Роботы и автоматизация производства

Управление с обратной связью

admin — Thu, 04 Mar 2010 08:27:12 +0000

Высший уровень автоматизации производства с помощью ЭВМ в реальном масштабе времени соответствует управлению с обратной связью . Следует обратить внимание на то, что на этом рисунке сидящий оператор не принимает участия в управлении замкнутым технологическим процессом. Все коррекции технологических параметров в этом случае выполняются с помощью обратной связи. Оператор может оставаться на своем месте для устранения нештатных и непредвиденных ситуаций, поскольку полная автоматизация технологического процесса с учетом исключения влияния любых помех, которые могут возникать в процессе работы, достигается лишь в редких случаях. '
Для каждой функции управления технологическим процессом от ЭВМ могут быть применены аналогии действий оператора. Функция контроля технологического процесса может быть сравнима с действиями специалиста или научного сотрудника, который занимается сбором данных. Функция контроля в реальном времени с диалоговой поддержкой аналогична роли консультанта из числа вспомогательного персонала. Такой консультант может давать советы и выдавать рекомендации обслуживающему персоналу, не располагая, однако, правом непосредственного вмешательства в производственный процесс. Функцию замкнутого управления можно сравнить с действиями оператора, выполняющего ряд последовательных операций. Обслуживающий персонал, как и управляющая ЭВМ, вносит коррекции в управляемый технологический процесс. Теперь подробнее рассмотрим характеристики технических средств ЭВМ, предназначенных для управления технологическим процессом.

Аналоговые входы и выходы

admin — Sat, 27 Feb 2010 08:29:50 +0000

Если необходим ввод в ЭВМ текущих значений аналоговых технологических параметров, таких как температура и давление, то возникает необходимость соответствующего преобразования аналоговых величин в дискретные, поскольку ЭВМ может воспринимать лишь цифровую информацию. Перед вводом во всех случаях следует произвести преобразование аналоговых сигналов в дискретные, так как ЭВМ представляет собой цифровое устройство. При выводе информации для управления технологическим процессом во всех случаях используются ступенчатые функции или дискретные данные, поскольку ЭВМ не может изменять выходной параметр в аналоговом виде. Необходимость аппроксимации при преобразовании данных вследствие использования цифровой ЭВМ является основой, метода аналого-цифрового преобразования и наоборот. Термин аналог используется в управлении технрлогическими процессами, так как физические непрерывные переменные параметры должны быть преобразованы в некоторый электрический аналоговый сигнал (обычно напряжение или ток), до того как они смогут быть интерпретированы и преобразованы с приближением в цифровую форму для ввода в ЭВМ, управляющую технологическим процессом.
Поскольку аналого-цифровое преобразование связано с аппроксимацией, следует установить, с какой точностью это преобразование должно осуществляться. Выбор точности должен быть обоснован, поскольку чем выше точность, тем большее количество двоичных цифр требуется для представления аналоговой величины. Непрерывная аналоговая входная переменная может быть представлена и одной двоичной цифрой. В этом случае эта переменная соответствует дискретной входной переменной, например, «температура выше уставки или ниже уставки», аналогично цифровым входам-выходам, рассмотренным выше. Двоичное приближение к аналоговому значению позволяет произвести выбор одного из четырех уровней дискретных значений, наиболее близкого, по значению к фактическому аналоговому.
Как аналого-цифровое, так и цифроаналоговое преобразование должны выполняться на периодической основе. Для выполнения преобразования требуется ограниченное количество времени. В промежутках между циклами преобразования управляющая ЭВМ выполняет другие функции. При этом следует определить значение переменной, которое должно быть выбрано между циклами преобразования. Очевидный алгоритм предполагает сохранять значение переменной на предварительно вычисленном уровне до завершения следующего цикла преобразования. Однако другим алгоритмом принимается во внимание скорость изменения переменного параметра, особенно в случае, когда скорость изменения велика.
Рассматривая указанную проблему дальше, следует отметить, что аналоговые входные и выходные сигналы не имеют для роботов и автоматизированного производственного оборудования столь большого значения, как цифровые входные и выходные сигналы. Автоматическая коррекция технологических параметров формируется именно на основе анализа сочетания состояний цифровых логических сигналов, характеризующих технологический процесс, а не по уровню изменения аналоговых переменных. Управление промышленным оборудованием производится, как правило, с помощью дискретных логических функциональных выходных сигналов, а не ответных аналоговых сигналов. Действительно, заводы с непрерывными технологическими процессами, как, например, химические, нефтеочистительные и цементные, электростанции имеют множество критических аналоговых технологических параметров, которые подлежат тщательному контролю. Однако в робототехнике и автоматизированном производстве изделия, технологические процессы, а также параметры процесса управления в большинстве случаев являются дискретными.

