ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Главный редактор — д-р техн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер
УДК 681.586:658.51
СЕТИ ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ -НЕРВНАЯ СИСТЕМА АВТОНОМНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЯЧЕЕК1
Т. Пфайфер, проф., д-р, Д.Зак, инж. (ФРГ)
Рассматривается новая концепция интеграции датчиков, измерительных систем и исполнительных элементов в полностью автономную производственную ячейку с целью создания стандартизованной структуры, позволяющей легко интегрировать новые компоненты в систему управления станками. Концепция разработана в рамках германского научно-исследовательского проекта "Автономные производственные ячейки", направленного на создание производственной системы, самостоятельно решающей почти все части производственной задачи: от планирования до управления процессом и контроля качества.
1. ВВЕДЕНИЕ
Планирование и реализация сложных производственных процессов включает в себя несколько весьма сложных процедур, требующих значительных затрат времени и ресурсов. Используя современное производственное оборудование, производитель все еще вынужден выполнять множество рутинных операций. Определенные части производственного процесса уже достаточно высоко автоматизированы, но следует отметить, что число прерываний процесса растет по мере его усложнения и повышения уровня автоматизации. В этой связи несколько институтов Технического университета Аахена (ФРГ), специализирующихся в различных областях от классического машиностроения, управления технологическими процессами, планирования процессов, мехатроники, технологии фиксации и натяжения до науки об обработке, объединили свои усилия в совместном научно-исследовательском центре 368: "Автоном-
1 Pfeifer Т., Sack D. Sensor/Actuator Network — A Nervous System for the Autonomous Production Cells. (Перевод статьи, написанной авторами для нашего журнала.)
ные производственные ячеики для проведения фундаментальных исследований по созданию автономных производственных ячеек (АПЯ).
Цель этого проекта — создание производственной системы, которая самостоятельно смогла бы решать почти все части производственной задачи: от планирования до управления процессом и контроля качества.
Такая весьма сложная задача выдвигает повышенные требования к системам управления станками и сетям датчиков и исполнительных элементов (ИЭ) АПЯ. Необходимо использовать открытые системы управления: как в плане оборудования, так и программного обеспечения. Открытость по оборудованию требует использования систем полевых шин и открытой обрабатывающей платформы, а по программному обеспечению — не зависящих от поставщика и стандартизированных программных интерфейсов для приложений помимо поддержки распределенной платформы. Такой открытый программный комплекс имеется в OSACA (Open System Architecture within Automation Systems — открытая архитектура для управления в системах автоматизации) — европейской инициативе по созданию открытых систем управления.
50
Sensors & Systems • № 6.2001
В статье рассматриваются вопросы интеграции датчиков, измерительных систем и ИЭ в систему управления станками для АПЯ; особое внимание уделяется обработке данных и коммуникации.
2. АВТОНОМНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ЯЧЕЙКИ
Автономные производственные ячейки включают в себя функции планирования, управления станками, пользовательского интерфейса, фиксации, транспортировки деталей и управления производственным процессом [1]. Для данного научного исследования были выбраны два распространенных в машиностроении процесса: фрезерование и лазерная сварка. Включенные в АПЯ функции и выбранные процессы определили рабочие пространства отдельных проектов этого совместного исследовательского центра (рис. 1).
2.1. Автономность
Цели исследовательского проекта "АПЯ" основываются на определении термина "автономность", рассматриваемого в трех основных аспектах [1].
а) Автономность посредством интеграции дополнительных задач
Автономность производственного участка повышается благодаря расширению возможностей станков. Поэтому дополнительные функции, обычно выполняемые пользователем станка, объединяются и включаются в процесс автоматизации внутри АПЯ. Цель — предоставить АПЯ возможность полностью решить производственную задачу, в идеале от немеханизированного начального этапа до конечного продукта, исключительно на основе данных САПР, параметров сырья и необходимой для планирования входной информации (идея "черного ящика").
Реализация этого аспекта автономности требует интеграции расширенных функций управления станками:
— функций планирования, генерирования геометрии, технической и технологической информации для блока управления системой;
— расширенной помощи пользователю;
— функций фиксирования и натяжения, позволяющих самостоятельно и автоматически удерживать и перемещать широкий спектр материалов и продуктов;
— функций управления процессами, позволяющих выявлять и анализировать производственные сбои (производственные сообщения, станки, продукт) и генерировать стратегии реагирования на них.
