Tài liệu Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống cân trong dây chuyền saphir bằng mạng petri ppt

1 Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống cân trong dây chuyền Saphir bằng mạng Petri Sinh viên: Trương Quốc Dũng, Hồ Văn Quảng Phú - CBHD: TS Trần Đình Khôi Quốc – Dự án đào tạo kĩ

1

Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống cân trong dây chuyền Saphir bằng mạng Petri

Sinh viên: Trương Quốc Dũng, Hồ Văn Quảng Phú - CBHD: TS Trần Đình Khôi Quốc – Dự án đào

tạo kĩ sư chất lượng cao PFIEV

Tóm tắt: Hệ thống mâm cân trên dây chuyền Saphir được điều khiển bằng hệ điều hành thời gian

thực với sự hỗ trợ của phần mềm Tornado 2.2 Đề tài tập trung nghiên cứu vào cơ chế điều khiển, phối hợp tác vụ của VxWorks và ứng dụng của nó trên hệ thống Saphir Để tạo điều kiện cho người sử dụng

có thể làm chủ được hệ thống, có thể giám sát và điều khiển được dễ dàng hơn, những người thiết kế dây chuyền Saphir đã đưa vào đó cơ chế điều khiển bằng mạng Petri trên nền VxWorks Đây là một công cụ đồ hình lý thuyết cho phép phân tích, giám sát hệ thống rất hiệu quả Dựa trên nền mạng Petri sẵn có đó, đề tài sẽ tiến hành xây dựng chương trình điều khiển hệ thống cân trong dây chuyền Saphir bằng mạng Petri

Abstract: The tray- balance system of Saphir Demo is controled by the real-time operating system

VxWorks, using Tornado 2.2 This theme focus on researching about the mechanism of controling system and how to co-ordinate the intertask by VxWorks Then, research about VxWorks in Saphir Demo Because VxWorks is fairly complex, so, the designer of Saphir Demo applied PetriNets on Saphir, to help user can be the master of Saphir system PetriNets is a graph theoretic tool, that is very useful for modeling and analyzing system Based on the ready foundation of PetriNets in Saphir, this

theme will construct a program to control the tray-balance system of Saphir Demo by PetriNets

I Mở đầu

Nếu như trước đây, các hệ thống thường được thiết kế theo kiểu tuần tự, nối tiếp thì các hệ thống sản xuất hiện đại ngày nay đòi hỏi tính đồng thời, tương tác lẫn nhau, nghĩa là nhiều tác

vụ, nhiều hệ thống cùng điều khiển, cùng chia sẻ tài nguyên… Điều này đặt ra các yêu cầu về phân tích hệ thống cả về định tính lẫn định lượng Do đó, đòi hỏi phải có một mô hình hoàn thiện và mạnh mẽ để hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phân tích hệ thống

Phương pháp mạng Petri (PetriNets) là một công cụ cho phép phân tích trực tiếp và giám sát

có hiệu quả một hệ thống sản xuất thông qua các đồ hình điều khiển Lý thuyết về mạng Petri được C.A.Petri xây dựng vào đầu thập niên 60 Mạng Petri không những giúp cho việc phân tích hệ thống được thuận lợi mà còn tạo điều kiện trao đổi dễ dàng hơn giữa người thiết kế và người sử dụng

Hệ thống mâm – cân trong dây chuyền Saphir tại Chương trình Đào tạo Kỹ sư chất lượng cao

Đà Nẵng hiện đang được điều khiển bằng hệ điều hành thời gian thực VxWorks rất phức tạp

Do số lượng các tín hiệu điều khiển, các điều kiện ràng buộc trong điều khiển rất lớn nên việc giám sát quá trình điều khiển cũng như việc gỡ rối chương trình gặp nhiều khó khăn Trên cơ

sở nghiên cứu hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực VxWorks, nhiệm vụ đề tài đặt ra là xây dựng chương trình điều khiển và giám sát hệ mâm – quay của SAPHIR bằng mạng Petri

