ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЧПУ С ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРОЙ
Сосонкин В.Л.
(Москва, МГТУ СТАНКИН)

        Персональные ЧПУ типа РСNС (Personal Computer Numerical Control, см. [1] - [3]) с открытой архитектурой могут быть отнесены к новому поколению систем управления. Смена поколений радикально меняет потребительские свойства структуру, архитектуру и математическое обеспечение систем ЧПУ. Весь предыдущий опыт, накопленный в области ЧПУ к настоящему времени в значительной мере пересматривается под мощным давлением станкостроителей и конечных пользователей. Да и сами производители систем ЧПУ (ОEMs, Own Equipment Manufacturers) приходят к пониманию, что простая эволюция традиционных решений приведет к потере рынка и полному забвению.

        Одна группа причин подобной ситуации состоит: в резком повышении доли специального технологического оборудования, ориентированного на определенную или групповую технологию; в необходимости внедрения в системы управления не только «know-how» конечного пользователя, но и его представлений о дизайне экрана и структуре диалога; в необходимости модульной комплектации систем управления с целью оптимизации их стоимости и возможности эволюции, как у производителя, так и у конечного пользователя; в острой потребности сокращения сроков переноса математического обеспечения при переходе на новую базовую платформу (при появлении таковой); в существенном расширении активности оператора непосредственно в цеху (on the shop flour); в общем росте привлекательности персональных систем ЧПУ типа РСNС (Personal Computer Numerical Control), поддерживающих такой стиль управлении, который соответствует работе на компьютере.
        Более глубокая причина состоит в следующем: сегодня при разработке математического обеспечения ЧПУ производители систем управления вынуждены внедрять новую технологию, технологию объектно-ориентированного программирования, без которой создание математического обеспечения в объеме многих мегабайт попросту невозможно. При этом объектно-ориентированный подход используют не только на уровне технологии программирования (для повышения надежности и обозримости математического обеспечения), но и на уровне макропроектирования системы. Последнее означает, что основные прикладные модули системы определяют как "вложенные объекты" (embedded objects) со стандартизованным прикладным интерфейсом АРI (Application Interface); а отношения между объектами организуют по клиент-серверной схеме. При этом, каждый обьект-модуль является, как правило, сложной объектно-ориентированной структурой и отражает глобальный объектно-ориентированный подход при проектировании системы управления. Одним из вариантов общего построения системы ЧПУ типа РСNС является выделение глобального сервера - программно - аппаратной шины, которая служит основным средством межмодульной коммуникации в системе. Наиболее современным способом построения сервера является реализация программно-аппаратной шины в виде объектно-ориентированной магистрали.
        Объектно-ориентированная магистраль поддерживает программно-аппаратные коммуникационные протоколы, а кроме того выполняет прикладные серверные функции, благодаря специальной объектной оболочке. Это означает, что объектно-ориентированная магистраль служит единым механизмом предоставления объектам-модулям информационных услуг. Такая возможность отражена и в самих интерфейсах объектов-модулей; они могут предоставлять данные, или запрашивать данные, или делать то и другое.
        Все объекты-модули, подключенные к общей объектно-ориентированной магистрали, могут запрашивать данные синхронным, асинхронным способами или по событию. Выбор механизма реализации запроса зависит от конкретной задачи. При синхронном запросе клиент (т.е. модуль, осуществляющий запрос) останавливается в точке запроса и ждет ответа от модуля, обслуживающего запрос, до истечения тайм-аута. При асинхронном запросе клиент продолжает свою работу, а обработка ответа, независимо от времени его получения, выполняется специальной функцией (callback). Запрос по событию (синхронный, асинхронный) означает, что ответ будет получен только после изменения данных.
        Открытая архитектура систем ЧПУ типа РСNС предоставляет исключительно важные новые функциональные возможности: возможность конфигурирования системы у станкостроителя и конечного пользователя; возможность встраивания коммерческих программных пакетов; возможность непрерывной эволюции системы в условиях максимальной независимости от изменений базовой платформы; возможность доступа к информации о состояниях любого программного модуля системы, а также к диагностической информации аппаратуры, приводов и управляемого объекта в целом. Возможность конфигурирования распространяется на выбор пользователем собственного диалога с системой; на дизайн многооконного экрана как на основе стандартной "галереи стилей", так и на основе собственных экранных управляющих элементов (control elements), на настройку системы на любую версию языка управляющих программ; на включение новых алгоритмов интерполяции (например, сплайновой интерполяции в реальном времени) и использование любой комбинации алгоритмов в многокоординатном пространстве; на включение системы в сетевую локальную и микролокальную коммуникационную среду (см. [4]).
        В целом, структура системы ЧПУ обусловлена необходимостью решать традиционные "задачи управления» (см. [5]); геометрическую (обеспечивающую, в конечном счете, управление следящими приводами станка с целью получения детали с заданной геометрией), логическую (организующую управление электроавтоматикой станка); технологическую (гарантирующую поддержание необходимых параметров технологического процесса или оптимизацию процесса); диспетчеризации (обеспечивающую управление на прикладном уровне четырьмя предыдущими задачами в реальном времени); терминальную (поддерживающую диалог с оператором, отображение состояния системы; разработку, верификацию и хранение управляющих программ). При всей традиционности этих задач последнее время привнесло в их состав и алгоритмику множество новых идей, реализованных в виде конкретных функций (см., например, [6]-[9])
        Сегодня особо гибкие и сложные системы ЧПУ типа РСNС с открытой архитектурой, ориентированные на многокоординатную, многостаночную, высоко скоростную, высокоточную обработку, - выполняют согласно двухкомпьютерной архитектурной модели. В перспективе же - все преимущества за однокомпьютерным архитектурным вариантом. Оба варианта располагают РС-подсистемой и NС-подсистемой.
        Двухкомпьютерная модель предполагает размещение РС-подсистемы на обычном РС-компьютере, а NС-подсистемы - на другом NС-компьютере. Вторым компьютером может быть традиционный, оснащенный дополнительными специальными устройствами; или компьютер на базе RISC-процессора.
        В РС-подсистеме наиболее целесообразна операционная система Windows NT, а в NС-подсистеме - операционная система UNIX. Обе операционные системы совместимы в том смысле, что поддерживают коммуникационные протоколы ТСР/IР, и это позволяет организовать коммуникационную среду, объединяющую две подсистемы. Включение в эту среду некоторого прикладного уровня с функциями доступа к интерфейсам модулей (а общее число таких функций может достигать нескольких сот) создает виртуальную шину, оказывающую низкоуровневые услуги доступа. Наконец, объектная надстройка над этой шиной формирует упомянутый выше глобальный сервер - единую для обеих подсистем объектно-ориентированную магистраль.
        Однокомльютерная модель предполагает использование обычного РС-компьютера оснащенного специальными устройствами в виде плат-контроллеров. В их числе могут быть контроллер приводов подачи (например, с SERCOC-интерфейсом), программируемый контроллер (например, с Interbus-интерфейсом), специфичные устройства для управления технологическим процессом и т.д. Нижний уровень олнокомпьютерной системы составляет компьютерная аппаратура, выше размещается операционная система (Windows NT, Windows 95) вместе со службами (VxD, VxWorks), обеспечивающими управление внешними устройствами. Переход от двухкомпьютерной к однокомпьютерной модели осуществляется формальным переносом математического обеспечения РС-подсистемы в NС-подсистему на уровне задач.
        Оба архитектурных варианта соответствуют принципам открытой архитектуры применительно к ЧПУ, означающим: легкое разграничение между системным, прикладным и коммуникационным компонентами; возможность независимого развития любого из этих компонентов как на основе оригинальных разработок, так и путем достраивания коммерческих программных систем; клиент-серверную организацию взаимодействия подсистем, стандартизацию интерфейсов и транзакций.
        Одна из ключевых проблем системы ЧПУ типа РСNС с открытой архитектурой состоит в необходимости настройки на любую версию языка управляющих программ, контуры которого определены в стандарте DIN б6025. Подобную настройку осуществляет специализированный модуль, названный ISO-процессором (см. [7]), который интерпретирует G-функции языка ISO-7bit управляющих программ как если бы они были машинными кодами.
        ISO-процессор является одним из важнейших модулей РСNС системы, в которой представлен двояко. В NС-подсистеме ISO-процессор реализован в виде интерпретатора; его задача заключается в интерпретации кадра управляющей программы в эквидистантных расчетах, в расчетах коэффициентов сплайнов и в формировании данных для интерполятора. В РС-подсистеме ISO-процессор реализован как эмулятор в инструментальной системе разработки управляющих программ. Здесь его задача состоит в контроле и интерпретации кадра, а также формировании данных в формате интерполятора и в отображении этих данных на экране в виде модели рабочей траектории.
        Один из вариантов настройки ISO-процессора состоит в выборе системы команд из некоторого базового набора различных систем команд. Управляющие программы разбиты на пакеты по версиям языков, на которых они написаны. Выбор пакета управляющих программ определяет соответствующий файл загрузки системы команд ISO-процессора.

