АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ СОВРЕМЕННОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ. УДАЛЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ СИСТЕМАМИ И ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ.

Васюгова Светлана Алексеевна – аспирант кафедры «Автоматизированные системы управления», ФГБОУ ВПО Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), vas715@gmail.com

Николаев Андрей Борисович – заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор, декан факультета, ФГБОУ ВПО Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), nikolaev.madi@mail.ru

 

Аннотация

В рамках данной статьи анализируются проблемы современной промышленной автоматизации. Рассматривается ряд автоматизированных устройств и промышленных роботов, внедряемых на производство. Анализируются преимущества способов контроля и управления за данными системами.

Данная статья содержит анализ и подробное рассмотрение дистанционного способа управления. На основе поставленного эксперимента по удаленному контролю промышленного робота-сортировщика приводятся преимущества такого способа взаимодействия.

 

Ключевые слова: автоматизация, удаленный контроль, дистанционное управление, робот, контроллер, Wi-Fi блок, LEGO NXT.

 

 

                                                      I.           Введение

Успешное развитие автоматизации производственных процессов приводит к потребности развития и совершенствования систем по контролю и управлению за данными процессами. Растет процент автоматизированных комплексов на заводах и предприятиях. Тема создания и моделирования роботов и систем по их управлению сегодня является наиболее популярной и актуальной. Человек пытается максимально ограничить свою деятельность, заменив ее с помощью компьютеризированной техники. За счет этого появляется большое количество методов проектирования, анализа, контроля и управления.

В промышленных роботах и автоматизированных комплексах совмещаются большая гибкость исполнительных органов, обладающих высокой подвижностью и легкостью переналадки их двигательных функций. Роботы, предназначены для выполнения разнообразных работ при минимальном участии человека в акте управления. Они являются универсальными автоматами, в состав которых входят три основных функциональных узла: рабочие органы — «рука» или подвижная платформа, вычислительная машина (контроллер), управляющая ими, и устройства сбора информации о среде, сообщающие роботу об изменениях условий окружающей среды для способности адаптации к ней. Однако в промышленных условиях вероятность резких изменений условий окружающей среды невелика. Современные роботы обладают большим количеством устройств по сбору и обработке информации: инфракрасные датчики цвета, датчики передвижения, датчики прикосновения и т.д. Промышленный робот обладает встроенной памятью, а некоторые роботы имеют специальную систему обучения, принцип действия которой базируется на нейронных сетях [1].

 

 

 

                                                  II.           Постановка задачи

Цель данной статьи заключается в анализе проблем современной промышленной автоматизации. Рассматривается ряд автоматизированных устройств и промышленных роботов, внедряемых на производство. Пристальное внимание уделяется методам управления промышленными автоматизированными системами и промышленными роботами. Для выявления преимуществ тех или иных способов управления был проведен эксперимент по разработке системы удаленного контроля моделью промышленного робота-сортировщика.

 

                                               III.           Результаты

                                          III.1           Управление и контроль

Промышленный робот представляет собой техническое устройство или комплекс технических устройств автоматического действия, оснащенные системой цифрового программного управления. Несмотря на всю автоматичность своих процессов, действия таких комплексов и устройств контролируется человеком. Многие из процессов требуют участия специалистов. Контроль за подобными системами может осуществляться несколькими способами:

-                  ручной;

-                  удаленный (дистанционный);

-                  комбинированный (ручной и удаленный).

Ручной способ контроля заключается в ручном вводе данных управления при помощи управляющей панели. Панель может быть встроена в промышленный робот, а также, может быть отдельным компонентом автоматизированного комплекса. Данный способ управления более трудоемкий и требует много времени, т.к. расстояния в промышленной рабочей зоне могут быть большими. Осуществить своевременную калибровку и изменение данных процесса в подобных условиях будет сложнее.

