uzluga.ru
добавить свой файл

Задача 2:

Подзадача 2: разработка ПО для системы управления механизмом перемещения детали;

Подзадача 3: наладка системы управления механизмом перемещения детали.


Была проведена оценка требований к ПО системы управления механизмом перемещения детали.

В процессе сварки требуется точность позиционирования пучка порядка 1/10 от его размера (составляющего 0.3мм). При желаемой скорости сварки порядка 10мм/с для достижения точности 0.1-0.03мм потребуется временнОе разрешение от 0.01с (100Гц) и выше. Таким образом, это является нижней границей точности системы перемещения.

В случае, если эта точность обеспечивается непосредственно управляющей электроникой системы перемещения, может использоваться ПО под управлением обычной ОС, без применения системы реального времени. Однако для синхронизации системы перемещения с подсистемами управления пучком требуются аппаратные средства.

В случае же, если потребуются сложные (непрямолинейные) траектории сварки, желательна реализация прямого управления системой перемещения непосредственно от управляющего компьютера. При этом для достижения такого временного разрешения необходимым условием будет применения системы жесткого реального времени. Данный вывод полностью согласуется с результатами разработки и тестирования ПО для подсистем энергоблока и обеспечения процесса сварки (см. отчет по задаче 3).

Задача 3:

Подзадача 1: разработка ПО для тестирования подсистем энегроблока;

Подзадача 2: разработка ПО для обеспечения процесса сварки.

1. Общая схема организации системы управления.


Система управления пучком включает высоковольтный источник питания, контроллер электронной пушки, подсистему отклонения пучка и подсистему модуляции пучка. Первые три подсистемы подключены через интерфейс CAN-bus (посредством контроллера CANGW), а последняя – через CAMAC.










Высоковольтный
источник питания

Электроника
подсистемы отклонения пучка

CAMAC-крейт подсистемы
модуляции пучка












Рабочее место оператора

Контроллер CANGW (сверху)





ПО системы управления стенда электронно-лучевой сварки построено по так называемой 3-уровневой модели: нижний уровень – драйверы устройств, верхний уровень – прикладное и операторское ПО, а средний уровень – связующий, обеспечивает передачу данных между прикладными программами и аппаратурой. Такая модель является общепринятой в системах управления физическими установками. И она отражает физическую иерархию: нижний уровень исполняется в контроллерах аппаратуры (в нашем случае – в крейт-контроллере CAMAC CM5307 и в интерфейсе CANGW), верхний – в операторском ПК, а средний в серверном компьютере, непосредственно взаимодействующем с контроллерами (на стенде он совмещен с операторским ПК).



Блок-схема ПО

2. Техпроцесс электронной сварки.


Процесс электронной сварки включает следующую последовательность:

  1. Плавное включение пучка (при помощи контроллера электронной пушки).

  2. Перемещение пучка (на стенде – при помощи магнитной системы, путём отклонения пучка) вдоль заданной траектории.

  3. Плавное отключение пучка в конце.

Характерная скорость перемещения пучка – порядка 10мм/с. В настоящее время отклоняющая система пучка управляется модулем CAC208, представляющим из себя совмещенный 8-канальный 16-битный ЦАП с 20-канальным АЦП; ЦАП позволяет работу по таблице, когда в устройство задаются начальные значения, скорость и количество шагов, а ЦАП сам синхронно изменяет значения на выходах с периодом 10мс (частота 100Гц). Поскольку нам требуется точность перемещения порядка 1/10 диаметра пучка (который равен 0.3мм), то точности и плавности позиционирования при помощи табличного режима ЦАП достаточно: при 10мм/с и частоте 100Гц имеем шаг 0.1мм, что в принципе укладывается в требования. Недостатком же является то, что CAC208 позволяет задавать таблицу не более чем из 30 точек.

Важно, чтобы включение пучка производилось синхронно с перемещением.

3. Реализация техпроцесса в ПО.


В настоящее время техпроцесс электронной сварки реализован в прикладном операторском ПО. Помимо ручного управления, программа поддерживает два варианта перемещения пучка: по задаваемой оператором ломаной траектории (не более 29 точек) либо «заштриховывание» области. В первом случае пучок включается вначале, одновременно с началом перемещения, перемещение производится при помощи табличного режима CAC208, в конце пучок отключается. Во втором случае пучком проводится набор параллельных отрезков, пучок включается в начале каждого отрезка и выключается в конце.

