Глава 1. Гибкие производственные системы

Список сокращений

Введение

Актуальность проблемы

Развитие современной промышленности требует все большей автоматизации технологических процессов во всех отраслях. В машиностроении эта проблема особенно актуальна, в связи с увеличением серийности и массовости производства.

Цель работы

Целью данной работы является создание программы для управления гибкой производственной системой, состоящей из нескольких станков, тележки и манипулятора, с целью автоматизации технологического процесса. При помощи программы должна осуществляться обработка заданных деталей оптимальным образом.

Задачи исследования и разработки

1. Исследование работы системы.

2. Составление графа операций для системы.

3. Анализ графа операций с целью выявления особенностей работы системы.

4. Разработка программы на основе графа и загрузка её в программируемый логический контроллер.

5. Отладка программных модулей, тестирование работы программы в целом.

Глава 1. Гибкие производственные системы

Начиная с 80-х годов, одним из направлений повышения эффективности производства стало широкое применение информационных технологий. Важным этапом развития на этом пути стало появление понятия гибкой производственной системы (ГПС). В соответствии с ГОСТ 26228-90, гибкая производственная система (ГПС) - " …управляемая средствами вычислительной техники совокупность технологического оборудования, состоящего из разных сочетаний гибких производственных модулей и (или) гибких производственных ячеек, автоматизированной системы технологической подготовки производства и системы обеспечения функционирования, обладающая свойством автоматизированной переналадки при изменении программы производства изделий". Принципиальной особенностью ГПС являлось наличие новой компоненты - компьютерной системы управления, обеспечивающей возможность увязки отдельных процессов, функций и задач в единую систему.

Тенденция перехода к автоматизированному производству затронула многие сферы хозяйства, в том числе и машиностроение. В основе автоматизации процессов лежит частичное или полное отстранение человека от непосредственного участия в производственном процессе. В современных условиях прогрессивным может быть только такое производство, которое способно учитывать изменение спроса заказчиков и может быстро переходить на выпуск новой продукции. В результате удается избежать выпуска не находящей спроса продукции бесполезного расходования ресурсов. Развитие автоматизации на ранних этапах характеризовалось отсутствием мобильности, динамичности - создание жестких автоматических линий, предназначенных для массового производства (срок окупаемости таких линий составляет не менее 8 - 10 лет). Однако единичное и мелкосерийное производство оставались практически неавтоматизированными. Именно поэтому возникла принципиально новая концепция автоматизированного производства - гибкие производственные системы (ГПС).

Гибкое автоматизированное производство должно обладать следующими признаками:

1. гибкость состояния системы, то есть способность хорошо функционировать при различных внешних (появление нового ассортимента изделий, изменение технологии и др.) и внутренних (сбои в системе управления станками, отклонения во времени и качестве обработки и т.д.) изменениях;

2. гибкость действия, то есть обеспечение возможности легко включать в систему новые станки и инструменты для увеличения ее мощности в связи с увеличением объема производства;

3. гибкость системы группирования, то есть возможность расширения семейства обрабатываемых деталей;

4. гибкость технологии, определяющая способность системы учитывать изменения в составе выполнения технологических операций;

5. гибкость оборудования, которая характеризуется способностью системы справиться с переналадками в станках;

6. гибкость транспортной системы, выражающаяся в бесперебойной и оптимальной загрузке металлорежущего оборудования по определенной, наперед заданной стратегии управления;

7. гибкость системы обеспечения инструментом;

8. гибкость системы управления, обеспечивающая наиболее рациональное построение маршрутов обработки и транспортных потоков с точки зрения различных критериев;

9. организационная гибкость производства, заключающаяся в возможности простого и незамедлительного перехода на обработку любой из освоенных системой деталей.

