Во всех областях деятельности современного общества используется понятие «система», обозначающих совокупность объектов и отношений между ними, образующих единое целое. В машиностроении системой принято называть совокупность, состоящую из одного или более станков, компьютера с соответствующими программными средствами для управления и контроля за работой станка, операторов, физических процессов и других средств, образующих автономное целое, способное осуществлять технологический процесс и передачу данных о нём.

Системой управления машиностроительным оборудованием является совокупность объекта управления и устройства управления, связанных между собой каналами прямой и обратной связи. Например, металлорежущий станок совместно с процессом обработки детали и установленными на станке двигателями рабочих механизмов является объектом управления. В устройство управления входят приводы рабочих механизмов, система ЧПУ, датчики обратной связи, контролирующие перемещение рабочих органов станка и системы технического зрения, следящие за точностью технологических операций. Система ЧПУ состоит из компьютера и устройств ввода-вывода. Компьютер кроме прямого управления машиностроительным оборудованием осуществляет функции контроля, оптимизации, координации, организации всех технологических процессов.

Для любых систем, в которых протекают процессы управления, имеется общая черта, а именно передача сообщений о происходящих в отдельных частях системы процессов посредством сигналов. В технических системах материальные носители информации называют носителями сигналов, которые можно изменять в соответствии с передаваемой информацией. Конструктивные элементы системы управления должны преобразовывать физические величины и соответствующие им сигналы в наиболее удобный вид для последующей цифровой обработки. В АСУ оборудованием с ЧПУ обработка и преобразование данных, согласование выходных сигналов с реакцией исполнительных механизмов оборудования выполняется компьютером с помощью специализированной операционной системы. Актуальным вопросом является выбор ОС, которая позволит управлять оборудованием с ЧПУ, при этом обеспечивая качество и точность технологического процесса.

Для автоматизации производственных процессов применяют ОС РВ, которые характеризуются такой реакцией объекта на входные сигналы или данные, при которой достаточно быстро вырабатываются выходные сигналы или данные.

Система реального времени включает датчики, регистрирующие события на объекте управления, модули ввода-вывода, преобразующие показания датчиков в цифровой вид для обработки этой информации в компьютере с программой регистрации событий на объекте. События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками, информация от которых передается в модули ввода-вывода системы. Полученные сведения от датчиков преобразуются в цифровой вид, а затем модули ввода-вывода генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере, посылая сигнал о произошедшем на объекте управления событие. Получив такой сигнал, система должна запустить программу, обрабатывающую соответствующее событие на объекте.

Время выполнения действий, начиная от события на объекте управления до генерации прерывания, зависит от аппаратного комплекса, а интервал времени от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции на событие определяется целиком свойствами ОС РВ, так как при проектировании и разработке конкретной ОС РВ всегда известны события, происходящие на объекте, и установлены критические сроки обслуживания каждого из этих процессов. Основным требованием к ОС РВ является не быстродействие, а гарантированное выполнение задачи в течение интервала времени, а также параллелизм, то есть если несколько событий происходят одновременно, то все они должны быть обработаны своевременно.

Перед проектированием конкретной системы реального времени для систем ЧПУ необходимо изучить объект: исследовать возможные события на нем, определить критические сроки реакции системы управления на каждое событие и разработать алгоритм их обработки. Идеальной ОС РВ является операционная система, в которой приложения реального времени разрабатываются на языке событий объекта (система, управляемая критическими сроками). Разработка приложений реального времени в этой системе сводится к описанию возможных событий на объекте управления. В каждом блоке описания события указываются временной интервал (критическое время обслуживания события) и адрес подпрограммы его обработки. В дальнейшем ОС РВ следит за тем, чтобы подпрограмма обработки события стартовала до истечения критического интервала времени.

На текущий момент количество ОС РВ весьма велико. В зависимости от специфики различают ОС РВ двух типов - системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.
Принадлежность системы к классу ОС РВ никак не связана с ее быстродействием. ОС РВ должны реагировать на различные типы внутренних и внешних событий. Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются техническим заданием на систему или логикой ее функционирования. Быстродействие ОС РВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте.

Несмотря на наличие большого числа ОС РВ для автоматизации станков с ЧПУ трудно выбрать такую систему, которая обеспечила бы функционирование компьютера при управлении станком в оптимальном режиме. Исполнительные части станков с ЧПУ в настоящее время выполняют достаточно качественную работу, но для наиболее точной обработки деталей и изделий необходимо выбрать оптимальный блок управления станком с ЧПУ, т.е. компьютер с ОС РВ.

В международной практике приняты следующие обозначения систем ЧПУ: NC (ЧПУ) – числовое программное управление; HNC – разновидность устройства ЧПУ с заданием программы оператором с пульта с помощью клавиши, переключателей и других кнопок; SNC – устройство ЧПУ, имеющее память для хранения всей управляющей программы; CNC – автономное управление станком с ЧПУ, содержащее микроЭВМ или процессор; DNC – групповое управление станками от общего компьютера. Перечисленные системы можно разделить на две группы: с постоянной структурой с вводом программы с клавиш или дисков (типа NC, HNC) и с переменной структурой, в которых основные алгоритмы работы задаются программно и могут изменяться (типа SNC, CNC, DNC). Устройства классов SNC и CNC построены на основе микроЭВМ.

