Моделирование, реализация и взаимодействия системы ЧПУ с автономным ПЛК на основе протокола TCP/IP

Введение

Современное промышленное предприятие представляет собой набор разнообразного автоматизированного оборудования, соединенного в разномасштабные сети. Для обеспечения согласованной и эффективной работы всего парка оборудования на предприятиях в качестве управляющей платформы используют устройства электроавтоматики.

В зависимости от назначения, устройства электроавтоматики подразделяются на:

• командные (кнопки, путевые выключатели, датчики и др.);
• логические (реле, программируемые логические контроллеры и др.);
• исполнительные (контакторы, электрические магниты и муфты, исполнительные двигатели);
• источники питания и преобразователи напряжений и защитные (предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле).

На сегодняшний момент наибольший интерес представляют именно логические элементы электроавтоматики. Это объясняется возможностями программируемых логических контролеров (ПЛК) решать обширный и постоянно пополняющийся список задач. Одна из главных задач ПЛК заключается в передаче собранных сведения в систему управления вышестоящего уровня [1, 2].

Целью данной работы является построение коммуникационной задачи взаимодействия ЧПУ с ПЛК с использованием возможностей протокола TCP/IP1.

Формирование требований к протоколу взаимодействия интерфейса ПЛК - ЧПУ

Взаимодействие между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через локальную сеть.

К протоколам передачи данных по этой сети предъявляются жесткие требования:

• обеспечение надежности доставки сообщений;
• широкая поддержка разнообразных программных и аппаратных составляющих;
• передача данных объемом около 1Мб-та в одном сообщении;
• возможность циклической передачи данных;
• универсальность адресации устройств [3, 4]. 

Наиболее полно перечисленные требования удовлетворяет стек протоколов TCP/IP. Данный стек имеет открытую архитектуру, стандартизированные высокоуровневые протоколы и получил широкое применение в области сетевых технологий.

Организация взаимодействия

При разработке управляющей программы ПЛК для взаимодействия с ядром системы числового программного управления (ЧПУ) вышестоящего уровня по протоколу TCP/IP была построена общая структурная схема модулей POU (Program Organization Unit), используемых на стороне ПЛК (рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Структура модулей POU управляющей программы ПЛК

Модули POU уровня коммуникации обеспечивают установку соединения и обмен данных для интерфейса взаимодействия ПЛК – ЧПУ. Такое взаимодействие организовывается по принципу мастер-слейв (клиент - сервер), где в качестве мастера выступает компьютер верхнего уровня. ПЛК в свою очередь постоянно находится в режиме ожидания запроса от систем ЧПУ. Только при получении адресованного непосредственно контроллеру запроса, осуществляется однократная пересылка ответа. В качестве примера, на рисунке 2 изображена UML диаграмма, показывающая последовательность установки соединения.

 

Рисунок 2 - Последовательнось установки соединения между ПЛК и ЧПУ

Объекты PlcInMemory и PlcOutMemory представляют собой массив данных и обеспечивают связь с классами уровня коммуникации. Эти объекты используются для хранения информации из последнего входного/выходного пакета данных от ядра ЧПУ. Эта информация содержит в себе данные об общем количестве и состоянии подключенных устройств и оборудовании с которым работает система управления.

Модули POU PLC_InOutTableAxis, PLC_InOutTableChannel, PLC_InOutTableMessages, PLC_InOutTableSpindel и PLC InOutTableMCommands можно отнести к вышестоящему уровню работы с данными. В процессе работы создается различное количество объектов таблиц классов в зависимости от количества подключенного оборудования, которое является входной информацией для управляющей программы ПЛК.

В описанных модулях POU происходит составление актуальной информации о текущем состоянии всего оборудования, подключенного к ПЛК. Детализация взаимосвязей модулей POU, представлена на рисунке 3.

В управляющей программе ПЛК осуществляется периодический вызов классов PLCAxeHandler, PLCChannelHandler, PLCMCommandHandler, PLCMessageHandler, PLCSpindleHandler для обновления информации о текущем состоянии соответствующих устройств. Это информация может поступать как от разнообразных датчиков, установленных непосредственно на производстве и связанных с ПЛК, так и от пользователя во время режима отладки вышестоящих устройств ЧПУ. В свою очередь объекты класса InternalServerAxiOMA с использование подклассов обеспечивают расчёт и предоставление информации о первом байте, хранящем информацию о соответствующем устройстве, в ответном пакете.

