新一代開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的研究

國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、華中數(shù)控股份有限公司多年來一直致力于開放式數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件體系結(jié)構(gòu)的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，在國家相關(guān)項目的支持下，于2003年成功開發(fā)、生產(chǎn)出新一代開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)&151;HNC-21/22世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)。

開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

網(wǎng)絡(luò)化包括兩個方面：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò))和外部網(wǎng)絡(luò)。

• 所謂內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC單元與伺服驅(qū)動及I/O邏輯控制等單元，以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接：對于數(shù)控系統(tǒng)硬件，開放性主要是指其電腦、網(wǎng)絡(luò)、伺服系統(tǒng)及I/O邏輯控制等單元應(yīng)該具有統(tǒng)一的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)互換性。為使數(shù)控系統(tǒng)硬件具有互換性，目前歐洲CNC制造商在其產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用SERCOS(Serial Real-time Communication System，一種適于高速伺服控制的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議，于1995年成為IEC1491國際標(biāo)準(zhǔn))�，F(xiàn)場總線作為與數(shù)字驅(qū)動單元的接口，則采用Profibus等現(xiàn)場總線作為與I/O邏輯控制單元的接口。


• 所謂外部網(wǎng)絡(luò)，指的是數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其他控制系統(tǒng)或外部上位電腦以網(wǎng)絡(luò)連接：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和IT業(yè)的發(fā)展，世界上一些著名的數(shù)控系統(tǒng)公司都相繼推出了具有網(wǎng)絡(luò)集成能力和一定智能化水平的控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制和無人化操作、遠程加工程序(特別是大容量程序)傳輸、遠程診斷和遠程維修服務(wù)等技術(shù)服務(wù)，并提高機床生產(chǎn)率。如日本大隈(Okuma)機床公司的“IT plaza”(信息技術(shù)廣場，簡稱“IT廣場”)、日本Mazak(山崎)公司的“Cyber Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)、GE Fanuc公司的“Open Factory CNC”(開放工廠CNC)以及 Siemens公司的“Open Manufacturing Environment”(開放制造環(huán)境)等。

開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的特點

開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的主要特徵，分別表現(xiàn)在功能模塊可用于不同控制系統(tǒng)的可移置性；功能相似模塊之間可互相替換，并可隨技術(shù)進步更新軟硬件的可擴展性；有即插即用功能，根據(jù)需求變化，能方便有效地重新配置的可縮放性；使用標(biāo)準(zhǔn)I/O和網(wǎng)絡(luò)功能，容易實現(xiàn)與其他自動化設(shè)備互連的互操作性。

如表列出了傳統(tǒng)專用數(shù)控系統(tǒng)與開放式數(shù)控系統(tǒng)之比較。

HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

HNC-21/22世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)平臺的技術(shù)路線是：

• 符合ONC技術(shù)規(guī)范，具有開放性。


• 基于PC體系結(jié)構(gòu)，以軟代硬、簡化硬件、易于生產(chǎn)、使用和維修。


• 充分利用已有的華中I型數(shù)控系統(tǒng)研究成果。


• 硬件通用，軟件跨平臺。研制的硬件平臺-PC嵌入式＋FPGA硬件平臺，可適用于三個不同的軟件平臺基于DOS的軟件平臺1、基于LINUX的軟件平臺2、基于WINDOWS的軟件平臺3。

ONC系統(tǒng)簡介

借鑒IEEE對開放式系統(tǒng)的定義以及OSACA對開放式控制系統(tǒng)的定義，ONC系統(tǒng)定義了自己的開放式數(shù)控系統(tǒng)：開放式數(shù)控系統(tǒng)是按照開放式技術(shù)規(guī)范設(shè)計的，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)對象(實現(xiàn)功能單元的軟件模塊)之間的互操作性，應(yīng)用軟件通過ONC系統(tǒng)應(yīng)用編程接口(ONCAPI)實現(xiàn)與運行平臺的無關(guān)性，以及人機界面和與其他系統(tǒng)進行互連接口實現(xiàn)一致性的數(shù)控系統(tǒng)。



圖1　ONC系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)的層次模型圖                 圖2　HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化CNC裝置的硬件平臺           圖3　HNC-21/22 CNC裝置的軟件平臺

                          

圖4　某廠的網(wǎng)絡(luò)化車間                                                  圖5　數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)          圖6　數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)工作過程示意圖

       按照上述定義，依據(jù)當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，ONC在采用構(gòu)件技術(shù)和面向?qū)ο蟮姆治�、設(shè)計及編程技術(shù)的同時，采用了層次化的結(jié)構(gòu)技術(shù)，形成ONC系統(tǒng)基于PC 機的基本體系結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

ONC開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放層面體現(xiàn)在：

第一層：具有可配置功能、開放的人機界面和通訊接口及協(xié)議。

第二層：控制裝置在明確固定的拓撲結(jié)構(gòu)下允許替換、增加NC核心中的特定模塊以滿足用戶的特殊要求。

第三層：拓撲結(jié)構(gòu)完全可變的“全開放”的控制裝置。(目前標(biāo)準(zhǔn)未定義)

HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺

HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)平臺的設(shè)計思路是：

支援ONC第一層和第二層要求

保留對今后第三層的支持

系統(tǒng)從經(jīng)濟型到高檔型可伸縮及裁減

通過應(yīng)用程序接口可開發(fā)各種應(yīng)用程序形成不同產(chǎn)品

通過設(shè)備驅(qū)動程序連接各種數(shù)控部件

PC體系結(jié)構(gòu)可運行PC應(yīng)用軟件

        HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺基于PC體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)內(nèi)部采用數(shù)字量、脈沖量、模擬量標(biāo)準(zhǔn)接口或現(xiàn)場總線連接各功能部件，系統(tǒng)與外部采用網(wǎng)絡(luò)化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業(yè)Intranet集成，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。

HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)充分利用工業(yè)PC機的接口功能強大的特點，采用10.4/9.4英寸真彩TFT液晶顯示幕，8MB Flash ROM(可擴至72MB)程序斷電存儲，16MB RAM (可擴至64MB)加工緩沖區(qū)，配備硬盤和軟盤，可裝載和存儲大量加工程序，具有巨量程序加工能力，不需DNC，可直接加工高達100MB的G代碼程序，利用以太網(wǎng)、RS232等接口，輕松實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。

        HNC-21/22的開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，進給軸接口電路，主軸接口電路都集成在一塊“世紀(jì)星”主板上。其核心器件是ACTEL公司的FPGA晶片，為滿足CNC裝置對開放性的要求，“世紀(jì)星”主板采用雙FPGA設(shè)計。一個FPGA晶片負責(zé)控制開關(guān)量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅(qū)動裝置接口電路；另一個FPGA晶片負責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動裝置接口電路。兩個FPGA晶片通過PC104總線由研華工業(yè)PC機控制。利用FPGA晶片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下，通過改變FPGA晶片的固件，以及兩個FPGA晶片靈活搭配，構(gòu)造出如下HNC-21/22“世紀(jì)星”系列CNC裝置，從而最大限度地降低成本，提高性能。

HNC-21/22A：可配4個模擬量伺服驅(qū)動裝置；

HNC-21/22C：可配4個串行口伺服驅(qū)動裝置；

HNC-21/22D：可配4個脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置；

HNC-21/22F：可配4個脈沖量伺服驅(qū)動裝置或步進電機驅(qū)動裝置或4個模擬量伺服驅(qū)動裝置或4個串行口伺服驅(qū)動裝置。

   HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺

HNC-21/22 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖中虛線以下的部分稱為底層軟件，它是HNC-21/22 CNC裝置的軟件平臺，其中RTM模塊為自行開發(fā)的實時多任務(wù)管理模塊，負責(zé)CNC裝置的任務(wù)管理和調(diào)度。NCBIOS模塊為CNC裝置的基本輸入/輸出系統(tǒng)，管理CNC裝置所有的外部控制對象，包括設(shè)備驅(qū)動程序的管理、位置控制、PLC控制、插補計算和內(nèi)部監(jiān)控等。NCBIOS將NC共性部分構(gòu)成NC內(nèi)核，提供標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，向用戶開放，適應(yīng)用戶個性化要求，利于品種派生和二次開發(fā)。

        虛線以上的部分稱為應(yīng)用層軟件(過程層軟件)，它包括編輯程序、參數(shù)設(shè)置、解碼程序、PLC管理、MDI、故障顯示等與用戶操作有關(guān)的功能模塊。對于不同的數(shù)控裝置，其功能的區(qū)別都在這一層，或者說功能的增減均在這一層進行，各功能模塊均可通過NCBIOS與底層進行信息交換，從而使該層的功能模塊與系統(tǒng)的硬件無關(guān)。

對于不同的控制對象(如加工中心、銑床、車床、磨床等)，或?qū)τ谕�一控制對象而采用不同的伺服�?qū)動時，CNC裝置的硬件配置可能不同，此時，只需選用相應(yīng)的驅(qū)動程序來驅(qū)動這些硬件模塊即可，而無需更改底層軟件和應(yīng)用層軟件，體現(xiàn)出良好的開放性。

        在配置系統(tǒng)時，所有用到的板卡都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG(類似于DOS的Config文件)中說明，說明格式為DEVICE=板卡驅(qū)動程序名(副檔名一般為 .DRV，例如HC4103的驅(qū)動程序為HC4103.DRV)。NCBIOS根據(jù)NCBIOS.CFG的預(yù)先設(shè)置，調(diào)入對應(yīng)板卡的驅(qū)動程序，建立相應(yīng)的接口管道。

采用統(tǒng)一硬件平臺技術(shù)，除了基于DOS開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化了上述可靠性高、技術(shù)成熟的開放數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺外，還基于LINUX開發(fā)了開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺，其主要技術(shù)特點為：

基于LINUX自由軟件平臺

軟件數(shù)控

可使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC硬件或RISC處理器，增加了開放性

32位元體系結(jié)構(gòu)

突破640k內(nèi)存的限制

強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能

優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境

豐富的軟件資源

       此外，北京航空航天大學(xué)采用上述硬件平臺技術(shù)，基于Windows 開發(fā)了開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺。

