» » » » Реализация комплексной системы управления промышленным роботом-манипулятором

Реализация комплексной системы управления промышленным роботом-манипулятором

Данное решение представляет собой комплексную систему автоматизации, включающую в себя аппаратное и программное обеспечение. На нижнем уровне используются сервоприводы LENZE, управление системой осуществляется программируемым логическим контроллером VIPA, а человеко-машинный интерфейс реализован на базе промышленного компьютера ESA с предустановленной системой визуализации SCADA zenon.


1 Разработка аппаратного обеспечения

1.1 Разработка функциональной структуры системы

В соответствии с требованиями система управления взаимодействует с объектом управления, поэтому в ней необходимо предусмотреть подсистему управления технологическим оборудованием (рисунок 1.1). Данная подсистема включает в себя устройства сбора информации (датчики положения суставов), эталоны и состояния оборудования (ограничения по изменению положения суставов), систему контроля состояния оборудования, программу управления реализующую перемещение рабочего органа, противоаварийную защиту, блок перевода в ручной режим управления и исполнительные органы (сервоприводы).

image

Рисунок 1.1 – Робот-манипулятор

Кроме того система должна обеспечивать визуализацию и контроль функционирования робота, поэтому она должна включать подсистему информационного обеспечения работы оператора. Данная подсистема включает в себя регистрацию параметров процессов, человеко-машинный интерфейс и сигнализацию достижения параметрами управления заданных значений.

Так же система должна обеспечивать архивирование протекающих технологических процессов, поэтому в ней должна присутствовать подсистема ведения архивов параметров и событий, включающая базу данных и резервное хранилище.

С учетом перечисленных требований функциональная структура системы имеет вид, приведенный на рисунке 1.2. Такая структура системы обеспечивает управление, сбор информации, ее регистрацию, визуализацию, сохранение в базе данных и создание резервных копий. Кроме того обеспечивается контроль, за оборудованием и сигнализация достижения параметрами управления заданных значений.

image

Рисунок 1.2 – Функциональная структурная схема

1.2 Выбор и обоснование аппаратных средств

Исходя из требований, разрабатываемая автоматизированная система управления роботом-манипулятором KUKA KR AGILUS: KR 6 R700 sixx, должна обеспечивать автоматическое перемещение его рабочего органа за минимальное время по заданным координатам с учетом ограничений накладываемых на рабочую зону. В связи с этим система должна обладать высокой динамикой и точностью управления каждым из шести электроприводов выполняющих позиционирование его суставов. Технические характеристики робота приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики робота
Наименование параметра Значение
1 Полезная нагрузка, кг 6
2 Количество осей 6
3 Стабильность повторяемости, мм ±0,03
4 Максимальный вылет, мм 706,7
5 Изменение угла оси 1 (A1), ° ±170
6 Изменение угла оси 2 (A2), ° +45/-190
7 Изменение угла оси 3 (A3), ° +156/-120
8 Изменение угла оси 4 (A4), ° ±185
9 Изменение угла оси 5 (A5), ° ±120
10 Изменение угла оси 6 (A6), ° ±350
11 Монтаж Напольный
12 Масса, кг 50

Анализ существующих решений показал, что требования к динамике и точности управления суставами робота могут быть обеспечены за счет использования сервоприводов. При этом система управления роботом в соответствии с требованиями должна включать: программируемый логический контроллер, систему управления сервоприводами, сервоприводы и ЧМИ панель. Структура системы приведена на рисунке 1.3.