Удаленный способ контроля является сегодня достаточно распространенным. Управление и контроль осуществляется при помощи дополнительных устройств, поддерживающих дистанционный обмен данными. Такими устройствами являются пульт оператора, устройства и блоки беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth). При помощи данных технических средств можно на расстоянии осуществлять калибровку данных рабочего процесса. При использовании средств дистанционного управления можно получать данные о текущем рабочем состоянии автоматизированного комплекса или робота.

Выбор метода по управлению и контролю за автоматизированными системами и промышленными роботами зависит от производственных требований и условий взаимодействия. Немаловажным фактором в выборе метода контроля и управления процессами работы автоматизированных комплексов и промышленных роботов является тип используемых устройств и их характеристики. В настоящее время автоматизация большинства технологических процессов происходит на основе универсальных микропроцессорных контроллерных устройств. Данные устройства получили название программно-технических комплексов (ПТК).

 

                                          III.2           Классификация ПТК

Сегодня существует большой выбор программно- технических комплексов, которые имеют свою классификацию [2, 3]. Выбор того или иного микропроцессорного ПТК зависит от требований и нужд предприятия. Каждый класс таких комплексов предназначен выполнять определенный набор задач и определенный объем получаемой и обрабатываемой информации.

Классификация ПТК:

-                  контроллер на базе персонального компьютера (PC);

-                  локальный программируемый контроллер (PLC), который может быть двух типов: встраиваемый и автономный;

-                   сетевой комплекс контроллеров (PLC, NETWORK);

-                  распределенные маломасштабные системы управления (DCS, SMOLLER SCALE);

-                  полномасштабные распределенные системы управления (DCS, FULL SCALE).

Все вышеперечисленные типы ПТК имеют различные области применения и характеристики. Например, ПТК на базе персонального компьютера применяются для управления небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в медицине, в научных лабораториях и в других специализированных системах автоматизации. А функции реализации программируются не на специализированном языке программирования, а на обычном языке программирования высокого уровня (C++, PHP и др.).

Сегодня чаще всего применяются ПТК, включающие в себя контроллеры с локальным типом управления и программирования. Локальный программируемый контроллер отличается от обычного возможностью дистанционного изменения условий и задач работы системы. Такие контроллеры имеют порты для соединения в режиме «точка-точка» с другими устройствами, компьютерами, модулями, датчиками и интерфейсами. Чаще всего контроллеры имеют от нескольких до десятков и сотен входов/выходов [4,5].

Контроллеры осуществляют простые операции по обработке измерительной информации, регулирования и программно-логического управления процессами, блокировка, подача сигналов и информации оператору.

 Общая функциональная схема контроллера [6] представлена на рисунке 1.

схема1.emf

Рисунок 1- Функциональная схема контроллера

При наличии встроенных модулей дистанционной связи управление процессами контроллера и получение выходных данных может осуществляться на расстоянии, что позволит увеличить производительность и снизить время, затрачиваемое на получение, обработку и корректировку информации.

На рисунке 1 изображена общая функциональная схема контроллера. Контроллер состоит из комплекса взаимодействующих блоков.

Элементы, входящие в схему:

-                  СГ – системный генератор;

-                  ЦП – центральный процессор;

-                  ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

-                  ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

-                  ПКП – программируемый контроллер прерываний;

-                  ПТ – программируемый таймер;

-                  ИГ – индикатор готовности;

-                  ПВВ – порт ввода-вывода.

На рисунке видно, что информация подается от внешнего устройства (ВУ), после чего она обрабатывается контроллером и подается обратно на внешнее устройство. Индикатор готовности информирует о нормальной работе устройства – в случае возникновения ошибок индикатор гасится.

Системная шина контроллера состоит из трех составляющих: шины адреса (AB), шины данных (DB), шины управления (CB).

 

                                          III.3           Организация дистанционного управления на базе

разработанной модели промышленного робота-сортировщика

Удаленный контроль и управление различными техническими устройствами широко применяются во многих областях деятельности человека. Данный метод взаимодействия позволяет получать и отправлять данные дистанционно, контролировать рабочий процесс, а также, в режиме «реального времени» получать отчет об ошибках системы.

