CC BY
64
УДК 621.8:51.74
Зекен А.Ц., Ашуров А.Е., Ергалиев Д.С.
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ MEXBIOS DEVELOPMENT STUDIO ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ
В статье рассматривается программная среда MexBIOS Development Studio, функциональные возможности и приумущества ее использования для моделирования мехатронных и робототехнических систем. В качестве демонстрации функциональных возможностей и работы данной среды, в ней разработан базовый проект системы управления электроприводом на базе сборки MaxonMotor 399505 в комплекте МСВ-04. Выбор именно этой сборки вызван тем, что в дальнейшем планируется ее использование в составе модели и демонстрации работы манипулятора в программной среде MexBIOS Development Studio. Результаты анализа показывают, что MexBIOS Development Studio является отличным решением для создания и моделирования мехатронных систем Ключевые слова:
MexBIOS Development Studio, мехатронная система, робототехническая система, моделирование, манипулятор
Введение
Мехатроника и робототехника сегодня становятся одними из наиболее востребованных и перспективных направлений как в научно-производственной сфере, так и в сфере образования. При этом острие исследований направлено на создание интеллектуальных роботов [1].
Большую роль в техническом перевооружении предприятий играют промышленные роботы, на базе которых можно формировать быстропереналаживае-мые комплексы, предназначенные в свою очередь для встраивания в гибкие автоматизированные участки и линии. Расширенное применение промышленных роботов в составе сложных роботизированных систем оправдано технически, экономически и социально [2].
Одним из основных элементов автоматизации промышленных предприятий является использование роботизированных комплексов, состоящих из механических манипуляторов и систем управления ими. Применение промышленных роботов-манипуляторов позволяет исключить влияние человеческого фактора на производстве, повысить точность выполнения технологических операций, в определенной степени уменьшить воздействие вредных факторов на персонал, сократить площадь производственных помещений и обеспечить бесперебойную работу производства [3].
Обязательным компонентом любой современной мехатронной системы является микрокомпьютер, реализующий алгоритмы управления системы программным способом. Наиболее часто такие микрокомпьютеры представляют собой один или несколько микропроцессорных контроллеров. [4]
Для обеспечения программной, а также информационной поддержки мехатронных систем, работа которых основана на микропроцессорных контроллерах, зачастую требуется выполнить множество дополнительных расчетов. Поэтому для ускорения процесса создания программного обеспечения, а также моделирования работы робототехнических систем применяется метод визуального моделирования с использованием различных программных сред, одна из которых и является MexBIOS Development Studio. В данной работе рассмотрим возможности этого программного обеспечения в проектировании «интеллектуальной начинки» мехатронных систем.
MexBIOS Development Studio
На сегодняшний день на рынке существует множество инструментальных средств для автоматизированного моделирования технических, в частности мехатронных, систем. Некоторые из них хорошо известны и популярны у большинства пользователей, другие появились совсем недавно.
Часть пакетов являются универсальными и могут использоваться для моделирования любых технических, и не только технических, систем. Другие имеют узкую специализацию в какой-либо предметной области.
Возможности многих пакетов в значительной степени перекрываются, и подходы к решению одних и тех же задач у них примерно одинаковы.
Поскольку освоение даже одного серьезного пакета связано с существенными затратами времени, сил и денег, правильный выбор инструмента в значительной степени определит успешность исследований [5].
Технологическое состояние рынка показывает, что до сих пор не разработана универсальная программная платформа (операционная система, стандартные приложения и сервисы). Каждый раз разработчики вынуждены создавать программное обеспечение системы управления с нуля «изобретая велосипед». Это занимает от 3 до 6 месяцев и требует наличия высокооплачиваемой команды программистов. Решением проблемы является использование MexBIOS Development Studio - специализированной операционной среды для управления электродвигателями и робототехническими комплексами. Использование MexBIOS требует только загрузку программы в микроконтроллер, и сконфигурировать под свою задачу.
MexBIOS Development Studio - визуальная среда разработки и моделирования встроенного программного обеспечения систем управления различных технологических систем на базе программируемых логических микроконтроллеров. Используемая визуальная среда разработана компанией ООО «НПФ Мехатроника-ПРО».
Визуальная среда MexBIOS Development Studio предоставляет пользователю следующие возможности:
создавать собственные программы управления электродвигателями, технологическими системами, программно-логическими контроллерами;
выполнять моделирование работы программы и электромеханических объектов и систем;
производить отладку программы загруженной в микроконтроллер [6].