Компоненты ГПС

Основными компонентами ГПС являются: гибкий производственный модуль (ГПМ), автоматические складская и транспортная системы (АСС и АТС) и система автоматизированного управления.
Гибкий производственный модуль должен выполнять в автоматическом режиме следующие функции:

1. переналадку на изготовление другого изделия;

2. установку изделий, подлежащих обработке в технологическом оборудовании, и выгрузку готовых изделий;

3. очистку установок от отходов производства;

4. контроль правильности базирования и установки обрабатываемого изделия;

5. контроль рабочих сред и средств, осуществляющих обработку, а также формирование корректирующих воздействий по результатам контроля;

6. замену средств обработки и рабочих сред;

7. контроль параметров, обрабатываемого изделия и формирование корректирующих воздействий по результатам контроля;

8. автоматическое управление технологическим процессом на основе принятых критериев эффективности;

9. связь с верхним уровнем управления с целью обмена информацией и приема управляющих воздействий;

10. диагностику технического состояния и поиск неисправностей.

Выводы

В машиностроении преобладают серийное и единичное производства, требующие частой переналадки оборудования. Применение обычных автоматических линий в таких производствах малоэффективно. Основу комплексной механизации здесь составляют групповая технология, станки с ЧПУ, промышленные роботы, автоматические транспортно-складирующие системы. На их базе с применением координирующих компьютеров создаются быстропереналаживаемые автоматизированные комплексы, называемые гибкими производственными системами (ГПС).

Программное обеспечение

Промышленное программное обеспечение SIMATIC - это система тесно связанных инструментальных средств для программирования и обслуживания систем автоматизации SIMATIC S7/C7.

STEP 7 - это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для программирования и эксплуатации систем управления, построенных на основе программируемых контроллеров SIMATIC S7/C7.

Выводы

Контроллер-устройство, предназначенное для выполнения алгоритмов управления. S7-300–универсальный контроллер. Он является идеальным изделием для работы в промышленных условиях благодаря высокой степени электромагнитной совместимости, высокой стойкости к вибрационным, ударным и температурным нагрузкам. Применяется в различных областях.

Глава 3. Обзор языков программирования контроллеров

В качестве основных языков используются:

Графические языки:

· Последовательных функциональных схем (SFC)

· Релейных диаграмм (LD)

· Функциональных блоковых диаграмм (FBD)

Текстовые языки:

· Список инструкций (instruction list - IL)

· Структурированный текст (Structured Text - ST)

SFC

1. SFC. Теория конечных автоматов, используемая для формализации состояний сложных процессов управления, опирается на различные графические модели описания состояний. Одну из самых известных моделей предложил К. Петри, она получила название “Сетей Петри”, или диаграммы состояний, и послужила теоретической основой языка последовательных функциональных схем (Sequential Function Charts, или Grafcet, SFC), наиболее важного из всего семейства языков.
SFC позволяет формулировать логику программы на основе чередующихся процедурных шагов и транзакций (условных переходов), а также описывать последовательно-параллельные задачи в понятной и наглядной форме.

Строго говоря, SFC не является языком программирования. Это средство проектирования прикладного ПО, состоящее из комплекса большого числа программных единиц: программ, функциональных блоков, функций. Обеспечение параллельности выполнения программ, установление и контроль состояния порожденных процессов, обеспечение синхронизации по приему и обработке данных, описание однозначно понимаемых заказчиком и исполнителем состояний автоматизируемого процесса — все это возможно при использовании SFC.
К основным достоинствам SFC относятся:

· высокая выразительность. Язык SFC имеет те же возможности, что и диаграммы состояний, и хорошо подходит для описания динамических моделей;

· графическое представление. Благодаря графической мнемонике SFC максимально прост в использовании и изучении. Вместе с тем он является наглядным средством представления логики на разных уровнях детализации;

· предварительное проектирование ПО. Использование языка SFC на ранних этапах проектирования прикладного ПО позволяет избежать в дальнейшем непонимания между заказчиком, проектировщиком ПО и программистом.

Написание программы на языке SFC может иметь 2 стадии:

· Составление графа, представляющего собой последовательность шагов и переходов.

· Программирование действий внутри шагов или условий на языке ST.

Область применения

Типичными областями применения последовательных систем являются

производства с конвейерной обработкой. Однако последовательные системы управления могут использоваться и при управлении непрерывными производствами, например, для запуска и останова процессов, для изменения уставок, так же как и для изменения состояния в случае каких-либо ошибок.