Приоритеты

admin — Mon, 08 Feb 2010 08:31:30 +0000

ЭВМ, функционирующая в реальном времени совместно с программным обеспечением, рассчитана на формирование управляющих сигналов, поступающих на управляемое производственное оборудование, в зависимости от информации от датчиков этого оборудования. Следовательно, ЭВМ может находиться как в рабочем состоянии, так и в состоянии ожидания в зависимости от процесса. В зависимости от значений технологических параметров с отклонением от нормы могут создаться аварийные условия, в то время как ЭВМ решает первые по очередности задачи.
Несмотря на высокое быстродействие ЭВМ может сложиться ситуация, при которой становится затруднительным проанализировать большое количество условий. Отклонение каждого условия от нормы обусловливает прерывание и выдает ЭВМ запрос на реализацию соответствующей функции. Типовой пример может предусматривать потенциальную возможность прерывания работы ЭВМ в любой момент по одному из 50 условий или по всем условиям одновременно, если к этому добавить периодическое таймерное прерывание для опроса других 200 условий работы в интервалы длительностью, например, 5 с. Хотя время, необходимое для обслуживания любого из прерываний, может измеряться в миллисекундах, наличие большого количества условий с отклонением от нормы может обусловить неспособность ЭВМ завершить обслуживание всех прерываний. Эта особенность работы ЭВМ в реальном времени привела к необходимости разработки сложных алгоритмов программного обеспечения, в функции которого входит назначение приоритетов для различного рода прерываний работы.
Подробный анализ приоритетов прерываний дает специалисту по автоматизации очень детальную информацию об управляемом процессе. На основе полученной информации в ряде случаев могут быть улучшены характеристики производственного оборудования. Это является одним из дополнительных преимущеста автоматизации производства. Предположим, например, что управляющая ЭВМ контролирует количество деталей в позициях загрузки на роботизированной сборочной станции. Если количество различных позиций загрузки велико, а размеры буферного накопителя для каждой позиции малы, то может иметь место перегрузка ЭВМ, контролирующей количество деталей и обслуживающей указанные позиции. Улучшение конструктивных характеристик трацспортно-загрузочной системы может быть достигнуто за счет увеличения размеров буферных накопителей.
Как только прерываниям ЭВМ будут присвоены соответствующие приоритетные уровни, ЭВМ сможет игнорировать прерывания с низким приоритетным уровнем во время обслуживания прерываний с более высоким приоритетом. Для описания запрета действия прерываний с низким приоритетом используется термин маскирование прерываний. Система, которая распознает различные уровни приоритетов прерывания, называется многоуровневой системой прерывания.
Назначение соответствующих приоритетных уровней встречается более часто, чем считают некоторые специалисты. Например, рассмотрим следующий список условий прерываний:
1. Низкий уровень давления рабочей жидкости в гидроприводе рабочего органа робота.
2. Пустой загрузочный бункер.
3. Задержка деталей в спускном желобе.
4. Сообщение, передаваемое на экран дисплея.
5. Оператор включает переключатель на пульте управления.
Какое из приведенных выше условий обладает наивысшим приоритетом? Наинизшим приоритетом? Большинство, вероятно, будет считать, что условие 1 по срочности обладает высшим приоритетом, а условие 5 — низшим приоритетом. Действительно, в результате более внимательного анализа границ каждого условия высший приоритет был бы присвоен условию 5, а условию 1 — низший приоритет. При создании критической ситуации оператору может быть дано указание принять на себя ручное управление производственным оборудованием. Представим себе промышленный робот, который не реагирует на команду, выданную оператором, вследствие перегруженности решением множества задач управления и контроля производственного процесса, которые предназначены для реализации в автоматизированном режиме. К сожалению, некоторые специалисты могут предлагать такое же распределение приоритетов.
Если вернуться к списку условий прерывания, условием прерывания с низким приоритетом может оказаться 4. При возникновении такой аварийной ситуации ЭВМ будет настолько перегружена, что не сможет обеспечить вывод на печать сообщений. Тогда какой смысл в определении неисправностей, когда у ЭВМ отсутствует время для вывода соответствующих сообщений на печать? Существует реальная возможность разработки диагностической программы для контроля серьезных аварийных ситуаций, возникающих в производственном процессе, с помощью ЭВМ. Однако при этом у ЭВМ может не хватить времени для устранения создавшейся аварийной ситуации. Разве нельзя здесь провести аналогию с поведением некоторых людей в кризисных ситуациях? По мере накопления опыта в назначении приоритетов при программировании промышленных роботов и управляющих ЭВМ можно получить более' полные данные о поведении людей.

