开放式数控系统的发展历程

由于计算机技术、信息技术、网络技术的迅速发展，开放式数控系统的优越性已为越来越多的系统制造商、设备制造商和用户所认识和欢迎。开放式结构迅速使数控系统在通用化、柔性化、智能化和网络化方面大大发展，推动数控技术得到更广泛的应用，提高了数控技术在市场中的竞争力。因此，近年来，许多国家纷纷采取措施，投入大量人力物力进行研究开发。本节将介绍美国、欧共体和日本在开放式数控系统研究方面所做的工作。

1.美国的开放式数控系统研究计划

美国是最早提出开放式数控系统这一概念的国家，美国是于1987年提出了NGC（Next Generation Workstation/Machine Controller）计划，企图通过实现基于相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”（Spcification for anOpen System Architecture Standard—SOSAS）找到解决传统数控系统存在的“专用、封闭”的问题。在NGC计划中提出了“开放式系统体系结构”的新一代数控的概念，一个开放式系统体系结构能够使供应商为实现专门应用选择最佳方案去定制控制系统。

NGC计划的目的是为了推动美国工业界形成一个广泛的工作伙伴，以利于同别国进行竞争。NGC计划由美国国家机械制造科学中心（National Center for Manu-facturing Science，NCMS）参与，并经美国空军机械制造技术委员会（AirForce Manufacturing Technology Directorate，AFMTD）授权给MARTIN MARIETTS 公司的“先进自动化技术开发部”，于1989年秋天开始实施。

NGC计划是基于通过革新的控制技术，机械制造者有机会重新恢复分享国际竞争市场的思想提出来的。NGC计划是为了加强美国工业基础，并重新恢复美国在控制市场中的竞争地位而进行的联合行动。

NGC计划正在为基于开放式系统体系结构的下一代机械制造控制器提供一个标准，这种体系结构允许不同的设计人员开发可相互交换和相互操作的控制器部件（硬件和软件）。一个完全合格的NGC包括开发的可能性，例如多个装置间的协调，装置的全独立编程，基于模型的处理，自适应路径策略和大范围的工作站及实时特性等。

SOSAS是NGC计划可首先交付使用的“开放式系统体系结构标准规范”。SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块的功能及相互间的关系。为控制机床、机器人所需要的功能和服务，以及对现有工厂硬件基础的支撑装置也是SOSAS可交付使用的一部分。NGC标准将为供货商定做控制系统，建立支撑软件和开发集成工具提供市场机会。

为了监督和保证SOSAS开发活动的正确方向，NGC计划还建立了工业检查委员会（Industrial Review Board，IRB），IRB由美国政府、学术界和工业界的有关人员组成，他们将希望寄托在NGC出口中。IRB由投票和观察两大类人员组成，投票人员是由美国空军选定的，他们代表着对NGC的关键问题有投票权的大大小小的制造业公司和控制系统的制造者，而观察人员则是被邀请来列席会议的。另外，美国的汽车工业为解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司于1994年开始了一项名为“开放式、模块化体系结构控制器（OMAC）”的计划，该计划的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。其主要动机是向供应商和技术开发团体公布控制器用户，尤其是汽车制造业的需求，以期他们明白并更好地理解用户的需求，从而能在市场上购买到满足其要求的产品。由于OMAC的成员是控制器的用户而不是开发商，这就决定了其性质和目的，从而也就决定了其产品化、实用化步伐不可能很快。事实上美国工业界认为OMAC是一种概念，而不是一种控制器或标准。OMAC自身也意识到这一问题，它目前正逐步与SOSAS等进行联合。下面主要介绍美国的NGC计划。

（1）什么是NGC技术 NGC被看做是一个计划、一种规范、一种产品和一种基本原理。这个计划的目标是产生、制造并批准一个能够成为工业标准的开放式系统控制器的规范。SOSAS将最终实现这个目标。

