CC BY
0
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-12-415-416
МЕТОД ОБНОВЛЕНИЯ КОДА ДАТЧИКОВ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПРОТЕКАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
А.В. Анцев, Е.С. Янов, Д.П. Барсуков, А.П. Цивенкова
В статье представлена информационно-измерительная система (ИИС) косвенного контроля параметров технологических систем. Рассмотрены иерархическая архитектура ИИС, состоящая из четырех уровней. Более подробно рассмотрена структура диагностических модулей ИИС и показана актуальность задачи разработки метода обновления программного кода датчиков диагностических модулей. Показано, что решить указанную задачу можно с помощью разработки специального устройства для обновления кода микроконтроллеров датчиков двумя способами: путем программной реализации перезагрузки микроконтроллера датчика для входа в режим его программирования и установка кнопки в цепь питания датчика, управляемой устройством для обновления кода микроконтроллера. Исследованы преимущества и недостатки предложенных способов. Представлены электрическая схема устройства для обновления кода микроконтроллеров, тестовая сборка устройства и осциллограммы сигналов для случая с использованием программной реализации перезагрузки микроконтроллера и случая с использованием транзистора в цепи питания микроконтроллера. Предложенный метод обновления программного кода микроконтроллеров датчиков диагностических модулей системы мониторинга и предиктивной диагностики состояния промышленного оборудования позволяет проводить обновление программного кода без снятия датчиков диагностических модулей, установленных в труднодоступных местах оборудования с использованием уже существующих каналов связи, что позволяет минимизировать затраты при добавлении нового функционала в датчики, исправлении ошибок в программном обеспечении и настройке датчиков.
Ключевые слова: технологическое оборудование, диагностический модуль, косвенный контроль, датчик вибрации, датчик тока, микроконтроллер, обновление программного кода.
Стратегия экономической безопасности Российской Федерации на период до 2030 года, утвержденная Указом Президента Российской Федерации от 13 мая 2017 г. № 208 «О Стратегии экономической безопасности Российской Федерации на период до 2030 года» [1], определяет одной из целей государственной политики в сфере обеспечения экономической безопасности поддержание потенциала отечественного оборонно-промышленного комплекса на уровне, необходимом для решения задач военно-экономического обеспечения обороны страны.
В документе также отмечается, что обеспечение устойчивого роста реального сектора экономики достигается за счет устойчивого развития стратегически значимых организаций оборонно-промышленного комплекса, а также расширения использования производственно-технологического и инновационного потенциала организаций оборонно-промышленного комплекса для развития производства продукции гражданского назначения [1]. При этом в условиях санкционного давления и роста конкуренции на рынке высокотехнологичной продукции, предприятиям машиностроения необходимо постоянно адаптироваться к изменяющейся обстановке.
Для изготовления продукции нужны средства труда, такие как инструменты, машины, оборудование, производственные здания и сооружения, соответственно эффективность предприятия можно оценить по возможности максимально полно использовать имеющиеся ресурсы. Так как основными технологическими процессами в машиностроении являются механическая обработка деталей на различных станках, в частности на станках с числом программным управлением (ЧПУ), то доступ к оперативной и достоверной информации о состоянии оборудования и контроль соблюдения технологической дисциплины, влияющей на эффективность его использования является актуальной задачей.
Оперативный контроль состояния оборудования возможно осуществлять различными способами, но наиболее перспективным является внедрение в производство информационно-измерительных систем (ИИС). Существующие системы контроля станков, такие как АИС Диспетчер [2], Foreman [3], Winnum CNC [4], Навиман [5], CNC-VIZION [6], Omative [7], Montronix [8], Prometec [9] и другие, подробно рассмотренные в [10], требуют прямого подключения к системе управления оборудованием, что в соответствии с Постановлением Правительства «Об утверждении Правил категорирования объектов критической информационной инфраструктуры Российской Федерации, а также перечня показателей критериев значимости объектов критической информационной инфраструктуры Российской Федерации и их значений» от 08.02.2018 №127 [11], повлечёт повышение категории значимости объекта критический информационной инфраструктуры, с учетом данных о последствиях нарушения или прекращения функционирования применяемых программных и (или) программно-аппаратных средств.
Повышение значимости объекта КИИ приводит к высоким издержкам на обеспечение информационной безопасности, что в частных случаях нивелирует прибыль от внедрения диагностической системы, а использование импортных систем мониторинга и диагностики является угрозой информационной безопасности в условиях «гибридной войны». Обеспечение информационной защиты может быть достигнуто за счёт применения ИИС косвенного контроля состояния станка. Преимущества и недостатки существующих ИИС, использующие методы прямого и косвенного контроля рассмотрены в [12].
