Управление жизненным циклом мехатронных систем

УДК 004.89:004.4

Д.Ю. Петров, Д.В. Лукьянов, И.В. Ефимов УПРАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Предложен подход к управлению жизненным циклом мехатронных систем на основе современных информационных технологий. На примере сочлененного модульного мобильного робота рассмотрена разработка его механических, электрических и программных компонентов.

Мобильный робот, управление, жизненный цикл, иМЬ

D.Yu. Petrov, D.V.Lukianov, I.V. Ephimov

LIFE CYCLE OF MECHATRONIC SYSTEMS MANAGEMENT

It was proposed lead-up to life cycle of mechatronic systems management on base of modern informatics technologies. Elaboration of it’s mechanical, electrical and program components was considered in terms of linked module mobile robot.

Mobile’s robot, plant life-cycle management, UML

Введение. Мехатроника - наука, находящаяся на стыке таких наук, как механика, электроника, информатика и теория управления. Она посвящена созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением. Специалисты-футурологи прогнозируют, что в начале XXI века именно мехатронные технологии окажут революционное влияние на жизнь человечества. Подобное повышение эффективности функционирования и конкурентоспособности машиностроительных предприятий в современных условиях невозможно без автоматизации управления жизненным циклом продукции (PLM - Product Lifecycle Management). Концепция PLM предполагает интеграцию в единой базе данных предприятия исчерпывающей информации об изделиях и производственных процессах на всех этапах жизненного цикла. Системы PLM объединяют САПР, CAM, PDM и технологии производства в единое целое с новыми качественными возможностями и обеспечивают предприятиям лидирующие позиции посредством инновационного совершенствования изделий.

1. Программная среда для управления жизненным циклом изделия. Одной из наиболее эффективных PLM-систем является система компании Siemens PLM Software (рисунок), которая состоит их трех подсистем: проектирования изделий «NX 6»; автоматизированной подготовки производства «Tecnomatix 8»; управления и хранение информации об изделиях «Teamcenter».

Как разработать? Как спланировать? Как изготовить? Как обслужить?

NX б

Tecnomatix В

Управление

требованиями

спецификации

стандарты

Конструи\СтруктураСтруктура \\ Анализ "^Послепродажное '

ование \продукта ^процесса \\производства ^обслуживание

изделие

процесс

опеоацш

группа/партия дата/время позиция

документация

рекламации

требования

Teamcenter

Структура PLM-системы компании Siemens PLM Software

Подсистема «МХ 6» обеспечивает: 1) разработку концепции изделия; 2) конструирование изделия; 3) моделирование и анализ технических характеристик изделия; 4) проектирование технологической острастки; 5) разработку технологических карт; 6) программирование станков с ЧПУ [1]. Весь этот комплекс задач решается на основе трехмерной модели изделия и обеспечения совместной работы больших коллективов разработчиков.

Подсистема «Театее^ег» объединяет детальную информацию об изделиях, технологических процессах, производстве и обслуживании, а также обо всех участниках этих процессов, в рамках единой среды РЬМ. Это позволяет синхронизировать выполнение работ, повышать производительность труда и стимулирует разработку высококачественных и конкурентоспособных изделий.

Подсистема «Теепотаих 8» повышает прогнозируемость результатов техпроцессов, позволяет определять оптимальные способы производства, учесть технологические особен-

99

ности на этапе проектирования изделий, моделировать реальные технологические процессы в виртуальной среде. Объектами описания производственного процесса являются: изделия, технологические процессы, ресурсы, оборудование и структура предприятия. При описании эти объекты связываются ассоциативными связями и моделями отношений.

Таким образом, решения компании Siemens PLM Software позволяют создать высокоэффективную автоматизированную систему управления машиностроительными предприятиями, обеспечивающую сокращение производственных издержек, повышение управляемости производства, повышение качества выпускаемой продукции и прибыли за счет сокращения времени на разработку новых изделий и увеличения периода их продаж. Возможности интегрированной системы управления машиностроительным производством Siemens PLM Software изучаются студентами Саратовского государственного технического университета на специальностях «Автоматизированные системы обработки информации и управления», «Приборостроение» и «Роботы и робототехнические системы».

2. Разработка мобильного робота в системе автоматизированного проектирования NX. Одним из основных компонентов автоматизированных машиностроительных предприятий являются мобильные роботы (МР). Создание МР является исключительно важной перспективной государственной задачей. Именно поэтому к ее решению привлечены не только многие вузы и институты РАН, но и предприятия различных ведомств. Вопросы проектирования, изготовления и применения МР необходимо рассматривать в единой системе предприятия. Эффективным средством проектирования МР является NX 6. Эта система обеспечивает формирование всего комплекса конструкторской и технологической документации, позволяет разрабатывать трехмерные модели МР, начиная от проектирования отдельных узлов МР, решить проблемы, связанные с размещением элементов ходовой части, до расчета нагрузок и ударных воздействий на МР в целом. В данной среде разрабатываются и электронные компоненты МР. Вычислительная система МР состоит из: процессора 1 - ориентация робота обработка данных периферийных устройств (акселерометр, гироскоп, GPS, ГЛОНАСС) по интерфейсам USB, Ethernet, SPI, CAN; процессоров 2 и 3 - обработка видеоизображения с камеры по интерфейсу Ethernet или USB; процессора 4 - планирование трассы робота, управление движением (DO, AO), обработка информации с датчиков (DI, AI) и периферийных устройств (WiFi, сервоприводы и др.) по интерфейсам USB, Ethernet, RS232/485; модуля 16 дискретных входов; модуля 16 аналоговых входов; модуля 16 дискретных транзисторных выходов; модуля 8 аналоговых выходов; сервопривода для левого и правого двигателей (управление двигателем через RS232 или аналоговый выход).