Система ПУ решает традиционные задачи управления: геометрическую, обеспечивающую управление следящими приводами станка с целью получения детали с заданной геометрией; логическую, организующую управление электроавтоматикой станка; технологическую, гарантирующую поддержание необходимых параметров оптимизации технологического процесса; диспетчеризации, обеспечивающую управление на прикладном уровне четырьмя предыдущими задачами в реальном времени; терминальную, поддерживающую диалог с оператором, а также задачу хранения управляющих программ, их разработку и верификацию.

Для обеспечения этих задач управления оборудованием с ЧПУ наибольшее применение имела двухкомпьютерная архитектурная модель, которая предполагает размещение на одном компьютере ОС общего назначения (ОС Windows или Linux), а на другом - установку ОС РВ (отечественные разработки – специализированная ОС РВ НевОС или Тайфун). Первый компьютер использовался для ввода-вывода информации, а второй - непосредственно управлял станком с ЧПУ. НевОС и Тайфун являются мультизадачным программным комплексом с минимальными требованиями к аппаратной конфигурации компьютера (процессор с архитектурой i386/ i486/Pentium/Pentium II), используемым на заводах с устаревшим производственным оборудованием. Существенными недостатками ОС РВ НевОС и Тайфун является отсутствие графической оболочки для первой и невозможность сетевой поддержки для второй системы, хотя такие системы обходятся гораздо дешевле, чем приобретение дорогостоящих коммерческих ОС РВ (QNX или VxWorks) и замена систем ЧПУ.
Перспективные предприятия с современными системами ЧПУ переходят на однокомпьютерный архитектурный вариант, с использованием обычного компьютера, оснащенного специальными устройствами в виде плат-контроллеров. Такой вариант предусматривает установку ОС общего назначения (ОС Windows или Linux) с генерированными службами систем VxWorks (QNX, RTX или LinuxRT) для обеспечения управления и контроля внешними устройствами оборудования. Переход от двухкомпьютерной к однокомпьютерной модели осуществляется формальным переносом математического обеспечения служб ОС РВ на уровне задач.

ОС РВ VxWorks предназначены для разработки ПО встроенных компьютеров, работающих в системах жесткого реального времени. VxWorks удовлетворяет требованиям ОС РВ, но эта дорогостоящая система более предназначена для построения высокопроизводительных сетевых и сервисных служб, а не для систем управления станком.

QNX Neutrino – совместимая ОС РВ, предназначенная для использования во встраиваемых системах и системах управления, поддерживающая многопоточность и симметричную многопроцессорность, со встроенной собственной графической оболочкой Photon, поддерживающей стандарт XWindowsSystem. Эта ОС РВ наиболее востребована производителями машиностроительного комплекса, на основе QNX Neutrino активно идет создание отечественных аппаратно-программных платформ для разработки САУ в ответственных приложениях.

В режиме реального времени для получения высокоточной информации о ходе технологического процесса на оборудовании с ЧПУ необходимо наличие графических интерфейсов в ОС РВ. В ходе исследований по данной тематике авторами статьи было разработано и защищено патентом устройство, позволяющее контролировать процесс обработки изделия по текущим значениям размера. В настоящее время одним из наиболее важных условий успеха ОС РВ (наряду с высокой производительностью) является наличие в ней развитой среды разработки, графических интерфейсов, сетевой поддержки; возможность работы на многопроцессорных средствах.

В отечественном машиностроительном комплексе наиболее задействованы в работе системы ЧПУ SIEMENS, функционирующие на разных процессорах. В зависимости от задач, которые должна решать система ЧПУ, и от материальной обеспеченности предприятия, устанавливающего оборудования с этой системой, применяют ОС QNX, Windows NT/CE 2.0/XP, а также систему реального времени собственной разработки SIEMENS. На заводах со старым производственным оборудованием по-прежнему установлены системы ЧПУ с ОС РВ Тайфун.

В зависимости от спецификации оборудования с ЧПУ используются различные ОС РВ, среди них наиболее применяются: QNX; AMX; FlexOS; Windows NT/CE 2.0/XP; VxWorks; Linux; OS-9; Nucleus; VRTX; pSOS+; RTMX; OSE; Real Time DOS; RT-Kernel; Тайфун.

На предприятиях машиностроительного комплекса в зависимости от специфики выпускаемой продукции установлены различные системы ЧПУ. Для высокопроизводительного функционирования оборудования с ЧПУ применяются наиболее доступные системы контроля, т.е. ОС Windows со встроенными модулями собственной разработки для обеспечения управления и контроля внешними устройствами оборудования.
Несмотря на достаточное количество ОС РВ, многие предприятия занимаются разработкой собственных специализированных ОС РВ, так как технологические процессы и циклы становятся более сложными, а особенности производства сохраняются в коммерческой тайне, что значительно улучшает качество и требования к ОС РВ.
Телефоны: (4712) 58-71-12, 53-87-29.
max_b@mailru.com