image

Рисунок 1.3 – Структура системы управления роботом

Из существующих систем управления сервоприводами выдвинутым требованиям удовлетворяет сервосистема ECS компании Lenze. Она обеспечивает высокую динамику, выдерживание осевыми модулями перегрузки в 200%, обмен энергией по общей шине постоянного тока, имеет общий источник питания и встроенное управление тормозом. Система ECS может использоваться с синхронными и асинхронными сервоприводами, а в качестве источников обратной связи в системе могут использоваться резольверы или энкодеры. Каждый модуль системы обладает 2 последовательными интерфейсами CAN и может быть расширен коммуникационными модулями PROFIBUS-DP, INTERBUS, DeviceNet, Lecom AB, LON и INTERBUS Loop. Система поддерживает синхронность задания уставок рабочих позиций за время менее 1 мс. Структура системы управления роботом с учетом использования сервосистемы ECS приведена на рисунке 1.4.

image

Рисунок 1.4 – Структура системы управления роботом

Сервосистема ECS состоит из трех основных элементов: модуля источника питания, осевого модуля и сервопривода. Модуль источника питания предназначен для запитывания осевых модулей по единой шине постоянного тока, использование данного подхода позволяет эффективно перераспределять энергию между ними, что в свою очередь обеспечивает снижение энергопотребления. Осевой модуль предназначен для управления сервоприводом с целью поддержания момента и скорости, отработки перемещения по соответствующим позициям с учетом разных скоростей, реализации скоординированного движения по нескольким осям при централизованном управлении. Сервопривод является исполнительным механизмом на базе синхронного или асинхронного электродвигателя охваченного отрицательной обратной связью, позволяющей точно управлять параметрами движения.

В соответствии с методикой компании Lenze подбор оборудования для сервосистемы ECS начинается с выбора сервоприводов, после чего выбираются осевые модули и в заключении выбирается модуль источника питания.

При разработке системы управления роботом-манипулятором выбор сервоприводов осуществляется в соответствии с требуемой номинальной скоростью вращения, максимальной скоростью вращения, номинальным моментом и пиковым моментом. Соответствующие требования, предъявляемые к техническим характеристикам сервоприводов (с учетом наличия редукторов) для робота KUKA KR AGILUS: KR 6 R700 sixx приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.2 – Требования, предъявляемые к параметрам сервоприводов
Ось A1 A2 A3 A4 A5 A6
nN, об/мин 2850 5200 5350 3800 3950 3750
nmax, об/мин 6000 6500 6700 5900 7250 7500
Mn, Нм 2,7 2,4 1,6 1,9 0,9 0,4
Mmax, Нм 13,3 17,0 8,4 8,8 3,7 2,2

Выдвинутым требованиям удовлетворяет сервоприводы производящиеся компанией Lenze и входящие в серию MCS (рисунок 1.5). Статорная обмотка данных электродвигателей создана комбинированием отдельных катушек в одноэлементный полюс. Специально сконструированные полюсы обеспечивают высоких динамических характеристик привода. У данных двигателей значительно увеличена удельная мощность и уменьшен момент инерции. Минимальные тормозные моменты обеспечивают плавный ход серводвигателя и, как результат, оптимальные характеристики управления.

image

Рисунок 1.5 – Сервопривод Lenze MCS

Технические характеристики выбранных сервоприводов приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Технические характеристики сервоприводов
Ось А1 А2 А3 А4 А5 А6
Двигатель MCS 09F38 MCS 09H60 MCS 09D60 MCS 09D41 MCS 06F41 MCS 06C41
nN, об/мин 3750 6000 6000 4050 4050 4050
nmax, об/мин 7000 7000 7000 7000 8000 8000
M0, Нм 4,2 5,5 3,3 3,3 1,5 0,8
Mn, Нм 3,1 3,0 1,8 2,3 1,2 0,6
Mmax, Нм 15,0 20,0 9,5 9,5 4,4 2,4
Pn, кВт 1,2 1,9 1,1 1,0 0,51 0,25
In, А 2,5 6,0 3,8 2,3 1,5 1,3
fn, Гц 250 400 400 270 270 270
Jmot, кг * м2 * 10-4 1,5 1,9 1,1 1,1 0,22 0,14
КПД, % 96 96 96 96 96 96
m, кг 5,2 6,1 4,3 4,3 2,2 1,8

Выбранные сервоприводы имеют в своем составе резольверы, при помощи которых определяется абсолютное положение вала двигателя, а так же скорость его вращения. Поэтому выбор дополнительных средств контроля положения и скорости не требуется.

