CC BY
18
Информатика, вычислительная техника и управление
УДК 681.5
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
А.А. Зеленский, М.А. Харьков, С.П. Ивановский, Т.Х. Абдуллин Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва, Россия
Аннотация: представлена разработанная комплектная система числового программного управления станками со сложной кинематикой, промышленными роботами и автоматизированными комплексами. Система управления имеет модульную структуру, а вычисления в системе управления распределены по составным модулям. Программное ядро системы реализовано на многопроцессорной архитектуре, интегрированной в топологию программируемой логической интегральной схемы. Такой подход имеет ряд существенных преимуществ. Исследования показали, что реализация программного ядра под управлением операционной системы существенно увеличивает время отклика системы на внешние события и снижает отказоустойчивость. По этой причине в рассмотренной системе управления ядро работает без применения операционной системы (bare metal). Применение специализированных аппаратных инструкций и распределение вычислений по ядрам архитектуры позволило существенно снизить время расчетов. Реализованный в ядре системы программируемый логический контроллер, а также разработанный высокопроизводительный интерфейс и протокол связи между модулями системы дают возможность для эффективного управления сложной электроавтоматикой станочного оборудования и автоматизированных линий. Система была успешно испытана на станках ведущих станкостроительных предприятий Российской Федерации и является вкладом в обеспечение технологической независимости государства
Ключевые слова: числовое программное управление, распределенные вычисления, высокопроизводительный интерфейс и протокол связи
Введение
В современном производстве происходит непрерывное совершенствование оборудования и технологий обработки, применяются новые эффективные инструменты. В связи с этим растут скорость и точность обработки деталей, что, в свою очередь, повышает требования к системам управления технологическим оборудованием и системам числового программного управления (ЧПУ). Растут требования как к системам непосредственного формообразования, так и обслуживанию вспомогательных систем станочного оборудования и автоматизированных линий.
В статье рассмотрены решения для реализации высокопроизводительного и эффективного управления станками, робототехнически-ми комплексами и автоматизированными линиями. Решения, описанные в статье, легли в основу комплектной системы ЧПУ «Перспектива», разработанной и производимой в МГТУ «СТАНКИН».
Развитие отечественных систем ЧПУ и импортозамещение систем управления на рос-
© Зеленский А.А., Харьков М.А., Ивановский С.П., Абдуллин Т.Х., 2018
сийских предприятиях имеют важное значение, поскольку являются основным фактором в обеспечении технологической независимости государства.
Особенности реализации
В основе разработанной системы ЧПУ лежит программно-аппаратный комплекс, который решает и задачу формообразования, и задачу управления системами электроавтоматики. Для реализации задач был выбран модульный принцип построения системы управления. Центральным элементом системы ЧПУ является базовый вычислительный модуль (БВМ). БВМ выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) семейства FPGA [1]. На ПЛИС реализована двухъядерная процессорная архитектура (технология софт-процессоров [2]). На двухъядерной процессорной архитектуре производятся вычисления алгоритмов ЧПУ, а также выполнен программно-реализованный программируемый логический контроллер (ПЛК, Soft PLC - англ.), на котором производятся вычисления центрального алгоритма управления электроавтоматикой, рис. 1.
TTL SRAM, SDRAM flash
0 0
DMA Контроллер внешней памяти
arto
I i I Is8
^^^ Процессор 0
О
^ ^ Процессор 1
ПЛИС
ОЗУ
ОЗУ
Ethernet PHY
Ethernet PHY
Рис. 1. Базовый вычислительный модуль
Как правило, в компьютерных системах ЧПУ ядро системы работает под управлением операционной системы (ОС) и имеет подчиненное положение, что существенно повышает время отклика системы на внешние события (например прерывания). Такие системы управления называют системами «мягкого реального времени» и они применяются в случаях, где превышение строго отведенного времени на реакцию системы не приводит к аварийным ситуациям, а лишь кратковременно увеличивает затраты пропорционально времени задержки реакции. Для уменьшения времени отклика применяют специальные обновления ОС, так называемые «патчи реального времени» (RT patch) [3], рис. 2 и 3.
