Конспект лекций




НазваниеКонспект лекций
страница2/16
Дата публикации30.01.2014
Размер1.98 Mb.
ТипКонспект
zadocs.ru > Информатика > Конспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

^ 1.3 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.



^ 1.4 Организация связей между компонентами системы управления
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.



^ 1.5 Особенности реализации стандартов в системах ЧПУ
Основным стандартом технологии взаимодействия между приложениями в архитектуре клиент-сервер является стандарт OPC.

В основу технология взаимодействия распределенных приложений были положены три базовых принципа:

  1. Независимость от физического размещения объектов. Компоненты программного обеспечения не обязаны находиться в одном исполняемом файле, выполняться в рамках одного процесса или размещаться на одной аппаратной системе.

  2. Независимость от платформы. Компоненты могут выполняться на разных аппаратных и операционных платформах.

  3. Независимость от языка программирования. Различие в языках, использованных для создания компонентов, не должно препятствовать их взаимодействию.

Идея стандарта ОРС возникла на основе эволюции канонической модели архитектуры открытых систем ISO-OSI, представленной на рис. 1.9.

На рисунке 1.9, а стандартное приложение MMS (Manufacturing Message Specification, ISO 1090) занимает прикладной уровень – уровень 7. Для организации связи между приложениями на этом уровне используется метод ACSE (Association Control Service Element), позволяющий проверить идентичность и контекст приложений.


^ Рисунок 1.9 - Каноническая модель ISO-OSI и ее эволюция
Проблема использования этой модели заключается в том, что если потребуется создать распределенную систему управления, то такая система превратится в совокупность взаимодействующих виртуальных устройств – VMD (Virtual Manufacturing Device). При этом стек протоколов VMD, который охватывает все другие уровни ISO-OSI, станет слишком сложным.

На рисунке 1.9, б показано решение, которое использует на третьем уровне ISO-OSI протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) и технологию межсетевого взаимодействия, т.е. технологию Іnternet. Как эмулятор ISO-OSI услуг над протоколами TCP/IP на уровнях 2 и 3 применяется система удаленных запросов RFC 1006 (Remote Function Call).

На рисунке 1.9, в система MMS-услуг выстроена непосредственно над сокетами TCP/IP. Сокет (socket) – это объект, который является конечным элементом соединения, обеспечивающим взаимодействие между процессами транспортного уровня сети. Переходной вариант показан на рисунке 1.10, г. Здесь использована система дистанционного вызова RPC (Remote Procedure Call).

И, в конце концов, сравнительно стойкий вариант решения проблемы показан на рисунке 1.9,д. Здесь протоколы TCP/IP в принципе необязательны.

Открытое управление допускает максимальное использование стандартов, как сетевых, так и на уровне каждой отдельной системы управления. При этом большая роль принадлежит интерфейсным стандартам, поскольку именно они разрешают построить открытые распределенные системы управления, такие, как COM/DCOM/OLE/OPC. Для осуществления информационного обмена в системах ЧПУ используется ряд специфических стандартов, которые охватывают все уровни системы ЧПУ – от терминала до исполнительных устройств.

^ В системах ЧПУ применяются следующие стандарты.

  • Стандарты терминальных функций.

Здесь применяются стандарты информационного обмена с внешними устройствами: DXF, IGES, STEP (AP203, AP213, AP214, AP224), ISO 10303-41, ASCII, COM/DCOM/OLE/OPC, CORBA, DDE. В сетевых коммуникациях используются стандарты: TCP/IP, OSI/Ethernet, а также стандартные приложения MMS (в NC и PLC).

  • Стандарты в логическом управлении ЧПУ.

В решении логической задачи управления применяются стандарты IEC 6133-3 (языки программирования логических контроллеров), а для передачи сигналов управления исполнительными устройствами – RS-267C.

  • Коммуникация на уровне аппаратуры (BUS,VME, ISA, PCI).

