開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1、開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢與對策市場全球化的后果是競爭空前劇烈，從而要求制造商具有較強的市場適應能力，因而 市場對適合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系統(tǒng)的需求已逐步超過對大型 單一功能的制造系統(tǒng)的需求。這一趨勢促成了一個新概念的產生，即模塊化、可重構、可擴充的軟硬件系統(tǒng)，這就 是開放式控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能夠快速、經濟地適應新的加工需求，而且為制造廠提 供了將其技術與任何第三方的技術或產品進行集成的可能性。1、國外研究動態(tài)開放式控制系統(tǒng)的概念在 80年代就已出現(xiàn)。早在1981年，美國國防部為了減少軍備 制造對日本控制系統(tǒng)的依賴性，開始了名為“下一代控制器（NGC ”的計劃，并成立

2、了“美國國家制造科學中心（NCMS”，其主要目的是擬訂并推進關于新一代開放式控制系 統(tǒng)的詳細分析與規(guī)范。作為 NGM后續(xù)工作，美國國防部啟動了OASY頷目，其目的是建立并安裝8套控制器，并在6種不同場所對其進行測試。其后有許多相關的研究計劃在世 界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的OMAC歐洲的OSAC庶口日本的OSE考計戈IJ。1.1 OMACHI美國的汽車工業(yè)為解決自身發(fā)展過程中碰到的一系列問題，由克萊斯勒、福特和通用 三大汽車公司于1994年開始了一項名為“開放式、模塊化體系結構控制器（OMAC”的計劃。該計劃的目標是降低控制系統(tǒng)的投資成本和維護費用，縮短產品開發(fā)周期，提高機床 利用率

3、，提供軟硬件模塊的“即插即用”和高效的控制器重構機制，簡化新技術到原有系 統(tǒng)的集成，從而使系統(tǒng)易于更新?lián)Q代，盡快跟上新技術的發(fā)展，并適應需求的變化。其主 要動機是向供應商和技術開發(fā)團體公布控制器用戶，尤其是汽車制造業(yè)的需求，以期他們 明白并更好地理解用戶的需求，從而能在市場上購買到滿足其要求的產品。由于OMAC勺成員是控制器的用戶而不是開發(fā)商，這就決定了其性質和目的，從而也就 決定了它產品化、實用化步伐不可能很快。事實上美國工業(yè)界認為OMA諜一種概念，而不是一種控制器或標準。 OMACB身也意識到這一問題，它目前正逐步與OSAC屋進行聯(lián)合。1.2 OSACAh戈UOSACA Open Syst

4、em Architecture for Control within Automation System）是 1990年由歐共體國家的22家控制器開發(fā)商、機床生產商、控制系統(tǒng)集成商和科研機構聯(lián) 合發(fā)起的，并于1992年5月正式得到歐盟的認可，納入歐盟ESPRIT-ID項目計劃。這實際上是第一階段OSACA-I ,它于1994年結束，完成了 OSAC覦范和應用指南的制定。其第二期工程OSACA寸（ESPRIT 9115）于1996年4月結束，主要完成依照 OSAC覦范為其系 統(tǒng)平臺開發(fā)標準、通用的軟件模塊和通用的OSAC原統(tǒng)平臺，建立一個五軸制造系統(tǒng)環(huán)境，用以調試、驗證、擴展前一階段的各種規(guī)范。

5、OSACAI三階段為IDAS OSACA InformationDissemination and Awareness Action ）于 1997 年 1 月開始，計劃歷時 18 個月，推廣 OSACA、想及前期工作的技術成果。同時為了建立一個國際性的標準，而與日、美的相關 機構進行接觸。OSACA勺目標之一，是使自己成為自動化領域的通用國際標準，故開始它 就將研究范圍涵蓋了整個自動化領域，并投入了巨大的人力、物力。1.3 OSEC日本的“控制器開放系統(tǒng)環(huán)境（ OSEC : 由東芝機器公司、豐田機器廠和Mazak公司三家機床制造商和日本 舊M、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建。其目的是建

