерфейса оператора, системы программирования ЧПУ и контроллера электроавтоматики, встроенную CAM-систему, приложения пользователя. Ядро реального времени синхронизирует работу задач ЧПУ и электроавтоматики, выполняет диспетчерские функции в отношении интерпретатора, интерполятора и модуля управления следящими приводами.

Одновременно могут работать до восьми каналов ЧПУ и два программнореализованных контроллера электроавтоматики с разными приоритетами.

Система Power Automation имеет открытую архитектуру, которая допускает расширение функций ядра ЧПУ. Система имеет мощное сетевое окружение как внешнее (Ethernet-TCP/IP, Novell), так и периферийное (восемь оптоволоконных SERCOS-колец для 64 следящих приводов, InterBus-S, Profibus DP, CAN-Bus, ASI-Bus).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.