ЭВМ для управления производственными процессами

admin — Wed, 20 Jan 2010 08:32:22 +0000

ЭВМ для управления производственными процессами в реальном времени сходны с обычными ЭВМ, предназначенными для работы в режиме пакетной обработки с расширенными возможностями. Основными из этих возможностей являются считывание входной информации и «запись» или передача выходной информации, а также ответ на внешние прерывания. Автоматизация технологического процесса с помощью ЭВМ может вестись на нескольких уровнях — от обработки данных не в реальном времени до управления оборудованием с обратной связью.
ЭВМ для, управления производственным процессом в реальном времени может принимать технологическую информацию в двух видах: цифровом и аналоговом. То же самое касается информации, передаваемой с выходов ЭВМ в производственное оборудование. Поскольку ЭВМ представляет собой цифровую машину, то вся аналоговая информация подлежит преобразованию (кодированию) с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код. Любое представление аналоговых данных является приближенным. При этом точность преобразования определяется диапазоном представления аналогового параметра и числом двоичных разрядов при цифровом представлении. Преобразование цифровых данных в аналоговый вид называется декодированием.. Несмотря на широкое распространение аналоговой информации, особенно при непрерывных технологических процессах в робототехнике и производственном автоматизированном оборудовании, более существенную роль продолжают играть цифровые входы и выходы.
Опрос датчиков и формирование выходных сигналов на приводы производственного оборудования, а также таймерные прерывания являются существенными функциями программного обеспечения ЭВМ, функционирующей в реальном времени. В кризисной ситуации ЭВМ легко может оказаться перегруженной прерываниями и не сможет выполнять более важные функции. При этом становится необходимым назначение приоритетов различным прерываниям и запрещение или маскирование прерываний с более низкими приоритетами во время обслуживания прерываний с более высокими приоритетами. Анализ и назначение приоритетов прерываний являются важными функциями и в ряде случаев требуют тщательно продуманных решений. Специалист, занимающийся автоматизацией производственного оборудования, должен обладать соответствующими опытом и квалификацией.
На практике программирование ЭВМ в реальном времени сходно с программированием пакетной обработки данных с использованием дополнительных команд прерываний, а также передачи и приема данных через входы-выходы. Требования, предъявляемые к ЭВМ, функционирующим в реальном времени, в части быстродействия и высокой производительности обусловливают в ряде случаев предпочтение использования языков ассемблера, хотя с такими ЭВМ применяются языки как ассемблера, так и компилятора. Специалист по автоматизации, познакомившись с рассмотренными базовыми концепциями и с основами применения ЭВМ, обеспечивающими управление в реальном времени, должен быть подготовлен к изучению специальных языков программирования, предназначенных для пользователей систем управления производственным оборудованием — роботами и автоматизированными производственными установками.