На основании технических характеристик сервоприводов выбраны осевые модули (рисунок 1.6). Их технические характеристики приведены в таблице 1.4.

image

Рисунок 1.6 – Осевой модуль Lenze ECS

Таблица 1.4 – Технические характеристики сервоприводов
Ось A1 A2 A3 A4 A5 A6
Двигатель ECS_A008 ECS_A016 ECS_A008 ECS_A004 ECS_A004 ECS_A004
Ток ускорения, А 8,0 16,0 8,0 4,0 4,0 4,0
Ном. ток, А 4,0 8,0 4,0 2,0 2,0 2,0
Ток удержания, А 4,0 8,0 4,0 2,0 2,0 2,0
Мощность, кВт 2,2 5,5 2,2 1,1 1,1 1,1
Ток шины, А 4,9 9,8 4,9 2,5 2,5 2,5
Емкость, мкФ 165 165 165 165 165 165
Напряжение, В 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770 0 ÷ 770
Макс. частота, Гц 600 600 600 600 600 600

В соответствии с общим номинальным током всех осевых модулей 22 А и их общей мощностью 13,2 кВт, в качестве модуля источника питания выбран ECSEE040 с номинальным током в звене постоянного тока 38,5 А и номинальной мощностью 20 кВт (рисунок 1.7).

image

Рисунок 1.7 – Модуль источника питания Lenze ECSEE040

Технические характеристики модуля источника питания приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Технические характеристики модуля источника питания
Наименование параметра Значение
1 Напряжение питания, В 3 фазы, ~380
2 Ток питания, А 31,9
3 Номинальный ток в звене постоянного тока, А 38,5
4 Номинальная мощность при 400 В, кВт 20,0
5 Тормозное сопротивление внутреннее, Ом 20,0
6 Максимальная кратковременная мощность торможения, кВт 31,2
7 Длительная мощность торможения с внутренним резистором, кВт 0,15
8 Длительная мощность торможения с внешним резистором, кВт 6,0

В соответствии с методикой нужно рассчитать требуемую постоянную мощность, теплоемкость и сопротивление тормозного резистора, что бы определить удовлетворяет ли требованиям сервосистемы ECS внутренний тормозной резистор модуля блока питания.

Постоянная мощность рассчитывается по формуле:

P ≥ Pmax * ηe * ηm *
t1 / tcycl
,

где P – мощность тормозного резистора (Вт), Pmax – максимальная тормозная мощность нагрузки (Вт), ηe – электрический КПД (преобразователь + электродвигатель), ηm – механический КПД (редуктор, механизм), t1 – время торможения (с), tcycl – время цикла (с).

Время цикла рассчитывается по формуле:

tcycl = t1 + tp,

где tp – время паузы (с).

Исходя из выбранного оборудования и требований к системе максимальная тормозная мощность соответствует сумме тормозных мощностей всех осевых модулей 8,8 кВт, электрический КПД сервоприводов 0,96, а механический с учетом редукторов суставов 0,93, время торможения не превышает 1 с, а время паузы не составляет не менее 1 с. На основании этого мощность тормозного резистора:

P ≥ Pmax * ηe * ηm *
t1 / tcycl
≥ 8,8 * 0,96 * 0,93 *
1 / 1 + 1
≥ 3,92 кВт.

Теплоемкость рассчитывается по формуле:

CPmax * ηe * ηm * t1 ≥ 8,8 * 0,96 * 0,93 * 1 ≥ 7,86 кВт * c.

Сопротивление рассчитывается по формуле:

R ≤
U2 / Pmax * ηe * ηm
,

где U – порог срабатывания тормозного транзистора (В).