Применение решений Siemens PLM Software позволяет ускорить и повысить эффективность разработки конструкторской и технической документации на механические и электрические компоненты МР.

3. Методика управления жизненным циклом программного обеспечения МР. Для разработки системы управления МР применена методика управления жизненным циклом программного обеспечения Harmony. Эта методика реализована в среде визуального моделирования Rhapsody на основе нотаций UML 2.1. и SysML [2]. Для разработки программной модели системы управления МР в Rhapsody необходимо создать: диаграмму прецедентов, структурную диаграмму, диаграммы последовательности и состояний.

Разработка системы управления МР начинается с определения требований к ней. Для хранения сформулированных требований и их изменений в процессе разработки системы управления МР используется программный пакет Doors. Требования передаются в среду визуального моделирования Rhapsody, которая обеспечивает модельно-управляемую разработку (Model Driven Development) программного обеспечения для встраиваемых систем.

В диаграмме вариантов использования (ВИ) (прецедентов) определены рамки исследуемой системы, взаимосвязи ее элементов между собой и взаимодействие системы с внешними подсистемами (актерами). Каждый из ВИ формируется на основе требования и описывает в виде вербальных алгоритмов часть функциональности системы. ВИ возвращает результат своей работы актерам, не раскрывая деталей внутренней реализации этой функцио-

нальности. В структурной диаграмме из ВИ формируются подсистемы в виде программных объектов и описываются порты взаимодействия этих объектов и внешних подсистем.

При моделировании одновременно выполняется автоматическая кодогенерация на языках программирования С, С++, Java в интегрированной среде разработки QNX Momentics IDE для операционной системы жесткого реального времени QNX Neutrino. Rhapsody позволяет протестировать текущие результаты на любом этапе процесса разработки: от анализа требований до готовой встраиваемой системы и сократить его. Rhapsody поддерживает инструменты конфигурационного управления (Subversion, CVS и др.).

Основой сложных встраиваемых систем являются операционные системы жесткого реального времени: LynxOS-178, VxWorks AE 653, Microware OS-9, OC2000, QNX Neutrino [3]. По критерию технологической независимости в России можно использовать только операционные системы QNX Neuntino и OC2000. Интегрированная среда разработки IDE Momentics обеспечивает, помимо разработки и компиляции приложений встраиваемых систем для работы в операционной системе QNX Neutrino для нескольких аппаратных платформ (MIPS, PowerPC, StrongARM/xScale, SH-4, x86), их отладку, анализ производительности и системное профилирование. Она позволяет проанализировать взаимодействия процессов и потоков, эффективность обработки прерываний, т.е. поведение системы в целом в условиях лимита времени. Микро-ядерная архитектура QNX и сеть Qnet позволяют реализовать вычислительные кластеры для распараллеливания вычислений и повышения надежности вычислительной системы в целом.

Для верификации программного кода используется система Rhapsody Automatic Test Generator (ATG). Она автоматически генерирует все возможные комбинаций входных данных для покрытия условий и ветвей программного кода (Modified Condition/Decision Coverage (MC/DC)) в соответствии с ГОСТ Р ИСО/МЭК 51904-2002

Применение среды моделирования Rhapsody повышает эффективность разработки системы управления МР. Предложенная программная модель системы управления обеспечивает легкую адаптацию ее к различным областям применения (патрулирование территории, экологический мониторинг и разведка местности) с учетом их специфических требований к функционированию и дополнительным аппаратным средствам.

Использование предложенного подхода к управлению жизненным циклом мехатрон-ных систем позволяет повысить эффективность, качество и скорость их разработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. NX для консгруктора-машиносгроителя / Гончаров П.С. и др. - М.:ДМК Пресс, 2010. 540 с.

2. SWD Software [Электронный ресурс]: Douglass B. Real-Time UML Workshop for Embedded Systems, 2007 - Режим доступа: http://www.swd.ru/Press_Ready/Douglass Book.pdf.

3. ИТМиВТ РАН им. С. А. Лебедева [Электронный ресурс]: Клепиков В.И. и др. ОСРВ

для авионики: обзор. Режим доступа: http://www.ipmce.ru/about/press/popular/rdc

news05052008.

Петров Дмитрий Юрьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Лукьянов Денис Владимирович -

студент Саратовского государственного технического университета Ефимов Илья Владимирович -

студент Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 25.09.09, принята к опубликованию 25.11.09