Преимущества микропроцессоров

admin — Sun, 10 Jan 2010 08:33:29 +0000

Каковы наиболее характерные особенности микропроцессоров? Ответ на этот вопрос удивительно прост: микропроцессоры обладают характеристиками, сходными с предшествовавшими им вычислительными системами при меньшей стоимости. Чтобы проанализировать экономическую сторону указанной проблемы, сравним микропроцессоры с другой типичной и широко используемой в производстве машиной — вильчатым автопогрузчиком. В 1960 г. стоимость вильчатого автопогрузчика составляла 10 тыс. долл., а стоимость ЭВМ с памятью 64 К слов — около 1 млн. долл., не считая периферийного оборудования. В середине 80-х гг. стоимость вильчатого автопогрузчика, аналогичного по характеристикам автопогрузчику выпуска 1960 г., составляла около 18 тыс. долл., в то время как стоимость микропроцессорной интегральной схемы вместе с памятью 64 К слов не превышала 75 долл. Стоимость вильчатого автопогрузчика возросла. Однако, если бы его стоимость снижалась такими же темпами, как и стоимость ЭВМ с памятью 64 К слов, то в середине 80-х гг. стоимость автопогрузчика упала бы до 75 центов. Представьте теперь, что появилась возможность приобретения нового мощного вильчатого автопогрузчика стоимостью 18 тыс. долл. за 75 центов! Однако это только то, что произошло за последние два-три десятилетия с технологией производства вычислительной техники лишь в части стоимости. В то же время аналогичные снижению стоимости изменения произошли в части уменьшения энергопотребления и повышения быстродействия.
Рассмотрим пример с тяжелыми реактивными самолетами. В 1960 г. тяжелый четырехдвигательный реактивный самолет, рассчитанный на 200 пассажиров (Боинг 707) стоил приблизительно 6 млн. долл., т. е. в 6 раз больше ЭВМ с памятью 64 К слов.
Если бы технология создания реактивных самолетов в последние два-три десятилетия совершенствовалась такими же темпами, как и технология производства вычислительной техники, то каждый из нас оказался бы владельцем персонального реактивного самолета, такого же большого, как самолет № 1 ВВС президента США. Это объясняется тем, что стоимость таких самолетов оказалась бы значительно ниже, чем стоимость личных автомобилей, т. е. примерно на уровне 450 долл. Кроме того, экономия энергозатрат (стоимость топлива) оказалась бы столь велика, что тяжелым реактивным самолетам требовалось бы в расчете на милю меньше топлива, чем на такое же расстояние личному автомобилю. Подобное развитие технологии, авиастроения привело бы к необходимости полного пересмотра транспортных авиалиний, а в нашем обществе произошли бы невероятные изменения. Подобная ситуация сложилась с использованием микропроцессоров, внедрение которых находится лишь на начальном этапе. Результаты сравнения микропроцессоров с самолетами не являются преувеличением, поскольку существуют основания полагать, что последние достижения микропроцессорной технологии в конечном итоге окажут более глубокий эффект на наше общество в целом, и в особенности на промышленные предприятия, чем аналогичные достижения в технологии авиастроения. Основанием для подобного заявления служит уровень универсальности самих микропроцессоров и возможности их широкого применения в робототехнике и автоматизированном производстве.

Совершенствование технологии производства ИС

admin — Mon, 30 Nov 2009 08:39:39 +0000

Совершенствование технологии производства ИС позволяет существенно сократить их размеры. Ожидается, что совершенствование этого процесса будет продолжаться. В середине 80-х гг. в производстве были освоены большие интегральные схемы (БИС). На кристаллах БИС стали выполняться микропроцессоры. Хотя БИС и отличаются большей компактностью по сравнению с ИС, выпускавшимися ранее, — малой степени интеграции и средней степени интеграции, — кристаллы БИС не являются пределом в технологии производства ИС. Уже созданы еще более компактные схемы — сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и интегральные схемы со степенью интеграции выше сверхвысокой* (XLSI). Очевидной целью миниатюризации схем является повышение их компактности, с тем чтобы их можно было встраивать в малогабаритные устройства, такие как часы, калькуляторы и некоторые роботы. Однако компактность в действительности не является первоочередной целью. По мере уменьшения габаритных размеров ИС увеличивается их быстродействие и снижается потребление электроэнергии, при этом снижается и их стоимость.

