数控系统要升级标准化须先行0连接器

数控系统要升级，标准化须先行

进入20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动了数控机床技术更快地更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。制约开放式数控系统实现的因素很多，其中最主要的一个问题就是标准化。美国的可重构制造系统工程研究中心曾于1999年举办了一个专家研讨会，与会人员是机床厂商、数控系统厂商和用户中的各领域专家，在讨论开放式数控系统今后的研究方向时，很多人的回答是:“建立所有数控系统厂商都支持的通用结构”，“没有什么需要研究的，只需要建立一系列标准”。由此可见，标准化工作在开放式数控系统研究中的重要作用。“数控系统要升级，标准化须先行。”黄祖广秘书长如是说。1. 何为开放式数控系统开放式数控系统是全模块化的系统结构，模块组件具有互换性、伸缩性、互操作性和可移植性。开放式数控系统体系结构分为系统平台和应用软件两大部分。系统平台由系统硬件和系统软件组成。系统硬件包括组成系统的各种物理实体；系统软件包括实时操作系统、通信系统、设备驱动程序以及其他可供选择的系统程序。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升级或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。这种技术正好满足了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展需要，是将来数控技术发展的大势所趋。黄秘书长说：“建立开放式数控系统结构的关键是在掌握和分析现有数控系统的功能和技术的基础上，有效利用成组技术、面向对象技术等工具，将系统功能进行分解和划分，吸取各种控制功能的共有属性和各自特性，明确和定义各功能模块和功能单元的作用以及它们的相互操作界面。”数控系统内部模块与模块之间的相互通信，以及数控系统与外界的信息传递都是通过相应的接口实现的。只有接口符合国际标准或行业标准，多个厂商的产品才能协调地组合在一起，从而满足可互换、可扩展、可移植和互操作等开放性要求。因此，真正的开放式数控系统，其接口必须符合标准。2. 发达国家开放式数控系统研究进展实际上，如何有效地利用已经实现的技术成果，实现控制器软件的拼装，快速响应市场，是各国控制器制造厂商和有关研究机构研究的热点。旨在实现上述目标的开放式控制器的研究成为20世纪90年代以来制造装备控制器领域的重要技术方向。 美国的NGC和OMAC计划　美国政府为了增强其制造业的持久发展能力和在国际市场上的竞争力，由国防部委托马丁－马瑞塔航天研究所斥资2400 万美元研究的NGC（The Next Generation Work-station/Machine Controller）计划，作为具有开放性结构的提案，受到关注。该计划已于1994年完成了NGC原型研究，并已转入工业开发应用。例如美国Ford、GM和Chrysler等公司在NGC计划的指导下，联合提出了OMAC开发计划，提出了系统基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等构造了完整体系结构。该计划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。Cincinnati Milacron从1995年开始在其所生产的加工中心、铣床、车床及激光加工等设备中采用开放式体系结构的A2100系统，还有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等协议，采用PC机+PMAC控制卡构成的PMAC开放式CNC系统，获得了良好的应用效果。 欧洲国家的OSACA计划　1991年10月，控制系统计划OSACA （Open System Architecture for Controls within Automation System）在整个欧洲开始实施。其研究目标是研制出自动化系统中的开放式控制系统体系结构。参加单位来自欧洲的11家机床厂、控制器厂商和高等院校。其后续计划OSEAN现在还在实施中。OSACA计划事实上分三个阶段：OSACA I、OSACA II和IDAS OSACA。OSACA I 完成了规范和应用指南的制定； OSACA II则为系统平台提供了软件模块储组合，包括开发一个标准的、通用的OSACA系统平台及一系列的标准组件；IDAS OSACA（Information Dissemination and Awareness Action）则致力于推广 OSACA的思想及与其他开放系统组织如OMAC、OSEC进行交流。截止目前，OSACA计划的三个阶段的工作全部完成。 日本的OSEC计划　OSEC计划是在日本国际机器人和工厂自动化研究中心IROFA建立的开放式数控委员会的倡导下，由三个机床厂、一个系统厂 和二个信息公司发起的。