數(shù)控系統(tǒng)要升級，標(biāo)準(zhǔn)化須先行
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進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了數(shù)控機(jī)床技術(shù)更快地更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。制約開放式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的因素很多，其中最主要的一個問題就是標(biāo)準(zhǔn)化。 美國的可重構(gòu)制造系統(tǒng)工程研究中心曾于1999年舉辦了一個專家研討會，與會人員是機(jī)床廠商、數(shù)控系統(tǒng)廠商和用戶中的各領(lǐng)域?qū)＜�，在討論開放式數(shù)控系統(tǒng)今后的研究方向時，很多人的回答是:“建立所有數(shù)控系統(tǒng)廠商都支持的通用結(jié)構(gòu)”，“沒有什么需要研究的，只需要建立一系列標(biāo)準(zhǔn)”。由此可見，標(biāo)準(zhǔn)化工作在開放式數(shù)控系統(tǒng)研究中的重要作用。 “數(shù)控系統(tǒng)要升級，標(biāo)準(zhǔn)化須先行�！秉S祖廣秘書長如是說。 1. 何為開放式數(shù)控系統(tǒng) 開放式數(shù)控系統(tǒng)是全模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊組件具有互換性、伸縮性、互操作性和可移植性。開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)平臺和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)平臺由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。系統(tǒng)硬件包括組成系統(tǒng)的各種物理實體；系統(tǒng)軟件包括實時操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序以及其他可供選擇的系統(tǒng)程序。 開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進(jìn)行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，既可通過升級或剪裁構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過擴(kuò)展構(gòu)成不同類型數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，結(jié)構(gòu)上不必變動。這種技術(shù)正好滿足了數(shù)控機(jī)床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發(fā)展需要，是將來數(shù)控技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。 黃秘書長說：“建立開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是在掌握和分析現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)的功能和技術(shù)的基礎(chǔ)上，有效利用成組技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)等工具，將系統(tǒng)功能進(jìn)行分解和劃分，吸取各種控制功能的共有屬性和各自特性，明確和定義各功能模塊和功能單元的作用以及它們的相互操作界面�！� 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部模塊與模塊之間的相互通信，以及數(shù)控系統(tǒng)與外界(如與伺服系統(tǒng))的信息傳遞都是通過相應(yīng)的接口實現(xiàn)的。只有接口符合國際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，多個廠商的產(chǎn)品才能協(xié)調(diào)地組合在一起，從而滿足可互換、可擴(kuò)展、可移植和互操作等開放性要求。因此，真正的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其接口必須符合標(biāo)準(zhǔn)。 2. 發(fā)達(dá)國家開放式數(shù)控系統(tǒng)研究進(jìn)展 實際上，如何有效地利用已經(jīng)實現(xiàn)的技術(shù)成果，實現(xiàn)控制器軟件的拼裝，快速響應(yīng)市場，是各國控制器制造廠商和有關(guān)研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。旨在實現(xiàn)上述目標(biāo)的開放式控制器的研究成為20世紀(jì)90年代以來制造裝備控制器領(lǐng)域的重要技術(shù)方向。 (1) 美國的NGC和OMAC計劃 美國政府為了增強(qiáng)其制造業(yè)的持久發(fā)展能力和在國際市場上的競爭力，由國防部委托馬�。R瑞塔航天研究所斥資2400 萬美元研究的NGC（The Next Generation Work-station/Machine Controller）計劃，作為具有開放性結(jié)構(gòu)的提案，受到關(guān)注。 該計劃已于1994年完成了NGC原型研究，并已轉(zhuǎn)入工業(yè)開發(fā)應(yīng)用。例如美國Ford、GM和Chrysler等公司在NGC計劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)開發(fā)計劃，提出了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，信息庫管理、任務(wù)調(diào)度、人機(jī)接口、運(yùn)動控制、傳感器接口等構(gòu)造了完整體系結(jié)構(gòu)。該計劃的實現(xiàn)將使系統(tǒng)制造廠、機(jī)床廠和最終用戶分別從縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用、便于系統(tǒng)集成和二次開發(fā)、簡化系統(tǒng)使用和維護(hù)等方面受益。