В работе [13] представлена ИИС, представляющая собой киберфизическую систему мониторинга и пре-диктивной диагностики состояния промышленного оборудования (станка), основанная на косвенных методах оценки состояния технологических систем. Рассматриваемая ИИС реализует концепцию Индустрии 4.0, объединяя физические компоненты (датчики, технологическое оборудование) с кибернетическими (вычислительные мощности, алгоритмы обработки данных, сетевая инфраструктура). В основе методов диагностики применяется измерение уровней вибрации и контроль потребляемой мощности, с применением МЭМС акселерометра и датчика тока соответственно.
ИИС имеет иерархическую архитектуру, включающую следующие уровни:
- уровень сбора данных: датчики, установленные на станке и в производственном помещении, регистрируют физические параметры, такие как вибрация, ток, температура, влажность и концентрация ТО2.
- уровень обработки данных: диагностический модуль выполняет предобработку (фильтрация, унификация формата), анализ данных (выявление аномалий, корреляций), формирование диагностических сообщений и прогнозов.
- уровень представления данных: панель оператора отображает информацию о состоянии станка в режиме реального времени.
- уровень хранения и анализа данных: сервер хранит исторические данные, предоставляя доступ авторизованным пользователям через рабочее место пользователя ИИС.
Архитектура ИИС, реализующая данную концепцию, представлена на рис. 1.
J, U li I I k I ll'kV К модуль
Дщчяя
темпероту pw Ii
i Датчик BiTopariTiH Панель оператора влаиииняи Unii [ок Вибрация „ Собранные дадим; __Смкшныс ins__
. .......... Со*+5в
Днчнк
+-5В
'Электроэнергия Дотчиктмса Команды управления
углекислого пата » - П- Информация -------------------------------J
Рабочее место пользователя ИИС
а
Сервер
I Ii >рма 1 Lhiii
ПА 2KB ПА 2Й®
Рис. 1. Архитектура предложенной ИИС
Структура диагностических модулей ИИС представлена на рис. 2. В процессе эксплуатации ИИС может возникнуть необходимость обновления кода микроконтроллеров датчиков 4 и 5 (см. рис. 2). Обычно код записывается в кристалл микроконтроллера при помощи специальных устройств, называемых программаторами. В рассматриваемой ИИС датчики построены на основе микроконтроллера ATmega328P и обмениваются с диагностическим модулем с использованием специальной коммуникационной платы RS232. В случае, когда требуется обновить код датчиков, уже установленных на технологическом оборудовании в труднодоступных местах и подключаемых с использованием коммуникационной платы RS232, процесс обновления кода усложняется. Использование коммуникационной платы не позволяет передавать сигнал RST или DTR от программатора USB-TTL для перезапуска микроконтроллера ATmega328P в автоматическом режиме, также отсутствуют свободные контакты для передачи сигнала в соединительном проводе, поэтому необходимо решить задачу разработки метода обновления программного кода датчиков диагностических модулей.
Решить указанную задачу можно с помощью разработки специального устройства для обновления кода микроконтроллеров датчиков двумя способами (рис. 3):
1) программная реализация перезагрузки микроконтроллера датчика для входа в режим его программирования;
2) установка кнопки в цепь питания датчика, управляемой устройством для обновления кода микроконтроллера.
Первый способ имеет преимущество в том, что не требует установки дополнительных элементов в цепь питания датчиков, так как изменение электрической цепи питания негативно влияет на надёжность работы программатора и коммутационных плат. Минусом первого способа является то, что программная реализация перезагрузки микроконтроллера датчика для входа в режим его программирования должна быть реализована и запрограммирована в микроконтроллере датчика заранее. Если это не было сделано, то после установки датчика в труднодоступные места технологического оборудования единственной альтернативой будет использование второго способа обновления кода микроконтроллеров датчиков.
Электрическая схема разработанного устройства, реализующего первый способ, представлена на рис. 3, а. Программатор U2 с помощью разъема J1 подключается к USB-порту компьютера с установленной средой разработки Arduino IDE. Через коммуникационную плату RS232 U3 программатор подключается к разъему J2. Разъем J2
используется для подключения перепрограммируемого датчика без снятия его с технологического оборудования с помощью имеющегося соединительного провода, соединяющего датчик с панелью оператора во время нормальной эксплуатации.