Системы могут использоваться на всех уровнях производства:

• Уровень индивидуального управления (Открытие вентилей, запуск моторов...)

• Уровень управления группой (Дозирование, нагрев, заполнение...)

• Уровень устройства (Бак, миксер, размельчитель …)

• Уровень предприятия (Синхронизация устройств и общих ресурсов, выбор пути перемещения)

Взаимосвязь SFC и STEP 7

Рисунок 2 показывает взаимосвязь SFC и STEP 7.

Рисунок 2.Взаимосвязь SFC и STEP7.

Элементы схемы

SFC - это последовательная система управления.

Схема состоит из последовательности элементов, причем элементы делятся на основные и структурные.

Основными элементами являются:

• Шаг

• Переход

• Текст

Структурными элементами являются:

• Последовательность

• Параллельное ветвление

• Альтернативное ветвление

• Цикл

Основные элементы шаг и переход имеют название, уникальное внутри схемы. В процессе создания редактор последовательно нумерует их. Однако вы можете ввести собственное название не длиннее 16 символов. На схеме будут изображены первые 10 символов.

Помимо названия, редактор присваивает элементам последовательные номера, уникальные для данного типа основного элемента, и эти номера не могут быть изменены. При необходимости редактор перенумерует элементы для уничтожения промежутков в нумерации.

Комментарий может использоваться по желанию, например, для текстового описания функциональности элемента, и может содержать до 256 символов в нескольких строках. Однако его отображение на схеме ограничено 10 символами справа от элемента схемы.

FBD
2. FBD. Язык функциональных блоков (Function Block Diagrams) позволяет создать программную единицу практически любой сложности на основе стандартных кирпичиков

(арифметические, тригонометрические, логические блоки, PID-регуляторы, блоки, описывающие некоторые законы управления, мультиплексоры и т. д.). Он использует технологию инкапсуляции алгоритмов обработки данных и законов регулирования. Все программирование сводится к “склеиванию” готовых компонентов. В результате получается максимально наглядная и хорошо контролируемая программная единица.

LD
3. LD. Язык релейных диаграмм, или релейной логики (Ladder Diagrams), применяется для описания логических выражений различного уровня сложности и использует в качестве базовых элементов программирования графические элементы “контакты” (contacts) и ”катушки” (coils), связанные с входными и выходными каналами соответственно.

Присутствие в стандарте языка LD определяется скорее всего данью традициям: для релейной техники было разработано огромное количество оборудования и алгоритмов. Сегодня, имея типовой набор цифрового ввода-вывода, можно создавать управляющие системы на отлаженной годами алгоритмической базе.

ST
4. ST. Язык структурированного текста (Structured Text) относится к классу текстовых языков высокого уровня.

Он уходит корнями в такие известные языки программирования, как Aда, Паскаль и Cи. На его основе можно создавать гибкие процедуры обработки данных. Язык структурированного текста является основным для программирования последовательных шагов и транзакций языка SFC. Кроме того, он имеет “выходы” во все остальные языки, что делает его универсальным в применении разными категориями пользователей.

IL
5. IL. В “достандартные” времена (до 1993 г.) практически каждый программируемый контроллер сопровождался своим Ассемблером.

Выросли целые поколения программистов, ориентированных на определенные кланы микропроцессоров. Освоение новой техники сталкивалось с проблемой освоения очередного языка программирования под новый кристалл. Отдельные мнемонические конструкции Ассемблеров были похожи, но о каком-либо стандарте не было речи.
Появление языка инструкций (Instruction List) в наборе стандартных языков — это унификация интерфейса языка программирования низкого уровня, не ориентированного на какую-либо микропроцессорную архитектуру. У языка IL есть очень важное качество: на его основе создаются оптимальные по быстродействию программные единицы.

Выводы

Для каждого проекта, в зависимости от типа контроллера, сложности проекта и требований к эффективности кода производится выбор средств разработки, в частности, языка программирования.Существуют различные языки программирования контроллеров, как графические, так и текстовые.