II Tổng quan về đề tài

SAPHIR là mô hình của một dây chuyền phân loại và lắp ráp tự động trong một nhà máy sản xuất, được lắp đặt tại phòng thí nghiệm CRePA của PFIEV SAPHIR có 3 phần: mâm

quay-2

cân, băng chuyền, cánh tay rôbôt Hệ thống cân (ảnh minh họa), được điều khiển bằng VxWorks, thực hiện phân loại và cấp chi tiết vào băng chuyền Băng chuyền (điều khiển bằng PLC TSX Premium) sẽ vận chuyển các chi tiết đến cánh tay rôbôt Giống như mâm – cân, cánh tay rôbôt cũng được điều khiển bằng VxWorks, nó sẽ thực hiện việc lắp ráp các chi tiết thành sản phẩm hoàn chỉnh

Trong dây chuyền SAPHIR sử dụng 8 đầu vào số, 5 đầu ra số và

1 đầu vào analog Toàn bộ các tín hiệu điều khiển, cũng như giá

trị điện áp qui đổi của khối lượng đều được đưa vào PC thông

qua card giao tiếp ax5020p, gắn trực tiếp trên mainboard của PC

điều khiển Để đảm bảo cân khối lượng chi tiết được chi tiết

được chính xác; trước mỗi lần cân cần có 1s để cân xác lập trạng

thái ban đầu; khi có chi tiết được cân, cần 0.5s để cân ổn định

giá trị cân được Như vậy toàn bộ quá trình cân mất 1.5s

Chương trình điều khiển sẽ lấy giá trị này và tiến hành phân loại

Từ những quan sát nêu trên, với mục tiêu đặt ra nghiên cứu hệ thống điều khiển và xây dựng chương trình điều khiển có khả năng giám sát sự hoạt động của hệ thống, đề tài đặt ra các nhiệm vụ cần giải quyết: Nghiên cứu về hệ điều hành thời gian thực VxWorks và ứng dụng của nó trong hệ thống cân của dây chuyền Saphir; xây dựng mạng Petri để giám sát điều khiển

hệ thống cân trên nền VxWorks sẵn có

III Nội dung chính của đề tài

1.Cơ chế điều khiển của VxWorks và ứng dụng của nó trên hệ thống cân SAPHIR

VxWorks là một hệ điều hành thời gian thực với cấu trúc tổng quát gồm hai cấp độ: hệ thống chủ và hệ thống đích Cấp độ đầu tiên, cấp độ chủ, cung cấp cho chúng ta các công cụ để xây dựng nên các trình ứng dụng (bao gồm các dự án, các trình soạn thảo, các máy con giả lập, các

bộ gỡ rối, phân tích mã lệnh và mô phỏng) Cấp độ thứ hai cung cấp một cấu trúc cơ sở, làm nền cho các hệ thống khai thác VxWorks cũng như các tác vụ thời gian thực phát triển bởi người sử dụng Việc giao tiếp giữa máy con và máy chủ được thực hiện thông qua một trạm đích nằm trên máy chủ gọi là Target-Server

Như đã nói ở trên, VxWorks là một hệ điều hành đa nhiệm thời gian thực Một trong những yêu cầu quan trọng của hệ thống thời gian thực là thời gian đáp ứng, làm sao để hệ thống có

Trình duyệt Shell

Windview

Gỡ rối

Máy con

mô phỏng

Target-Server

Trình soạn thảo

Các project

Trình ứng dụng

VxWorks

Máy con Máy chủ

3

thể phản ứng kịp thời với những thay đổi ở bên ngoài tác động đến hệ thống Đối với các hệ thống điều khiển thông thường, điều này được giải quyết bằng cách sử dụng ngắt Tuy nhiên,

ta thấy rằng việc xử lý các chương trình ngắt không phải đơn giản Hơn nữa, số ngắt dành cho một hệ thống thông thường bao giờ cũng bị hạn chế

magasinDemo_GestionPlateau (70)

semB_Demarrer_Plateau

semB_Piece_a_Pousser_V1

magasinDemo_GestionVerin1 (100)

semB_Piece_a_Pousser_V1

semB_Piece_a_Peser

semB_Poste_Peser_Libre

magasinDemo_GestionBalance (80)

semB_Piece_a_Peser

semB_Demarrer_Plateau

semB_Petite_Piece_a_Pousser_V2

semB_Grande_Piece_a_Pousser_V2

semB_Piece_a_Pousser_V2

magasinDemo_GestionVerin2 (90)

semB_Piece_a_Pousser_V2

semB_Petite_Piece_a_Pousser_V2 semB_Grande_Piece_a_Pousser_V2

semB_Poste_Peser_Libre

Tên của tác vụ (cấp ưu tiên)