其目的是开发基于PC平台的，具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统。但到目前为止，也只是处于试验阶段，并未形成商业化的产品。3. 我国的开放式数控系统简况我国数控产业，目前虽然还处于发展阶段，但通过“八五”攻关已形成的华中I型、航天I型等四个基本系统，都属于有自主版权的开放式体系结构系统，都是利用PC机组成数控系统，使得CNC重点由硬件转向软件，为我国的数控产业发展缓解硬件生产上的“瓶颈”制约，从而加快生产实用产品和实现规模生产。如1999年在北京举行的国际机床展览会上，武汉华中数控系统有限公司率先推出了开放式网络数控系统原型机，实现了通过Internet远程操作控制异地数控机床；华中数控还在江苏常柴股份公司将其模具车间的5台加工中心和一台仿形数控机床联网，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。在“九五”期间，在国家有关单位的支持下，多家研究单位联合承担了有关开放式控制器的研究，对开放式控制器研究的意义有高度的认同，对开放式控制器的主要矛盾有了较深刻的认识，在短期内取得了相当难得的成果。为我国进一步研究、开发开放式数控系统和制订相应的标准打下了良好基础。与此同时，对开放式数控系统的相关标准的研究制订也同期展开，由中国机械工业联合会提出，挂靠在北京机床研究所的全国工业机械电气系统标准化技术委员会专门成立了“开放式数控系统（ONC）国家标准制订委员会”，从事我国开放式数控系统的标准研究及制订，经多家研究单位合作研究、起草，制定了 GB/T18759.1－2002《机械电气设备　开放式数控系统　第1部分：总则》该标准规定了开放式控制器的功能特征、系统基本体系结构和通信接口。在此后，国家科技部“863计划”的支持下，又进一步对开放式数控系统的体系结构技术标准进行了研究和制订，即现正在报批过程中的 GB/T18759.2－XXXX《机械电气设备　开放式数控系统　第2部分：体系结构》国家标准。开放式数控系统体系结构技术标准的研究与制订，对我国开放式控制器的研究提出了指导性意见，被业界广泛认同。4. 实施数控系统标准化的重大意义谈起实施数控系统标准化的意义，黄祖广用“三个有利于”作了阐述： 一是有利于国产设备互配互联和产品替换，使众多控制器企业形成强势的配套能力。目前，国际上具有垄断地位的控制器厂商具有很强的产品配套能力，能够全面提供制造装备的自动化控制解决方案。而国产控制器产品，仅在局部功能上能够取代进口控制装置，因技术和制造水平的差距很难全面与进口控制器产品竞争。开放式控制器设备层信息互联标准化可以使国产设备实现互配互联，发挥各自的技术专长和技术优势，形成竞争合力，为用户提供更方便的选择。二是有利于制造装备底层信息的采集和集成，为组建工厂自动化系统奠定良好的技术基础。开放式控制器设备层信息互联标准化有利于控制器采集底层设备的信息，更有利于制造信息的集成，为制造业的信息化提供最基层的信息支持。三是有利于设置技术准入门槛，保护国产控制器产业，为自主知识产权的控制器产品和相关技术的发展提供机会和空间。勿庸置疑，数控系统标准化的实施对于我国发展中的数控技术产业将产生巨大影响。中国机床工具工业协会数控系统分会理事长陈吉红也多次呼吁：加大在高档数控系统、数字交流伺服驱动自主技术研发的支持力度，组织国内数控系统企业制订下一代高档数控系统标准体系结构的规范和协议，形成中国数控系统的国家标准，从战略高度解决我国数控系统产业的发展瓶颈问题。5. 实现数控系统标准化任重而道远然而，目前的标准如《总则》与《体系结构》，只涉及概念层次。由于缺少系统平台方面的规定，还有一系列如“接口规范”、“软件规范”、“硬件条件”等内容尚未制订，使得相关标准缺乏可操作性。与国际比，就总体而言，我们所生产的开放体系结构系统还仅仅处于初始阶段，最大问题是开放性不够，接口界面还谈不上标准化，不可能实现互换和互操作，要方便地进行二次开发的开放程度还远未达到。目前，有关开放式控制器设备层信息互联的相关技术研究和标准化是有关产品开发的重要技术问题。在开放式技术和相关标准的引导下，目前国内控制器厂商已经普遍认同基于PC架构的控制器体系结构，但在控制器与伺服驱动装置、控制器与I/O系统、智能I/O系统、逻辑控制系统间的信息交互标准方面并没有达成标准。谈到这个问题，黄祖广秘书长也表现出了某种担忧，他说：“和发达国家相比，我们在技术上还有很大差距。另外，我们在数控系统标准化研究方面的投入不够，企业对标准化工作重视不够，以及我国数控系统行业尚未形成强势企业。”“这种局面对于稚嫩的国产控制器产业是非常不利的，特别是各种工业现场总线技术快速瓜分工业自动化领域的局面已经初见端倪。如果不采取相应的行动，很有可能导致国产控制器全行业被国际垄断厂商牵着走，甚至被轻易扼杀。”

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