第2讲：开放式、网络化数控系统及其应用

开放式、网络化开放式、网络化数控系统的研究及应用数控系统的研究及应用国家数控系统工程技术研究中心国家数控系统工程技术研究中心叶伯生叶伯生提纲一、开放式、网络化数控系统特点二、开放式、网络化数控系统技术指标三、开放式、网络化数控系统硬件平台四、开放式、网络化数控系统软件平台五、数控系统网络和远程服务技术六、开放式、网络化数控系统的典型—“世纪星”系列数控系统引言开放式、网络化数控系统是实现高水平装备的保开放式、网络化数控系统是实现高水平装备的保证，其核心是开放式。开放式体系结构数控系统证，其核心是开放式。开放式体系结构数控系统具有更好的通用性、适应性和可扩展性，并使数具有更好的通用性、适应性和可扩展性，并使数控系统向智能化、网络化方向发展。控系统向智能化、网络化方向发展。国家数控系统工程研究中心多年来一直致力于开国家数控系统工程研究中心多年来一直致力于开放式数控系统软、硬件体系结构的研发、生产和放式数控系统软、硬件体系结构的研发、生产和推广应用，成功开发、生产出新一代开放式、网推广应用，成功开发、生产出新一代开放式、网络化数控系统。络化数控系统。一、开放式数控系统定义及特点1、开放式数控系统定义1）IEEE定义的开放式系统信息技术领域内的开放式系统，应能使得各种信息技术领域内的开放式系统，应能使得各种应用系统正确有效地运行不同供应商提供的不应用系统正确有效地运行不同供应商提供的不同平台上，可以与其他应用系统进行相互操同平台上，可以与其他应用系统进行相互操作，同时提供与用户交互的一致风格。作，同时提供与用户交互的一致风格。应用系统与运行平台的无关性应用系统中模块间的互操作性与用户交互作用风格的一致性2）OSACA定义的开放式控制系统☆构件与构件之间的互操作性；☆构件的互换性；☆应用系统与运行平台之间的无关性，即可移植性；☆允许用户增加或减少控制系统性能和功能的可伸缩性等。OSACAOSACA定义的定义的自动化领域自动化领域中的开放式控制系统，是中的开放式控制系统，是由逻辑上独立的构件组成的，构件以及构件与由逻辑上独立的构件组成的，构件以及构件与OSACAOSACA定义的平台之间的接口，允许来自不同厂家定义的平台之间的接口，允许来自不同厂家的构件能够协调操作，形成在各种平台上运行的完的构件能够协调操作，形成在各种平台上运行的完整控制，并对操作人员和别的自动控制系统呈现兼整控制，并对操作人员和别的自动控制系统呈现兼容性的界面。其开放特征体现在：容性的界面。其开放特征体现在：OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems3）ONC系统定义的开放式数控系统☆☆ONCONC数控系统是按照开放式技术规范设计数控系统是按照开放式技术规范设计的，实现数控系统中结构对象的，实现数控系统中结构对象((实现功能实现功能单元的软件模块）之间的互操作性；单元的软件模块）之间的互操作性；☆☆应用软件通过应用软件通过ONCONC系统应用编程接口系统应用编程接口（（ONCAPIONCAPI））实现与运行平台的无关性；实现与运行平台的无关性；☆☆人机界面以及与其它系统进行互连的标人机界面以及与其它系统进行互连的标准接口和协议实现一致性。准接口和协议实现一致性。开放式系统特征：可移植性——功能模块可用于不同控制系统可扩展性——功能相似模块之间可互相替换，随技术进步可更新软硬件可缩放性——有即插即用功能，根据需求变化，能方便有效重新配置互操作性——使用标准I/O和网络接口，容易实现与其它自动化设备互连。„„硬件专用、软硬件专用、软件专用件专用,,不易伸不易伸缩缩„„硬件基于硬件基于PCPC开放平台，开放平台，软件基于软件基于DOSDOS，，LinuxLinux开开放平台，系统可根据需放平台，系统可根据需要进行伸缩。要进行伸缩。—系统结构及可伸缩性—传统系统开放式系统2、专用数控系统与开放式数控系统之比较•随着技术进步，需要开发、生产专用的硬件，难于适应竞争的日益剧烈要求。•由于PC技术发展迅速，资源丰富，容易跟上技术进步。—系统可维护性—传统系统开放式系统—软件开发难易性—„„须用须用CNCCNC制造商开发的制造商开发的专用软件，其核心部分专用软件，其核心部分无法知道。无法知道。„„用用CC语言编写，可用通用语言编写，可用通用软件，开发时间少，易软件，开发时间少，易于实现于实现CAD/CAMCAD/CAM集成。集成。传统系统开放式系统•软件为开放平台，机床制造商，用户可根据自己要求开发新功能。•软件为CNC制造商所独占，机床厂、用户厂难于进行二次开发，引入其独创部分。—软件的可扩展性—传统系统开放式系统•使用开放式软件平台和C++等高级语言，容易开发•对特殊、专用系统开发不容易，需花大量时间。—特殊专用系统开发—传统系统开放式系统•应用商品化网卡，与PC联网技术相同，联网成本低。•须用CNC制造商专用硬件和通讯方法，联网时需专有技术，联网成本高。—联网性—传统系统开放式系统—PLC软件—•须用制造商专用语言，难于与其他制造商移植，用户厂维修时还需学习各厂家专用语言。•使用符合标准的PLC，可移植性强，可维护性好。传统系统开放式系统•使用标准化接口，容易与各类伺服，步进电机驱动及主轴电机联接。•用专用接口，只能使用特定制造商产品。—接口—传统系统开放式系统•通用RAM，内存4M以上，可扩至64MB，并可配置大容量硬盘，一次性可调入巨量程序。•专用RAM，通常只有128KB，扩容成本高，对大型模具程序，需采用DNC。—系统程序容量—传统系统开放式系统„„在专用硬在专用硬//软件结构基础上实现的数控系统，软件所依赖的软件结构基础上实现的数控系统，软件所依赖的硬件结构以及软件结构均无标准可言，软件的设计、维硬件结构以及软件结构均无标准可言，软件的设计、维护、升级换代极为不便；护、升级换代极为不便；„„不同的操作风格、编程格式和对外通信接口及协议，给系不同的操作风格、编程格式和对外通信接口及协议，给系统集成商和最终用户在使用中带来了许多麻烦。统集成商和最终用户在使用中带来了许多麻烦。