• Nie Znaleziono Wyników

Projektowanie mechatroniczne. Projektowanie bazujące na modelach

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Projektowanie mechatroniczne. Projektowanie bazujące na modelach"

Copied!
5
0
0

Pełen tekst

(1)

SterowNiki PLC i SyStemy SterowaNia

1. Wprowadzenie

W artykule niniejszym przedstawiono problematykę realizacji innowacyjnych prac nad systemami sterowania budo- wanymi z zastosowaniem programo- walnych sterowników logicznych (PLC) oraz programowalnych sterowników au- tomatyki (PAC). Cykl życia produktów mechatronicznych (robotów, obrabiarek sterowanych numerycznie, manipulato- rów wieloosiowych, maszyn o złożonej kinematyce) zwykle rozpoczyna się od określenia wymagań funkcjonalnych, odzwierciedlających oczekiwania użyt- kowników końcowych co do projekto- wanego systemu/produktu.

Współcześnie innowacje produktowe nowych rozwiązań powstają na bazie trzech najważniejszych pobudek:

lzzwiększenia wydajności produkcji;

lzuproszczenia obsługi przez niedo- świadczonych użytkowników, a tym samym skrócenie czasu wdrożenia do obsługi produktu/maszyny;

lzzwiększenia szeroko rozumianego bezpieczeństwa użytkowania.

Projektowanie bazujące na modelach wspiera proces powstawania innowacyj- nych produktów na kolejnych etapach:

od opracowania specyfikacji funkcjo- nalnej, poprzez weryfikację i walidację koncepcji wybranych fragmentów sys-

Projektowanie mechatroniczne.

Projektowanie bazujące na modelach

Krzysztof Pietrusewicz

jedynie dla platform prototypowania systemów sterowania, będących nieod- łącznym elementem warsztatu naukowe- go na uczelniach, współcześnie są jed- nym z elementów procesu powstawania innowacyjnych produktów, zaś projek- towanie bazujące na modelach wiąże w intuicyjny sposób nowe koncepcje z finalnymi produktami, niezależnie od obszaru, w jakim taki produkt jest roz- wijany. Modelować bowiem można nie tylko sam produkt, ale cały proces jego powstawania.

W pracy [1] zaprezentowano dzie- więciostopniowy sposób określenia poziomu implementacji podejścia pro- jektowania bazującego na modelach

w innowacyjnych przedsiębiorstwach.

Zaprezentowano go na rysunku poniżej.

Przedsiębiorstwa czy też zespoły ba- dawcze o najwyższym poziomie organi- zacji (rys. 1.9) procesu badawczego mogą poszczycić się pełną implementacją po- dejścia bazującego na modelach. Mini- malnym początkiem jest jednak graficz- ny sposób opracowywania specyfikacji funkcjonalnych elementów systemu ste- rowania (rys. 1.1). Wykorzystanie gra- ficznie przygotowanych specyfikacji do prowadzenia ogólnej symulacji systemo- wej (rys. 1.2) wraz z implementacją pro- cedur generowania kodu wynikowego stanowi istotny krok w kierunku zasto- sowania podejścia bazującego na mode-

(2)

reklama

SterowNiki PLC i SyStemy SterowaNia

lach w pracach nad systemami sterowa- nia maszyn.

Jeżeli opracowany model systemu (rys. 1.3) posłuży do wygenerowania kodu wynikowego, można wtedy po- wiedzieć o wysokim poziomie imple- mentacji modelowania algorytmów składowych w procesie powstawania oprogramowania systemu sterowania.

O kolejnym poziomie zaawansowania zespołów projektowych świadczy za- kres integracji symulacji komputerowej w rozwoju oprogramowania systemu sterowania. Podstawowy zakres imple- mentacji (rys. 1.4) to symulacja modelu obiektu, środowiska oraz projektowa- nych algorytmów sterowania. Dzięki temu podejściu możliwe jest sprawdze- nie np. wpływu przetwarzania sygnałów w torach pomiarowych sprzężeń zwrot- nych. Symulacja typu Hardware-in-the- -loop (rys. 1.5) to podejście, w którym skompilowany na podstawie modelu sy- mulacyjnego kod uruchamiany jest w re- żimie czasu rzeczywistego w wybranej

platformie sprzętowej. Może to być za- równo platforma sprzętowa typu dSpace, Opal-RT czy xPC Target (tzw. platformy szybkiego prototypowania), jak i wybra- ny model sterownika PLC/PAC. Jeżeli metoda Hardware-in-the-loop jest spo- sobem weryfikacji kodu wynikowego (produkcyjnego), wtedy mówimy o im- plementacji projektowania na poziomie z rys. 1.6.