Графические языки программирования контроллеров (SFC, FBD, LD)
Текстовые языки программирования контроллеров (ST, IL)

Каждый язык по-своему уникален и находит применение в той или иной области.

В качестве стандартных инструментальных средств используются последние версии пакетов Siemens - в частности, STEP7.

Глава 4. Сети Петри

Назначение Сетей Петри

Сети Петри представляют собой графическое и математическое средство моделирования, применимое к системам самых различных типов. Системы могут содержать большое число взаимодействующих элементов, каждый элемент, в свою очередь, также может быть системой с множеством компонентов, которые взаимодействуют друг с другом сложным образом. Примерами подобных систем могут служить экономические системы, юридические, химические, биологические системы, а также системы управления.

Они представляют собой перспективный инструмент описания и исследования мультипрограммных, асинхронных, распределенных, параллельных, недетерминированных и/или стохастических систем обработки информации. В качестве графического средства сети Петри могут использоваться для наглядного представления моделируемой системы, подобно блок-схемам, структурным схемам и сетевым графикам. Вводимое в этих сетях понятие фишек позволяет моделировать динамику функционирования систем и параллельные процессы. В качестве математического средства аналитическое представление сети Петри позволяет составлять уравнения состояния, алгебраические уравнения и другие математические соотношения, описывающие динамику систем. В настоящее время сети Петри применяются в основном в моделировании. Во многих областях исследований явление изучается не непосредственно, а косвенно, через модель. Модель – это представление, как правило, в математических терминах того, что считается наиболее характерным в изучаемом объекте или системе. Манипулируя моделью системы, можно получить новые знания о ней, избегая опасности, дороговизну или неудобства анализа самой реальной системы. Обычно модели имеют математическую основу.

Развитие теории сетей Петри проводилось по двум направлениям. Формальная теория сетей Петри занимается разработкой основных средств, методов и понятий, необходимых для применения сетей Петри. Прикладная теория сетей Петри связана главным образом с применением сетей Петри к моделированию систем, их анализу и получающимся в результате этого глубоким проникновением в моделируемые системы.

Моделирование в сетях Петри осуществляется на событийном уровне. Определяются, какие действия происходят в системе, какие состояние предшествовали этим действиям и какие состояния примет система после выполнения действия. Выполнения событийной модели в сетях Петри описывает поведение системы. Анализ результатов выполнения может сказать о том, в каких состояниях пребывала или не пребывала система, какие состояния в принципе не достижимы. Однако, такой анализ не дает числовых характеристик, определяющих состояние системы. Не смотря на описанные выше достоинства сетей Петри, неудобства применения сетей Петри в качестве языка программирования заключены в процессе их выполнения в вычислительной системе. В сетях Петри нет строго понятия процесса, который можно было бы выполнять на указанном процессоре. Нет также однозначной последовательности исполнения сети Петри, так как исходная теория представляет нам язык для описания параллельных процессов. Сети Петри являются одним из наиболее распространенных современных формализмов для моделирования и анализа параллельных распределенных систем. В настоящее время ведется большое число теоретических и практических исследований для разработки распределенных алгоритмов, основанных на сетях Петри. Вместе с тем специалистами ощущается необходимость развития формализма с целью более адекватного и удобного представления систем со сложной структурой. Ведутся исследования по расширению сетей Петри за счет добавления конструкций, отражающих модульность и иерархичность систем, а также поддерживающих пошаговую разработку путем последовательной детализации.

Определение Сети Петри

Сеть Петри (Рисунок 3) определяется как двудольный ориентированный граф, все вершины графа относятся к одному из двух классов:

P-позиции

T-переходы

Позиции изображаются окружностями, переходы - отрезками прямой. Дуги в сетях Петри - направленные.

Сеть Петри состоит из 4-х элементов:

1. Множество позиций .

2. Множество переходов .

3. Входная функция .

4. Выходная функция .

Определения

P = {P1, P2, P3…., Pn} - Множество позиций.

T = {T1, T2, T3…, Tn} – Множество переходов.

Входная функция «I»: отображение входных позиций для переходов.

Выходная функция «O»: отображение выходных позиций для переходов.