1x10 8 1x10 7 1x10 6 100000 10000 1000 100 10 1
CPU0 CPU1 CPU2 CPU3
О 50 100 150 200 250 300 350 Latency (us), max 499 us Рис. 2. Время отклика системы без применения патча «реального времени», максимум 499 мкс
Рис. 3. Время отклика системы с применением патча «реального времени», максимум 91 мкс
Однако для применения в системах «жесткого реального времени», там где запаздывание приравнивается к отказу системы и может привести к авариям, этих мер может быть недостаточно. По этой причине в рассмотренной системе ЧПУ ядро системы работает без применения операционной системы (bare metal), что повышает быстродействие и отказоустойчивость.
Реализация БВМ на ПЛИС с технологией софт-процессоров также имеет ряд преимуществ:
1. Возможность реализации многопроцессорной архитектуры (в рассматриваемом случае 2 процессора) позволила распределить вычислительные задачи по ядрам.
2. Открытая процессорная архитектура позволила реализовать необходимую вспомогательную периферию (таймеры, счетчики, интерфейсы связи), в том числе высокопроизводительный интерфейс связи [4] с периферийными модулями системы управления.
3. Применение специализированного математического сопроцессора позволило существенно снизить время расчета сложных арифметических вычислений за счет использования аппаратных инструкций и специальных вычислительных блоков. В случае применения проприетарного арифметического блока DFPAU-DP (Floating Point Arithmetic Coprocessor - Double Precision) от Digital Core Design [5] увеличение скорости может быть довольно существенным, рис. 4.
5СЬ |эа:з
40 s
И
20 10 10,2
1 1
0'
□ 32-hit Ml OS-II ■ N10 S-l l+D FPM U -D P (arithm otic) □ NIOS-Il+DIFPMU-□ P {trigonometric) □ NIDS-II+DF-PMU-DP (overall)
Рис. 4. Увеличение скорости вычислений при использовании математического блока DFPAU-DP, раз
Такой подход позволяет реализовать специальный вычислительный блок решения как прямой и обратной задачи кинематики, так и прямой и обратной задачи динамики [6], в случае применения системы для управления объектом со сложной кинематической структурой (5-осевой обрабатывающий центр или промышленный манипулятор).
4. Возможность совершенствования архитектуры (топологии ПЛИС) и программной составляющей без замены аппаратного обеспечения и микросхем.
Кроме выполнения задач ЧПУ в БВМ, как было сказано выше, реализован Soft ПЛК для решения задачи управления электроавтоматикой технологического оборудования. Помимо стандартных компонентов электроавтоматики станков и роботов (система охлаждения, система смены инструмента, смазка направляющих, подача СОЖ и др.) зачастую требуется применение специализированного оборудования, например: система безопасности и защиты оператора станка («нулевая защита»), специализированные измерительные инструменты, системы поддержания требуемых режимов технологии обработки (плазма, электроэрозия, гидроабразив) и т.д. Эти задачи требуют специализированных элементов управления, которые бы работали в полуавтономном режиме и не вносили бы существенных задержек в основной алгоритм управления при исполнении команд центрального элемента управления и предоставлении для него входной информации в «удобном» виде.
Для решения задачи управления электроавтоматикой согласно модульному принципу построения системы были разработаны и про-
изведены стандартные и специализированные периферийные модули, в том числе:
— модуль дискретных входов/выходов 24В (16/16);
аналоговых входов/выходов
модуль +10/-10В (6/6);
— модуль дифференциальных входов/выходов (16 каналов).
Периферийные модули системы управления выполнены на основе ПЛИС технологии CPLD [7] без применения софт-процессоров, рис 5. Однако для решений, где необходимы сложные вычисления, потенциально возможно применение ПЛИС технологии FPGA с возможностью реализации процессорной архитектуры, как в центральном элементе системы, рис. 6.
Рис. 5. Архитектура стандартного периферийного модуля системы управления без использования софт-процессора
Рис. 6. Архитектура периферийного модуля системы управления с использованием софт-процессора
Такой принцип построения системы управления позволяет осуществить распределенные вычисления в отдельных элементах системы.
Программирование ПЛК осуществляется на собственном языке, также есть возможность программирования на языке ST (структурированный текст) и IL (список инструкций), которые являются стандартными языками программирования ПЛК по стандарту МЭК (IEC 61131-3) [8].
