新一代开放式、网络化数控系统的研究

魔神

    

　　

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。

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。

开放式、网络化数控系统的研究现状

“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。

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。

网络化包括两个方面：内部网络(现场总线网络)和外部网络。

• 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

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。

表 传统专用数控系统与开放式数控系统之比较

比较项	传统专用数控系统	开放式数控系统
系统结构及可伸缩性	硬件专用软件专用不易伸缩	硬件基于PC软件基于通用操作系统系统可根据需要进行伸缩
系统可维护性	随着技术进步，需开发、生产专用的硬件，难于适应竞争的日益剧烈要求	紧跟PC技术发展，容易升级
软件开发难易性	软件为CNC制造商独占，机床厂、用户难于进行二次开发以引进独创部分	使用开放软件平台，机床制造商、用户可以根据需要开发自己的软件。
特殊专用系统开发	对特殊、专用系统开发不容易，需花大量时间	使用开放软件平台和C++等高级语言，容易开发
联网性	须用专用硬件和专有通讯技术(方法)，联网成本高	与PC联网技术相同，联网成本高
PLC软件	须用制造商专用语言，难以移植，维修困难	使用符合标准的PLC，可移植性强，容易开发
接口	用专用接口，只能使用特定制造商产品	使用标准化接口，容易与各类伺服、步进电机驱动及主轴电机联接
程序容量	专用RAM，通常只有128KB，扩容成本高，对大型模具程序，需采用DNC	通用RAM，内存4M以上，可扩至64MB，并可配置硬盘，一次性调入巨量程序

如表列出了传统专用数控系统与开放式数控系统之比较。

HNC-21/22开放式、网络化数控系统的实现方案

HNC-21/22世纪星数控系统平台的技术路线是：

• 符合ONC技术规范，具有开放性。
• 基于PC体系结构，以软代硬、简化硬件、易于生产、使用和维修。
• 充分利用已有的华中I型数控系统研究成果。
• 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

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。

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。

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)

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
• 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
• 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

图2HNC-21/22开放式、网络化CNC装置的硬件平台

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。

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。

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。

• 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；
• 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；
• 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。

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。

图中虚线以下的部分称为底层软件，它是HNC-21/22 CNC装置的软件平台，其中RTM模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC装置的任务管理和调度。NCBIOS模块为CNC装置的基本输入/输出系统，管理CNC装置所有的外部控制对象，包括设备驱动程序的管理、位置控制、PLC控制、插补计算和内部监控等。NCBIOS将NC共性部分构成NC内核，提供标准接口函数，向用户开放，适应用户个性化要求，利于品种派生和二次开发。

虚线以上的部分称为应用层软件(过程层软件)，它包括编辑程序、参数设置、解码程序、PLC管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能模块。对于不同的数控装置，其功能的区别都在这一层，或者说功能的增减均在这一层进行，各功能模块均可通过NCBIOS与底层进行信息交换，从而使该层的功能模块与系统的硬件无关。

对于不同的控制对象(如加工中心、铣床、车床、磨床等)，或对于同一控制对象而采用不同的伺服驱动时，CNC装置的硬件配置可能不同，此时，只需选用相应的驱动程序来驱动这些硬件模块即可，而无需更改底层软件和应用层软件，体现出良好的开放性。

在配置系统时，所有用到的板卡都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG(类似于DOS的Config文件)中说明，说明格式为DEVICE=板卡驱动程序名(副档名一般为.DRV，例如HC4103的驱动程序为HC4103.DRV)。NCBIOS根据NCBIOS.CFG的预先设置，调入对应板卡的驱动程序，建立相应的接口管道。

采用统一硬件平台技术，除了基于DOS开发并产业化了上述可靠性高、技术成熟的开放数控系统软件平台外，还基于LINUX开发了开放体系结构数控系统软件平台，其主要技术特点为：

• 基于LINUX自由软件平台
• 软件数控
• 可使用工业标准PC硬件或RISC处理器，增加了开放性
• 32位元体系结构
• 突破640k内存的限制
• 强大的网络通讯功能
• 优良的开发环境
• 丰富的软件资源