Элементарная сеть Петри изображена на рис. 3.

Рисунок. 3. Элементарная сеть.

Маркировка сетей Петри

Маркировка используется для моделирования динамических свойств системы.

Маркировка M - это присваивание фишек позициям сети. Фишка - это базовое понятие сетей Петри (подобно позициям и переходам). Фишки присваиваются позициям, однако их количество и положение при выполнении сети Петри могут изменяться.

На графе сети Петри фишки обычно изображаются маленькой точкой в кружке-позиции. Приведем пример графического представления маркированной сети Петри:

Рисунок 4..Маркировка сетей Петри.

Маркировка (метка) сети Петри – это функция, отображающая множество позиций в множество неотрицательных целых чисел .

: .

Маркировка может определяться как -вектор: , где и каждое ( ) есть . Вектор определяет для каждой позиции сети Петри количество точек (маркеров, фишек) в этой позиции.

Сеть Петри с маркировкой называется маркированной. Маркированная сеть Петри есть совокупность сети Петри и маркировки : . Маркировка для сети , , , .

Маркировка характеризует динамику изменения состояний системы, причем динамика изменения состояний моделируется движением точек по позициям сети. Маркировка может изменяться в результате запуска переходов. Переход маркированной сети с маркировкой называется разрешенным, если , то есть в каждой входной позиции находится не меньше точек, чем из этой позиции исходит дуг в . Всякий разрешенный переход может запуститься. В результате запуска перехода маркировка сети изменяется на новую: из всякой входной позиции перехода удаляется столько точек, сколько дуг ведет из в , а в каждую выходную позицию помещается столько точек, сколько дуг ведет из в . Последовательность запусков переходов называется выполнением сети.

Пусть позиции и содержат по одной точки. Рассмотрим выполнение такой маркированной сети. В данной маркировке разрешен только переход . При его запуске точка удалится из , а затем в позициях и появится по точке, то есть в результате запуска появится точка еще и в .

Теперь становятся разрешенными переходы и . Поскольку запуститься может любой разрешенный переход, предположим, что запускается переход . После его запуска из позиции и точки удаляться, а в позиции появиться одна точка. В получившейся маркировке не разрешен ни один переход. На этом выполнение сети Петри заканчивается.

Маркировка называется непосредственно достижимой из , если найдется такой переход , разрешенный в , что при его запуске получается маркировка , то есть .

Маркировка называется достижимой из маркировки , если существует последовательность переходов , срабатывание которых переводит сеть из маркировки в маркировку , то есть .

Множество достижимых из маркировок сети Петри называется множеством достижимости и обозначается .

Интерпретация сетей Петри основана на понятиях условия и события. Состояние системы описывается совокупностью условий. Функционирование системы – осуществление последовательности событий. Для возникновения события необходимо выполнение некоторых условий, называемых предусловиями.[4]

Возникновение события может привести к нарушению предусловий и к появлению некоторых новых условий, называемых постусловиями. В сети Петри условия моделируются позициями, события – переходами. Предусловия события представляются входными позициями соответствующего перехода, постусловия – выходными позициями. Возникновение события моделируется запуском перехода. Выполнение условий представляется наличием точек в соответствующих позициях, невыполнение – их отсутствием.

Свойства сетей Петри

Безопасность. Позиция сети Петри с начальной маркировкой является безопасной, если для любой . Другими словами, позиция сети Петри является безопасной, если число точек в ней никогда не превышает 1. Сеть Петри безопасна, если безопасны все позиции сети.

Ограниченность. Расширение свойства безопасности. Безопасность – необязательное требование. Позиция сети Петри с начальной маркировкой -ограничена или -безопасна, если для всех , то есть позиция является -ограниченной, если количество точек в ней не превышает целое число . 1-безопасная позиция – просто безопасная позиция.

Сеть, естественно, может содержать позиции, безопасность которых различна. Однако, если позиция -безопасна, то она и -безопасна для всех . Поэтому сеть Петри -безопасна, если каждая ее позиция -безопасна, где – верхняя граница безопасности ее позиций.

