Programové virtualizační prostředí zdokonaluje řízení

-- 22.12.09 10:27

Průmyslové řídicí systémy lze rozdělit do dvou kategorií – ty, které jsou navrženy pro univerzální řídicí funkce a jsou plně programovatelné konečným uživatelem, a ty, které jsou navrženy pro speciální účel, jako je řízení frézy nebo vstřikovacího lisu. V první kategorii obvykle najdeme PLC a univerzální průmyslové počítače. Druhá kategorie využívá specializované řídicí prvky se zabudovanou podporou speciálních funkcí, jako je polohování s uzavřenou smyčkou. Pro oba systémy je přínosný multitasking – schopnost provádět více než jednu funkci zároveň. Specializované řídicí prvky však kladou zvláštní požadavky na koordinaci souběžných úloh operačním systémem. Jsou-li ve hře kriticky významné funkce, jako je řízení a koordinace více os polohování, operační systém musí zaručit, aby časově kritické signály ze snímačů polohy nebyly opomenuty kritickými vlákny řídicí aplikace.

Operační systém, jako je Microsoft Windows, nenabízí dostatečné záruky reakce, aby mohl takové aplikace hostit, protože je optimalizován k poskytování služeb nejrůznějším všeobecným úkolům, jako je interakce s operátory, síťovými rozhraními, databázovými nástroji atd. Tato snaha o univerzálnost není dobrou zprávou pro časovací požadavky aplikace průmyslového řízení, které vyžadují, aby operační systém reálného času zaručil koordinaci časově kritických funkcí. Vysoce specializovaný charakter operačního systému reálného času je ale také vážným omezením. Operační systém pro všeobecné použití, jakým je Microsoft Windows, má k dispozici mnoho nástrojů třetích stran pro zkrácení času potřebného pro implementaci obrazovek operátorského rozhraní, přístupových databází a pro komunikaci se síťovými protokoly.

Ve skutečnosti je PC nejoblíbenější výpočetní platformou pro vývoj programového vybavení pro průmyslovou automatizaci a procesory kompatibilní s PC, na nichž běží systém Microsoft Windows, a de facto se dnes stal standardně používaným rozhraním člověk-stroj (Human-Machine Interface – HMI). Existuje rovněž rostoucí základna aplikací využívajících programové PLC. Aplikace pro tento typ řešení PLC přinášejí do prostředí Windows řídicí funkčnost PLC a známé programovací modelyC. Co tedy může vývojář řídicího systému dělat, když chce kombinovat operační prostředí reálného času s univerzálním prostředím? Provozovat na jediné technické platformě několik operačních systémů zároveň.

Konfigurovatelný řídicí prvek CNC

Toto řešení zvolila společnost Cleveland Motion Controls CMC) z Clevelandu ve státě Ohio, dceřiná organizace společnosti ITT. Společnost CMC dodává snadno použitelná řešení polohování pro tvarové řezání, která jsou určena pro kyslíko-plynové, plazmové, laserové i vodní vyřezávací stroje a obrysová frézovací, gravírovací a dávkovací zařízení. Nejnovějším řídicím prvkem CNC řízení na bázi PC je Burny XL využívající procesor Intel Mobile. Tento systém zajišťuje precizní a opakovatelné řízení os kovoobráběcích strojů v reálném čase s rozhraním HMI, které zaručuje vysokou produktivitu operátorů stroje. Je navržen jako konfigurovatelná platforma, na níž mohou výrobci strojů postavit své vlastní produkty.