В соответствии с выбранным оборудованием порог срабатывания тормозного транзистора 790 В. На основании этого сопротивление тормозного резистора:

R ≤
U2 / Pmax * ηe * ηm
7902 / 8800 * 0,96 * 0,93
≤ 79,4 Ом.

Так как внутренний резистор модуля источника питания не удовлетворяет требованиям, в качестве внешнего тормозного резистора выбран резистор компании Lenze ERBP047R200W мощностью 4 кВт и сопротивлением, 47 Ом (рисунок 1.8).

image

Рисунок 1.8 – Тормозной резистор Lenze ERB047R200W

Для снижения влияния сервосистемы ECS на сеть, снижения потребления ею тока и продления ее срока службы во входную силовую цепь должен быть установлен дроссель. В соответствии с током потребления модуля источника питания 31,9 А выбран трехфазный дроссель компании Lenze ELN3-0075H045 (рисунок 1.9).

image

Рисунок 1.9 – Дроссель Lenze ELN3-0075H045

Технические характеристики дросселя приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6 – Технические характеристики дросселя Lenze ELN3-0075H04
Наименование параметра Значение
1 Напряжение, В ~320 ÷ 528
2 Индуктивность, мГн 0,75
3 Ток, А 45,0
4 Масса, кг 10,0

Для снижения радиочастотных помех передаваемых от сервосистемы ECS в питающую сеть должен быть установлен RFI фильтр. В соответствии с током потребления модуля источника питания 31,9 А выбран трехфазный RFI фильтр компании LENZE E94AZRP0824 с номинальным напряжением ~440 В и номинальным током 82 А (рисунок 1.10).

image

Рисунок 1.10 – RFI фильтр E94AZRP0824

На основании выбранного оборудования сервосистемы ECS разработан перечень входных и выходных сигналов системы управления приведенный в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Перечень входных и выходных сигналов системы управления
№ п/п Наименование информации (сигналы, данные) Иденти-
фика-
торы
Напр. вх./вых. Функция Вид Источник /
Получатель
Форма
представления (разрядность, точность)
Период
вв./выв., мсек
Внеш. Внутр.
1 Уставка угла оси A1 1-1 Выход. Управл. Дискрет. ПЛК/ECS_A008 32 бит 1
2 Скорость изменения угла оси A1 2-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК 32 бит 1
3 Угол поворота оси A1 3-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК 32 бит 1
4 Уставка угла оси A2 4-1 Выход. Управл. Дискрет. ПЛК/ECS_A016 32 бит 1
5 Скорость изменения угла оси A2 5-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A016/ПЛК 32 бит 1
6 Угол поворота оси A2 6-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A016/ПЛК 32 бит 1
7 Уставка угла оси A3 7-1 Выход. Управл. Дискрет. ПЛК/ECS_A008 32 бит 1
8 Скорость изменения угла оси A3 8-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК 32 бит 1
9 Угол поворота оси A3 9-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A008/ПЛК 32 бит 1
10 Уставка угла оси A4 10-1 Выход. Управл. Дискрет. ПЛК/ECS_A004 32 бит 1
11 Скорость изменения угла оси A4 11-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК 32 бит 1
12 Угол поворота оси A4 12-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК 32 бит 1
13 Уставка угла оси A5 13-1 Выход. Управл. Дискрет. ПЛК/ECS_A004 32 бит 1
14 Скорость изменения угла оси A5 14-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК 32 бит 1
15 Угол поворота оси A5 15-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК 32 бит 1
16 Уставка угла оси A6 16-1 Выход. Управл. Дискрет. ПЛК/ECS_A004 32 бит 1
17 Скорость изменения угла оси A6 17-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК 32 бит 1
18 Угол поворота оси A6 18-1 Вход. Контроль Дискрет. ECS_A004/ПЛК 32 бит 1

В соответствии с требованиями к системе рабочий цикл программируемого логического контроллера должен длиться не более 500 мкс, для обеспечения реакции на изменения положения суставов робота.