б) Автономность посредством отказоустойчивости
Важнейший аспект автономности — способность независимого ведения сложных производ-
Рис. 1. Отдельные проекты, выполняемые в рамках совместного научно-исследовательского центра
ственных процессов в сочетании с высокой отказоустойчивостью на основе независимой реакции на состояния процесса и состояния сбоев. Кроме того, благодаря увеличению возможностей технологических процессов и оборудования, должна быть достигнута более высокая точность производства.
Высокая точность и отказоустойчивость могут быть достигнуты, только если удастся преодолеть ограничения классических механических компонентов путем их интеграции с помощью электроники и обработки информации. Поэтому АПЯ должны содержать большее число интеллектуальных датчиков и ИЭ.
в) Автономность для пользователя Важнейшая часть работы — включение человека в АПЯ, как ее существенного элемента. АПЯ предоставляет широкие возможности для выполнения и контроля производственной задачи. Поэтому пользовательский интерфейс АПЯ должен проектироваться с учетом эргономики, чтобы избавить пользователя от бремени рутинных обязанностей. Вместо этого необходимо предоставить пользователю поддержку в решении задач планирования и управления процессом специфическим, "человеко-машинным" путем. Это означает, что пользователь станков и оборудования должен иметь возможность постоянно контролировать состояние процесса в любое время. При этом он должен обладать возможностью в любое время вмешиваться в процесс планирования и производства.
2.2. Особенности АПЯ
Для выполнения указанных требований по автономности АПЯ должны обладать следующими особенностями:
— существенно расширенные возможности добавления новых модулей в области планирования, управления производственным процессом,
Датчики и Системы • № 6.2001
51
поддержки пользователя и транспортировки материалов и деталей;
— возможность практически самостоятельного ведения производственного цикла, в идеале от сырья и проектно-конструкторских данных до конечного продукта;
— автономно работающая и изменяемая система предоставления информации пользователю, обеспечивающая полную прозрачность процесса.
Ниже наше внимание будет сосредоточено на управлении станочными системами АПЯ, в частности, на интеграции датчиков и ИЭ в систему управления, т. е. на модуле интерфейса датчиков и ИЭ.
3. ТРЕБОВАНИЯ АПЯ К СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Система управления станками должна быть открытой для обеспечения возможностей интеграции дополнительных функций управления и планирования. Поэтому должны выполняться следующие структурные требования.
— Поддержка распределенной системы. В случае задач, для которых требуется слишком большая производительность обработки (например, при управлении технологическим процессом) единственной, работающей автономно системы управления, возникает необходимость разбиения этих задач на несколько блоков обработки. Это означает, что распределенная система должна поддерживаться структурой системы управления.
— Гибкая аппаратная система. Расширение системы для решения дополнительных задач часто означает добавление новой аппаратуры (например, датчиков). По этой причине пользователь должен иметь возможность максимально просто добавлять, удалять или заменять элементы оборудования.
— Гибкое и надежное программное обеспечение. Пользователю должны быть предоставлены возможности адаптации программного обеспечения к реальной производственной задаче, т. е. добавления, удаления или замены его частей (например, управляющих или командных модулей). Система должна также регулировать права доступа к информации во избежание взаимоблокировок и несоответствий.
Для удовлетворения этих требований необходимо построить открытую систему в смысле определения IEEE: "Открытая система обеспечивает возможности работы правильно реализованных приложений на оборудовании и программном обеспечении различных производителей, взаимодействия с другими системными приложениями и
предоставления совместимого типа взаимодействия с пользователем".
3.1. Требования к интеграции датчиков и ИЭ
Сегодня интеллектуальные программируемые датчики, оснащенные функциями измерения, сбора, обработки и передачи данных, предоставляют весьма хорошую платформу для технической модуляризации оборудования и программного обеспечения. Тенденция состоит в замене централизованной обработки данных измерений распределенными модулями сбора и вычислений. Достигнутое разбиение на модули облегчает реализацию больших проектов и уменьшает время их выполнения. Кроме того, функциональные возможности могут быть легко добавлены, изъяты или заменены. Такая простота внесения изменений — важное свойство АПЯ.
Для того чтобы сформулировать требования к интеграции системы датчиков и ИЭ ее необходимо проанализировать "с позиций клиента". С точки зрения пользователя или системного интегратора должны быть выделены следующие требования.
— Plug-and-Play. Растущее и изменяющееся число системных компонентов требует обеспечить возможно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.