Může pracovat v nepříznivém prostředí a dodává se ve dvou verzích: integrovaná řídicí platforma a HMI panel nebo verze se vzdáleným operátorským panelem. Za pomoci jedinečného programového vizualizačního prostředí, dodávaného společností TenAsys z Beavertonu ve státě Oregon, dokáže zařízení Burny XL běžet zároveň pod operačním systémem Microsoft Windows XP Embedded a operačním systémem reálného času (RTOS) TenAsys INtime na jediném zabudovaném počítači PC. Díky tomu má zařízení Burny XL multitaskingovou schopnost umožňující nahrávat, ukládat a sdružovat budoucí zakázky, zatímco je zpracovávána aktuální zakázka. Díky multitaskingu má zařízení Burny XL výhodu oproti jiným řídicím prvkům, protože jsou zkráceny prostoje mezi zakázkami.

Kromě toho, že umožňuje provádění několika úloh zároveň, podporuje RTOS INtime deterministickou reakční dobu, která zaručuje, že polohovací kroky CNC jsou prováděny včas, bez ohledu na způsob, kterým stroj řezání provádí (kyslíkoplynový, plazmový, laserový apod.). Aby výrobci strojů CNC přizpůsobili zařízení Burny XL svým vlastním produktům, využívají zabudovaný softwarový PLC a dotykové rozhraní navržené společností Cleveland Motion Control. Tato aplikace systému Microsoft Windows, kompatibilní s normou IEC 61131, může být programována pomocí liniových schémat a dokáže interpretovat standardní programy CNC s funkcemi M a G. Programové řešení PLC předává žádané hodnoty cílových poloh programu řízení polohování v reálném čase a přímo řídí všechny operace, které nejsou prováděny v reálném čase.

Rozhraní sdílené paměti, jež je společné pro virtuální stroje Windows a INtime, se používá pro přenos informací a příkazů mezi programovým řešením PLC a programem prořízení časově kritického polohování, který běží souběžně na RTOS INtime (viz schéma programové architektury výše). Použití sdílené paměti je jen jedním z implementačních prvků podpory virtualizace operačního systému zajišťované prostředím TenAsys INtime. Systém INtime rovněž směruje funkce technického řešení přerušení připojených I/O zařízení, aby bylo zajištěno, že časově méně kritické události, jako je stisknutí kláves na operátorské dotykové obrazovce, nepřeruší úlohy prováděné v reálném čase, jako je řízení řezacích motorů zařízení CMC. Díky způsobu implementace virtualizačního programového vybavení TenAsys může operační systém a aplikační programové vybavení pro systém Windows běžet v systému bez modifikací.

V závislosti na polohovacím technickém řešení, jež je použito v systému CNC, hostí systém reálného času INtime jednu ze dvou polohovacích smyček. Může hostit milisekundovou smyčku pro konvenční analogové pohony (kde je rychlost odvozena z poziční zpětné vazby), nebo dvoumilisekundovou smyčku, která řídí pohony SERCOS (digitální rozhraní polohovacího řízení na vysoké úrovni). Také pomocná I/O zařízení, jako jsou koncové spínače a všeobecné I/O body, jsou řízena aplikacemi reálného času INtime. Díky této virtualizační koncepci běží obě aplikace INtime a Windows v úrovni zabezpečení (protection ring) tři (uživatelský režim) na procesoru s architekturou Intel namísto v úrovni zabezpečení nula (režim supervizoru), jako je tomu u aplikací v mnoha jiných operačních systémech reálného času.

Autor: Kim Hartman, TenAsys

Sponzorované odkazy

	4METAL.CZ - portál kovozpracujícího odvětví Skupina 4metal je sdružení kovozpracujících a strojírenských firem. Katalog firem, Burza strojů a materiálů, Burza práce, akce, aktuality, média. To vše na jedné adrese.
	Řízení a údržba průmyslového podniku Redaktoři časopisu průběžně sledují nejnovější trendy ve všech aspektech výroby v průmyslových závodech a přinášejí odběratelům informace, které potřebují pro udržení své konkurenceschopnosti.
	All for Power - odborný časopis o energetice Časopis All for Power se zaměřuje na uhelnou a jadernou energetiku, plynárenství, teplárenství a energetické strojírenství. Medium přináší i racionální pohledy na OZE.