На рисунке 2 приведена структурная схема дистанционного управления.

Рисунок 2- Структурная схема дистанционного управления

Процесс дистанционного управления заключается в подаче управляющих сигналов и данных на котроллер автоматизированной системы. Контроллер преобразует полученную информацию в управляющие сигналы и подает их на моторы (двигатели). Датчики через определенное время отправляют на контроллер собранную информацию, которую контроллер преобразует в доступный для восприятия оператора код и выдает на ПК. Передача информации осуществляется при помощи одного из способов дистанционной связи.

В рамках исследования была разработана модель промышленного робота-сортировщика на базе конструктора LEGO. Цель разработанной модели заключается в сортировке предметов по цвету. Робот состоит из контроллера NXT, датчика цвета, двух серво-моторов и Wi-Fi блока, который соединен с контроллером. Для дистанционного управления и контроля процессами была разработана система, позволяющая осуществлять сбор и подачу информации удаленно. Был разработан и расположен на временном сайте интерфейс управления роботом. Этот интерфейс даёт возможность удаленно включить и выключить робота; просматривать состояние и количество отсортированных предметов, а также,  их количество.

Принципиальная схема управления приведена на рисунке 3 и заключается в следующем:

-        Робот с помощью контроллера NXT подключается к беспроводной сети передачи данных (Wi-Fi ISO 802.11n);

-        Микропрограмма управления роботом через определенные промежутки времени опрашивает веб-интерфейс;

-        Веб-интерфейс принимает данные о текущем состоянии узлов робота и отправляет роботу информацию о выполнении необходимых действий (включить\выключить сортировку).

 

 

Рисунок 3- Принципиальная схема управления роботом

Интерфейс управления роботом реализован на PHP с использованием СУБД MySQL. Для облегчения работы пользователя с веб-интерфейсом была применена технология AJAX.

Данная разработка поможет контролировать процесс сортировки. Мы сможем в любое время удаленно прослеживать процесс и управлять им. Использование веб - сервиса позволит управлять процессом не только с компьютера, но с телефона и планшета.

 

                                               IV.           Выводы

Проблема модернизации и автоматизации промышленных процессов является актуальной и основной для современного производства.  Автоматизация промышленных процессов развивается с каждым годом. Возникают новые способы контроля и управления. Многие системы поддерживают возможность удаленного взаимодействия. В рамках поставленного эксперимента по удаленному управлению моделью промышленного робота-сортировщика выявились преимущества и перспективы использования подобных систем. Данный метод взаимодействия позволяет получать и отправлять данные дистанционно, контролировать рабочий процесс, а также, в режиме «реального времени» получать отчет об ошибках системы. Это позволит повысить производительность предприятия, снизить возможность серьезных поломок.

 

Литература

 

[1] Васюгова С.А., Варламов О.О.: ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ И ПРОБЛЕМ ИНТЕГРАЦИИ ЧЕЛОВЕКА С КОМПЬЮТЕРОМ: ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ, РОБОТОТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИНГУЛЯРНОСТЬ И ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ// Материалы 5-ой студенческой научно-технической конференции факультета “Управление” МАДИ. Выпуск 5, 12 апреля 2011 г.- М.: ООО “Техполиграфцентр”, 2011, 240 с.

[2] Ицкович Э.Л. Классификация микропроцессорных программно-технических комплексов// Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. №10.

[3] Ицкович Э.Л. Методы рациональной автоматизации производства. 2009. С. 11-20.

[4] Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП. Под. ред. В.Б. Яковлева. М.: Высшая школа, 1989. 263 С.

[5] Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. - М.: Высшая школа, 1976. - 262 с.

[6] Каляев И. А., Капустян С. Г., Гайдук А. Р// Управление большими системами: сборник трудов. 2010. № 30-1. С. 606-608.