INSTRUCTIONS TO AUTHORS FOR THE PREPARATION OF MANUSCRIPTS

Препис

1 INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE November 2007, GABROVO IEC БАЗИРАНО УПРАВЛЕНИЕ НА ПОДАВАТЕЛНИ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ФРЕЗОВИ ОПЕРАЦИИ В РЕКОНФИГУРИРУЕМИ МЕТАЛОРЕЖЕЩИ МАШИНИ IEC61499 Based Feed Motion Control for Milling Processes at Reconfigurable Manufacturing System Христо Карамишев ТУ София Георги Т. Попов ТУ София Идилия А. Бачкова ХТМУ София Тотю А. Гешев ТУ София Abstract: A most important direction in achieving reconfigurability of manufacturing systems is the development of modular, open and reusable control systems. In order to answer of these needs, this paper presents an approach combining the contributions of PLCopen initiative in the field of motion control with the new standard IEC61499 for distributed control system development. The suggested approach is applied for feed motion control design at milling processes for reconfigurable machine tools. Keywords: IEC61499, motion control, feed motions, reconfigurable machine tools, PLCopen ВЪВЕДЕНИЕ За сигурната, надеждна и безотказна работа на всяка производствена система, важна роля има както системата за управление, така и диагностичната система. Разработката на софтуер за управление и диагностика е възможно чрез приложни програми, базирани на новия стандарт за моделиране на разпределени системи за измерване и управление на процеси IEC Стандартът е разработен на базата на съществуващите стандарти IEC [2] за програмиране на програмируемите логически контролери (PLC) и IEC [3] в областта на използваните в непрекъснатите производства разпределени системи за управление (DCS). Настоящата разработка предлага подход, съчетаващ използването на разработената от международната организация PLCopen [4] библиотека от функционални блокове за управление на движенията на базата на стандарта за програмируеми логически контролери IEC , с новия стандарт за проектиране на разпределени системи за измерване и управление на процеси IEC В [10] предложеният подход е приложен за технологичната операция дълбоко свредловане. Настоящата разработка разширява подхода и е насочена към управлението на технологичната операция фрезоване на лагерни гнезда. КРАТЪК ОБЗОР НА СТАНДАРТА IEC Техническата комисия ТС65 на IEC е в процес на разработката на новия стандарт IEC-61499, имащ за цел да обедини и доразвие положителните страни на стандартите IEC и IEC за целите на проектирането и разработката на разпределени системи за управление. Стандартът IEC дефинира използването на функционалния блок (ФБ) като основна структурна единица в разпределените системи за измерване и управление на индустриални процеси. Този стандарт може да подпомогне решаването на част от проблемите на семантичната интеграция [7]. В част първа на стандарта са дефинирани следните основни референтни модели: модел на функционалния блок, модел на ресурса, модел на устройството, модел на приложение, системен модел, модел на разпределение, модел на оперативно състояние, модел на мениджмънта [1, 8]. Модел на функционалния блок Централно място в концепцията на IEC заема модела на ФБ. Типовата структура на ФБ е представена на фиг.1. Тя може да се приложи за дефиниране на преизползваеми софтуерни компоненти, при проектиране на сложни разпределени системи за управление [9].