Lấy cờ semTake ( )

Trả cờ semGive ( )

Thể hiện mối liên hệ giữa việc lấy

cờ và trả cờ của cùng một cờ

Đường mũi tên này sẽ bắt đầu từ hàm semGive và kết thúc tại hàm semTake của cờ đó

Chú thích

Để giải quyết vấn đề này, VxWorks đã đưa ra các cơ chế sau:

_Các tác vụ trong VxWorks hoàn toàn độc lập với nhau Mỗi tác vụ được đặt một cấp độ ưu tiên khác nhau Các tác vụ sẽ chiếm quyền ưu tiên thực hiện trên CPU dựa trên cấp ưu tiên, tác

vụ nào có quyền ưu tiên cao hơn sẽ được thực hiện trước Chỉ khi nào tác vụ có cấp ưu tiên

4

cao thực hiện xong thì các tác vụ thấp hơn mới được thực hiện Các tác vụ có cùng cấp ưu tiên

sẽ được lập kế hoạch thực hiện một cách luân phiên

_Để đảm bảo phản ứng kịp thời với các tác động bên ngoài, VxWorks cung cấp một hệ thống các cờ Các tác vụ có quyền ưu tiên thấp hơn có thể giành được quyền thực hiện nếu nó lấy được cờ tương ứng

_Ngoài cấp ưu tiên và cờ, các tác vụ trong VxWorks còn có thể được phối hợp với nhau thông qua hàng đợi tin nhắn, hoặc qua signal Đây là hai phương pháp ít phổ biến hơn để phối hợp tác vụ

Các tác vụ trong dây chuyền Saphir được phối hợp theo nhiều kĩ thuật khác nhau, trong đó việc sử dụng cờ để phối hợp là chủ yếu Sự phối hợp các tác vụ điều khiển trong hệ thống cân của Saphir có thể được minh họa trong hình vẽ ở trên

2.Xây dựng chương trình điều khiển bằng mạng Petri

Có thể nhận thấy rằng, việc xây dựng được một

chương trình điều khiển bằng VxWorks không

phải là đơn giản Như trong hệ thống mâm cân

của dây chuyền Saphir, đối tượng điều khiển ở

đây là mâm quay, hai pittông và cân, chương

trình điều khiển và cơ chế phối hợp các tác vụ

trong dây chuyền rất phức tạp Do đó, sẽ rất khó

khăn cho người sử dụng khi muốn thay đổi hoặc

điều khiển hệ thống theo một qui luật khác Để

giải quyết vấn

đề này, người thiết kế đã chọn giải pháp ứng dụng mạng Petri để điều khiển dây chuyền

Mạng Petri là một công cụ đồ hình lý thuyết, một mạng Petri bao gồm các vị trí, các chuyển tiếp, các cung nối và các token Hình bên thể hiện một mạng Petri đơn giản

Các token sẽ được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác thông qua quá trình thông của các chuyển tiếp Các chuyển tiếp thường được liên kết với một điều kiện bên ngoài, các vị trí thì được liên kết với một hoạt động cụ thể của hệ Vị trí nào chứa token thì hoạt động liên kết với vị trí đó mới được thực hiện Và token chỉ có thể chuyển từ vị trí này sang vị trí khác khi điều kiện liên kết với chuyển tiếp ở giữa chúng được thỏa mãn Với ví dụ như hình bên, vị trí P1 đang có token, nên tại đây action1 được thực hiện Khi điều kiện condition1 đúng thì chuyển tiếp T1 thông, token được chuyển từ vị trí P1 sang vị trí P2, và lúc này action2 được thực hiện

●

Chuyển tiếp

action 1 P1

P2

P3

action 2

action 3

condition1

condition2

T1

T2

T3

Điều kiện liên kết chuyển tiếp

Hoạt động liên kết vị trí

5

Trong dây chuyền Saphir, mạng Petri được mô tả bằng file *.XML, file XML này phải được viết theo đúng cú pháp do người thiết kế đặt ra Mỗi vị trí, hay chuyển tiếp phải được khai báo trong một cặp thẻ lệnh Ví dụ: để khai báo vị trí, toàn bộ các thuộc tính của vị trí phải được đặt trong cặp <place>, </place> Để VxWorks có thể hiểu được mạng Petri này, người thiết kế phải viết chương trình đọc file XML, xử lý các yêu cầu và các điều kiện liên kết Bên cạnh đó, người thiết kế cũng phải xây dựng thêm các tác vụ điều khiển (trong mã nguồn của chương trình, tác vụ này bắt đầu bằng chuỗi ‘RdP’) và tạo thêm các cờ để thực hiện phối hợp với mô hình mạng Petri do người dùng thiết kế Người dùng chỉ được phép sử dụng các yêu cầu và các điều kiện đã được định sẵn

