新一代開放式、網絡化數控系統的研究

國家數控系統工程技術研究中心、華中數控股份有限公司多年來一直致力于開放式數控系統軟、硬件體系結構的研發、生產和推廣應用，在國家相關項目的支持下，于2003年成功開發、生產出新一代開放式、網絡化數控系統&151;HNC-21/22世紀星數控系統。

開放式、網絡化數控系統的研究現狀

網絡化包括兩個方面：內部網絡(現場總線網絡)和外部網絡。

• 所謂內部網絡是指數控系統內CNC單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等單元，以現場總線網絡連接：對于數控系統硬件，開放性主要是指其電腦、網絡、伺服系統及I/O邏輯控制等單元應該具有統一的互聯標準，以實現互換性。為使數控系統硬件具有互換性，目前歐洲CNC制造商在其產品中廣泛應用SERCOS(Serial Real-time Communication System，一種適于高速伺服控制的網絡接口協議，于1995年成為IEC1491國際標準)�，F場總線作為與數字驅動單元的接口，則采用Profibus等現場總線作為與I/O邏輯控制單元的接口。


• 所謂外部網絡，指的是數控系統與系統外的其他控制系統或外部上位電腦以網絡連接：隨著現代通信技術和IT業的發展，世界上一些著名的數控系統公司都相繼推出了具有網絡集成能力和一定智能化水平的控制系統，通過網絡實現對設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等技術服務，并提高機床生產率。如日本大隈(Okuma)機床公司的“IT plaza”(信息技術廣場，簡稱“IT廣場”)、日本Mazak(山崎)公司的“Cyber Production Center”(智能生產控制中心，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”(開放制造環境)等。

開放式、網絡化數控系統的特點

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

如表列出了傳統專用數控系統與開放式數控系統之比較。

HNC-21/22開放式、網絡化數控系統的實現方案

HNC-21/22世紀星數控系統平臺的技術路線是：

• 符合ONC技術規范，具有開放性。


• 基于PC體系結構，以軟代硬、簡化硬件、易于生產、使用和維修。


• 充分利用已有的華中I型數控系統研究成果。


• 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系統簡介

借鑒IEEE對開放式系統的定義以及OSACA對開放式控制系統的定義，ONC系統定義了自己的開放式數控系統：開放式數控系統是按照開放式技術規范設計的，實現數控系統中結構對象(實現功能單元的軟件模塊)之間的互操作性，應用軟件通過ONC系統應用編程接口(ONCAPI)實現與運行平臺的無關性，以及人機界面和與其他系統進行互連接口實現一致性的數控系統。



圖1　ONC系統參考體系結構的層次模型圖                 圖2　HNC-21/22開放式、網絡化CNC裝置的硬件平臺           圖3　HNC-21/22 CNC裝置的軟件平臺

                          

圖4　某廠的網絡化車間                                                  圖5　數控設備E-服務系統總體結構          圖6　數控設備E-服務系統工作過程示意圖

       按照上述定義，依據當前數控技術的發展現狀，ONC在采用構件技術和面向對象的分析、設計及編程技術的同時，采用了層次化的結構技術，形成ONC系統基于PC 機的基本體系結構。如圖1所示。

ONC開放式數控系統的開放層面體現在：

第一層：具有可配置功能、開放的人機界面和通訊接口及協議。

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

第三層：拓撲結構完全可變的“全開放”的控制裝置。(目前標準未定義)

HNC開放式、網絡化數控系統硬件平臺

HNC-21/22數控系統平臺的設計思路是：

支援ONC第一層和第二層要求

保留對今后第三層的支持

系統從經濟型到高檔型可伸縮及裁減

通過應用程序接口可開發各種應用程序形成不同產品

通過設備驅動程序連接各種數控部件

PC體系結構可運行PC應用軟件

        HNC-21/22數控系統硬件平臺基于PC體系結構，如圖2所示。系統內部采用數字量、脈沖量、模擬量標準接口或現場總線連接各功能部件，系統與外部采用網絡化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業Intranet集成，實現數控系統的網絡化。

HNC-21/22數控系統充分利用工業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，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、RS232等接口，輕松實現機床聯網。

        HNC-21/22的開關量接口電路，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，“世紀星”主板采用雙FPGA設計。一個FPGA晶片負責控制開關量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅動裝置接口電路；另一個FPGA晶片負責控制脈沖量伺服驅動裝置或步進電機驅動裝置接口電路，模擬量伺服驅動裝置接口電路。兩個FPGA晶片通過PC104總線由研華工業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，構造出如下HNC-21/22“世紀星”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個模擬量伺服驅動裝置；

HNC-21/22C：可配4個串行口伺服驅動裝置；

HNC-21/22D：可配4個脈沖量伺服驅動裝置或步進電機驅動裝置；

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

   HNC開放式、網絡化數控系統軟件平臺

HNC-21/22 CNC裝置的軟件結構如圖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模塊為自行開發的實時多任務管理模塊，負責CNC裝置的任務管理和調度。NCBIOS模塊為CNC裝置的基本輸入/輸出系統，管理CNC裝置所有的外部控制對象，包括設備驅動程序的管理、位置控制、PLC控制、插補計算和內部監控等。NCBIOS將NC共性部分構成NC內核，提供標準接口函數，向用戶開放，適應用戶個性化要求，利于品種派生和二次開發。