6、立一 個國際性的工廠自動化（FA）控制設備標準。OSECA日本國際機器人和工廠自動化研究中 心（IROFA所提出的CNC（統(tǒng)參考模型為基礎，提出了一個開放體系結構。實現(xiàn)了 IROFA 的參考體系結構，并增加了定制和分化產品的功能。2、開放式控制系統(tǒng)的初步研究在國家自然科學基金委員會等單位的支持下，我們進行了開放性數(shù)控系統(tǒng)的理論與實 踐研究。2.1 開放式控制系統(tǒng)的建模由于面向對象的軟件開發(fā)技術綜合了功能抽象與數(shù)據抽象，它較好地實現(xiàn)了軟件的可 擴充性、多態(tài)性，并使軟件易于修改，我們采用面向對象方法對數(shù)控系統(tǒng)軟件進行建模， 分三個層次對其進行描述與實現(xiàn)：系統(tǒng)、控制單元和基本類。使CNO件可組裝、易

7、擴展?；绢愂菙?shù)控系統(tǒng)功能細粒度分解的結果，是組成開放系統(tǒng)的最小單位?；绢悩嫵?面向對象數(shù)控軟件的類體系。具有標準化接口的基本類稱之為軟件芯片?？刂茊卧怯梢幌盗泄δ芟嚓P的基本類組成的、完成一定功能的軟件實體?？刂茊卧?可以嵌套。系統(tǒng)是由一系列控制單元組成的某種類型的數(shù)控系統(tǒng)軟件。它可包含某個控制單元或 基本類的一個或多個對象。圖 1是數(shù)控軟件功能的面向對象劃分模型。由于面向對象方法 直接將現(xiàn)實世界的物理對象映射到軟件對象，而將對象本身的數(shù)據（屬性）和操作封裝， 因而它直觀、易于理解。100匚gif (%82 bytes)艮姓格制嗎.一SLaioiMt* *。苞ri：s圖1面向對象CNC件功

8、能劃分數(shù)控系統(tǒng)軟件各部分之間以及與操作系統(tǒng)平臺之間通過通訊子系統(tǒng)進行通訊與協(xié)作。2.2 軟硬件平臺考慮到 Windows系列平臺應用軟件的豐富性，及其豐富的數(shù)據類型和管理4GB地址空間的能力，我們采用 WIN32平臺作為操作系統(tǒng)平臺，硬件平臺采用“ PC適配器卡”的結構， 并在WIN32中添加實時處理的能力，靈活、經濟地實現(xiàn)了實時控制功能。平臺結構見圖2。6<1-剛的 yit;藐卡圖2基于PC的開放數(shù)控平臺結構通信子系統(tǒng)保證 CNCZ用軟件與PC平臺的無關性。其結構見圖 3。通信子系統(tǒng)通過建立獨 立的通訊緩沖區(qū)來實現(xiàn) CNO件各子系統(tǒng)之間及其與平臺之間的數(shù)據交換。圖3通訊子系統(tǒng)示意圖2.

9、3工具支持目前提供了對軟件芯片進行有效管理的芯片庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)軟件芯片的瀏覽及維護工作。并可以功能、算法和名稱等關鍵詞對軟件芯片進行檢索。其組成見圖4。圖4庫管理器體系結構實現(xiàn)了由軟件芯片生成應用數(shù)控系統(tǒng)的配置、集成系統(tǒng)，可以支持用戶利用庫中的軟 件芯片或任何第三方提供的軟件單元生成應用系統(tǒng)。它由軟件芯片組合生成控制單元的單 元功能配置工具、由控制單元組合生成CNCZ用軟件的應用框架配置工具、應用程序生成以及編譯連接工具等組成，見圖 5。圖5軟件芯片工底降用體系Bt姑柳單元配置和框架配置工具根據用戶的選擇，分別生成單元配置文件和應用配置文件， 由應用生成工具根據配置文件生成cNca件代碼。生