正是由于HNC開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)平臺良好的的開放性，國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、華中數(shù)控基于此平臺除開發(fā)出車、銑等通用數(shù)控系統(tǒng)外，在短短幾年時間內(nèi)還派生出齒輪加工機床、仿形機床、磨床、鍛壓和沖壓機床、絎縫機、組合機床、刨床、彎管機、玻璃加工機床等多種數(shù)控系統(tǒng)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

HNC-21/22開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用

         HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)提供了與局域網(wǎng)或Internet連接的網(wǎng)絡(luò)接口，通過與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源分享、遠程控制、監(jiān)測、診斷，已在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，獲得了滿意的效果。

         華中數(shù)控在某廠進行仿型銑數(shù)控改造時，對模具車間的2臺加工中心、2臺仿形銑和龍門銑實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化互接，如圖4所示。通過網(wǎng)絡(luò)共用仿型數(shù)據(jù)，使普通數(shù)控銑床也能加工仿型測量的零件，提高仿型加工效率，節(jié)約了昂貴的仿形銑設(shè)備購置費用。同時，將工廠數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)與辦公用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)在一起，使用辦公室的CAD/CAM系統(tǒng)能方便快捷地與數(shù)控機床進行信息交換與控制，可在遠程異地設(shè)計、編程，然后通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)傳送和共享零件加工程序，實現(xiàn)了CAD/CAM/CNC的網(wǎng)絡(luò)集成，大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率。目前，這些設(shè)備運行狀況良好，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟效益。

華中數(shù)控的遠程操作監(jiān)控與診斷平臺

基本原理

         通過Internet將分布在不同地域的數(shù)控設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備維修工程師、設(shè)備制造企業(yè)維修工程師及領(lǐng)域?qū)＜医M織和聯(lián)系起來，在設(shè)備與人之間、人與人之間進行快速的信息傳遞，形成一個網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控設(shè)備診斷與維修諮詢系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)，借助網(wǎng)絡(luò)這一快捷的現(xiàn)代通訊手段，對數(shù)控設(shè)備故障進行快速診斷。

系統(tǒng)構(gòu)成與工作流程

        控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺、數(shù)控機床網(wǎng)關(guān)和遠程用戶終端三大部分組成。

數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一個特殊網(wǎng)站，內(nèi)容包括數(shù)控設(shè)備制造企業(yè)的用戶檔案、協(xié)助其進行設(shè)備故障診斷的領(lǐng)域?qū)＜覚n案、用戶設(shè)備電子病歷，設(shè)備遠程操作、診斷、維護模塊，以及網(wǎng)絡(luò)會診工具等。平臺的作用是通過Web這一靈活、方便的形式將與設(shè)備技術(shù)支持與服務(wù)相關(guān)的設(shè)備診斷信息、用戶信息、專家信息組織在一起，形成一個網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備故障診斷與服務(wù)保障體系，提高產(chǎn)品售后服務(wù)質(zhì)量和效率。

       機床網(wǎng)關(guān)是由運行在生產(chǎn)現(xiàn)場的一臺PC機或筆記本電腦構(gòu)成的一個數(shù)控機床連接器，它一端通過電話網(wǎng)、移動通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺相連，另一端則通過局域網(wǎng)/RS232等形式與數(shù)控機床相連。其作用是將數(shù)控機床內(nèi)部的PLC信息和外部的音頻、視頻信息、傳感器信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，供設(shè)備遠程診斷使用。另外它也可以將遠程終端用戶瀏覽器發(fā)送來的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)給與之連接的數(shù)控機床。

       遠程終端可以是互聯(lián)網(wǎng)上的任何一臺電腦，其用戶是設(shè)備使用工程師、設(shè)備制造工程師或領(lǐng)域?qū)＜�。他們通過運行在遠程終端上的瀏覽器從數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺上獲取和發(fā)布信息，對數(shù)控設(shè)備故障進行遠程協(xié)作診斷，提供遠程技術(shù)支持。

         數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)系統(tǒng)的典型工作過程如圖6所示。企業(yè)用戶遇到技術(shù)問題時先登錄數(shù)控設(shè)備E-服務(wù)平臺，利用平臺提供的典型案例、設(shè)備常見故障、數(shù)控設(shè)備診斷專家系統(tǒng)等工具嘗試自行解決問題；如果用戶無法在平臺提供的工具下解決問題則請求作為平臺管理員的設(shè)備制造企業(yè)工程師協(xié)助解決問題；如果問題還是不能解決則由平臺管理員請求異地領(lǐng)域?qū)＜疫M行聯(lián)合會診，直至問題解決。

         在國家十五攻關(guān)、863、國家自然科學(xué)基金等相關(guān)項目的支持下，國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心與華中數(shù)控聯(lián)合研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化、開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺符合ONC規(guī)范，具有良好的開放性和強大的網(wǎng)絡(luò)功能，已派生出了車、銑、加工中心、齒輪加工機床、仿形機床、磨床、鍛壓和沖壓機床、絎縫機、組合機床、刨床、彎管機、玻璃加工機床等30多種數(shù)控系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中得到了有力的驗證。