        虛線以上的部分稱為應用層軟件(過程層軟件)，它包括編輯程序、參數設置、解碼程序、PLC管理、MDI、故障顯示等與用戶操作有關的功能模塊。對于不同的數控裝置，其功能的區別都在這一層，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的硬件無關。

對于不同的控制對象(如加工中心、銑床、車床、磨床等)，或對于同一控制對象而采用不同的伺服驅動時，CNC裝置的硬件配置可能不同，此時，只需選用相應的驅動程序來驅動這些硬件模塊即可，而無需更改底層軟件和應用層軟件，體現出良好的開放性。

        在配置系統時，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=板卡驅動程序名(副檔名一般為 .DRV，例如HC4103的驅動程序為HC4103.DRV)。NCBIOS根據NCBIOS.CFG的預先設置，調入對應板卡的驅動程序，建立相應的接口管道。

采用統一硬件平臺技術，除了基于DOS開發并產業化了上述可靠性高、技術成熟的開放數控系統軟件平臺外，還基于LINUX開發了開放體系結構數控系統軟件平臺，其主要技術特點為：

基于LINUX自由軟件平臺

軟件數控

可使用工業標準PC硬件或RISC處理器，增加了開放性

32位元體系結構

突破640k內存的限制

強大的網絡通訊功能

優良的開發環境

豐富的軟件資源

       此外，北京航空航天大學采用上述硬件平臺技術，基于Windows 開發了開放體系結構數控系統軟件平臺。

正是由于HNC開放式、網絡化數控系統平臺良好的的開放性，國家數控系統工程技術研究中心、華中數控基于此平臺除開發出車、銑等通用數控系統外，在短短幾年時間內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控系統，并實現產業化。

HNC-21/22開放式數控系統的網絡化應用

         HNC-21/22開放式、網絡化數控系統提供了與局域網或Internet連接的網絡接口，通過與網絡互聯，可實現網絡資源分享、遠程控制、監測、診斷，已在實際生產中得到應用，獲得了滿意的效果。

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

華中數控的遠程操作監控與診斷平臺

基本原理

         通過Internet將分布在不同地域的數控設備、現場設備維修工程師、設備制造企業維修工程師及領域專家組織和聯系起來，在設備與人之間、人與人之間進行快速的信息傳遞，形成一個網絡化的數控設備診斷與維修諮詢系統和視頻會議系統，借助網絡這一快捷的現代通訊手段，對數控設備故障進行快速診斷。

系統構成與工作流程

        控設備E-服務系統的總體結構如圖5所示，主要由數控設備E-服務平臺、數控機床網關和遠程用戶終端三大部分組成。

數控設備E-服務平臺是建立在互聯網上的一個特殊網站，內容包括數控設備制造企業的用戶檔案、協助其進行設備故障診斷的領域專家檔案、用戶設備電子病歷，設備遠程操作、診斷、維護模塊，以及網絡會診工具等。平臺的作用是通過Web這一靈活、方便的形式將與設備技術支持與服務相關的設備診斷信息、用戶信息、專家信息組織在一起，形成一個網絡化設備故障診斷與服務保障體系，提高產品售后服務質量和效率。

       機床網關是由運行在生產現場的一臺PC機或筆記本電腦構成的一個數控機床連接器，它一端通過電話網、移動通訊網、互聯網與數控設備E-服務平臺相連，另一端則通過局域網/RS232等形式與數控機床相連。其作用是將數控機床內部的PLC信息和外部的音頻、視頻信息、傳感器信息發送到互聯網上，供設備遠程診斷使用。另外它也可以將遠程終端用戶瀏覽器發送來的控制信息轉發給與之連接的數控機床。

       遠程終端可以是互聯網上的任何一臺電腦，其用戶是設備使用工程師、設備制造工程師或領域專家。他們通過運行在遠程終端上的瀏覽器從數控設備E-服務平臺上獲取和發布信息，對數控設備故障進行遠程協作診斷，提供遠程技術支持。

         數控設備E-服務系統的典型工作過程如圖6所示。企業用戶遇到技術問題時先登錄數控設備E-服務平臺，利用平臺提供的典型案例、設備常見故障、數控設備診斷專家系統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備制造企業工程師協助解決問題；如果問題還是不能解決則由平臺管理員請求異地領域專家進行聯合會診，直至問題解決。

         在國家十五攻關、863、國家自然科學基金等相關項目的支持下，國家數控系統工程技術研究中心與華中數控聯合研發的網絡化、開放式數控系統平臺符合ONC規范，具有良好的開放性和強大的網絡功能，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多種數控系統，在實際應用中得到了有力的驗證。