------开放式数控系统开放式数控系统☆☆应用软件与底层系统软硬件支撑无关、模块化的、可重用应用软件与底层系统软硬件支撑无关、模块化的、可重用的和可维护性好的软件，便于不同软件设计人员，为统一的和可维护性好的软件，便于不同软件设计人员，为统一的被控对象，针对不同的运行环境，并行开发应用软件的的被控对象，针对不同的运行环境，并行开发应用软件的系统；系统；☆☆标准化进线、联网通信接口和协议，能够进行快速集成。标准化进线、联网通信接口和协议，能够进行快速集成。☆☆标准化的人机界面、能够保证系统的操作风格及编程格式标准化的人机界面、能够保证系统的操作风格及编程格式相互兼容。相互兼容。3、研制ONC系统的意义(1)解决传统数控系统的封闭性问题„„传统软件结构、编程技术和作坊式的生产方式，距现代传统软件结构、编程技术和作坊式的生产方式，距现代化的面向对象的软件分析（化的面向对象的软件分析（OOAOOA），），设计（设计（OODOOD））和编程和编程（（OOPOOP），），以及软件产业化生产方式相差甚远，无法适应以及软件产业化生产方式相差甚远，无法适应现代数控软件生产的需要；现代数控软件生产的需要；„„在现代软件生产环境中，利用软件工程的方法，实现软在现代软件生产环境中，利用软件工程的方法，实现软件构件化和软件复用，从而解决软件产业化的生产问件构件化和软件复用，从而解决软件产业化的生产问题；题；„„充分利用通用充分利用通用PCPC机软机软//硬件资源，特别是软件资源，在解硬件资源，特别是软件资源，在解决数控应用软件结构的基础上，利用现代化的面向对象决数控应用软件结构的基础上，利用现代化的面向对象的编程技术，实施面向对象的开放式数控系统软件设的编程技术，实施面向对象的开放式数控系统软件设计，将数控应用软件的建模、分析、设计和编程技术，计，将数控应用软件的建模、分析、设计和编程技术，提高到一个崭新的阶段，利用工程化方法，使我国数控提高到一个崭新的阶段，利用工程化方法，使我国数控应用软件的开发水平能够纵身跃入现代软件技术的先进应用软件的开发水平能够纵身跃入现代软件技术的先进行列。行列。(2)高起点解决数控应用软件的产业化生产问题4、开放式数控系统的发展¾¾美国：美国：NGCNGC（（TheNextGenerationWorkTheNextGenerationWork--station/station/MachineControllerMachineController）和）和OMACOMAC（（OpenModularOpenModularArchitectureControllerArchitectureController）计划）计划¾¾欧共体：欧共体：OSACAOSACA（（OpenSystemArchitectureforOpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystemsControlwithinAutomationSystems）计划）计划¾¾日本：日本：OSECOSEC（（OpenSystemEnvironmentforOpenSystemEnvironmentforControllerController）计划）计划¾¾中国：中国：ONCONC（（OpenNumericalControlSystemOpenNumericalControlSystem））‰NGC背景1987年美国总统里根签署的一项命令，旨在推动美国工业界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同国外竞争。该项目由美国国家制造科学中心(NCMS)与空军共同领导，由MartinMarietta公司为主承包公司，于1989年开始实施。‰NGC特点开放式体系结构‰NGC内涵NGC是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适用于各类机床的CNC控制和周边装置的过程控制，包括切削加工（钻、铣、磨)、非切削加工（电加工、等离子弧、激光等)、测量及装配、复合加工等‰NGC目标开发“开放式系统体系结构标准规范SOSAS（SpecificationforanOpenSystemArchitectureStandard）”，用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的以下9个功能设计概念‰NGC进展—美国Ford、GM和Chrysler等公司在NGC计划的指导下，联合提出了OMAC（OpenModularArchitectureController）开发计划，定义了系统基础框架，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。—DELTATAU公司利用NGC和OMAC等协议，采用PC机和PMAC控制卡构成的PMAC开放式CNC系统。PMAC卡与PC机之间有双端口、总线、串口、中断等信息交换方法，并提供丰富的人机接口、I/O接口、电机控制接口，能实现交、直流电机的闭环位置控制。‰OSACA背景1990年由德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等欧共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研单位联合发起的，于1992年5月正式为欧盟官方所接受。‰OSACA目标开发出开放性的CNC系统，允许机床厂对系统作修改、补充、扩展、裁剪来适应不同用户的需要。既能大量生产，又能以最低价格满足专用机床的要求，以增强数控机床和数控系统在国际市场上的竞争力。‰OSACA数控平台由硬件和软件组成，包括操作系统、通讯系统、系统设定、图形服务器和数据库系统等。系统平台通过API与具体应用模块AO发生关系。AO按其控制功能可分为：人机控制MMC(Man-MachineControl)、运动控制MC(MotionControl)、逻辑控制LC(LogicControl)、轴控制AC(AxisControl)、过程控制PC(ProcessControl)。‰OSACA构