Для синхронизации данных между центральным и периферийными модулями системы был разработан высокопроизводительный интерфейс и протокол связи [4]. Модули соединяются по топологии «кольцо», при этом обработка входящих данных, проверка и обновление контрольной суммы и отправка данных следующему модулю производится за 1 такт в каждом из периферийных модулей. Такой принцип передачи данных стал возможен благодаря применению ПЛИС в составе модулей и обеспечил минимальные задержки (1 такт = 20нс) в каждом «ведомом» (slave) участнике сети. В БВМ, который является «ведущим» (master) участником сети, реализован аппаратный (в топологии ПЛИС) контроллер сети со специализированным модулем прямого доступа к памяти (DMA). Этот факт позволил исключить поддержку протокола из основного цикла программы, поскольку алгоритм реализуется на аппаратном уровне.
Для примера рассчитаем время синхронизации данных для набора из четырех стандартных модулей (4 байта) и одного специализированного (16 байт). Время синхронизации данных с учетом служебной информации и задержек в канале ведущего и ведомых составляет 1,56 мкс. Микросекундный и субмикросекунд-ный цикл опроса позволяет получать актуальные данные с датчиков и эффективно управлять исполнительными механизмами. Разработанный интерфейс совместим с интерфейсом RMII приемопередающих устройств Ethernet, это дает возможность для реализации промышленного Ethernet «реального времени» (RT Industrial Ethernet), такого как EtherCAT, Sercos III и др.
Заключение
В качестве итогов можно сказать, что была разработана комплектная система ЧПУ, эффективно управляющая станками со сложной ки-
нематикой и робототехническими комплексами. Ядро системы реализовано на многопроцессорной архитектуре, интегрированной в топологию ПЛИС. Применение специализированных аппаратных инструкций и распределение вычислений по ядрам архитектуры позволило существенно снизить время расчетов. Реализованный в ядре системы программный ПЛК, а также высокопроизводительный интерфейс и протокол связи между модулями системы дают возможность для эффективного управления сложной электроавтоматикой станочного оборудования и автоматизированных линий.
Система была успешно испытана на станках ведущих станкостроительных предприятий РФ, таких как СА-535 компании «САСТА», КВС-В4 компании «КЭМЗ» и S500M компании Группа «СТАН».
Литература
1. Cyclone IV Device Handbook / [Электронный ресурс] Режим доступа свободный URL https://www.intel.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/cyclone-iv/cyclone4-handbook.pdf.
2. Nios II Processor Reference Guide / [Электронный ресурс] Режим доступа свободный URL https://www.intel.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/nios2/n2cpu-nii5v1gen2.pdf.
3. Latency of Raspberry Pi 3 on Standard and RealTime Linux 4.9 Kernel / [Электронный ресурс] Режим доступа свободный URL https://medium.com/@metebalci/latency-of-raspbeny-pi-3-on-standard-and-real-time-linux-4-9-kernel-2d9c20704495.
4. Распределенная система управления электроавтоматикой станков, промышленных роботов и автоматизированных комплексов на основе высокопроизводительного интерфейса связи / М.А. Харьков, С.П. Ивановский, А.А. Зеленский, Т.Х. Абдуллин // Вестник МГТУ "Станкин". 2018. №1. C. 91-95.
5. Floating Point Coprocessor Double Precision ver 3.03 / [Электронный ресурс] Режим доступа свободный URL http://dtsheet.com/doc/740069/dcd-dfpmu-dp.
6. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. M.: Мир, 1989.
7. MAX II Device Handbook / [Электронный ресурс] Режим доступа свободный URL https://www.intel.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/max2/max2_mii5v1.pdf.
8. ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016, Контроллеры программируемые. Часть 3. Языки программирования. М.: Издательство стандартов, 2016.