Данным требованиям удовлетворяет программируемый логический контроллер компании VIPA 314-2AG12 имеющий время выполнения арифметической операции над двойным целым 0,01 мкс, объем памяти программ 512 кБайт и объем рабочей памяти 256 кБайт (рисунок 1.11).

Исходя из требований к системе управления программируемый логический контроллер не будет иметь модули ввода и модули вывода поэтому в качестве источника питания для выбранного контроллера выбран блок питания компании VIPA PS 307-1BA00 с выходным напряжением 24 В и максимальной нагрузочной способностью 2.5 А.

image

Рисунок 1.11 – ПЛК VIPA 314-2AG12

Технические характеристики ПЛК приведены в таблице 1.8.

Таблица 1.8 – Технические характеристики ПЛК VIPA 314-2AG12
Наименование параметра Значение
1 Тип CPU 314SB/DPM
2 Память, кБайт 512
3 Рабочая память, кБайт 256
4 Максимальное количество модулей, штук 32
5 Время выполнения команды над битом, мкс 0,01
6 Время выполнения команды над байтом, мкс 0,01
7 Время выполнения команды над словом, мкс 0,01
8 Время выполнения команды над двойным словом, мкс 0,06
9 LAN интерфейс Есть
10 PROFIBUS-DP интерфейс, мастер Есть
11 Напряжение питания, В 24
12 Потребляемая мощность, Вт 6

Так как стандартной полевой шиной для управления, как сервоприводами, так и их осевыми модулями является полевая шина CAN, интерфейсы программируемого логического контроллера необходимо расширить при помощи коммуникационного процессора. В соответствии с требованиями выбран коммуникационный процессор компании VIPA 342-1CA70 работающий в режиме мастера и использующий для обмена данными с контроллером внутреннюю сверхбыструю шину SPEED-Bus (рисунок 1.12).

image

Рисунок 1.12 – Коммуникационный процессор VIPA 342-1CA70

Технические характеристики модуля приведены в таблице 1.9.

Таблица 1.9 – Технические характеристики коммуникационного процессора
Наименование параметра Значение
1 Тип CP 342S CAN, CANopen
2 Режим работы Мастер
3 Внутренняя шина SPEED-bus
4 Количество ведомых в сети, штук 125
5 Передаваемых PDO 40
6 Принимаемых PDO 40
7 Серверов SDO 1
8 Клиентов SDO 127
9 Напряжение питания, В 24
10 Потребляемая мощность, Вт 2,75

В соответствии с требованиями к системе отображение процессов протекающих при перемещении рабочего органа робота должно осуществляться в реальном времени при помощи человеко-машинного интерфейса, а доступ к данным контроллера по интерфейсу Ethernet. Устройство отображение ЧМИ должно иметь физическое разрешение экрана не менее 17”, и разрешение изображения не менее 1024 x 768 пикселей. Выдвинутым требованиям удовлетворяет промышленный компьютер компании ESA XS717 (рисунок 1.13) имеющий физическое разрешение экрана 17” и разрешение изображения 1280 x 1024 пикселя. В качестве источника питания для панели выбран блок питания SPD 241201 с выходным напряжением 24 В и максимальной нагрузочной способностью 5 А.

image

Рисунок 1.13 – Промышленный компьютер ESA XS717

Технические характеристики промышленного компьютера приведены в таблице 1.10.

Таблица 1.10 – Технические характеристики промышленного компьютера
Наименование параметра Значение
1 Экран TFT, 15”
2 Разрешение экрана, пиксель 1280 x 1024
3 Процессор Intel Atom Dual Core 1,86 GHz
4 Оперативная память, ГБайт 4
5 Жесткий диск, ГБайт 250
6 RS-232 2
7 USB 5
8 Ethernet RJ45 2
9 Операционная система Windows XP Professional Service Pack 3
10 Напряжение питания, В 24
11 Потребляемый мощность, Вт 95

1.3 Разработка функциональной схемы автоматизации

На основании требований к системе автоматизированного управления роботом-манипулятором и выбранного аппаратного обеспечения разработана функциональная схема автоматизации, приведенная на рисунке 1.14.

image

Рисунок 1.14 – Функциональная схема автоматизации

Настройка параметров работы робота-манипулятора выполняется при помощи человеко-машинного интерфейса UYR (промышленный компьютер ESA XS717).