2 Стандартът дефинира три типа функционални блока: основен ФБ (Basic FB), съставен ФБ (Composite FB) и интерфейсен ФБ за услуги (Service Interface FB). Системите за управление и диагностика могат да се моделират като последователно или последователно-паралелно свързани ФБ чрез техните входно-изходни данни и събития. Основният функционален блок се представя посредством интерфейс на входните и изходни данни и събития. Примерен такъв е представен на фиг.1. Той включва още граф за управление на изпълнението (Execution Control Chart (ECC)), вътрешни данни и алгоритми. Функционалният блок се характеризира чрез име на типа и името на екземпляра, които го идентифицират еднозначно. Графът за управление на изпълнението представлява машина на състоянието, която управлява изпълнението на алгоритмите, асоциирани към функционалния блок. Примерен граф е представен на фиг.2. Той се състои от състояния, преходи и действия, които предизвикват изпълнението на алгоритмите, асоциирани към състоянията на графа, в отговор на събитийни входове. Едно от състоянията е т.н. начално състояние, а към другите състояния могат да бъдат асоциирани едно или няколко действия. Всяко действие може да бъде свързано и с изпълнението на алгоритъм или генериране на изходно събитие. Преминаването на машината на състоянието от едно състояние на изпълнение на управлението в друго се реализира чрез активирането на преходи. Важно е да се отбележи, че събитията и данните, между които съществува връзка са свързани с оператора WITH. Съставният функционален блок служи за свързване и капсулиране на ФБ с цел изграждане на по-големи логически компоненти на една система. За разлика от основния ФБ, той не съдържа в себе си граф за управление на изпълнението, алгоритми и вътрешни данни, а се управлява от събития. Съставният ФБ е изграден като мрежа от ФБ, свързани посредством своите входно-изходни интерфейси. На фиг.3 е представен примерен съставен ФБ с мрежа от три ФБ, които от своя страна могат да бъдат от различен тип. Интерфейсният ФБ (ИФБ) за услуги се използва основно за целите на комуникациите и мениджмънта. ФБ на комуникационни интерфейси реализират два основни вида транзакции еднопосочни от типа Publish-Subscribe и двупосочни от типа Client-Server. За да се обособи едно приложение като ресурс, е необходимо да се дефинират подходящите за случая входно/изходни интерфейсни ФБ на комуникациите. На фиг.4а е представен примерен входен ИФБ, а на фиг.4б - изходен. Фиг.3: Съставен ФБ (Composite Function Block) а) Фиг.1: Основен ФБ (Basic Function Block) Фиг.2: Примерен граф за управление на изпълнението (ЕСС) б) Фиг.4: Интерфейсни ФБ за услуги (Service Interface Function Block)

3 Ресурс Ресурсът се разглежда в IEC като функционална единица, представляваща част от модела на устройството (Device), която е независима по отношение на управлението на нейната функционалност. Ресурсът може да бъде създаван, конфигуриран, параметризиран, стартиран, изтриван и т.н., без това да оказва влияние върху останалите ресурси на устройството [1]. Предназначението на ресурса е да приема данни и/или събития от интерфейса към процеса и/или комуникационния интерфейс, обработване на данните и/или събитията и връщане на данни и/или събития към интерфейса към процеса и/или комуникационния интерфейс, получени в резултат на изпълнението на приложението, използвано в ресурса. Основните елементите на ресурса са отразени на фиг.5. Основните изисквания, които се отчитат при изграждането на структурата на кинематичните вериги са [5]: възможно най-проста кинематика; широк обхват от скорости на движенията; отсъствие на бързо износващи се детайли, елементи и възли в тях. Четирите подавателни задвижвания са сходни в кинематично отношение. Ето защо се предлага обща структура, дадена на фиг.7. Задвижването се осъществява от регулируем електромотор. Следва зъбно-ремъчна предавка, гарантираща точно предавателно отношение и сачмено-винтова предавка, трансформираща въртеливото движение на винта в праволинейно на подавателната маса. Фиг.7: Кинематична верига на подавателните движения по оси X, Y, Z и D Фиг.5: Модел на ресурс УПРАВЛЕНИЕ НА ПОДАВАТЕЛНИТЕ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ФРЕЗОВИ ОПЕРАЦИИ Компонованата реконфигурираща металорежеща машина (РММ) е с възможност да обработва повърхнини под произволен ъгъл, чрез завъртане на пробивната глава 8 (фиг.6). Подавателните движения по трите оси се получават по следната кинематична верига: регулируем електромотор 2, сачмено-винтова предавка 4 и подавателна маса 5. Фиг.6: Синтезиран компоновъчен вариант на РММ След анализ на кинематичните вериги в РПС са установени шест типа вериги, за които са използвани два типа задвижвания: цифрови сервозадвижвания и позиционно управление. За движенията, които не изискват взаимно съгласуване, са използвани самостоятелни сервоблокове, в които е затворена обратна връзка по скорост. Заданието за скорост към съответния сервоблок постъпва от програмируемия логически контролер (PLC). Детайл ЦБ на ДВГ На фиг.8 е представен детайлът, който ще се обработва върху РММ. Той има три лагерни гнезда, които трябва да бъдат фрезовани. При изпълнение на тази технологичната операция под въздействие на системата за управление се изпълняват следните действия, съгласно цикъла на работа на подавателната маса, илюстриран на фиг Проверка на инструмента; 2. Поставяне и фиксиране на детайла; 3. Включване на подавателно позициониращо движение по ос X Vf x поз. ; 4. Включване на подавателно движение бърз ход по ос Z до достигане на предписаната опорна точка (т.а) Vf z б.х. ; 5. Включване на подавателно позициониращо движение по ос Y Vf y поз. ; 6. Включване на главното движение на рязане Vс;