Cincinnati Milacron從1995年開始在其所生產(chǎn)的加工中心、銑床、車床及激光加工等設(shè)備中采用開放式體系結(jié)構(gòu)的A2100系統(tǒng)(應(yīng)用雙處理器組成，Windows NT操作系統(tǒng)的多任務(wù)、多過程、多功能的開放式系統(tǒng))，還有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協(xié)議，采用PC機(jī)+PMAC控制卡構(gòu)成的PMAC開放式CNC系統(tǒng)，獲得了良好的應(yīng)用效果。 (2) 歐洲國家的OSACA計劃 1991年10月，控制系統(tǒng)計劃OSACA （Open System Architecture for Controls within Automation System）在整個歐洲開始實施。其研究目標(biāo)是研制出自動化系統(tǒng)中的開放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。參加單位來自歐洲的11家機(jī)床廠、控制器廠商和高等院校。其后續(xù)計劃OSEAN現(xiàn)在還在實施中。 OSACA計劃事實上分三個階段：OSACA I、OSACA II和IDAS OSACA。OSACA I 完成了規(guī)范和應(yīng)用指南的制定； OSACA II則為系統(tǒng)平臺提供了軟件模塊儲組合(Software Module Pool)，包括開發(fā)一個標(biāo)準(zhǔn)的、通用的OSACA系統(tǒng)平臺及一系列的標(biāo)準(zhǔn)組件；IDAS OSACA（Information Dissemination and Awareness Action）則致力于推廣 OSACA的思想及與其他開放系統(tǒng)組織如OMAC、OSEC進(jìn)行交流。截止目前，OSACA計劃的三個階段的工作全部完成。 (3) 日本的OSEC計劃 OSEC(Open System Environment for Controller)計劃是在日本國際機(jī)器人和工廠自動化研究中心IROFA建立的開放式數(shù)控委員會的倡導(dǎo)下，由三個機(jī)床廠(Toyoda、Toshiba、Mazak)、一個系統(tǒng)廠 (Mitsubishi)和二個信息公司(SML、日本IBM)發(fā)起的。其目的是開發(fā)基于PC平臺的，具有高性能價格比的開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。但到目前為止，也只是處于試驗階段，并未形成商業(yè)化的產(chǎn)品。 3. 我國的開放式數(shù)控系統(tǒng)簡況 我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)，目前雖然還處于發(fā)展階段，但通過“八五”攻關(guān)已形成的華中I型、航天I型等四個基本系統(tǒng)，都屬于有自主版權(quán)的開放式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，都是利用PC機(jī)組成數(shù)控系統(tǒng)，使得CNC重點(diǎn)由硬件轉(zhuǎn)向軟件，為我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩解硬件生產(chǎn)上的“瓶頸”制約，從而加快生產(chǎn)實用產(chǎn)品和實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。如1999年在北京舉行的國際機(jī)床展覽會上，武漢華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司率先推出了開放式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)原型機(jī)，實現(xiàn)了通過Internet遠(yuǎn)程操作控制異地數(shù)控機(jī)床；華中數(shù)控還在江蘇常柴股份公司將其模具車間的5臺加工中心和一臺仿形數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在遠(yuǎn)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。 在“九五”期間，在國家有關(guān)單位的支持下，多家研究單位聯(lián)合承擔(dān)了有關(guān)開放式控制器的研究，對開放式控制器研究的意義有高度的認(rèn)同，對開放式控制器的主要矛盾有了較深刻的認(rèn)識，在短期內(nèi)取得了相當(dāng)難得的成果。為我國進(jìn)一步研究、開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)和制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)打下了良好基礎(chǔ)。 與此同時，對開放式數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制訂也同期展開，由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會提出，掛靠在北京機(jī)床研究所的全國工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會專門成立了“開放式數(shù)控系統(tǒng)（ONC）國家標(biāo)準(zhǔn)制訂委員會”，從事我國開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)研究及制訂，經(jīng)多家研究單位合作研究、起草，制定了 GB/T18759.1－2002《機(jī)械電氣設(shè)備 開放式數(shù)控系統(tǒng) 第1部分：總則》該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了開放式控制器的功能特征、系統(tǒng)基本體系結(jié)構(gòu)和通信接口。 在此后，國家科技部“863計劃”的支持下，又進(jìn)一步對開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究和制訂，即現(xiàn)正在報批過程中的 GB/T18759.2－XXXX《機(jī)械電氣設(shè)備 開放式數(shù)控系統(tǒng) 第2部分：體系結(jié)構(gòu)》國家標(biāo)準(zhǔn)。