九个功能设计概念代表了控制要求，这对于实现SOSAS是极为重要的，九个概念如下：

1）分级式的控制结构，指出了功能性的分解。

2）分布式的控制适应在单个工作站的多机控制。

3）按系统、子系统和模块进行分类。

4）虚拟机械方便了模块间的相互交换和相互操作的能力。

5）控制程序由三级设计表示。

6）信息通过中性制造机械语言（Neutral Manufacturing Language，NML）传递。

7）公共的Look和Feel是人机接口的一部分。

8）信息库管理所要求的信息，并包括实时数据。

9）传感器/操作部件的操作按照标准协议进行。

以上九个功能设计概念对理解SOSAS很重要，但绝不是SOSAS的全部内容。

NGC的系统体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟机械把子系统的模块连接到计算机平台上，如图4-25所示。

图4-25 NGC系统体系结构

代表NGC技术的重要功能概念是策略，其构成如图4-26所示。

NGC的标准是：美国的控制器供应商意识到需要采用一个公共的标准集，以利于用于工业控制的开放式系统的合作开发，进而从外来的竞争中重新赢得市场。每一位供应商都有他们自己的、为解决他们的特殊控制器的实现问题的方法。显然，为了实现世界范围的控制器的市场能力，也需要一个国际标准。

（2）NGC计划的实现 NGC计划不仅仅是为国家提供一个机械制造控制方面的公共标准，而且还定义了一个体现“下一代技术”的规范，“下一代技术”将继续很多年进入21世纪。

在当今的环境中，各公司提供的产品是不能使用相同软件的产品，缺乏向上和向下两个方面输入/输出的通信协议和连接标准是另外的控制问题。对基于NGC—SOSAS的产品来说，共同的标准接口将消除集成制造的障碍，并提供当前所无法实现的高效率。通过减少开发者可以选择可变化的接口数量，SOSAS创建了一种使用开放式系统体系结构的下一代的性能机构。

NGC的成功实现取决于几个重要因素：需求定义、SOSAS开发、初始技术开发（Initial Technology Development，ITD）、技术论证及技术推广。

需求定义是在需求分析和技术评价预测的基础上，编制一个需求定义文件（Requirements Definition Document，RDD）。在NGC需求经过全面彻底的分析并理解之后，ITD和SOSAS的开发活动即行开始。

SOSAS开发活动将在三个不同的体系结构层次，即系统、子系统和模块上解决需求问题。可以预料，NGC系列产品将在这三个主要层次上是一致的。SOSAS的真正实现将在试验室中通过论证进行的技术认证开始。

为支撑ITD任务所做的努力，将集中在商业研究、概念设计和样机上。成功的样机将导致多方位技术论证的实现。在下列的领域中，即机床、机器人、实时控制和工作站中，需要进行方案（plans）论证工作。

NGC技术，通过支持地区性的和国家性的用户组织，以及有关如何开发符合NGC规范产品的启蒙教育和培训计划，被推广到应用中去。致力于促进技术推广的有效领域包括标准（基于现存的或新出现的标准）、“设计者指南”的编制和NGC工业协会的建立。为了保证成功地实现NGC计划，NGC技术被推广到实际的工业应用中去是不可缺少的。

图4-26 NGC技术中的策略(www.xing528.com)

NGC实现过程概括如下：

1）SOSAS的开发，如图4-27所示。

2）技术推广，标准、“设计者指南”、工业协会。

3）NGC实现，用户、制造者、集成者。

图4-27 SOSAS的开发

在NGC计划期间的论证将示出如何实现符合SOSAS规范的产品和新的技术如何集成到已被证实是成功的技术中去。

NGC最有效的优点之一是外部接口的公共性。用于人机界面的显示器和传感器、操作部件的公共外部接口使得开发和集成容易完成，为适应别的应用而进行的扩展也很容易。这些公共的接口在NGC实现的所有范围内部都是可应用的。

从公共的NGC用户接口带给用户的优点在降低操作费用、缩短编程时间、容易使用的操作接口、公共语言和公共通信接口中。

NGC允许控制器制造者以闻所未闻的短时间、低成本和更好的工具为更广泛用户开发和销售产品。用NGC进行工作站的集成将不再需要纸张，并减少在车间中因通信带来的时间延长。