Trên cơ sở những điều đã nghiên cứu được, đề tài đã xây dựng được mạng Petri (hình bên) điều khiển hệ thống cân với qui luật tương tự như qui luật điều khiển ở chế độ tự động Khi đã thể hiện được mạng Petri này bằng XML; file XML sẽ được tải xuống máy con bằng một phần mềm truyền file theo phương thức FTP (ở đây sử dụng phần mềm FileZilla) Khi điều khiển bằng mạng Petri, SAPHIR sẽ yêu cầu người dùng nhập vào tên file XML cần thực thi Toàn

bộ file XML đó sẽ được đọc, các yêu cầu và các điều kiện sẽ được chuyển thành các cờ tương ứng Ví dụ: yêu cầu Req_PositionerPiece (thực hiện định vị chi tiết) sẽ được chuyển thành cờ semB_ Req_ PositionerPiece Chương trình điều khiển thực hiện việc định vị chi tiết sẽ lấy cờ này để thực thi

IV Đánh giá kết quả

Chúng tôi đã thực hiện tìm hiểu cơ chế điều khiển của VxWorks, nắm được một số kĩ thuật cơ bản để tiến hành xây dựng một ứng dụng cụ thể điều khiển dựa trên nền VxWorks, mà cụ thể

là thực hiện điều khiển card FASTLAB (xuất xung độc lập, xuất, nhận dữ liệu analog)

Đồng thời, dựa trên nền có sẵn của mạng Petri, chúng tôi đã tiến hành xây dựng cấu trúc mạng Petri để điều khiển cho toàn bộ hệ thống mâm –cân của dây chuyền Saphir

● T1 P1

P2

T3 P3

P4

Req_PositionerPiece

T2

Req_SortirVerin1 CR_SortirVerin1 Req_RentrerVerin1 CR_RentrerVerin1

Req_IdentifierPieces

CR_PositionerPiece

T3

P3 Req_TarageBalance CR_TarageBalance

CR_IdentifierPieces;

VEi<600

CR_IdentifierPieces;

VEi>=600

Req_SortirVerin2 CR_SortirVerin2 Req_RentrerVerin2 CR_RentrerVerin2;

i = i +1

i < 2

i >= 2

●

T1 P1

P2

T3 P3 T2 Req_SortirVerin1

CR_SortirVerin1

Req_RentrerVerin1 CR_RentrerVerin1;

i = i -1

i != 0

Req_ArreterPlateau

CR_DemarrerPlateau Req_DemarrerPlateau

Req_ArreterPlateau

P5

P6

P7

T4

T6

T5

T7

Một số vi dụ về mạng Petri trên mô hình Saphir

6

Với cách thức xây dựng mạng Petri như vậy, người dùng hoàn toàn có thể giám sát toàn bộ hoạt động của dây chuyền Saphir Nếu muốn thay đổi qui luật điều khiển của dây chuyền chỉ đơn giản là thay đổi vị trí của các vị trí và các chuyển tiếp

Như vậy ta có thể thấy rằng, mạng Petri không chỉ là một công cụ phân tích hệ thống mà việc ứng dụng mạng Petri vào điều khiển cũng đem lại nhiều tiện lợi cho người sử dụng

V Kết luận

Với những gì đã đạt được, chúng tôi thiết nghĩ, đó mới chỉ là những ứng dụng cơ bản nhất, chỉ khai thác được một phần rất nhỏ khả năng của hai công cụ VxWorks và mạng Petri Đây là hai công cụ còn rất mới ở Việt Nam, trong khi đó phạm vi ứng dụng của hai công cụ này là rất rộng lớn

Tài liệu tham khảo

[1] Du Gracef aux réseax de Petri, René David, Hassane Alla

[2] Tornado User Guide

[3] VxWorks5.5 programer guide

[4] Edifac software User Manual