На рисунке-1 представлен интерфейс программы MexBIOS Development Studio.
Функциональные возможности системы MexBIOS Development Studio
Система MexBIOS является программной платформой для создания программного обеспечения микроконтроллеров. Поддерживаются следующие способы разработки программного обеспечения [6]:
процедурное программирование (написание процедур и функций на языке С);
программирование функциональными блок-диаграммами;
программирование блок схемами (прорисовывание алгоритмов с учетом ветвлений и последовательностью исполнения формул, в роли которых выступают цепочки функциональных блок-диаграмм); автоматное программирование; событийное программирование;
Программирование функциональными блок-диаграммами является способом графического программирования. При программировании используются наборы библиотечных блоков (в том числе и самостоятельно разработанных пользователем). Блоком является подпрограмма, созданная на базе процедурного программирования. Каждый блок имеет входы и выходы для данных. Пользователь выбирает необходимые блоки и соединяет входы и выходы блоков в соответствии с решаемой задачей.
Программирование блок-схемами является способом графического программирования. При данном подходе пользователь конструирует граф-схему алгоритма, в которой отдельные шаги изображаются в виде блоков различной формы, соединенных между собой линиями, указывающими исполнение последовательности.
У - ^ ц - с-
Рисунок 1 - Интерфейс программы MexBIOS Development Studio
Автоматное программирование в среде MexBIOS является способом графического программирования и осуществляется путем задания основных состояний управляемой системы, действий, характерных для каждого состояния, условий смены состояний.
Событийное программирование осуществляется путем формирования событий, которые запускают последовательности действий, формализованные любым из предыдущих способов. В качестве событий, возможно использовать как события, возникающие на аппаратном уровне, так и при изменении значений в памяти данных.
Принцип действия системы MexBIOS заключается в следующем.
В микроконтроллере пользователем периодически вызывается ядро системы. Ядро системы вместе с библиотекой программных блоков должно быть предварительно загружено в память микроконтроллера. Ядро выполняет запуск программных блоков в соответствии с информацией (байт-кодом), предоставленной пользователем. Программные блоки компилируются стандартными средствами компиляции и загружаются пользователем перед запуском ядра. Байт-код формируется пользователем путем графического программирования, в котором указываются события и условия запуска алгоритмов, алгоритмы в виде блок схем, функциональные блок-диаграммы, а также порядок их исполнения и адреса считывания/записи данных программных блоков. В результате исполнения программных блоков в соответствии с пользовательскими алгоритмами, происходит изменения данных в памяти микроконтроллера в функции от поступающих данных и возникающих событиях [7].
Преимущества MexBIOSDevelopmentStudio: визуальное программирование в сочетании с классическими текстовыми процедурами;
механизм имитационного моделирования работы программного обеспечения и объектов управления; не требуется компиляция проекта; предустановленный контент для управления электродвигателями;
легко интегрируется в готовые проекты пользователя;
прогнозируемая загрузка процессора; совместим с пакетом control SUITE от TI; интегрированные элементы виртуального пульта; изменение алгоритмов «на лету»; технология удаленного доступа к проекту пользователя и его сопровождения;
поддержка многопроцессорности (на стадии разработки);
конвертор блоков из Matlab/Simulink;
Также хотелось бы отметить, что данная программа, как и библиотеки с микроконтроллерами, находятся в свободном доступе, что позволяет использовать данную программу как базу для создания программного обеспечения и моделирования ме-хатронных систем учебного и коммерческого назначения.
Система управления электрическим приводом Бошльшинство современных мехатронныхи роботизированных систем, в частности манипуляторы для перемещения звеньев, используют в своем составе электроприводы. Одним из преимуществ среды MexBIOS Development Studio является возможность создания собственных программ управления электроприводами. Так как в дальнейшем в качестве выбранной мехатронной системы планируется моделирование работы манипулятора, то необходимо создать проект для управления электроприводами. В качестве электропривода выбран привод производства Maxon Motors сборки 399505.
В состав сборки привода постоянного тока MaxonMotor 399505 входят [8]:
Двигатель постоянноготока - REmax 24 PartNumber (PN);
Планетарный редуктор - GP 22 CPN 143979;
Квадратурный энкодер - MRtypeMLPN 201940
Соединение данных компонентов представляет собой сборку 399505, готовую для подключению к компл е ктуМСВ-0 4 [9] ■
Для разработки системы управления двигателем создадим проект управления электропривода в среде MeoBIOS Development Studio. На рисунке-2 представлен базовый проект данной системы.