Технические требования к микропроцессору

admin — Mon, 23 Nov 2009 08:52:07 +0000

Технические требования к микропроцессору, предназначенному для использования в производстве, включают условие возможности изменения содержимого ПЗУ в некоторых пределах. Например, может оказаться желательной возможность программирования микропроцессора не у производителя, а у пользователя. При этом возникает противоречие между поставленным требованием и невозможностью программирования ПЗУ. Указанному требованию перепрограммирования ПЗУ пользователями микропроцессора удовлетворяет память типа ППЗУ — программируемое постоянное запоминающее устройство. Противоречие здесь возникает лишь однажды, поскольку после программирования ППЗУ пользователем последнее становится постоянным.
Однако при использовании в промышленности в некоторых случаях возникает противоречие, заключающееся в том, что при совершенствовании или коррекции технологического процесса, управляемого с помощью микропроцессора, требуется внесение изменений в программное обеспечение, хранящееся в ППЗУ. В соответствии с этим требованием производства было разработано стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство — СППЗУ. Цена СППЗУ несколько превышает цену ППЗУ. Однако СППЗУ играют чрезвычайно большую роль при автоматизации производства, позволяя производить отладку программ на языке ассемблера для автоматизированных установок и роботов при очень низких затратах на технические средства. Процедура перепрограммирования кристалла СППЗУ предусматривает снятие ИС с печатной платы и экспонирование кристалла под ультрафиолетовыми лучами высокой интенсивности в течение нескольких минут. При переналадке эксплуатируемого автоматизированного оборудования затраты на перепрограммирование СППЗУ являются значительными. Однако такие затраты включаются в стоимость переналадки, а длительность автоматизированного технологического цикла достаточно велика, чтобы оправдать затраты на такую переналадку. Таким образом, СППЗУ применяется в управлении роботами и автоматизированными установками при длительных циклах работы без переналадки. При переналадке в таком случае не требуется замены технических средств, необходимой при жесткой автоматизации.
Существует еще один тип запоминающего устройства, применяемого в микропроцессоре, — электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭППЗУ). ЭППЗУ, отличаясь от СППЗУ значительно большей стоимостью, обладает преимуществом, которое заключается в возможности перепрограммирования кристалла, находящегося на печатной плате. Перепрограммирование ЭППЗУ осуществляется почти столь же просто, как и ЗУПВ. Если ЭППЗУ является стираемым, как и ЗУПВ, то возникает вопрос: почему в таком случае просто не использовать ЗУПВ? Ответ состоит в том, что ЭППЗУ может быть энергонезависимым, т. е. данные, хранящиеся в этой памяти, не могут быть стерты автоматически при отключении напряжения, подаваемого на кристалл ИС. К сожалению, ЗУПВ обычно энергозави-симо и, как правило, применяется для хранения данных промежуточных расчетов, а также технологических данных, потеря которых допускается при снятии напряжения питания. Энергонезависимость микропроцессорной памяти является очень большим преимуществом, особенно для хранения управляющих программ или программ постоянных циклов для роботов и автоматизированного оборудования.

Контроль качества в производстве ИС

admin — Thu, 12 Nov 2009 08:39:50 +0000

Контроль качества в производстве ИС играет решающую роль. При производстве первых ИС на кремниевых пластинах удавалось получить один годный кристалл на 20 бракованных. Такой низкий уровень качества считался приемлемым, поскольку осуществлялся контроль каждого кристалла. Совершенствование технологического процесса постепенно увеличило производительность при изготовлении пластин в единицах годных кристаллов. Это привело к существенному снижению стоимости ИС и соответственно изделий, выполненных на основе ИС. Повышение производительности с 5 до 50 % приводит к снижению стоимости ИС на 90 %, т. е. в 10 раз. Неудивительно, что электронные калькуляторы, часы и микроЭВМ существенно подешевели в 80-е гг.

Шестнадцатеричная система счисления

admin — Tue, 10 Nov 2009 08:53:07 +0000

Использование шестиадцатеричной системы счисления представляет известные трудности для программиста, обеспечивающего программирование микропроцессора. Однако эта система счисления является не столь сложной, как это может показаться на первый взгляд. Удобство применения этой системы счисления связано с выполнением равенства 24 = 16, которое означает, что любое четырехразрядное двоичное число может быть представлено одноразрядным шестнадцатеричным числом. В этом случае широко применяемые в микропроцессорах слова объемом восьми двоичных разрядов (один байт) могут быть представлены двумя шестнадцатерич-ными разрядами. В некоторых моделях микропроцессоров все шире начинают применяться двоичные 16-разрядные (двухбайтные) слова, которые достаточно просто представляются в шестнад-цатеричном коде, т. е. 16-разрядное слово может быть представлено четырьмя шестнадцатеричными разрядами.
В структуре 16-разрядного числа для представления первых десяти знаков используются обычные десятичные цифры (от 0 до 9). В остальной части структуры используются шесть дополнительных символов в виде первых шести букв латинского алфавита (с А по F). Таким образом, шестнадцатеричная система счисления, которая представляется начинающему программисту столь сложной, на самом деле является простой. В табл. 14.1 приведены шестнадцатеричные символы с эквивалентами в десятичной и двоичной системах счисления.

Структура микропроцессора

admin — Sun, 01 Nov 2009 08:51:17 +0000

Хотя существуют различия между ЭВМ и микропроцессором, в состав последнего должны входить функциональные элементы центрального процессора ЭВМ, ограниченная память, а также средства обмена цифровой информацией между компонентами микропроцессора, между микропроцессором и внешними устройствами (однако не обязательно периферийными устройствами, как это имеет место в микроЭВМ). Рассмотрим структуры компонентов, из, которых состоит микропроцессор. Остановимся на особенностях, которые ставят микропроцессор для инженеров по робототехнике и автоматизации производства в ряд важнейших устройств.