На рисунке 4 схематично представлена последовательность в циклическом обмене данными между ЧПУ к ПЛК.

Рисунок 3 - Структура модулей POU для обработки входного пакета данных от системы ЧПУ

Рисунок 4 - Задачи (потоки управления) в управляющей программе ПЛК

Получение запроса от ЧПУ и формирование ответа на него в логике управляющей программы ПЛК происходит асинхронно. Это обеспечивается двумя независимыми задачами (потоками) выполняемыми в управляющей программе ПЛК. На стороне задачи логики ПЛК, программа с заданной цикличностью читает данные из буфера входных данных (PlcInMemory) и обновляет состояние выходов функциональных блоков (например, PlcSpindleHandler). В обратном направлении, данные входов функциональных блоков обрабатываются (запаковываются) и кладутся в буфер выходных данных ПЛК (PlcInMemory).

Задача коммуникации ЧПУ-ПЛК обеспечивает обновление данных во входном буфере, в соответствии с данными полученными от ЧПУ, и отправляет данные выходного буфера в ЧПУ. Разработанная логика управляющей программы ПЛК для установки соединение с устройствами вышестоящих уровней является полностью обособленной.

Представленное решение может быть выделено в качестве специализированной библиотеки (рисунок 5). Такая библиотека будет содержать в себе минимально необходимый набор модулей POU для установки соединения и обмена данными с оборудованием по протоколу TCP/IP. Использовать описанный механизм возможно при построении разнообразных управляющих программ для различных моделей ПЛК, поддерживающих соединение по протоколу TCP/IP [5].

Рисунок 5 - Библиотека компонентов для циклического обмена данными ПЛК с системой ЧПУ на основе протокола TCP/IP

Заключение

Практическими результатами проделанной работы стало решение коммуникационной задачи взаимодействия ЧПУ с ПЛК, основанное на построении специализированной управляющей программы для ПЛК, обеспечивающей циклический прием и передачу данных в ЧПУ, а также создание специализированного протокола взаимодействия управляющей программы коммуникации для реализации взаимодействия с системами управления вышестоящего уровня.

Научная составляющая работы содержится в разработке структуры РОU модулей, используемых для создания управляющих программ ПЛК, которые обеспечивают циклический обмен данными о технологическом процессе, а также в разработке алгоритмов взаимодействия, обеспечивающих установку соединения и циклический обмен данным на основе протокола TCP/IP.

Список использованных источников

1. Мартинов, Г. М. Кроссплатформенный программно-реализованный логический контроллер управления электроавтоматикой станков с ЧПУ / Г. М. Мартинов, Р. А. Нежметдинов // Автоматизация и современные технологии. - 2013. - № 1. - С. 15-23.

2. Григорьев, С. Н. Научно-технические проблемы построения современных технологических систем с числовым программным управлением / С. Н. Григорьев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2011. - № 4. - С. 19-26.

3. Козак, Н. В. Концепция построения средств диагностики и управления устройствами электроавтоматики на базе OPC технологии / Н. В. Козак, Р. А. Абдуллаев // Системы управления и информационные технологии. - 2010. - № 3. - С. 28-32.

4. Мартинова, Л. И. Реализация открытости управления электроавтоматикой станков в системе ЧПУ класса PCNC / Л. И. Мартинова, Н. В. Козак, Р. А. Нежметдинов, Р. Л. Пушков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - № 02. - С. 11-16.

5. Козак, Н. В. Графические системы и интерфейс оператора: учебное пособие / Н. В. Козак, Р. А. Нежметдинов. – М.: МГТУ «Станкин», 2010. – 81с.

Авторы: Г. М. Мартинов, Н. В. Козак, С. В. Богданов Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва. 

Работа выполнена по договору № 14.124.13.6495-МК об условиях использования гранта Президента РФ, для государственной поддержки молодых российских ученых, МК-6495.2013.9.