Настройки от промышленного компьютера передаются контроллеру UY (ПЛК 314-2AG12) при помощи интерфейса Ethernet. Контроллер во время выполнения программы задает абсолютные значения углов для каждого из суставов. Значение углов передаются по полевой шине CAN соответствующим осевым модулям SC (регулятор скорости, осевой модуль Lenze ESC).

Значения углов поступают на все модули синхронно и могут обновляться с гарантированной частотой 1 кГц. Осевые модули анализируют положения суставов и начинают отрабатывать их перемещение, контролируя процесс при помощи датчиков положения GE (первичный преобразователь положения) и датчиков скорости SE (первичный преобразователь скорости). Преобразование положения и скорости выполняется соответствующими преобразователями GT (промежуточный преобразователь положения для передачи на расстояние) и ST (промежуточный преобразователь скорости для передачи на расстояние). Данные с датчиков передаются от осевых модулей программируемому логическому контроллеру. Информация о положении суставов передается от контроллера промышленному компьютеру, который его визуализирует при помощи человеко-машинного интерфейса.

1.4 Разработка схемы электрической принципиальной

На основе функциональной схемы автоматизации и выбранного аппаратного обеспечения разработана схема электрическая принципиальная системы управления роботом-манипулятором приведенная на рисунке 1.15.

image

Рисунок 1.15 – Схема электрическая принципиальная

В системе используются три независимых источника питания для программируемого логического контроллера, промышленного компьютера и сервосистемы ECS. Таким образом, силовые, сигнальные и информационные цепи имеют разные источники питания и развязаны между собой, за счет встроенных в них гальванических развязок.

Связь между программируемым логическим контроллером и промышленным компьютером организована при помощи интерфейса Ethernet, а с сервосистемой ECS при помощи полевой шины CAN. В качестве мастера полевой шины CAN выступает программируемый логический контроллер VIPA 314-2AG12. Внутри сервосистемы ECS связь между осевыми модулями так же организована при помощи шины CAN со своим мастером.

Каждый осевой модуль отвечает за соответствующий сервопривод. Сервопривод представляет собой асинхронный двигатель с электромагнитным тормозом, датчиком перегрева и резольвером. Подключение сервопривода к осевому модулю выполняется при помощи двух кабелей: силового и сигнального. По силовому кабелю выполняется управление электродвигателем и электромагнитным тормозом, по сигнальному реализуется отрицательная обратная связь по положению вала электродвигателя, а так же контролируется его перегрев.