4 7. Включване на подавателно движение бърз ход по ос Z до достигане на точка D Vf Z+ б.х. ; 8. Включване на подавателно движение работен ход по ос Z до достигане на точка E Vf 1 ; 9. Включване на подавателно движение бърз ход по ос Z до достигане на точка F Vf Z+ б.х.; 10. Включване на подавателно движение работен ход по ос Z до достигане на точка G Vf 1 ; 11. Спиране на Vf 1 при достигане на точка G и вкл. на Vf Z - реверс до достигане на точка A; 12. Освобождаване и снемане на детайла. 13. Включване на подавателно движение бърз ход по ос Z до достигане на точка B Vf Z+ б.х.; 14. Включване на подавателно движение работен ход по ос Z до достигане на точка С Vf 1. Управление на подавателното движение при дълбоко свредловане базирано на IEC В представената разработка е възприет подход с трансформиране на функционален блок, базиран на стандарт IEC в съответстващ му функционален блок, който е базиран на стандарт IEC Това става като входните и изходни данни от булев тип за ФБ по стандарт IEC се трансформират съответно във входни и изходни събития. Тези събития са необходими за работата на управляващата част (ЕСС) на ФБ съгласно стандарта IEC Фиг.8: Детайл подлежащ на обработване върху РПС Фиг.9: Цикъл на работа на подавателната маса След анализ на наличните ФБ в библиотеката на PLCopen и на процеса, който трябва да се управлява, се установи че са подходящи ФБ Е_МС_Move_Absolute и Е_МС_Move_Relative, които са показани в Табл.1. Табл.1: Трансформция на IEC базиран ФБ в IEC базиран ФБ N ФБ в IEC ФБ в IEC

