開放式控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

開放式限制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、趨勢與對策市場全球化的后果是競爭空前猛烈，從而要求制造商具有較強的市場適應實力，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)，這就是開放式限制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能夠快速、經(jīng)濟地適應新的加工需求，而且為制造廠供應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、國外探討動態(tài)

開放式限制系統(tǒng)的概念在80年頭就已出現(xiàn)。早在1981年，美國國防部為了削減軍備制造對日本限制系統(tǒng)的依靠性，起先了名為“下一代限制器（NGC）”的安排，并成立了“美國國家制造科學中心（NCMS）”，其主要目的是擬訂并推動關于新一代開放式限制系統(tǒng)的具體分析與規(guī)范。作為NGC的后續(xù)工作，美國國防部啟動了OASYS項目，其目的是建立并安裝8套限制器，并在6種不同場所對其進行測試。其后有很多相關的探討安排在世界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC等安排。

1.1OMAC安排

美國的汽車工業(yè)為解決自身發(fā)展過程中遇到的一系列問題，由克萊斯勒、福特和通用三大汽車公司于1994年起先了一項名為“開放式、模塊化體系結構限制器（OMAC）”的安排。該安排的目標是降低限制系統(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，供應軟硬件模塊的“即插即用”和高效的限制器重構機制，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，并適應需求的改變。其主要動機是向供應商和技術開發(fā)團體公布限制器用戶，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意其要求的產品。

由于OMAC的成員是限制器的用戶而不是開發(fā)商，這就確定了其性質和目的，從而也就確定了它產品化、好用化步伐不行能很快。事實上美國工業(yè)界認為OMAC是一種概念，而不是一種限制器或標準。OMAC自身也意識到這一問題，它目前正逐步與OSACA等進行聯(lián)合。1.2OSACA安排

OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem）是1990年由歐共體國家的22家限制器開發(fā)商、機床生產商、限制系統(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-Ⅲ項目安排。這事實上是第一階段OSACA-Ⅰ，它于1994年結束，完成了OSACA規(guī)范和應用指南的制定。其其次期工程OSACA-Ⅱ（ESPRIT9115）于1996年4月結束，主要完成依照OSACA規(guī)范為其系統(tǒng)平臺開發(fā)標準、通用的軟件模塊和通用的OSACA系統(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。OSACA第三階段為IDASOSACA（InformationDisseminationandAwarenessAction）于1997年1月起先，安排歷時18個月，推廣OSACA思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的目標之一，是使自己成為自動化領域的通用國際標準，故起先它就將探討范圍涵蓋了整個自動化領域，并投入了巨大的人力、物力。

1.3OSEC

日本的“限制器開放系統(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IBM、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建。其目的是建立一個國際性的工廠自動化（FA）限制設備標準。OSEC以日本國際機器人和工廠自動化探討中心（IROFA）所提出的CNC系統(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、開放式限制系統(tǒng)的初步探討

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)的理論與實踐探討。2.1開放式限制系統(tǒng)的建模

由于面對對象的軟件開發(fā)技術綜合了功能抽象與數(shù)據(jù)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，我們采納面對對象方法對數(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)、限制單元和基本類。使CNC軟件可組裝、易擴展。

基本類是數(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?；绢悩嫵擅鎸ο髷?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。

限制單元是由一系列功能相關的基本類組成的、完成肯定功能的軟件實體。限制單元可以嵌套。

系統(tǒng)是由一系列限制單元組成的某種類型的數(shù)控系統(tǒng)軟件。它可包含某個限制單元或基本類的一個或多個對象。圖1是數(shù)控軟件功能的面對對象劃分模型。由于面對對象方法干脆將現(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(jù)（屬性）和操作封裝，因而它直觀、易于理解。

圖1面對對象CNC軟件功能劃分

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(jù)類型和管理4GB地址空間的實力，我們采納WIN32平臺作為操作系統(tǒng)平臺，硬件平臺采納“PC+適配器卡”的結構，并在WIN32中添加實時處理的實力，敏捷、經(jīng)濟地實現(xiàn)了實時限制功能。平臺結構見圖2。

圖2基于PC的開放數(shù)控平臺結構通信子系統(tǒng)保證CNC應用軟件與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)CNC軟件各子系統(tǒng)之間及其與平臺之間的數(shù)據(jù)交換。

圖3通訊子系統(tǒng)示意圖2.3工具支持

目前供應了對軟件芯片進行有效管理的芯片庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)軟件芯片的閱讀及維護工作。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供應的軟件單元生成應用系統(tǒng)。它由軟件芯片組合生成限制單元的單元功能配置工具、由限制單元組合生成CNC應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。