此外，北京航空航天大学采用上述硬件平台技术，基于Windows开发了开放体系结构数控系统软件平台。

正是由于HNC开放式、网络化数控系统平台良好的的开放性，国家数控系统工程技术研究中心、华中数控基于此平台除开发出车、铣等通用数控系统外，在短短几年时间内还派生出齿轮加工机床、仿形机床、磨床、锻压和冲压机床、绗缝机、组合机床、刨床、弯管机、玻璃加工机床等多种数控系统，并实现产业化。

HNC-21/22开放式数控系统的网络化应用

HNC-21/22开放式、网络化数控系统提供了与局域网或Internet连接的网络接口，通过与网络互联，可实现网络资源分享、远程控制、监测、诊断，已在实际生产中得到应用，获得了满意的效果。

图4某厂的网络化车间

华中数控在某厂进行仿型铣数控改造时，对模具车间的2台加工中心、2台仿形铣和龙门铣实现了网络化互接，如图4所示。通过网络共用仿型数据，使普通数控铣床也能加工仿型测量的零件，提高仿型加工效率，节约了昂贵的仿形铣设备购置费用。同时，将工厂数控机床网络与办公用网络联在一起，使用办公室的CAD/CAM系统能方便快捷地与数控机床进行信息交换与控制，可在远程异地设计、编程，然后通过INTERNET网络传送和共享零件加工程序，实现了CAD/CAM/CNC的网络集成，大大提高了生产效率和设备的利用率。目前，这些设备运行状况良好，产生了重大经济效益。

华中数控的远程操作监控与诊断平台

• 基本原理
  通过Internet将分布在不同地域的数控设备、现场设备维修工程师、设备制造企业维修工程师及领域专家组织和联系起来，在设备与人之间、人与人之间进行快速的信息传递，形成一个网络化的数控设备诊断与维修谘询系统和视频会议系统，借助网络这一快捷的现代通讯手段，对数控设备故障进行快速诊断。

  图5数控设备E-服务系统总体结构

• 系统构成与工作流程
  数控设备E-服务系统的总体结构如图5所示，主要由数控设备E-服务平台、数控机床网关和远程用户终端三大部分组成。
  数控设备E-服务平台是建立在互联网上的一个特殊网站，内容包括数控设备制造企业的用户档案、协助其进行设备故障诊断的领域专家档案、用户设备电子病历，设备远程操作、诊断、维护模块，以及网络会诊工具等。平台的作用是通过Web这一灵活、方便的形式将与设备技术支持与服务相关的设备诊断信息、用户信息、专家信息组织在一起，形成一个网络化设备故障诊断与服务保障体系，提高产品售后服务质量和效率。
  机床网关是由运行在生产现场的一台PC机或笔记本电脑构成的一个数控机床连接器，它一端通过电话网、移动通讯网、互联网与数控设备E-服务平台相连，另一端则通过局域网/RS232等形式与数控机床相连。其作用是将数控机床内部的PLC信息和外部的音频、视频信息、传感器信息发送到互联网上，供设备远程诊断使用。另外它也可以将远程终端用户浏览器发送来的控制信息转发给与之连接的数控机床。
  远程终端可以是互联网上的任何一台电脑，其用户是设备使用工程师、设备制造工程师或领域专家。他们通过运行在远程终端上的浏览器从数控设备E-服务平台上获取和发布信息，对数控设备故障进行远程协作诊断，提供远程技术支持。

  图6数控设备E-服务系统工作过程示意图

  数控设备E-服务系统的典型工作过程如图6所示。企业用户遇到技术问题时先登录数控设备E-服务平台，利用平台提供的典型案例、设备常见故障、数控设备诊断专家系统等工具尝试自行解决问题；如果用户无法在平台提供的工具下解决问题则请求作为平台管理员的设备制造企业工程师协助解决问题；如果问题还是不能解决则由平台管理员请求异地领域专家进行联合会诊，直至问题解决。
  在国家十五攻关、863、国家自然科学基金等相关项目的支持下，国家数控系统工程技术研究中心与华中数控联合研发的网络化、开放式数控系统平台符合ONC规范，具有良好的开放性和强大的网络功能，已派生出了车、铣、加工中心、齿轮加工机床、仿形机床、磨床、锻压和冲压机床、绗缝机、组合机床、刨床、弯管机、玻璃加工机床等30多种数控系统，在实际应用中得到了有力的验证。