        Основными признаками систем ЧПУ нового поколения являются принадлежность к классу персональных систем управления РСNС и использование принципов открытой архитектуры. Открытая архитектура означает глобальную гибкость (конфигурируемость) системы, использование клиент-серверного подхода в организации транзакций, привлечение объектно-ориентированного подхода к определению макро-структуры, а также и на уровне технологии
программирования. Все это предопределяет принципиально иную (в сравнении с известными решениями) организацию системы ЧПУ, в которой даже модули с традиционными наименованиями (решающие традиционные задачи управления) имеют новое функциональное и алгоритмическое наполнение, а также и новую программную (объектно-ориентированную) реализацию. Особо важную роль приобретает РС-подсистема с терминальной задачей управления, которая определяет пользовательские характеристики и уровень сервиса для оператора.


ЛИТЕРАТУРА:

  1. Сосонкин В.Л. Взгляд на предстоящую эволюцию устройств ЧПУ // Станки и инструмент, 1992, #9, с.27-32.
  2. Сосонкин В.Л. Концепция персональных систем управления в реальном времени // Приборы и системы управления, 1995, #7, с.15-17.
  3. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Принципы построения систем ЧПУ с открытой архитектурой // Приборы и системы управления, 199б, #8, с.18-21.
  4. Сосонкин В.Л. Сетевая коммуникационная среда персональной системы управления // СТИН. 199б, #5, с.12-17.
  5. Сосонкин В.Л. Задачи числового программного управления и их архитектурная реализация // Станки и инструмент, 1988, #10, с.39-40.
  6. Сосонкин В.Л., Потаскуев В.Л. Концепция программируемого контроллера нового поколения // Приборы и системы управления, 1992, #6, с.7-10.
  7. Сосонкин В.Л., Мартынов Г. Концепция геометрического ISO-процессора для систем ЧПУ // СТИН, 1994, #7, с. 17-20.
  8. Сосонкин В.Л. Разработка диспетчеров для систем управления с персональным компьютером // Приборы и системы управления, 1995, #2, с.14-18.
  9. Сосонкин В.Л., Клепиков В.И. Принцип подчиненного управления в логических системах управления // Приборы и системы управления, 1995, #12, с. 16-18.