Najwyższy poziom wdrożenia projek- towania bazującego na modelach osiąg- nęły te zespoły projektowe, które do prac nad systemami sterowania, poza inte- gracją procedur symulacji komputero- wej, posiadają systemy i/lub narzędzia wspomagające zarządzanie wymagania- mi stawianymi produktom, nad których rozwojem te zespoły pracują. Zastoso- wanie modeli symulacyjnych (rys. 1.4) w powiązaniu z testami, udowadniają- cymi spełnienie stawianych projektowi/

produktowi wymagań, jest podstawą tzw. wirtualnej weryfikacji i walidacji (rys. 1.7). Jeżeli te same testy (przypad-

ki testowe), które posłużyły do walidacji modeli symulacyjnych, przeprowadza- ne są na rzeczywistym obiekcie, możemy mówić o walidacji systemowej (rys. 1.8).

O pełnej implementacji podejścia bazu- jącego na modelach (rys. 1.9) stanowi dodatkowo istnienie procedur automa- tycznego generowania kodu wynikowe- go projektowanego systemu sterowania, po zakończeniu procedur weryfikacji i walidacji.

W przypadku implementacji proce- dur badawczych z obszaru systemów sterowania można przyjąć, iż przejście od poziomu z rys. 1.1 do pełnego mo- delu działania z rys. 1.9 może być proce- sem wieloletnim, pociągającym za sobą znaczące inwestycje, zarówno w zasoby materialne, jak i kompetencje członków zespołu. Jeżeli weryfikacja, walidacja i automatyczne generowanie kodu łączą modele symulacyjne (tzw. wykonywalne specyfikacje w przypadku implementa- cji na poziomach z rys. 1.7–9) z rzeczy- wistą implementacją, wtedy tempo prac

(3)

SterowNiki PLC i SyStemy SterowaNia

nad nowymi wersjami produktów, jak również nowymi funkcjonalnościami produktów jest bardzo duże, zaś konku- rencyjność zespołów projektowych bez- dyskusyjna.

2.  Prace nad innowacyjnymi projektami

Prace nad innowacyjnymi produkta- mi zwykle odbywają się w ramach tzw.

skróconego cyklu życia. Celem takiego projektu jest prototypowy produkt, któ- ry następnie trafia do testów u użytkow- nika końcowego, pomimo iż może nie posiadać pełnej funkcjonalności czy też wszystkich niezbędnych zabezpieczeń (obsługi trybów awaryjnych). Współ- cześnie szczytem możliwości technolo- gicznych jest dostarczanie klientowi wir-

Rys. 2. Przykład wirtualnego prototypu – modyfikacja napędów zespołu posuwowego obrabiarki CNC z opcji konwencjonalnej na silniki liniowe.

Produkt, niedostępny w opcji z silnikami liniowymi, posłużył do analizy celowości modyfikacji w poszczególnych trzech głównych osiach ruchu.

Rezultaty analiz objęte poufnością projektu

Rys. 3. Skrócony cykl życia produktu w wersji prototypowej

produkt w tzw. fazie alfa. Użytkowanie takiego produktu może stanowić źródło nowych pomysłów, jak również mody- fikacji wymagań funkcjonalnych i/lub jakościowych dla finalnego produktu.

projektów w obszarze systemów stero- wania. Prace nad projektami realizowane zgodnie z modelem V przedstawiono na rysunku 4.

Cykl życia projektu/produktu we-

(4)

reklama

w ramach dyskusji testów akceptacyjnych, jakim zostanie poddany finalny produkt.

System zaakceptowany do realizacji może następnie zostać doprecyzowa- ny z pomocą tzw. modeli przypadków

użycia. Przypadki użycia posłużą w ko- lejnych fazach projektu do przeprowa- dzenia testów integracyjnych (testów poszczególnych części) projektowanego systemu.

Na podstawie modelu przypadków użycia zespół projektowy dokonuje opracowania specyfikacji implemento- wanych funkcji stanowiących o finalnej funkcjonalności produktu. Testy modu- łowe służą do weryfikacji poprawności zaimplementowanych funkcji.

Kodowanie w modelu V jest czynno- ścią wynikającą z całego ciągu decyzji projektowych, nie zaś aktywnością samą w sobie. Takie ukształtowanie projektu skutkuje minimalizacją ryzyka osiągnię- cia założonego rezultatu – wymagania końcowe służą bowiem do realizacji prac w kolejnych fazach projektu.

Podejście zaprezentowane w ramach modelu V wspierane jest współcześnie przez oprogramowanie symulacyjne oraz IDE dla konkretnych produktów (sterowników programowalnych, pro- gramowalnych sterowników automatyki) zarówno w aspektach dynamicznej we- ryfikacji koncepcji, jak i procedur auto- matycznego generowania kodu systemu docelowego.