10、成的代碼對用戶開放，用戶可以根據情況對生成的代碼進行修改。利用集成工具，可以靈活、高效地生成開放性控制系統(tǒng)。目前利用已開發(fā)的軟件芯片及集成工具，可自動生成二坐標車床控制系統(tǒng)。我們正在 開發(fā)圖形化的應用系統(tǒng)分析、集成工具。3、迅速開展我國開放式控制系統(tǒng)研究的建議數(shù)控技術是制造技術的基礎，是提高產品質量和性能，降低產品成本，縮短生產周期 的關鍵。3.1 現(xiàn)狀與問題目前國內已有的開放性控制系統(tǒng)有四種：華中I型、中華I型、航天I型和藍天I型。 國內的開放控制系統(tǒng)各有優(yōu)點，但從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢來看，它們還不具備開放性控制 系統(tǒng)的本質特征，仍有許多需要改進之處。首先，開放式控制系統(tǒng)的概念不清晰，沒有解決

11、開放控制系統(tǒng)的平臺問題。各系統(tǒng)所 采用的體系結構并不一致，仍是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，而且對體系結 構的闡述都只限于具體實現(xiàn)層，沒有提高到理論的、抽象的層次上來，因而各系統(tǒng)軟硬件 不具備可移植性和互操作性。其次，沒有充分利用像 Windows UNIX、OS/2等新型操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)思想與技術 落后，始終處于甚至低于結構化程序設計的水平。沒有充分利用面向對象、軟件重用等軟 件工程中的新理論、新技術，而這些正是實現(xiàn)開放性控制系統(tǒng)的關鍵所在。此外，產品的 升級、更新、修改和維修仍然依賴于生產廠家，沒有提供相應的開發(fā)工具和環(huán)境，用戶無 法把自己的或任何第三方的思想或產品融入到系統(tǒng)中去

12、。從總體上講，我國制造業(yè)面臨的形勢如下：(1)我國制造業(yè)對開放式制造控制系統(tǒng)有著巨大的需求與動力我國制造業(yè)和制造業(yè)組織 面臨著調整、改造和優(yōu)化的艱巨任務，因此存在著研究和發(fā)展包括開放性控制系統(tǒng)在內的 新一代制造技術的巨大動力；產品落后，技術水平低，信息含量少，更新?lián)Q代慢，已成為 制約我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此存在著發(fā)展開放性制造控制系統(tǒng)的需求；此外由于我國 各科研生產單位各自采用不同的標準，形成了各種不同的封閉系統(tǒng)：不同的通訊協(xié)議和數(shù) 據結構，使不同設備之間無法實現(xiàn)信息交換，不同的軟件之間無法實現(xiàn)信息的傳輸，不同 的數(shù)據庫之間無法實現(xiàn)數(shù)據的共享，因而有實現(xiàn)開放式制造控制系統(tǒng)的迫切需要。(2)我

13、國的生產與市場將進一步融合到廣闊的國際市場中去面對激烈的市場競爭，要使 我們的產品在國際上占有一席之地，必須盡快提高產品的技術含量和性能指標，并與國際 接軌。數(shù)控系統(tǒng)，無論是其作為商品本身，還是作為商品的加工手段，都要求其是一個開 放式控制系統(tǒng)。3.2 開展我國開放式控制系統(tǒng)研究的建議國外的各研究計劃，其根本目的是擴大自身產品在國際市場所占份額，或至少鞏固已 有的市場陣地。如歐洲的 OSACA就將目標直接對準競爭對手日本，其目的是使歐洲的制 造系統(tǒng)供應商在市場上壓倒競爭對手。就我國數(shù)控系統(tǒng)產品目前的水平來講，如果不采取 果斷、有效的措施，將來不僅在國際市場，就是在國內市場，也將會無立足之地。被