Рис. 2. Структура диагностического модуля: 1 - металлический корпус; 2 - панель оператора; 3 - трансформатор тока; 4 - модуль контроля тока; 5 - датчик контроля вибрации
иг
СНЗ-10С
л
Ц5В 4 3
гИсС
£
ча; IX их
см и
л
гмзвса
ш
7П кОн
-СП—
У
УУауеаНагй К5232
715—
УСС тхо
СИО КХ1Э
ТХО £N0
юс о
ГЕ
J2
оеэр
д е
Рис. 3. Электрическая схема устройства для обновления кода микроконтроллеров, тестовая сборка устройства и осциллограммы сигналов: а, в, д - с использованием программной реализации перезагрузки микроконтроллера; б, г, е - с использованием транзистора в цепи питания микроконтроллера
б
а
Способ программной реализации перезагрузки устройства работает следующим образом. При работе с микроконтроллером ATmega328P и средой разработки Arduino IDE имеется возможность использовать функцию «asm volatile("jmp 0x7800")», которая выполнит безусловный переход по указанному адресу 0x7800 при получении байта информации по интерфейсу UART. Данный адрес определяется настройками Fuse High Byte, и соответствующим началом секции загрузчика. При переходе по данному адресу осуществляется автоматическая перезагрузка микроконтроллера датчика для входа в режим его программирования.
Собрана тестовая схема, отражающие реальное расположение компонентов (рис. 3, в). Просмотр информационных сигналов осуществляется с помощью логического анализатора. Подробнее рассмотрим осциллограмму сигналов, соответствующую первому способу (рис. 3, д):
1. Микроконтроллер (МК) со старым программным кодом с периодичностью в 200 мс отправляет строку «test» в COM-порт (канал TX).
2. Инициализируется установка новой программы. Заранее подготовленный командный файл выполняет отправку контрольного символа. После проверки данного символа МК выполняет безусловный переход в начало области загрузчика и ожидает поступления данных по каналу RX.
3. Происходит установка новой программы.
4. Микроконтроллер с периодичностью в 200 мс отправляет строку «new» в COM-порт (канал TX), что свидетельствует об обновлении программного кода МК.
При разработке устройства, реализующего второй способ, за основу было взято устройство, предложенное в работе [14]. Электрическая схема разработанного устройства представлена на рис. 3, б. По сравнению со схемой, представленной на рис. 3, а, в цепь питания МК был добавлен биполярного PNP транзистор U1, являющийся нормально замкнутой кнопкой, и токоограничивающий резистор R1 для управлением транзистором U1.
Собрана тестовая схема, отражающие реальное расположение компонентов (рис. 3, г). Подробнее рассмотрим осциллограмму сигналов, соответствующую второму способу (рис. 3, е):
1. МК со старым программным кодом с периодичностью в 200 мс отправляет строку «test» в COM-порт
(канал TX).
2. Инициализируется установка новой программы. Устанавливается высокий уровень сигнала DTR, что приводит к закрытию биполярного транзистора. После падения сигнала DTR МК перезапускается и ожидает поступления данных по каналу RX.
3. Происходит установка новой программы.
4. Микроконтроллер с периодичностью в 200 мс отправляет строку «new» в COM-порт (канал TX), что свидетельствует об обновлении программного кода МК.
Предложенный метод обновления программного кода микроконтроллеров датчиков диагностических модулей системы мониторинга и предиктивной диагностики состояния промышленного оборудования позволяет проводить обновление программного кода без снятия датчиков диагностических модулей, установленных в труднодоступных местах оборудования с использованием уже существующих каналов связи, что позволяет минимизировать затраты при добавлении нового функционала в датчики, исправлении ошибок в программном обеспечении и настройке датчиков.
Список литературы
1. Постановление Правительства РФ «О внесении изменений в государственную программу Российской Федерации "Развитие оборонно-промышленного комплекса"» от 28.12.2021 г. № 2511-89 [Электронный ресурс] // Правительство России. URL: http://government.ru/docs/all/138892/ (дата обращения: 19.10.2024).
2. Ловыгин А. СМПО Foreman - промышленный Интернет для российских предприятий // САПР и графика. 2017. № 2. С. 37-42.
3. Диспетчер - Система мониторинга промышленного оборудования и промышленных машин [Электронный ресурс] // Цифра - технологии цифровизации для повышения эффективности промышленности. URL: https://www.zyfra.com/product/dispatcher/ (дата обращения: 19.10.2024).
4. WINNUM Станки - мониторинг, контроль и анализ работы станков с ЧПУ и без. Цифровой двойник производства [Электронный ресурс] // Компания WINNUM - глобальный поставщик решений для Промышленного Интернета Вещей. URL: https://winnum.io/solution/ncmachines/ (дата обращения: 19.10.2024).
5. Naviman - Навигационная система управления производством [Электронный ресурс] // СОЛВЕР Инженерный консалтинг. URL: https://www.solver.ru/products/proizvodstvennaya-navigatsiya/ (дата обращения: 19.10.2024).
6. CNC-Vision - мониторинг станков и оборудования (контроль и диспетчеризация) [Электронный ресурс] // CNC-Vision. URL: http://cnc-vision.ru/ (дата обращения: 19.10.2024).