Часто важно знать, является ли число точек в позиции ограниченным или нет, а не конкретное значение границы. Позиция называется ограниченной, если число точек в ней конечно. Сеть Петри ограниченна, если все ее позиции ограничены. Ограниченную сеть можно реализовать аппаратно, сеть с неограниченными позициями в общем случае реализовать аппаратно нельзя.

Сохранение. Маркировка позиций сети Петри может моделировать некоторые объекты или ресурсы. Для таких сетей важным свойством является сохранение. Необходимо, чтобы точки, представляющие ресурсы, при срабатывании переходов не исчезали и не создавались, то есть общее число точек в сети должно оставаться постоянным.

Сеть Петри с начальной маркировкой называется строго сохраняющей, если имеет место

, где – число позиций в сети.

Живучесть . Сеть Петри называют «живой» при заданной начальной маркировке, если:

1. Для любой пары маркировок ( ), принадлежащих множеству , имеет место , то есть существует последовательность переходов , срабатывание которых переводит сеть из маркировки в маркировку .

2. Для любого перехода в множестве существует такая пара маркировок ( ), что , то есть срабатывание перехода переводит сеть из маркировки в маркировку .

Живые и безопасные сети называются правильными сетями.

Активность. При моделировании систем предметом многих исследований являются тупики. Тупик в сети Петри – это переход или множество переходов, которые не могут быть запущены в некоторой маркировке и последующих из маркировках. Переход называется активным, если он не тупиковый (не заблокирован). Это не означает, что он разрешен, скорее он может быть разрешенным.

Существуют связанные с активностью понятия, например, уровни активности. Их можно определить для сети с маркировкой следующим образом:

Уровень0: Переход обладает активностью уровня 0, если он никогда не может быть запущен. Переход, обладающий активностью уровня 0, называется пассивным.

Уровень 1: Переход обладает активностью уровня 1, если он потенциально запустим, то есть если существует такая , что разрешен в .

Уровень 2: Переход обладает активностью уровня 2, если существует последовательность запусков, в которой присутствует по крайней мере раз.

Уровень 3: Переход обладает активностью уровня 3, если существует бесконечная последовательность запусков, в которой присутствует неограниченно часто.

Уровень 4: Переход обладает активностью уровня 4, если он разрешен в любой маркировке .

Сеть Петри обладает активностью уровня , если каждый ее переход обладает активностью уровня не ниже .

Глава 5. Реализация задачи

Исследование работы системы

Для лучшего понимания процесса целесообразно разделить систему на две условные части:

1. Транспортная часть (тележка(15), станки(1), стол очистки(2), накопитель(12)).

2. Складская часть ( робот-штабелёр(7), склад, стол (6), стол(8)).

Ниже приведён алгоритм работы тележки (рисунок 7) и алгоритм работы робота-штабелёра (рисунок 8).

Рисунок 7.Алгоритм работы тележки.

Рисунок 8.Алгоритм работы робота-штабелёра.

Моделирование системы

Для моделирования системы используется графы специального вида «сеть Петри» с вершинами двух типов:

Р-позиция

Т-переход

Позиции изображаются окружностями, переходы - отрезками прямой. Линии соединяющие позиции и переходы - направленные.

В сети Петри условия моделируются позициями, события – переходами. Предусловия события представляются входными позициями соответствующего перехода, постусловия – выходными позициями. Возникновение события моделируется запуском перехода.

Ниже составлены графы операций для каждого агрегата системы (рисунок 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 )

Рисунок 9.Граф операций для тележки.

Рисунок 10.Граф операций для штабелёра.

Рисунок 11. Граф операций для камеры очистки.

Рисунокт12. Граф операций для станка 1.

Рисунок 13 . Граф операций для станка 2.

Рисунок 14 . Граф операций для станка 3.

Рисунок 15 . Граф операций для станка 4.

Рисунок 16 . Граф операций для станка 5.

Рисунок 17 . Граф операций для станка 6.

Выводы

Результатом проведённой работы стала программа, написанная на языке SFC (язык последовательных функциональных схем). Полный текст программы представлен в приложении.

Расписание работ

Накладные расходы

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