14、OSECW之為制造業(yè)第三次革命的開放式控制系統(tǒng)的研究，為我國數(shù)控產業(yè)的發(fā)展帶 來了新的契機。我們應該抓住這一大好時機，迅速開展并深化我國的開放性控制系統(tǒng)的研 究，結合我國的實際情況，制定近期和中長期目標與計劃，在制定開放性控制系統(tǒng)標準的 基礎上，盡快推出我國的新一代開放性控制系統(tǒng)產品。任何技術都不是孤立的，技術受到經濟、文化、技術基礎、社會結構、管理體制和人 員素質的制約。開展開放性控制系統(tǒng)研究，要借鑒但不能照搬國外的經驗，必須腳踏實地， 認清形勢，從我國的國情和企業(yè)的情況出發(fā)，尋求經濟、有效的發(fā)展途徑。我們認為，根 據我國制造自動化“十五”和中長期發(fā)展規(guī)劃，面向制造業(yè)，基于數(shù)字制造的開放式控

15、制系統(tǒng)的研究開發(fā)迫在眉睫，千萬不可等閑視之，必須從思想深處認識到，立即開展我國開 放式控制系統(tǒng)研究的必要性與緊迫性。為此提出如下建議：(1)必須樹立系統(tǒng)的思想，以系統(tǒng)的目標為最終目標由國家有關部門牽頭，由科研、生產單位參加，制定明確的近中長期發(fā)展目標、發(fā)展戰(zhàn)略、實施計劃、技術路線及指導思 想。國家應集中支持開放性控制系統(tǒng)研究，在各企業(yè)、科研單位之間，相互協(xié)調，相互補 充，協(xié)同作戰(zhàn)，避免重復投資和重復開發(fā)。在資金投放上，采用借、貸、撥相結合的方法，建立有效的競爭激勵機制。(2)面對國外強勁的競爭對手，走聯(lián)合發(fā)展的道路，加強競爭的實力從目前國外的情況 看，從美國的OMAC歐洲的OSACA到日本的O

16、SEC無一不是跨行業(yè)、跨部門的聯(lián)合。聯(lián) 合起來，才能充分利用現(xiàn)有的技術、經濟、人力、物力資源，發(fā)揮整體優(yōu)勢，加快發(fā)展步 伐。(3)在隊伍組織上，保證參加成員的多元化不但應包括機床、控制系統(tǒng)等生產企業(yè)及其 用戶，還應包括高校、科研機構；不光要有機械制造行業(yè)，還應有計算機、信息技術等行 業(yè)參加，以便充分利用相關領域的最新技術與成果，并能適應其未來發(fā)展，從而保證開放 性控制系統(tǒng)有效可行。并建立專門機構，認真研究國外OMAC OSACAOSE考相關計劃的現(xiàn)狀、成果與問題，及未來發(fā)展動向，以便充分利用別人的成果，降低我們的研究時間和 代價。如日本的機器人協(xié)會中就有一個機構專門對OSACAS行研究。(4)加強軟件可靠性理論、軟件測試方法與標準及系統(tǒng)可靠性設計方法的研究同時還要 切實加強開放性控制系統(tǒng)開發(fā)工具的研究，只有在提供方便友好的工具支持的情況下，最 終用戶才能真正受益于開放性控制系統(tǒng)。(5)以市場為導向，充分預測國內外市場前景，建立技術推廣體系，加快科研成果向生 產力的轉化可以在制定出開放式控制系統(tǒng)標準的基礎上，先推出經濟型開放性數(shù)控系統(tǒng)， 一方面可以在市場中檢驗其技術、理論方案的正確性、有效性，另一方面可以積累資金， 支持下一步的開發(fā)、研究工作。4、結束語系統(tǒng)越開放，意味著它所需考慮和處理的技術與非技術問題越多。