新一代开放式、网络化数控系统的研究现状(上)

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　　开放式、网络化数控系统是实现高水平数字化装备的保证。其核心是开放式，即系统各模块与运行平台的无关性、系统中各模块之间的互操作性和人机界面及通信接口的统一性。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。
! g$ E4 v6 _; _$ i9 E8 L　　国家数控系统工程技术研究中心、华中数控股份有限公司多年来一直致力于开放式数控系统软、硬件体系结构的研发、生产和推广应用，在国家相关项目的支持下，于2003年成功开发、生产出新一代开放式、网络化数控系统&151;HNC-21/22世纪星数控系统。
" a/ P. e% q7 o　　开放式、网络化数控系统的研究现状
. A6 S5 @; Z  \$ R* u* D　　“开放式结构控制器(Open Architecture Controller)”的概念第一次出现在1988年前后。1989年，美国国防部开始了“下一代工作站/机床控制器NGC”计划。1990年又启动了OASYS项目作为NGC计划的后续项目。其后许多关于开放式系统结构的研究计划在世界各地相继启动。其中影响较大的有美国的Ford、GM和Chryler等公司在NGC计划的指导下联合提出的OMAC开发计划、欧洲的德、法、意等国于1995年联合启动的OSACA计划和日本的丰田、三菱等14家企业联合提出的OSEC计划等，这些工作已进入了工业试用阶段并逐步走上联合垄断道路。2000年，国内的华中数控、航空数控等单位在国家经贸委的支持下，提出了开放式数控系统(ONC)技术规范，制定了ONC系统技术标准，并在Linux系统平台上，开发了基本符合该技术规范的开放式数控系统验证样机，具有一定的互操作性、可移置性、可伸缩性和相容性等开放性特征。
7 z% j" k7 Q3 l) k& S1 x　　自上述研究计划启动以来，数控系统体系结构从封闭转向开放，加快了数控技术发展步伐，提高了数控装置的性能，并涌现了一批高精度、高效率的开放式数控系统。
　　数控系统的开放式体系结构，为其网络化提供了条件，同时数控系统的网络化正是其开放性的有力体现。
( u5 b2 J* W3 L　　网络化包括两个方面：内部网络(现场总线网络)和外部网络。
2 r  r: `6 M. S6 {6 x* J　　所谓内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元，以现场总线网络连接：对于数控系统硬件，开放性主要是指其电脑、网络、伺服系统及I/O逻辑控制等单元应该具有统一的互联标准，以实现互换性。为使数控系统硬件具有互换性，目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS(Serial Real-time Communication System，一种适于高速伺服控制的网络接口协议，于1995年成为IEC1491国际标准)。现场总线作为与数字驱动单元的接口，则采用Profibus等现场总线作为与I/O逻辑控制单元的接口。
　　所谓外部网络，指的是数控系统与系统外的其他控制系统或外部上位电脑以网络连接：随着现代通信技术和IT业的发展，世界上一些着名的数控系统公司都相继推出了具有网络集成能力和一定智能化水平的控制系统，通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、远程加工程序(特别是大容量程序)传输、远程诊断和远程维修服务等技术服务，并提高机床生产率。如日本大隈(Okuma)机床公司的“IT plaza”(信息技术广场，简称“IT广场”)、日本Mazak(山崎)公司的“Cyber Production Center”(智能生产控制中心，简称CPC)、GE Fanuc公司的“Open Factory CNC”(开放工厂CNC)以及Siemens公司的“Open Manufacturing Environment”(开放制造环境)等。
　　开放式、网络化数控系统的特点
& p- b. f& ]# S  |( `( w4 ~/ ?: v　　开放式、网络化数控系统的主要特徵，分别表现在功能模块可用于不同控制系统的可移置性；功能相似模块之间可互相替换，并可随技术进步更新软硬件的可扩展性；有即插即用功能，根据需求变化，能方便有效地重新配置的可缩放性；使用标准I/O和网络功能，容易实现与其他自动化设备互连的互操作性。
2 x0 T+ ~- n6 z$ v6 i　　HNC-21/22世纪星数控系统平台的技术路线是：
0 H9 F) O+ u5 O. z+ d& B　　符合ONC技术规范，具有开放性。
7 C8 B5 q; ^6 r$ ?, n% {% g% |　　基于PC体系结构，以软代硬、简化硬件、易于生产、使用和维修。