Ввод-вывод дискретных сигналов осуществляется согласно требованиям стандартов RS-232, RS-485, SERCOS, ISA fieldbus, ISO 4336: «Числовое программное управление станков. Технические требования к сигналам взаимосвязи между устройством числового управления и электрооборудованием станков с числовым управлением»,OBIOS (объектно-ориентированная система входов-выходов), OPC-SP95, IEEE P 145-1.2, DIM 1245, Profibus, Interbus, DeviseNet.

Цель стандартов - обеспечить общую работу и взаимозаменяемость промышленных устройств от разных производителей. Имея утвержденный в стандарте набор интерфейсов, конечный пользователь может организовать взаимодействие и обмен данными между любыми распределенными компонентами системы.

На рисунке 1.10 приведена система ЧПУ, которая включает в себя совокупность ОРС-серверов, поставляющих данные, и ОРС-клиентов уровня SCADA, потребляющих эти данные. В системе используются объектно-ориентированные интерфейсы.


^ Рисунок 1.10 - Пример системы ЧПУ с объектно-ориентированными интерфейсами
Клиенты системы SCADA могут быть потребителями данных ЧПУ, доступ к которым осуществляется с использованием стандартного механизма сообщения DA (Data Access). ОРС-клиент предварительно спрашивает, может ли он работать с нужным ему интерфейсом ОРС-сервера. DA-механизм сообщения клиенту сведен к стандартному механизму COM/DCOM.

С появлением стандарта ОРС упростилось построение открытых распределенных систем управления. Разработка ОРС-серверов и ОРС-клиентов поддерживается сегодня многочисленными инструментальными средствами. ОРС-серверы, расположенные на компьютерах всего производственного предприятия, могут стандартным способом поставлять данные в программы визуализации, базы данных и т.п. Благодаря этому исчезли проблемы объединения систем.

Еще одна функция ОРС-сервера – это обеспечение доступа к периферийной шине (Fieldbus) устройства ЧПУ. Для этого в системе ЧПУ, построенной на базе операционной системы Windows, устанавливается Fieldbus-адаптер, через который ОРС-сервер будет работать с сетью Fieldbus. Таким образом, ОРС-клиент типа .NET получает доступ к данным сети Fieldbus через ОРС-сервер типа .NET.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Похожие:

Конспект лекций iconЭтика курс лекций (на основе книги: Этика (конспект лекций)
Этика (конспект лекций). – М.: «Приор-издат», 2002. Автор-составитель Аристотель. Никомахова этика. Сочинения: в 4-х т. Т. М.: Мысль,...

Конспект лекций iconКонспект лекций для студентов направления 070104 «Морской и речной транспорт»
Конспект лекций рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Судовождение» кгмту

Конспект лекций iconКонспект лекций Утверждено Редакционно-издательским советом в качестве...
Чижов М. И., Юров А. Н. Информатика и информационные системы: Конспект лекций. Воронеж: Воронеж гос техн ун-т, 2003. 148 с

Конспект лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»
Безопасность в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона. Конспект лекций. Рубцов Б. Н. М. Миит, 2001

Конспект лекций iconКонспект лекций для студентов сектора второго высшего образования...
Конспект лекций разработан кандидатом экономических наук, доцентом кафедры «Экономическая теория и кибернетика» Одесского государственного...

Конспект лекций iconКонспект лекций по дисциплине "инвестирование"
Конспект лекций по дисциплине «Инвестирование» для студентов экономических специальностей всех форм обучения Сост.: В. М. Гридасов...

Конспект лекций iconКонспект лекций Киров 2010 удк 681. 332
Теория автоматов (часть I). Конспект лекций /Киров, Вятский государственный университет, 2010, 56с

Конспект лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Делопроизводство»
Опорный конспект лекций по дисциплине «Делопроизводство» для студентов 2 курса (3 семестр) сгф для направления 101100. 62 «Гостиничное...

Конспект лекций iconКонспект лекций Содержание Введение 4 Тема Экономическая теория:...
Предлагаемый читателям конспект лекций разработан в соответствии с типовой программой дисциплины «Основы экономических теорий» для...

Конспект лекций iconКонспект лекций по философии подготовлен в соответствии с типовой...
Философия : конспект лекций для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения / сост. А. П. Мядель : Учреждение образования...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов