Politechnika Częstochowska, Katedra Inżynierii Komputerowej (1,2) KIMLA, Producent Obrabiarek Numerycznych (3)

Transkrypt

1 Rozproszony system sterowania obrabiarką numeryczną bazujący na sieci Ethernet Czasu Rzeczywistego realizowany w ramach grantu badawczego rozwojowego Metody inteligentnego przetwarzania danych oraz obliczenia równoległe w systemach sterowania przemysłowych obrabiarek numerycznych Andrzej Przybył Jacek Smoląg Przemysław Kimla Politechnika Częstochowska, Katedra Inżynierii Komputerowej (1,2) KIMLA, Producent Obrabiarek Numerycznych (3) Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy rozwojowy.

2 Plan prezentacji Wstęp Obiekt sterowania Podstawowe problemy Istniejące i proponowane rozwiązania Odpowiedzi na pytania 2

3 Wstęp W artykule omówiono architekturę rozproszonego systemu sterowania obrabiarką numeryczną bazującego na opracowanej przez autorów sieci Ethernet Czasu Rzeczywistego (Real Time Ethernet). Zaproponowano innowacyjne rozwiązanie zapewniające maksymalne wykorzystanie pasma przepustowości standardu Fast Ethernet w trybie full duplex, przy zachowaniu rygorów czasu rzeczywistego. W takim rozwiązaniu, zaimplementowanym w układzie FPGA, możliwe jest uzyskanie wysokiej jakość pracy złożonego systemu napędowego przy zachowaniu niskich kosztów produkcji i serwisu maszyny. 3

5 Obiekt sterowania Prowadzone badania dotyczą obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC - Computer Numerical Control), w których istotę sterowania stanowi odpowiednie prowadzenie narzędzia w czasie i przestrzeni. Maszyny takie to np.: Frezarki i plotery przemysłowe, Wypalarki laserowe i plazmowe, Maszyny do cięcia wodą Water Jet, Elementy linii produkcyjnych, Grawerki. 5

6 Obszar zastosowań takich maszyn jest bardzo szeroki. 6

7 Wycinanie i frezowanie w materiałach miękkich Reklama Przemysł obuwniczy Tworzenie form odlewniczych Grawerstwo, kamieniarstwo Przemysł meblarski Szybkie prototypowanie 7

8 Wycinanie i frezowanie w materiałach twardych np. stali Produkcja narzędzi i części do maszyn 8

9 Inne zastosowania Pomiar/skanowanie kształtu 3D 9

10 Inne zastosowania Wycinarki laserowe i plazmowe Linie produkcyjne 10

11 Podstawowe informacje dotyczące sposobu sterowania Obrabiarki CNC sterowane są serwonapędami elektrycznymi w liczbie od kilku do kilkunastu. Jeden lub dwa napędy steruje/ą najczęściej jedną osią maszyny (x,y,z,a,c itp.). Wspólny ruch kilku osi powoduje przemieszczanie się narzędzia w przestrzeni trójwymiarowej. Narzędziem takim może być na przykład wrzeciono z zamocowanym frezem. 11

12 Od projektu do wykonania CAD Model CAD/CAM System NC file G00 G90 G80 G40 G17 T6 M6 S3000 M3 X Y G43 Z5. H6 Z G01 Z F200. Interpolator Trajectory generation with speed profiling Axis commands Axis servo loop Actual tool position 12

13 Struktura systemu sterowania Klasyczny system sterowania maszyny numerycznej składa się z: Interfejsu użytkownika, Interpolatora, Elementów wykonawczych serwonapędów. 13

15 Dlaczego struktura rozproszona? Możliwość łatwej rozbudowy skalowalność W wielu przypadkach niższe koszty okablowania w porównaniu z klasycznym rozwiązaniem zcentralizowanym. Duża moc obliczeniowa wynikająca z sumy mocy poszczególnych jednostek zmniejszonej o narzut na komunikację. Dobre dopasowanie poszczególnych jednostek do wykonywanych zadań (specjalizacja). 15

16 Problemy wynikające z rozproszenia struktury sterowania Konieczność precyzyjnej synchronizacji poszczególnych stacji systemu rozproszonego Wymagane deterministyczne oraz wydajne medium transmisyjne do komunikacji pomiędzy stacjami. 16

18 Struktura klasycznego układu regulacji nadążnej PID serwonapędu Interpolator = generator trajektorii r Napęd - + e P Regulator położenia e V Regulator prędkości e a Regulator momentu Przekształtnik Pomiar momentu Sprzężenie prądowe Pomiar prędkości Pomiar położenia Sprzężenie prędkościowe Sprzężenie położeniowe 18

19 Dodanie sygnałów wyprzedzenia (feedforward) poprawia jakość regulacji Interpolator = generator trajektorii r d dt ṙ Problemem w klasycznym układzie jest konieczność różniczkowania sygnału pozycji zadanej. Napęd - + e P Regulator + + e V Regulator + położenia - prędkości - e a Regulator momentu Przekształtnik Pomiar momentu Sprzężenie prądowe Pomiar prędkości Pomiar położenia Sprzężenie prędkościowe Sprzężenie położeniowe 19

20 Typowy interfejs komunikacyjny pomiędzy interpolatorem i serwonapędem Ze względu na ograniczoną rozdzielczość sygnału zadanego pozycji różniczkowanie go wprowadza znaczne dodatkowe błędy. 20

21 Serwonapęd z modelem wzorcowym Interpolator = generator trajektorii... r r r Najlepszym rozwiązaniem jest generowanie sygnałów referencyjnych bezpośrednio w interpolatorze i dostarczenie ich do serwonapędu. Napęd - + e P Regulator + + e V Regulator + + położenia - prędkości - e a Regulator momentu Przekształtnik Pomiar momentu Sprzężenie prądowe Pomiar prędkości Pomiar położenia Sprzężenie prędkościowe Sprzężenie położeniowe 21

22 Serwonapęd z modelem wzorcowym Interpolator = generator trajektorii... r r r Konieczne jest zapewnienie odpowiednio wydajnego medium transmisyjnego pomiędzy interpolatorem i serwonapędami. Może nim być łącze Ethernet pracujące w czasie rzeczywistym (Real Time Ethernet) Napęd - + e P Regulator + + e V Regulator + + położenia - prędkości - e a Regulator momentu Przekształtnik Pomiar momentu Sprzężenie prądowe Pomiar prędkości Pomiar położenia Sprzężenie prędkościowe Sprzężenie położeniowe 22

23 Proponowane rozwiązanie systemu sterowania CNC Przemysłowy komputer PC z Real Time Operating System lub system DSP Interpolator = generator trajektorii r... torque r r. r Metody soft computing NN/FL - lookahead: interpolacja i generacja profilu prędkości Wydajne medium transmisyjne: Real time Ethernet Friction Kompensacja tarcia Napęd - + e P Regulator + + e V Regulator + + położenia - prędkości - e a Regulator momentu Przekształtnik r Kompensacja przełożenia mechanicznego r Pomiar momentu Sprzężenie prądowe Nieliniowy regulator NN/FL Obserwacja prędkości Serwonapęd zbudowany w oparciu o FPGA Pomiar/ estymacja prędkości Pomiar położenia Sprzężenie prędkościowe Sprzężenie położeniowe 23

24 Istniejące rozwiązania systemów RTE EtherCAT, Ethernet Powerlink, Sercos III, Varan, SynqNet wszystkie oparte o warstwę fizyczną Ethernet (Fast Ethernet) Wiele z istniejących rozwiązań jest bardzo uniwersalnych ale z tego powodu nie oferują najwyższych możliwych osiągów Sterowniki elektroniczne zbudowane o oparciu o dedykowane układy scalone (ASIC) nie są kompatybilne z innymi standardami Sterowniki zbudowane o układy programowalne (FPGA) oferują dużą uniwersalność. Ale np. EtherCAT ze względu na swą uniwersalność zajmuje większość zasobów przykładowego - ekonomicznego układu Spartan 3E1200 firmy Xilinx. Koszty zastosowania wymienionych standardów mogą być zbyt wysokie. 24

25 Korzyści związane z zastosowaniem układów FPGA w układach napędów CNC Sprzętowa obsługa transmisji RTE Zastosowanie wydajnych, programowalnych sprzętowych jednostek obliczeniowych stwarza możliwości realizacji niektórych algorytmów, które dotychczas (ze względu na rygorystyczny reżim czasowy systemu sterowania) mogły być badane jedynie w ramach symulacji. Wśród nich znajdują się między innymi różnego rodzaju metody sztucznej inteligencji, algorytmu kompensacji itp. W proponowanym w niniejszej pracy rozwiązaniu układ FPGA przejmuje zadania realizowane zazwyczaj przez dedykowany mikrokontroler takie jak generacja trzyfazowej fali Space Vector Modulation, obsługa enkodera inkrementalnego i sterowanie przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Zastosowanie procesora typu soft core, tj. wprogramowywalnego w strukturę FPGA, pozwala na realizację klasycznego algorytmu (szeregowego) jako dopełnienie operacji realizowanych sprzętowo. Dzięki temu cały mózg sterownika składa się z tylko jednego układu scalonego (nie jest potrzebny zewnętrzny procesor ani zewnętrzna pamięć RAM). Dzięki wykorzystania zasobów programowalnych pojawiają się nowe możliwości takie jak sprzętowa kompensacja różnego typu współczynników w trakcie pracy czy estymacja prędkości obrotowej. 25