Rys. 4. Projektowanie mechatroniczne. Implementacja pełnego modelu V [2]

(5)

SterowNiki PLC i SyStemy SterowaNia

3.  Projektowanie systemów bazujące na modelach

W pracach [1, 3] podkreśla się wagę zastosowania podejścia projektowania systemów sterowania bazującego na modelach: obiektu sterowania oraz algo- rytmu sterowania tymże obiektem. Mo- delowanie systemów musi mieć jednak swoje uzasadnienie. Modelowanie, po- dobnie jak każda czynność projektowa, zajmuje czas i wymaga odpowiednich zasobów, zarówno ludzkich, jak i od- powiedniego sprzętu, oprogramowania, kompetencji, wiedzy, umiejętności czy paradoksalnie poziomu wykształcenia technicznego.

Model stanowi abstrakcyjne odzwier- ciedlenie systemu, którego sterowanie jest celem projektu. Czasami modele uwzględniają również środowisko – oto- czenie, w którym funkcjonuje modelo- wany system. Wraz z modelem powią- zany jest również tzw. metamodel lub inaczej model modelu – notacja, język opisu modelu o ograniczonej semantyce.

Metamodel może być zarówno graficzny,

system ma być modyfikowany i fizycznie w trakcie prac nad systemem sterowania nie jest dostępny.

Z drugiej strony, modelowanie sys- temów, a co za tym idzie – inwestycja w sprzęt i oprogramowanie wydają się nieuzasadnione, gdy projektowany jest unikalny produkt, niebędący w przy- szłości przedmiotem modyfikacji czy do- stępności na rynku w więcej niż jednym wariancie.

Jak wynika z powyższego, decyzja o modelowaniu systemu na potrzeby pracy nad systemem sterowania jest zwy- kle decyzją indywidualną.

4. Prototypowanie w systemach docelowych a podejście naukowe

Na temat prototypowania systemów sterowania powiedziano już wiele. Wie- le jest na rynku dostępnych rozwiązań oferujących wsparcie na różnych fazach projektu. To jednak, co odróżnia współ- cześnie dostępne na rynku narzędzia sprzętowe i programowe, to podejście do prac nad rozwiązaniem docelowym.

nowić będzie integralną część finalnego produktu/maszyny.

Przykłady realizacji zgodnie z podej- ściami zostaną omówione w jednym z kolejnych artykułów. Współcześnie bowiem zarówno sterowniki PLC, jak i PAC stanowią bardzo efektywne plat- formy prototypowania nowych syste- mów sterowania zgodnie z podejściem z rys. 5 b.

5.  Podsumowanie

W kolejnym artykule przybliżymy Czytelnikom technikę Hardware-in-the- -loop, stosowaną powszechnie w pro- jektowaniu systemów sterowania, po- zwalającą w bezpieczny sposób testować najbardziej innowacyjne koncepcje. Jak wynika z modelu przedstawionego na ry- sunku 1.5, technikę stanowiącą o stosun- kowo wysokim poziomie świadomości zespołu badawczego czy przedsiębior- stwa, które taką technikę stosuje w swo- ich projektach.

Literatura

Rys. 5. Podejście klasyczne (a), naukowe oraz przemysłowe (b) do zagadnienia prototypowania algorytmów

a) b)

Cytaty

Powiązane dokumenty

Takie podejście, separujące obiekt od reszty świata (innych obiektów w systemie czy poza nim), stanowiące podstawę do konstruowania diagramów stanów, pozwala na dokładną

Zależności między elementami mogą być różnego rodzaju (mogą być opatrzone stereotypami), ale tego typu informacja nie jest przenoszona przez diagramy pakietów -

 Trzeci przebieg: Dodaj asocjacje, dokonaj uszczegółowienia asocjacji: wprowadź oznaczenia liczności asocjacji, dodaj atrybuty (lub klasy asocjacji) związane z

Termin oznaczający odwzorowanie modelu pojęciowego (np. encja-związek lub obiektowego) na model lub wyrażenia języka opisu danych konkretnego SZBD

Potencjał ponownego użycia, czyli prawdopodobieństwo wykorzystania aktywu w wielu produktach jest wysokie, gdy aktyw posiada pewne pożądane właściwości, a mianowicie

 Jeśli proces sekwencyjny sprawdza się zarówno dla małych projektów, jak i dla tych z niewielką liczbą ryzyk, dlaczego nie realizować dużych projektów podzieliwszy

 Model przypadków użycia: definiuje zarówno zewnętrze systemu (aktorzy ≡ systemy zewnętrzne ≡ kontekst systemu), jak i jego wnętrze (przypadki użycia);

 Model przypadków użycia: definiuje zarówno zewnętrze systemu (aktorzy ≡ systemy zewnętrzne ≡ kontekst systemu), jak i jego wnętrze (przypadki użycia); służy określeniu