Поступила 07.08.2018; принята к публикации 11.09.2018 Информация об авторах
Зеленский Александр Александрович - канд. техн. наук, проректор по научной работе и научно-технической политике, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», (127055, Россия, г Москва, Вадковский пер., 1), тел. +7(499)-972-95-21, e-mail: science@stankin.ru
Харьков Михаил Александрович - аспирант кафедры «Высокоэффективные технологии обработки», Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», (127055, Россия, г. Москва, Вадковский пер., 1), тел. +7(917)-525-31 -27, e-mail: facejr@yandex.ru
Ивановский Станислав Павлович - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», (127055, Россия, г. Москва, Вадковский пер., 1), тел. +7(916)-496-84-35, e-mail: ivanovsky@stankin.ru
Абдуллин Тагир Хабибович - аспирант кафедры «Высокоэффективные технологии обработки», Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», (127055, Россия, г. Москва, Вадковский пер., 1), тел. +7(915)-211-37-75, e-mail: everestultimate@yandex.ru
HIGH-PERFORMANCE NUMERICAL CONTROL SYSTEM BASED ON PROGRAMMABLE
LOGIC DEVICES
A.A. Zelenskiy, M.A. Khar'kov, S.P. Ivanovskiy, T.Kh. Abdullin
Moscow State University of Technology «STANKIN», Moskow, Russia
Abstract: the paper presents a developed complete system for numerical control of machines with complex kinematics, industrial robots and automated complexes. The control system has a modular structure. Calculations in the control system are distributed over composite modules. The software core of the system is implemented on a multiprocessor architecture integrated into the topology of the programmable logic integrated circuit. This approach has some significant advantages. Researches have shown that the implementation of a software core run by the operating system significantly increases the response time of the system to external events and reduces fault tolerance. For this reason, the core works without the use of an operating system (bare metal) in the control system. The use of specialized hardware instructions and the distribution of calculations for the architecture cores made it possible to significantly reduce the calculation time. The programmable logic controller implemented in the core of the system, as well as the developed high-performance interface and the communication protocol between the modules of the system make it possible to effectively control the complex electroautomation of machine equipment and automated lines. The system was successfully tested on the machines of the leading machine-building enterprises of the Russian Federation and is a contribution to ensuring the technological independence of the state
Key words: numeric control, distributed computations, high-performance interface and communication protocol
References
1. Cyclone IV device handbook, available at: https://www.intel.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/cyclone-iv/cyclone4-handbook.pdf.
2. Nios II processor reference guide, available at: https://www.intel.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/nios2/n2cpu-nii5v1gen2.pdf.
3. Latency of raspberry Pi 3 on standard and real-time Linux 4.9 Kernel, available at: https://medium.com/@metebalci/latency-of-raspberry-pi-3-on-standard-and-real-time-linux-4-9-kernel-2d9c20704495.
4. Khar'kov M.A., Ivanovskiy S.P., Zelenskiy A.A., Abdullin T.Kh. "Distributed control system for the electroautomatics of machine tools, industrial robots and automated complexes based on a high-performance communication interface", The Bulletin of MSTU "STANKIN" (Vestnik MGTU "STANKIN"), 2018, no.1, p.91-95.
5. Floating point coprocessor double precision ver 3.03, available at: http://dtsheet.com/doc/740069/dcd-dfpmu-dp.
6. Fu K.S., Gonsales R., Lee C.S.G. "Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence", Russian ed.: Moscow, Mir, 1989
7. MAX II device handbook, available at: https://www.intel.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/max2/max2_mii5v1.pdf.
8. GOST 61131-3-2016 "Programmable controllers. Part 3. Programming languages" ("Kontrollery programmiruemye. Chast' 3. Yazyki programmirovaniya"), Moscow, Izdatel'stvo standartov, 2016
Submitted 07.08.2018; revised 11.09.2018
Information about the authors
Aleksandr A. Zelenskiy, Cand. Sc. (Technical), Vice-rector for scientific work and scientific-technical policy of Moscow State University of Technology «STANKIN» (1 Vadkovskiy lane, Moskow 127055, Russia), tel. +7(499)-972-95-21, e-mail: sci-ence@stankin.ru
Mikhail A. Kharkov, Graduate student, Moscow State University of Technology «STANKIN» (1 Vadkovskiy lane, Moskow 127055, Russia), tel. +7(917)-525-31-27, e-mail: facejr@yandex.ru
Stanislav P. Ivanovskiy, Cand. Sc. (Technical), Leading scientific researcher of Moscow State University of Technology «STANKIN» (1 Vadkovskiy lane, Moskow 127055, Russia), tel. +7(916)-496-84-35, e-mail: ivanovsky@stankin.ru Tagir Kh. Abdullin, Graduate student, Moscow State University of Technology «STANKIN» (1 Vadkovskiy lane, Moskow 127055, Russia), tel. +7(915)-211-37-75, e-mail: everestultimate@yandex.ru