26 Aktualnie stosowane rozwiązania Kompaktowy sterownik z mikrokontrolerem. dostosowany do programowej obsługi Real Time Ethernet. Produkowany i stosowany w firmie Kimla. Strzałką zaznaczono symbolicznie planowane umiejscowienie układu FPGA. 26

27 Topologia liniowa oparta na scalonych trzyportowych powtarzaczach (repeaterach) oraz mikrokontrolerach. Siec działa w trybie half-duplex. 27

28 Sprzętowy analizator sieci czasu rzeczywistego wpięty pomiędzy kolejne serwonapędy. 28

29 Transmisja synchroniczna czasu rzeczywistego zarejestrowana analizatorem sieci w rozproszonym systemie sterowania frezarki trójosiowej. 29

30 Tryb izochroniczny z multipleksowaniem odpowiedzi i mechanizmem time slot Ramka sterująca (od urządzenia Master) synchronizuje wszystkie urządzenia typu Slave Moment nadejścia synchronicznej odpowiedzi zmienia się w zależności od opóźnień wprowadzanych przez oprogramowanie w Slave Odpowiedź musi nadejść przed początkiem kolejnego cyklu ze względu na tryb pracy half-duplex. Wynika stąd stosunkowo niskie wykorzystanie dostępnego w standardzie pasma przepustowości. 30

31 Transmisja czasu rzeczywistego w systemie z trzema urządzeniami Slave - tunelowane komunikaty asynchroniczne. Opóźnienie odpowiedzi wynosi od jednego do (1+n) cykli, (n - to liczba urządzeń Slave w systemie) Dla systemów z wieloma sterownikami typu Slave jest to wada. 31

32 Proponowane rozwiązanie Kolejkowanie ramek nadchodzących z portu RX1 w pamięci FIFO do momentu zwolnienia linii nadawczej TX1 W przypadku zwolnienia linii Tx1 (i upłynięcia wymaganego czasu Inter Frame Gap) ramka buforowana w pamięci FIFO może być transmitowana do portu Tx1 natychmiast tzn. nawet przed odebraniem jej w całości z portu Rx2. 32

33 Przebieg czasowy komunikacji Master-Slaves: istniejącego a) i proponowanego b) rozwiązania Zalety: Brak konieczności stosowania skomplikowanego mechanizmu time slot Możliwośc pracy w trybie fullduplex (urządzenia Slave mogą nadawać jednocześnie względem siebie i niezależnie od urządzenia Master) Brak konieczności multipleksowania urzadzeń Slave i wynikający stąd krótszy i w praktyce niezależny od liczby urządzeń Slave czas odpowiedzi Blisko dziewięćdziesięcioprocentowe wykorzystanie pasma Fast Ethernet Kompatybilność z urządzeniami pracującymi w oparciu o inne standardy RTE. Warunkiem jest odpowiednia kolejność łączeniowa i właściwa obsługa przez oprogramowanie urządzenia Master. 33

34 Schemat blokowy złożonej topologii sieci Wyposażenie urządzeń Slave w dodatkowy portu komunikacyjny P4 pozwala na budowę złożonej topologii sieci W tym przypadku port P4 zbudowany jest podobnie jak port P2 w oparciu o kolejkę FIFO 34

35 Projektowany w ramach projektu badawczego moduł sterownika serwonapędu oparty o układ FPGA Spartan 3A DSP 1800/3400 firmy Xilinx 35

36 Moduł jest dostosowany do bezpośredniej współpracy z różnorodnym sprzętem energoelektronicznym (pracuje jako nakładka na płytę energoelektroniczną). Wymiary to jedynie 78x35mm, dzięki którym może być zachowana kompaktowa budowa. Zastosowany FPGA zawiera 1.8mln/3 mln ekwiwalentnych bramek logicznych. Pozwala to na realizację wydajnej sprzętowej obsługi Real Time Ethernet, sprzętowe wspomaganie algorytmów oraz na zawarcie nawet kilku (!) 32- bitowych procesorów typu soft core z jednostką zmiennoprzecinkową. 36

37 Dziękuję Proszę o pytania 37