2 Разработка программного обеспечения

В соответствии с требованиями к системе необходимо разработать фрагмент человеко-машинный интерфейса, который должен отображать положения суставов робота-манипулятора. Данные для человеко-машинного интерфейса должны поступать от программируемого логического контроллера посредством интерфейса Ethernet. Адресация данных программируемого логического контроллера приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Адресация данных программируемого логического контроллера
Параметр Адрес Тип данных Диапазон
1 Уставка угла оси A1 DB1.DBD0 Вещественный -170 ÷ +170°
2 Скорость изменения угла оси A1 DB1.DBD4 Вещественный -10 ÷ +10°
3 Угол поворота оси A1 DB1.DBD8 Вещественный -170 ÷ +170°
4 Уставка угла оси A2 DB2.DBD0 Вещественный -190 ÷ +45°
5 Скорость изменения угла оси A2 DB2.DBD4 Вещественный -10 ÷ +10°
6 Угол поворота оси A2 DB2.DBD8 Вещественный -190 ÷ +45°
7 Уставка угла оси A3 DB3.DBD0 Вещественный -120 ÷ +156°
8 Скорость изменения угла оси A3 DB3.DBD4 Вещественный -15 ÷ +15°
9 Угол поворота оси A3 DB3.DBD8 Вещественный -120 ÷ +156°
10 Уставка угла оси A4 DB4.DBD0 Вещественный -185 ÷ +185°
11 Скорость изменения угла оси A4 DB4.DBD4 Вещественный -15 ÷ +15°
12 Угол поворота оси A4 DB4.DBD8 Вещественный -185 ÷ +185°
13 Уставка угла оси A5 DB5.DBD0 Вещественный -120 ÷ +120°
14 Скорость изменения угла оси A5 DB5.DBD4 Вещественный -20 ÷ +20°
15 Угол поворота оси A5 DB5.DBD8 Вещественный -120 ÷ +120°
16 Уставка угла оси A6 DB6.DBD0 Вещественный -350 ÷ +350°
17 Скорость изменения угла оси A6 DB6.DBD4 Вещественный -30 ÷ +30°
18 Угол поворота оси A6 DB6.DBD8 Вещественный -350 ÷ +350°

Разрабатываемая система является автоматизированной системой управления (АСУ). В АСУ стандартом для сбора и визуализации информации при помощи человеко-машинного интерфейса является использование SCADA систем. При выборе SCADA системы ключевыми вопросами является наличие драйверов необходимых для связи с используемым аппаратным обеспечением, наличие сертификации в данной отрасли производства, простота и удобство разработки человеко-машинного интерфейса, возможности расширения функциональности за счет использования скриптов, VBA, VSTA, наличие симуляции аппаратного обеспечения.

В данном случае, основными требованиями, выдвигаемыми к SCADA системе, является наличие драйвера Ethernet для подключения к программируемым логическим контроллерам фирмыVIPA или SIEMENS S7-300 с функцией полноценной симуляции аппаратного обеспечения. Данным требованиям удовлетворяет SCADA система zenon изучаемая на кафедре автоматизации и компьютерных систем в рамках дисциплины "Программирование систем реального времени".

Разрабатываемое программное обеспечение для SCADA системы zenon должно выполнять как функции сбора информации, визуализации и архивирования, так и функции симуляции объекта управления. Структура программного обеспечения приведена на рисунке 2.1.

При разработке программного обеспечения для SCADA системы zenon сначала выполняется конфигурирование драйверов предоставляющих доступ к аппаратному обеспечению. Для доступа к данным программируемого логического контроллера должен использоваться драйвер Ethernet организующий работу SCADA системы с семейством контроллеров VIPA 300. Данным требованиям удовлетворяет драйвер "S7 TCP-IP", конфигурация которого приведена на рисунке 2.2.

image

Рисунок 2.1 – Структура программного обеспечения

image image image

Рисунок 2.2 – Структура программного обеспечения

В связи с отсутствием физической системы драйвер сконфигурирован таким образом, что бы использовать программную симуляцию объекта управления на основании программного программируемого логического контроллера zenon Logic входящего в состав SCADA системы zenon.

Исходя из требований к системе, данные программируемого логического контроллера должны считываться не реже одного раза в 100 мс, в соответствии с этим задано общее время опроса "Global updatetime in ms" равным 100 мс. Задержка времени соединения доступа к контроллеру "Reconnect delay" задана равной 10000 мс.

В качестве основного IP адреса контроллера “Primary connection” задан адрес "192.168.9.180", так как в системе не используется резервирование контроллеров резервный адрес “Secondary connection” не указан.