開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制訂，對我國開放式控制器的研究提出了指導(dǎo)性意見，被業(yè)界廣泛認(rèn)同。 4. 實施數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的重大意義 談起實施數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的意義，黃祖廣用“三個有利于”作了闡述： 一是有利于國產(chǎn)設(shè)備互配互聯(lián)和產(chǎn)品替換，使眾多控制器企業(yè)形成強(qiáng)勢的配套能力。目前，國際上具有壟斷地位的控制器廠商具有很強(qiáng)的產(chǎn)品配套能力，能夠全面提供制造裝備的自動化控制解決方案。而國產(chǎn)控制器產(chǎn)品，僅在局部功能上能夠取代進(jìn)口控制裝置，因技術(shù)和制造水平的差距很難全面與進(jìn)口控制器產(chǎn)品競爭。開放式控制器設(shè)備層信息互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化可以使國產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)互配互聯(lián)，發(fā)揮各自的技術(shù)專長和技術(shù)優(yōu)勢，形成競爭合力，為用戶提供更方便的選擇。 二是有利于制造裝備底層信息的采集和集成，為組建工廠自動化系統(tǒng)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。開放式控制器設(shè)備層信息互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化有利于控制器采集底層設(shè)備的信息，更有利于制造信息的集成，為制造業(yè)的信息化提供最基層的信息支持。 三是有利于設(shè)置技術(shù)準(zhǔn)入門檻，保護(hù)國產(chǎn)控制器產(chǎn)業(yè)，為自主知識產(chǎn)權(quán)的控制器產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供機(jī)會和空間。 勿庸置疑，數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的實施對于我國發(fā)展中的數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生巨大影響。中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會數(shù)控系統(tǒng)分會理事長陳吉紅也多次呼吁：加大在高檔數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字交流伺服驅(qū)動自主技術(shù)研發(fā)的支持力度，組織國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)制訂下一代高檔數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范和協(xié)議，形成中國數(shù)控系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，從戰(zhàn)略高度解決我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸問題。 5. 實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化任重而道遠(yuǎn) 然而，目前的標(biāo)準(zhǔn)如《總則》與《體系結(jié)構(gòu)》，只涉及概念層次。由于缺少系統(tǒng)平臺方面的規(guī)定，還有一系列如“接口規(guī)范”、“軟件規(guī)范”、“硬件條件”等內(nèi)容尚未制訂，使得相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏可操作性。與國際比，就總體而言，我們所生產(chǎn)的開放體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還僅僅處于初始階段，最大問題是開放性不夠，接口界面還談不上標(biāo)準(zhǔn)化，不可能實現(xiàn)互換和互操作，要方便地進(jìn)行二次開發(fā)的開放程度還遠(yuǎn)未達(dá)到。 目前，有關(guān)開放式控制器設(shè)備層信息互聯(lián)的相關(guān)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化是有關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)問題。在開放式技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)下，目前國內(nèi)控制器廠商已經(jīng)普遍認(rèn)同基于PC架構(gòu)的控制器體系結(jié)構(gòu)，但在控制器與伺服驅(qū)動裝置、控制器與I/O系統(tǒng)、智能I/O系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)間的信息交互標(biāo)準(zhǔn)方面并沒有達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)。 談到這個問題，黃祖廣秘書長也表現(xiàn)出了某種擔(dān)憂，他說：“和發(fā)達(dá)國家相比，我們在技術(shù)上還有很大差距。另外，我們在數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化研究方面的投入不夠，企業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)化工作重視不夠，以及我國數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)尚未形成強(qiáng)勢企業(yè)�！� “這種局面對于稚嫩的國產(chǎn)控制器產(chǎn)業(yè)是非常不利的，特別是各種工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)快速瓜分工業(yè)自動化領(lǐng)域的局面已經(jīng)初見端倪。如果不采取相應(yīng)的行動，很有可能導(dǎo)致國產(chǎn)控制器全行業(yè)被國際壟斷廠商牽著走，甚至被輕易扼殺。” |