7 t& k" y( c+ S# {9 |; B5 h+ U　　充分利用已有的华中I型数控系统研究成果。
0 C: r+ r# Y; v) O# h1 Z　　硬件通用，软件跨平台。研制的硬件平台-PC嵌入式＋FPGA硬件平台，可适用于三个不同的软件平台基于DOS的软件平台1、基于LINUX的软件平台2、基于WINDOWS的软件平台3。
　　ONC系统简介
; I: H7 q* p2 b% C3 S' [% l2 [, X　　借鉴IEEE对开放式系统的定义以及OSACA对开放式控制系统的定义，ONC系统定义了自己的开放式数控系统：开放式数控系统是按照开放式技术规范设计的，实现数控系统中结构对象(实现功能单元的软件模块)之间的互操作性，应用软件通过ONC系统应用编程接口(ONCAPI)实现与运行平台的无关性，以及人机界面和与其他系统进行互连接口实现一致性的数控系统。
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　　图1ONC系统参考体系结构的层次模型图
　　按照上述定义，依据当前数控技术的发展现状，ONC在采用构件技术和面向对象的分析、设计及编程技术的同时，采用了层次化的结构技术，形成ONC系统基于PC机的基本体系结构。如图1所示。
# u7 ^3 E1 v' O　　ONC开放式数控系统的开放层面体现在：
　　第一层：具有可配置功能、开放的人机界面和通讯接口及协议。
　　第二层：控制装置在明确固定的拓扑结构下允许替换、增加NC核心中的特定模块以满足用户的特殊要求。
　　第三层：拓扑结构完全可变的“全开放”的控制装置。(目前标准未定义)
. V) q& r( j1 q" a2 @2 s& s# N: X　　HNC开放式、网络化数控系统硬件平台
　　HNC-21/22数控系统平台的设计思路是：
　　支援ONC第一层和第二层要求
. F2 v+ |+ }  X6 ]& Y# D　　保留对今后第三层的支持
　　系统从经济型到高档型可伸缩及裁减
　　通过应用程序接口可开发各种应用程序形成不同产品
- p1 w! C( N# Q2 G　　通过设备驱动程序连接各种数控部件
　　PC体系结构可运行PC应用软件
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　　图2HNC-21/22开放式、网络化CNC装置的硬件平台
) w  e9 N% M0 v6 p$ [' s3 W$ _  u　　HNC-21/22数控系统硬件平台基于PC体系结构，如图2所示。系统内部采用数字量、脉冲量、模拟量标准接口或现场总线连接各功能部件，系统与外部采用网络化的连接方式，可与CAD/CAM、FMC/FMS和企业Intranet集成，实现数控系统的网络化。
/ [1 x- }9 Y% z# G3 k* W* p  W　　HNC-21/22数控系统充分利用工业PC机的接口功能强大的特点，采用10.4/9.4英寸真彩TFT液晶显示幕，8MB Flash ROM(可扩至72MB)程序断电存储，16MB RAM (可扩至64MB)加工缓冲区，配备硬盘和软盘，可装载和存储大量加工程序，具有巨量程序加工能力，不需DNC，可直接加工高达100MB的G代码程序，利用以太网、RS232等接口，轻松实现机床联网。
8 o' L' o& s" u　　HNC-21/22的开关量接口电路，MCP、MDI键盘接口电路，进给轴接口电路，主轴接口电路都集成在一块“世纪星”主板上。其核心器件是ACTEL公司的FPGA晶片，为满足CNC装置对开放性的要求，“世纪星”主板采用双FPGA设计。一个FPGA晶片负责控制开关量接口电路，MCP、MDI键盘接口电路，主轴接口电路，串行口伺服驱动装置接口电路；另一个FPGA晶片负责控制脉冲量伺服驱动装置或步进电机驱动装置接口电路，模拟量伺服驱动装置接口电路。两个FPGA晶片通过PC104总线由研华工业PC机控制。利用FPGA晶片的灵活性，在不改变硬件电路的情况下，通过改变FPGA晶片的固件，以及两个FPGA晶片灵活搭配，构造出如下HNC-21/22“世纪星”系列CNC装置，从而最大限度地降低成本，提高性能。
8 q; F8 H& S! S　　HNC-21/22A：可配4个模拟量伺服驱动装置；
　　HNC-21/22C：可配4个串行口伺服驱动装置；
4 P9 O9 Z5 U/ g9 q　　HNC-21/22D：可配4个脉冲量伺服驱动装置或步进电机驱动装置；
7 H5 [1 q2 v! t8 X$ x　　HNC-21/22F：可配4个脉冲量伺服驱动装置或步进电机驱动装置或4个模拟量伺服驱动装置或4个串行口伺服驱动装置。
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　　图3HNC-21/22 CNC装置的软件平台
　　HNC开放式、网络化数控系统软件平台HNC-21/22 CNC装置的软件结构如图3所示。
! }% a/ t# i. c* E! p文章关键词： 开放式   网络   数控系统