5 Функционалният блок Move_Absolute реализира подавателно движение на приставката с максимална подавателна скорост Vf Б.Х. до позиция 1 (движение от т. А до т. В според фиг.9). След достигане до т. В се генерира изходното събитие Done, при което се задейства изпълнението на функционален блок Е_МС_Move_Relative. Той превключва движението на масата в работен ход по оста с технологично определена работна подавателна скорост Vf 1, като позицията С, до която трябва да се достигне е зададена относително спрямо позиция В. След достигането в позиция С и генерирането на изходно събитие Done. Ако по технология е предвидено обработването на една площадка, то тогава се изпълнява другия екземпляр на функционалния блок Е_МС_Move_Absolute за бързо връщане на приставката в първоначалната изходна позиция с максимална скорост Vf РЕВ до достигане на позиция А. По този начин е завършен един работен ход на подавателната маса. В зависимост от избраната технология, фрезоването може да се изпълни на 2-3 хода. В случая се обработват три лагерни гнезда и за целта се зарежда отново първият екземпляр на функционалния блок Е_МС_Move_Absolute, който реализира подавателно движение на приставката с максимална подавателна скорост Vf Б.Х. до позиция D. След достигане до т. D се генерира изходното събитие Done, което задейства изпълнението на ФБ Е_МС_Move_ Relative. То превключва движението на масата в работен ход по оста с работна подавателна скорост Vf 1 до достигане на т. Е. По същия начин се обработват всички площадки. За моделиране на посочените ФБ в IEC е използвана програмната среда FBDK (Function Block Development Kit), разработена от Rockwell Automation [6]. Моделираните ФБ са включени в съставен ФБ за управление на подавателна маса със структура на интерфейса, представена на фиг.10 и мрежа от ФБ на фиг.11. За да бъде завършена софтуерната разработка е необходимо съставния ФБ за управление на подавателната маса да се включи в ресурс, който от своя страна да се включи в устройство и накрая да се моделира цялата система. За тази цел се моделираха два интерфейсни ФБ за услуги един входен и един изходен (фиг.12). На фиг.13 е представенa мрежата от ФБ съответстваща на ресурса Управление на подавателната маса при изпълнение на технологичната операция фрезоване. Фиг.10: Интерфейс на ФБ за управление на подавателна маса Фиг.11: Мрежа от ФБ за управление на подавателна маса а) Фиг. 12: Интерфейсни ФБ за услуги а) входен, б) изходен б)

6 Фиг.13: Ресурс Управление на подавателна маса на РММ при фрезоване ЗАКЛЮЧЕНИЕ От направения анализ на стандарт IEC е установено, че управлението на подавателна маса при технологичната операция фрезоване на лагерно гнездо в ЦБ на ДВГ може да се реализира чрез използването на функционалните блокове Е_МС_Move_Absolute и Е_МС_Move_Relative. За реализирането на система за управление, в съответствие със стандарт IEC и изградена чрез програмируем логически контролер е извършена трансформация на функционални блокове Е_МС_Move_Absolute и Е_МС_Move_ Relative от стандарт IEC във функционалните им еквиваленти, съответстващи на стандарт IEC На базата на трансформираните към стандарт IEC функционални блокове Е_МС_Move_ Absolute и Е_МС_Move_ Relative е разработен ресурса Управление на подавателна маса на РММ при фрезоване в съответствие със стандарт IEC Благодарност: В настоящата разработка са представени резултати, постигнати в рамките на изследователския проект ВУ-ТН-208/06 Създаване на методология за управление и диагностика на реконфигуриращи се производствени системи, финансиран от НФНИ при МОН, на който авторите изказват своята благодарност. ЛИТЕРАТУРА [1] IEC , Function Blocks for Industrial- Process Measurement and Control Systems Part 1: Architecture, [2] John K.H., M. Tiegelkamp, IEC : Programming Industrial Automation Systems, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, [3] IEC/TS , Function blocks (FB) for process control - Part 1: Overview of system aspects, Ed. 1.0, [4] [5] Попов Г., Т. Гешев, Г. Стамболов, Хр. Карамишев, 2003, Изграждане на РПС за цилиндров блок на ДВГ, част II: кинематика и управление, АМТЕХ 03, сп. МТТ, 3, 2003, стр [6] [7] R. Lewis, Modelling control systems using IEC 61499, The Institution of Electrical Engineers London, United Kingdom, [8] Wagner B., Industrielle Steuerungstechnik, Stand , [9] Бачкова И., Г. Попов, Г. Стамболов, И. Антонова, 2006, Проектиране на отворени разпределени системи за управление на базата на стандарта IEC 61499, Journal of the TU Plovdiv Fundamental Sciences and Applications, Vol. 13, 2006 Anniversary Scientific Conference 2006 Bulgaria. [10] Карамишев Хр., Бачкова И., Попов Г., Гешев Т., IEC базирано управление на подавателните движения в реконфигурируеми производствени системи, Международна конференция Автоматика и информатика '2007, , София, стр.4-7.