Simulace virtuálních zařízení

Simulace virtuálních zařízení

Úkolem simulace virtuálního zařízení je otestovat funkci programu v PLC tak, aby ve chvíli, kdy PLC bude připojen k reálnému zařízení, byl jeho program plně odladěn a připraven pro řízení bez jakýchkoliv dodatečných nákladů či zdržení při úpravách programu na konkrétní podmínky.

Nástup výpočetní techniky člověku umožnil využívat nový způsob předpovědí - simulaci. Vytvořený program zpracuje vložená vstupní data zahrnující jak vlastnosti a strukturu zkoumaného objektu, tak vlastnosti a působení jeho okolí. Takto získané výsledky porovnáváme se skutečností. Jestliže naše odhady odpovídají skutečnosti, zobecníme je a vytvoříme standardní postupy pro řešení obdobných situací. Pokud ale naše předpověď chování studovaného objektu nebude odpovídat skutečnosti nebo předem daným požadavkům, je třeba najít chyby a snažit se jich do budoucna vyvarovat. Mezi hlavní přínosy simulace patří možnosti:

• vytvářet a testovat hypotézy o tom, jak systémy fungují;
• lépe navrhovat nové systémy;
• „nanečisto" si vyzkoušet efekt různých zásahů do systémů;
• předvídat budoucí vývoj systémů.

Vytváření simulací nás nutí zabývat se mnoha faktory působícími na daný systém nebo objekt, formulovat vztahy mezi částmi systému, přemýšlet, co všechno je třeba do simulace zahrnout tak, že nám často odkryje možnosti a souvislosti, na které bychom jinak nepřišli. Simulace je jinými slovy možnost, jak efektivně uspořádat naše myšlenky a vyhodnotit výsledky našeho zkoumání.

Řešení simulace virtuálního zařízení

Simulace systému je používána v mnoha oblastech, jako je např. výzkum, vývoj projektů nebo výuka. Zabývá se zkoumáním vlastností určitého systému nebo jeho dynamikou, a to pomocí experimentů s jeho modelem. Simulace lze provádět jak na projektovaných, tak na fyzicky existujících objektech. Jedním z prvních kroků je definice zkoumaného objektu a simulovaného systému. První definicí rozumíme stanovení požadavků na projektovaný objekt. Definice simulovaného systému představuje určení hlediska zkoumání objektu a volbu úrovně rozlišení. Hledisko závisí především na účelu zkoumání. Úroveň rozlišení nám umožní oddělit podstatné poznatky od nepodstatných.

Před zahájením tvorby modelu bychom měli mít jasnou představu o struktuře systému, podsystémů a způsobu jeho zpracování. Návrh samotného systému může vycházet např. z matematického modelu zkoumaného systému. V matematickém popisu modelu rozlišujeme:

• stavové proměnné (veličiny, které reprezentují stav systému v jakémkoli okamžiku jeho existence);
• přenosové funkce (vztahy, které vyjadřují interakce mezi prvky systému, resp. mezi prvky systému a okolím);
• vynucující funkce (vstupní veličiny nebo faktory ovlivňující chování systému);
• parametry (konstantní veličiny charakterizující systém).

Realizovaný model je považován za správný v případě, že odpovídá představě o simulovaném systému. Další fází v procesu simulace je ověření, zda takto vytvořený systém splňuje předem stanovené požadavky a zda je realizovatelný. Pokud se jeden z posledních dvou kroků nepodaří ověřit, je třeba se vrátit k předchozím fázím a provést korekci. Míra úprav potom závisí na rozsahu či charakteru zjištěných nesrovnalostí.

Algoritmizace simulačního modelu

Při vytváření modelu hraje významnou roli lineární algebra. K matematickému popisu struktur systému se využívá především matic. Diferenční nebo diferenciální rovnice se nejčastěji uplatňují při konstrukci modelu. Pomocí těchto rovnic se simulují časové změny stavových proměnných systému. Diferenční rovnice reprezentují změny, které se uskutečňují v průběhu diskrétních časových úseků. Diferenční rovnici můžeme zapsat ve tvaru:

kde V_t představuje vektor stavových proměnných v čase t a f(V_t, t) soustavu rovnic.

Diferenciální rovnice popisují změny, které probíhají v čase spojitě. Diferenciální rovnici můžeme zapsat ve tvaru:

Vedle obyčejných diferenciálních rovnic a jejich soustav se při modelování systému poměrně často setkáváme i s parciálními diferenciálními rovnicemi a jejich soustavami. Rovnice modelu řešíme vhodnou numerickou metodou.

PLC

PLC automaty (Programmable Logical Controller) se začaly používat ve druhé polovině 20. století v USA. Zpočátku bylo jejich využití malé. Byly schopny řídit pouze jednoduché logické obvody. Na základě pozitivních zkušeností a dalších výzkumů se časem jejich využitelnost podstatně zvětšila. Dnes tyto automaty představují možnost, jak efektivně realizovat matematické operace, zpracovávat různé druhy signálů nebo přesouvat data. PLC tedy nabízí řešení problému řízení jak relativně jednoduchých zařízení (např. klimatizační jednotky), řízení aplikací v průmyslu, tak i řízení složitých strojů jako součást CNC systémů. 