單元配置和框架配置工具依據(jù)用戶的選擇，分別生成單元配置文件和應用配置文件，由應用生成工具依據(jù)配置文件生成CNC軟件代碼。生成的代碼對用戶開放，用戶可以依據(jù)狀況對生成的代碼進行修改。利用集成工具，可以敏捷、高效地生成開放性限制系統(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限制系統(tǒng)。我們正在開發(fā)圖形化的應用系統(tǒng)分析、集成工具。3、快速開展我國開放式限制系統(tǒng)探討的建議

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限制系統(tǒng)有四種：華中Ⅰ型、中華Ⅰ型、航天Ⅰ型和藍天Ⅰ型。國內的開放限制系統(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限制系統(tǒng)的本質特征，仍有很多須要改進之處。

首先，開放式限制系統(tǒng)的概念不清楚，沒有解決開放限制系統(tǒng)的平臺問題。各系統(tǒng)所采納的體系結構并不一樣，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。沒有充分利用面對對象、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)開放性限制系統(tǒng)的關鍵所在。此外，產品的升級、更新、修改和修理仍舊依靠于生產廠家，沒有供應相應的開發(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。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)對開放式制造限制系統(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)化的艱難任務，因此存在著探討和發(fā)展包括開放性限制系統(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)綻開放性制造限制系統(tǒng)的需求；此外由于我國各科研生產單位各自采納不同的標準，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(jù)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(jù)庫之間無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，因而有實現(xiàn)開放式制造限制系統(tǒng)的迫切須要。

(2)我國的生產與市場將進一步融合到廣袤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，必需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限制系統(tǒng)。3.2開展我國開放式限制系統(tǒng)探討的建議

國外的各探討安排，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，就將目標干脆對準競爭對手日本，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，假如不實行堅決、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OSEC稱之為制造業(yè)第三次革命的開放式限制系統(tǒng)的探討，為我國數(shù)控產業(yè)的發(fā)展帶來了新的契機。我們應當抓住這一大好時機，快速開展并深化我國的開放性限制系統(tǒng)的探討，結合我國的實際狀況，制定近期和中長期目標與安排，在制定開放性限制系統(tǒng)標準的基礎上，盡快推出我國的新一代開放性限制系統(tǒng)產品。

任何技術都不是孤立的，技術受到經(jīng)濟、文化、技術基礎、社會結構、管理體制和人員素養(yǎng)的制約。開綻開放性限制系統(tǒng)探討，要借鑒但不能照搬國外的閱歷，必需腳踏實地，認清形勢，從我國的國情和企業(yè)的狀況動身，尋求經(jīng)濟、有效的發(fā)展途徑。我們認為，依據(jù)我國制造自動化“十五”和中長期發(fā)展規(guī)劃，面對制造業(yè)，基于數(shù)字制造的開放式限制系統(tǒng)的探討開發(fā)燃眉之急，千萬不行等閑視之，必需從思想深處相識到，馬上開展我國開放式限制系統(tǒng)探討的必要性與緊迫性。為此提出如下建議：

(1)必需樹立系統(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、生產單位參與，制定明確的近中長期發(fā)展目標、發(fā)展戰(zhàn)略、實施安排、技術路途及指導思想。國家應集中支持開放性限制系統(tǒng)探討，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)，避開重復投資和重復開發(fā)。

在資金投放上，采納借、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狀況看，從美國的OMAC、歐洲的OSACA，到日本的OSEC，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(jīng)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，保證參與成員的多元化不但應包括機床、限制系統(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)參與，以便充分利用相關領域的最新技術與成果，并能適應其將來發(fā)展，從而保證開放性限制系統(tǒng)有效可行。并建立特地機構，仔細探討國外OMAC、OSACA、OSEC等相關安排的現(xiàn)狀、成果與問題，及將來發(fā)展動向，以便充分利用別人的成果，降低我們的探討時間和代價。如日本的機器人協(xié)會中就有一個機構特地對OSACA進行探討。

(4)加強軟件牢靠性理論、軟件測試方法與標準及系統(tǒng)牢靠性設計方法的探討同時還要切實加強開放性限制系統(tǒng)開發(fā)工具的探討，只有在供應便利友好的工具支持的狀況下，最終用戶才能真正受益于開放性限制系統(tǒng)。

(5)以市場為導向，充分預料國內外市場前景，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限制系統(tǒng)標準的基礎上，先推出經(jīng)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)、探討工作。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