Поскольку прикладное ПО взаимодействует с аппаратурой посредством сервера через сеть Ethernet, а также вследствие недетерминизма в планировании переключения процессов в ОС, стабильная временнАя точность составляет порядка 0.1с, в редких случаях поднимаясь до 0.2-0.3с. Это время определяет точность синхронизации между управлением током и перемещением пучка (управляемыми через разные электронные модули).

Исполнение последовательности техпроцессов производится при помощи модификации технологии автомата конечных состояний, получившей название «Автомат последовательного исполнения», приспособленной для работы путём взаимодействия с управляющей электроникой через удалённый сервер. В техпроцессе используется несколько подчинённых автоматов (в частности, один, отвечающий за одиночный отрезок, подчинён другому, отвечающему за набор отрезков).

4. Анализ полученных результатов.


Очевидно, что используемая в настоящий момент схема не позволяет гарантированно достичь желаемого временнОго разрешения в управлении пучком.

  • Во-первых, не обеспечивается желаемая синхронизация управления током и положением пучка. При имеющейся точности 0.1с можно надёжно производить сварку со скоростью порядка 1мм/с, для желаемых же 10мм/с требуется точность порядка 0.01с.

  • Во-вторых, при управлении перемещением при помощи табличного ЦАП траектории перемещения очень ограничены. Для возможности реализации произвольных траекторий с переменной скоростью требуется прямое управление корректорами от компьютера, с частотой порядка 100Гц (временное разрешение – 0.01с).

Предполагается решать данную проблему в 3 этапа.

Этап 1: перенос «логики исполнения техпроцесса», определяющей перемещения пучка и его включение/выключение с верхнего уровня (прикладное и операторское ПО) на средний (сервер) и, возможно, на нижний (в контроллер).

Это позволит исключить временнУю неопределённости и задержки при общении операторского ПО и сервера по локальной сети Ethernet. Хотя такой шаг формально и нарушает правила разделения уровней в 3-уровневой модели, но является стандартным для решения подобных задач (в сервере и, возможно, в контроллерах, создаются дополнительные программные модули, координирующие работу целевых устройств, а для более верхних уровней выглядящие как виртуальные устройства).

Для реализации данного подхода требуется добавление в базовое ПО сервера и контроллеров дополнительных механизмов межмодульного взаимодействия.

Недостатком этого шага является возложение дополнительной нагрузки на сравнительно слабый процессор контроллера CANGW. Данная проблема может быть решена на следующем этапе.

Этап 2: представляется целесообразным переход от связки «серверный компьютер плюс интеллектуальный контроллер CANGW, общающиеся по 100Mbit-Ethernet» к использованию компьютера со встроенным CAN-адаптером.

Это позволит избавиться от временнОго недетерминизма, вносимого сетью Ethernet, а также значительно упростит синхронное управление электроникой.

Для этого требуется покупка современного мощного ПК в стоечном исполнении, плюс CAN-адаптера с интерфейсом PCI (или PCI-express).

Этап 3: представляется целесообразным переход от нынешней схемы с мягким реальным временем (soft real-time) к использованию системы с жестким реальным временем (hard real-time). Это позволит полностью избавиться от временнОго недетерминизма, обуславливаемого ПО.

Наиболее адекватным решением выглядит использование ОС Linux с расширением Xenomai. Оно является гибридной системой, в которой часть задач может исполняться в режиме жесткого реального времени, и в то же время основная часть системы (включая графический интерфейс пользователя) функционирует как обычно. Кроме того, часть задач может динамически, по мере надобности, мигрировать между real-time- и обычной средами исполнения.

Данное решение потребует поиска и, возможно, создания низкоуровневых драйверов для работы с управляющей электроникой (в т.ч. с CAN-bus).

  • Первый этап позволит более точно синхронизовать управление током и перемещением пучка и достичь желаемой скорости 10мм/с.

  • Второй этап позволит снять ограничение на количество отрезков в траектории перемещения пучка. Он также необходим для перехода к третьему этапу.

  • Третий этап позволит реализовывать произвольные траектории перемещения пучка, в том числе с переменной скоростью, а также открывает путь к синхронному многопараметрическому управлению пучком и подвижками на частотах порядка 1кГц.