V současné době u nás neexistuje software, který by umožňoval v nějaké aplikaci přijímat a odesílat signály z/do PLC a pomocí těchto signálů řídit sestrojené virtuální zařízení nebo jeho součást. Moderní software pouze simuluje chování zařízení v rámci softwaru, ve kterém bylo zařízení vytvořeno. Všechnu simulační činnost ale vykonává procesor. PLC je programováno až při uvedení zařízení do provozu. Touto problematikou se v dnešní době zabývá mnoho firem, ať již programátorských nebo výrobců různých zařízení.

Simulace virtuálního zařízení

Úkolem simulace virtuálního zařízení je otestovat funkci programu v zařízení PLC tak, aby ve chvíli, kdy PLC bude připojen k reálnému zařízení, byl jeho program plně odladěn a připraven pro řízení bez jakýchkoliv dodatečných nákladů či zdržení při úpravách programu na konkrétní podmínky. Tato činnost proběhne v průběhu simulace a do provozu bude poté připojován již PLC automat s plně odladěným programem. Za tímto účelem je v PC vytvořen simulovaný virtuální stroj, který je ovládán pomocí PLC stejným programem jako skutečný stroj. Prostředí pro vytvoření virtuálního stroje musí být jednoduché a intuitivní tak, aby návrh virtuálního stroje nepřinášel zvýšené náklady a zbytečně neprodlužoval dobu vývoje. Pro vytvoření virtuálního stroje je možné použít různá prostředí. Jedním ze způsobů je realizace pomocí OpenGL (tento způsob byl úspěšně realizován), další způsob, který je vyvíjen v současné době, je simulace v prostředí SolidWorks. V obou případech je komunikace s řídicím automatem PLC zajištěna sadou funkcí v jazyce Visual Basic. Je vidět, že řešení je poměrně variabilní a v zásadě je nezávislé na konkrétním prostředí pro simulaci a vizualizaci.

Snadné programování je základní vlastností automatů PLC. Během pár týdnů by se měl odborník v daném oboru (strojírenství, automobilový průmysl,...) dokázat orientovat v daném typu PLC a umět jej naprogramovat. Vysoká spolehlivost, nízká cena a jednoduchost (ve srovnání se osobními počítači) predeterminovala značné rozšíření PLC do všech průmyslových oblastí. Bohužel, jednotliví výrobci PLC nemají ustanoven jednotný programovací jazyk (jako například u PC), ale každý výrobce používá vlastní způsob programování. Avšak jako je tomu u osobních počítačů, i zde je programování natolik podobné, že přejít z jednoho typu programovacího jazyka do jiného není složité.

OpenGL

Vykreslování může být realizováno pomocí knihovny OpenGL od firmy Silicon Graphics. Tato knihovna konkuruje grafické knihovně DirectX od firmy Microsoft a má především tu výhodu, že je více nízkoúrovňová a hlavně přenositelná.

Animace v OpenGL se provádí pohybem souřadnic bodů nebo jejich rotacemi. Pokud chceme rotovat nebo posouvat větší množství bodů, uzavírají se do bloku příkazu glPushMatrix a glPopMatrix, které uloží do zásobníku aktuální matici a pak ji ze zásobníku zase vyzvednou.  Tím pádem má skupina bodů zadaných v tomto bloku stejnou matici a transformace se týkají jen těchto bodů - rotace a posuny jsou po zavolání glPopMatrix ve stavu, ve kterém byly před zavoláním glPushMatrix.

SolidWorks

Dnes si již neumíme představit operativní navrhování a konstrukci bez použití CAD systémů. Tyto systémy řeší nejen vlastní konstrukční část předvýrobní etapy výroby, ale také možnosti modifikací již stávajících výrobků. SolidWorks je celosvětově používaný software, který našel uplatnění v mnoha oblastech. Využívá se například ve spotřebním průmyslu, ve strojírenství při vývoji nejrůznějších typů strojů nebo v lékařství, kde se s jeho pomocí vytvářejí různá diagnostická zařízení, implantáty nebo chirurgické nástroje. SolidWorks má implementován interní jazyk pro tvorbu či záznam maker a podporuje také jazyky Visual Basic a Visual C++. SolidWorks umožňuje díky integrovanému modulu např. publikovat interaktivní 3D modely na internetu.

Závěr

Předmětem výzkumu je rozšíření oblasti počítačového modelování a simulace o možnost simulovat chování zařízení za pomoci programovatelného automatu. Simulace zařízení, které je konstruktéry navrženo v CAD softwaru, resp. OpenGL, tak nebude řízena procesorem PC, ale automatem PLC, který posléze odladěným programem bude řídit skutečný stroj.

Jako součást výzkumu byla vytvořena sada procedur a funkcí, jež umožňují komunikovat po paralelním rozhraní s programovatelným automatem Tecomat NS 951, který dokáže řídit navržený stroj. Lze vytvořit libovolné zařízení nebo jeho součást a ověřit, zda program napsaný pro PLC dokáže správně řídit vytvořené zařízení, popřípadě je-li zařízení či součást navržena správně. V současné době je práce omezena pouze na simulaci jednoho zařízení, avšak v praxi může sloužit pro návrh a simulaci celé soustavy.

Další práce by měla směřovat k vytvoření add-in pro SolidWorks ve Visual Basic for Applications a následné simulaci zařízení vytvořeného v CAD systému za podpory PLC. Dále pak k vytvoření dalších komunikačních protokolů pro komunikaci PC a PLC - protokoly pro komunikaci po RS232 a hlavně pro komunikaci po moderním rozhraní USB.

Mgr. Jan Škoda

TU v Liberci

//www.tul.cz

skoda@vosvdf.cz