Перед разработкой программы симуляции объекта управления создаются переменные драйвера с соответствующими адресами. После создания переменные становятся доступны программному программируемому логическому контроллеру zenon Logic выполняющему функцию программной симуляции. Заполненная таблица переменных приведена на рисунке 2.3.

image

Рисунок 2.3 – Таблица переменных

Разработка программы симуляции объекта управления выполняется в два этапа. На первом этапе заполняется таблица сигналов. В таблице для каждого сигнала указывается значение соответствующее временной метке и названию сигнала. Таблица сигналов заполненная, в соответствии с функционированием объекта управления приведена на рисунке 2.4.

image

Рисунок 2.4 – Таблица символов

Симуляция объекта выполняется в следующем порядке. В начальный момент времени сустав A2 повернут на -90°, сустав A3 повернут на 90°, остальные суставы находятся в начальном положении 0° (рисунок 2.5).

image

Рисунок 2.5 – Допустимые углы поворота суставов робота-манипулятора

Через 5 секунд начинается симуляция работы сустава A1, в результате которой робот поворачивается вокруг своей в положение +170°, после чего делается пауза и он начинает поворачиваться в положение -170°, после чего так же делается пауза и робот возвращается в исходное положение.

Далее выполняется симуляция работы сустава A2, параллельно с поворотом сустава в положение +45°, выполняется поворот сустава A3 в положение 0°, что связано с ограничениями накладываемыми конструкцией робота.

По завершению симуляции работы сустава A6, робот находиться в исходном состоянии, цикл симуляции может быть запущен заново незаметно для SCADA системы.

На втором этапе разработки программного zenon Logic, выполняется непосредственная разработка программы симуляции объекта управления на языке программирования функциональных блоков FBD. Программа выполняет воспроизведение сигналов при помощи специфического для zenon Logic функционального блока SigPlay. При помощи функции SigID указывается, из какой таблицы формирования сигналов и какой колонки вычитывается значение соответствующее данной временной метке. Фрагмент программы приведен на рисунке 2.6.

image

Рисунок 2.6 – Фрагмент программы на языке функциональных блоков FBD реализующий воспроизведение сигналов

Проверка правильности функционирования и соответствия выдвинутым требованиям разработанного программного обеспечения программного программируемого логического контроллера zenon Logic выполняется при помощи программного осциллографа "Soft Scope". Окно осциллографа с диаграммами соответствующими функционированию объекта управления приведено на рисунке 2.7.

image

Рисунок 2.7 – Окно программного осциллографа

На этом разработка программного обеспечения симуляции объекта управления завершена. Далее выполняется разработка человеко-машинного интерфейса системы.

Исходя из требований и выбранного аппаратного обеспечения, человеко-машинный интерфейс должен разрабатываться под промышленный компьютер с разрешением 1280 x 1024 пикселей и иметь многооконный интерфейс. В SCADA системе zenon данная задача решается с помощью шаблонов позволяющих разделить рабочую область монитора на несколько секторов с каждым, из которых может быть связан свой тип изображения. Так как экрана имеет соотношение сторон 4:3 было принято решение разместить, кнопки переключения между изображениями в нижней строке. Внешний вид человеко-машинного интерфейса соответствующего выдвинутым требованиям приведен на рисунке 2.8.

image

Рисунок 2.8 – Основное изображение

В соответствии с требованиями разрабатываемое изображение системы управления должно отображать уставки положения суставов робота, скорость изменения положения, текущее положение суставов, а так же непосредственно сам робот-манипулятор.

Исходя из выдвинутых требований разработано изображение отображающее положение манипулятора, приведенное на рисунке 2.9. Изображение условно разделено на четыре части: области оси A1, область осей A2, A3, A5, область осей A4, A6 и область отображения информации о состоянии робота. Все проекции робота являются анимированными и отображают текущее положение робота. В области оси A1 проекция поворачивается вокруг своей оси, в области осей A2, A3, A5 сустав A5 поворачивается относительно сустава A3, сустав A3 поворачивается относительно сустава A2, а сустав A2 поворачивается относительно сустава A1. В области осей A4, A6 проекция сустава A6 поворачивается относительно сустава A4, а проекция сустава A4 поворачивается относительно сустава A3.

image image image

Рисунок 2.9 – Изображение контроля положения манипулятора