7. Системы Адаптивного Регулирования OMATIVE ACM для металлообрабатывающих станков с ЧПУ. Техническая Спецификация [Электронный ресурс] // URL: https://intechnology.ru/img/file/11-03-2015/08-09-2015/omative_acm_i_ais_dispetcher_tehnicheskaya_speciaifkaciya.pdf (дата обращения: 19.10.2024).
8. MONTRONIX - активная система защиты вашего станка от аварий и перегрузок [Электронный ресурс] // URL: https://promzyfra.ru/articles/montronix-aktivnaya-sistema-zashchity-vashego-stanka-ot-avariy-i-peregruzok/ (дата обращения: 19.10.2024).
9. PROMETEC GmbH - Система Монитора Процесса PROMOS [Электронный ресурс] // Каталог продуктов Siemens IA_DT URL: http://www.aqad.ru/index.php?tree=1000000&tree2=9990284&tree3=10007955&tree4=7500380&tree5=7500306&tree6=75 00290 (дата обращения: 19.10.2024).
10. Анцев А.В., Янов Е.С., Воротилин М.С. Информационно-измерительные системы мониторинга работы станочного парка предприятия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 9. С. 495-498. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-490-491.
11. Постановление Правительства РФ "Об утверждении Правил категорирования объектов критической информационной инфраструктуры Российской Федерации, а также перечня показателей критериев значимости объектов критической информационной инфраструктуры Российской Федерации и их значений" от 8 февраля 2018 г. №
418
127 // Правительство России. [Электронный ресурс] URL: http://government.ru/docs/all/115353/ (дата обращения: 19.10.2024).
12. Янов Е.С. О проблемах интеграции информационно-измерительных систем в условиях противодействия компьютерным атакам // Электроника НТБ. 2024. №6. С. 60-63.
13. Янов Е.С., Анцев А.В., Воротилин М.С., Минаков Е.И. Аппаратно-программный комплекс мониторинга технологических систем и процессов // СТИН. 2024. № 5. С. 32-35.
14. Анцев А.В., Янов Е.С., Анцева Н.В., Арсеньева А.А. Устройство для обновления кода микроконтроллеров датчиков интеллектуальной системы эффективной эксплуатации режущих инструментов // В сборнике: Проблемы и перспективы развития автоматизации технологических процессов. Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 90-летию со дня рождения лауреата Государственной премии СССР, доктора технических наук, профессора Дмитриева Льва Борисовича. Сер. «Вестник Тульского государственного университета». Тула, 2023. С. 67-71.
Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Янов Евгений Сергеевич, канд. техн. наук, заместитель директора, [email protected], Россия, Тула, «Тульская инженерная школа «Интеллектуальные оборонные системы» им. академика А.Г. Шипунова, Тульский государственный университет,
Барсуков Дмитрий Петрович, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Цивенкова Анастасия Петровна, магистрант, tsivenkova. nastena@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHOD OF UPDATING THE CODE OF DIAGNOSTIC MODULE SENSORS OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS
MONITORING SYSTEM
A.V. Antsev, E.S. Yanov, D.P. Barsukov, A.P. Tsivenkova
The article presents an information and measuring system (IMS) for indirect monitoring of technological system 's parameters. The hierarchical architecture of the IMS, consisting of four levels, is considered. The structure of the diagnostic modules of the IMS is considered in more detail and the relevance of the task of developing a method for updating the software code of the sensors of the diagnostic modules is shown. It is shown that this problem can be solved by developing a special device for updating the code of the sensor microcontrollers in two ways: by software implementation of rebooting the sensor microcontroller to enter its programming mode and installing a button in the sensor power circuit controlled by the device for updating the microcontroller code. The advantages and disadvantages of the proposed methods are studied. The electrical circuit of the device for updating the microcontroller code, the test assembly of the device and the oscillograms of the signals for the case using the software implementation of the microcontroller reboot and the case using a transistor in the power supply circuit of the microcontroller are presented. The proposed method for updating the software code of the microcontrollers of the sensors of the diagnostic modules of the process monitoring system allows updating the software code without removing the sensors of the diagnostic modules installed in hard-to-reach places of the equipment using existing communication channels, which allows minimizing the costs of adding new functionality to the sensors, correcting errors in the software and configuring the sensors.
Key words: technological equipment, diagnostic module, indirect control, vibration sensor, current sensor, microcontroller, updating the software code.
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, a. antsev@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yanov Evgeny Sergeevich, candidate of technical sciences, deputy director, dex-aik@mail. ru, Russia, Tula, Tula Engineering School «Intelligent Defense Systems» named after Academician A.G. Shipunov, Tula State University,
Barsukov Dmitry Petrovich, master's, dbarsuckov@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tsivenkova Anastasia Petrovna, master's, tsivenkova.nastena@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