После настройки соответствующие: блоков подключимся к комплекту и загрузим полученный проект в ОЗУ. После начала обновления, нажатие кнопки BUTTON вызовет зажигание зеленого свето-диода РИМ на плате управления, однако вал сборки останется неподвижным, так как задание скважности в блоке TRACKBAR равно нулю. Регулируя ползунок в данном блоке, визуально убедимся что двигатель осуществляет реверсирование и изменяет скорость вращения [10].
h I«] ; TMUMf ЯП« [t] »• * Пучм ■ ^ «¡www * ы
Рисунок 2
Базовый проект в среде MexBIOS Development Studio
В таблице-1 приведены используемые блоки для разработки проекта системы управления электропривода.
_Таблица-1
Тип блока Параметры Назначение
EVENT Источник: 2:Аппаратное Вектор: 26:TINT0 Период: 0.0002 Режим Моделирования: Непрерывный Настройка прерывания вызывающего основную программу с частотой 5кГц
FORMULA Имя: Driver Формула, содержащая в себе блоки датчиков
Имя: PWM Формула, содержащая блоки, формирующие задание скважности ключей инвертора
TRACKBAR Минимум: -0.9 Максимум: 0.9 Шаг: 0.1 Точность: 2 Формат: 31: float Value: 0.0 Задание скважности ключей
BUTTON Группа: 1 Значение «Отпущено»: 1 Значение «Нажато»: 0 Формат: 0: Integer Value: 1 Кнопка разрешение ШИМа с самошунтированием
GPIO Type: 1: Output Pin: 31: GPIO31 Вывод разрешения ШИМа
fINV Инверсия задания
PWM6 Id: EPWM1-3/GPIO0-5 Frequency: 5000 Блок управления ключами инвертора
Заключение
В данной работе мы рассмотрели основные инструменты управления работой роботизированными системами, ознакомились с программной средой MexBIOS Development Studio. Кроме того, нами продемонстрировано создание проекта для управления электроприводом, который будет использоваться в дальнейшем при создании модели манипулятора. По результатам проведенного анализа, можно утверждать, что программная среда MexBIOS удобна для создания программного обеспечения для микроконтроллеров. Ее функциональные возможности позволяют сразу прошить созданную программу
в микроконтроллер, визуально представить собранную систему и протестировать ее, в данной среде имеются набор датчиков и сенсоров, что позволяет сделать полноценный анализ работы системы. Все это делает MexBIOS Development Studio одной из лучших сред разработки и проектирования технологических систем.
Далее планируется детально рассмотреть и создать модель манипулятора в данной программной среде и смоделировать ее работу, а также написать программное обеспечение для микроконтроллера выбранного манипулятора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карпов В.Э. Мобильные минироботы. Ч.1 Знакомство с автоматикой и электроникой/ Политехн. музей. - М., Москва, 2009. - 48 с.
2. Михеев В.А., Савин Д.В. Автоматизированное проектирование и управление технологическими процессами. - Самар. гос. аэрокосм, ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). - Электрон, текстовые и граф. дан. - Самара, 2011.
3. Моисеев Ю.И. Применение промышленных роботов для загрузки металообрабатывающего оборудования: учеб. пособие/ Ю.И. Моисеев. - Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2013. - 170 с.
4. Грабченко А.И. Введение в мехатронику: уч. пособие/А.И. Грабченко, В.Б. Клепиков, В.Л. Добро-скок и др. - Х.: НТУ «ХПИ», 2014. - 264 с.
5. Воронин А.В. Моделирование мехатронных систем: уч. пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 127 с.
6. НПФ «Мехатроника-Про», Начало работы - руководство для новых пользователей MexBIOSDevelopmentStudio.
7. http://mechatronica-pro.com/ru/blogs/blog-post/64
8. http://www.maxonmotor.com/maxon/view/content/index
9. http://mechatronica-pro.com/ru/catalog/education-equipment/4 9
10. http://mechatronica-pro.com/ru/blogs/blog-post/14 6
11. Ергалиев Д.С., Тулегулов А.Д., Сундетбаева Э.С., Ергалиева Л.Д. Основные аспекты повышения надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Надежность и качество-2 013: Международный симпозиум.- Пенза, 2013., том 1. - С.98-101.
12. Сулейменова А.Х., Ырыскелди Н.Г., Ибилдаев Б.К., Ергалиев Д.С., Мерили Н.А.Программное обеспечение для предварительного расчета системы энергоснабжения космического аппарата дистанционного зондирования Земли (KAZSAT-3). Надежность и качество. Труды международного симпозиума. г.Пенза, РФ - 23 -31 мая 2016 г., №2, С. 235-237.
УДК 621.8:51-74 Коротин А.М.
НИЯУ МИФИ, Москва, Россия
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ОТВЕТСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ НА БАЗЕ РАДИОКАНАЛА DMR-RUS
В данной статье приводится способ контроля целостности ответственной информации, передаваемой в системах автоматической локомотивной сигнализации на базе радиоканала DMR-RUS. Показана актуальность разработки данного способа, связанная с отсутствием решений по обеспечению целостности ответственной информации в системах автоматической локомотивной сигнализации с низкой пропускной способностью радиоканала. В рамках предложенного способа неизменность передаваемых данных достигается путем использования кодов аутентификации. Подлинность участников движения обеспечивается за счет предложенной автором процедуры аутентификации. В статье рассмотрены два варианта доставки параметра контроля целостности ответственной информации на локомотив: динамический и предварительный. Приведена конечная схема защиты в соответствии с разработанным способом контроля целостности
Ключевые слова
АЛСР, контроль целостности, DMR-RUS
Введение
Основной целью повышения надежности функционирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) является снижение числа отказов. Значительную часть от общего числа отказов составляют отказы, вызванные человеческим фактором. Данное подмножество отказов можно разделить на две большие группы:
ошибки и недоработки эксплуатирующего персонала;
целенаправленное воздействие на СЖАТ с целью нарушения функционирования.
В рамках последней из выше указанных групп особое место занимают отказы, вызванные компьютерными атаками. Как показывает опыт, статистические оценки вероятности таких отказов, а равно как и ущерба от них, не работают, так как злоумышленник, как правило, использует наиболее уязвимые места и детерминировано «бьет» в них
[1]. Поэтому, при анализе причин таких отказов и разработке мер по их предотвращению требуются иные подходы, рассмотрению которых и посвящена данная статья.
Одной из основных систем обеспечения безопасности перевозочного процесса является система автоматической локомотивной сигнализации (АЛС)
[2]. Одной из задач, решаемой системой АЛС в рамках обеспечения безопасности перевозочного процесса, является обмен ответственной информацией между станционными системами определения занятости пути и бортовыми устройствами безопасности [3-5]. Под ответственной информацией в работе понимается информация о допустимой скорости движения и дополнительных условиях следования железнодорожного подвижного состава (ограничения скорости, маршрут движения по железнодорожной станции), необходимая для обеспечения безопасности перевозочного процесса.
Использование радиоканала в системах АЛС позволяет увеличить объем передаваемых данных между станционной и бортовой частями системы, уменьшить вероятность их искажения [6]. Однако такой переход к использованию АЛС на базе радиоканала (АЛСР) усложняет обеспечение безопасности перевозочного процесса, так как в этом случае канал связи между станционной и бортовой частями системы АЛС выходит за пределы контролируемой зоны [7]. Нарушение безопасности перевозочного процесса возможно в случае нарушения целостности передаваемой ответственной информации. К угрозам безопасности ответственной информации со стороны внешнего нарушителя относят:
подмену базовой и/или абонентской радиостанции;
отправку поддельной ответственной информации в радиоканал;
повторную отправку ранее перехваченной в радиоканале ответственной информации.
Для защиты от данных угроз на сегодняшний день существует единственное решение, связанное с использованием протокола EuroRadio [8]. Тем не менее, применение данного решения в системах АЛСР ограничено свойствами используемой в них системы радиосвязи. Если система радиосвязи поддерживает только широковещательный метод передачи данных, то пропускная способность радиоканала должна удовлетворять условию:
Ы(1с + 1л + 21ев) Т
где С' - эффективная пропускная способность радиоканала; Т - период обмена ответственной информацией между станционной и бортовой частями АЛСР, необходимой и достаточной для обеспечения безопасности перевозочного процесса; 1С - количество информации, являющейся ответственной, передаваемое станционной частью АЛСР за время Т;