新的NGC系统的集成者将能够在维持他们的独立性的同时，以国家标准（SOSAS）为他们的本地区的用户提供支撑。使用NGC标准将使我们能更快地找到新的应用问题的办法，在更广泛的工业范围中，允许更快的调试和调整，并具有低的集成、培训和实现费用的特性。

控制器制造者和系统集成者可以委托并投资在NGC技术中，其结果将是控制器的集成和性能的改善。

SOSAS为广泛的应用提供了柔性和不同等级。复杂的工作站的集成通过NGC的标准接口和开放式系统体系结构是容易调整的。所有的NGC产品的范围将使用人机接口、外部通信和I/O装置的公共标准接口。这将降低费用，提供NGC技术的扩展能力，并简化集成。NGC集成的过程如图4-28所示。

图4-28 NGC的集成过程

不同的组织和不同的人极大地影响着NGC的发展方向。对于不同的要求，需求是不同的，然而，对于很多不同需要的解决办法可以变成为普通的解决方法，并把它们写到NGCSOSAS中。

美国有关方面认为，美国人的参与对NGC计划、SOSAS的发展方向、美国的财政和经济状况都是很重要的。没有NGC，美国的控制制造商和系统集成者将继续丢失同外国供应商共享的市场，用户将继续跟随外国的制造技术。

不积极支持NGC计划的公司将很难在NGC工业环境中保持竞争地位。解决的办法就是现在就参与，停下来同IRB的投票成员一起讨论，与别人共享自己的观点和意见。NGC计划的成功将对所有计划参加者带来实际的好处。

NGC名录是NGC计划的重要成果。这个名录罗列了NGC项目的成员以及对NGC感兴趣的六类工业小集团。他们是制造者、研究与开发人员、用户、IRB、第三者和服务人员。名录还提供了IRB投票成员和技术顾问级的每个成员的名单。

任何人想加入到NGC名录中去，并得到NGC的季度通信，需要填写好调查表。以季度为单位把新的成员附加到名录的列表之中，名录将被适时修正并定期地重新排版。

2.欧盟的OSACA计划和日本的OSEC计划

（1）OSACA计划 OSACA（Open System Architecture for Control within Automa-tion System）是1990年由欧共体国家的22家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，并于1992年5月正式得到欧盟的认可，纳入欧盟ESPRIT—Ⅲ项目计划。这实际上是第一阶段OSACA—Ⅰ，它于1994年结束，完成了OSACA规范和应用指南的制订。其第二期工程OSACA—Ⅱ（ESPRIT9115）于1996年4月结束，主要完成依照OSACA规范为其系统平台开发工作标准、通用的软件模块和通用的OSACA系统平台，建立了一个五轴制造系统环境，用以调试、验证、扩展前一阶段的各种规范。OSACA第三阶段为IDAAOSACA（Informa-tion Dissemination and Awareness Action）于1997年1月开始，历时18个月，推广OSACA思想及前期工作的技术成果。同时为了建立一个国际性的标准，而与日、美的相关机构进行接触。OSACA目标之一，是使自己成为自动化领域的通用标准，故开始它就将研究范围涵盖了整个自动化领域，并投入了巨大的人力、物力。

1）OSACA的系统平台。OSACA计划在第二期工程提出的“分层的系统平台+结构化的功能单元”的体系结构，如图4-29所示。该体系结构保证了各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性；保证了开放性，并明确规定了不同的开放层次：应用层开放、核心层开放（与OSACA部分兼容）和全部开放（与OSACA全部兼容）。

2）OSACA的软件结构。OSACA的软件结构中有三个主要组成部分：通信系统、参考体系结构模型和配置系统。是基于信息通信平台建立的，如图4-30所示。

图4-29 OSACA系统平台结构

图4-30 OSACA通信系统结构

（2）OSEC计划 日本的控制器开放系统环境（Open System Environment for Controller，OSEC）计划，于1995年由东芝机器公司、丰田机器厂和Mazak公司三家机床制造商和日本IBM、三菱电子及SML信息系统公司共同组建。其目的是建立一个国际性的工厂自动化（Factory Automation——FA）控制设备标准。OSEC讨论的重点集中在NC（数字控制器）本身和分布式控制系统上。OSEC认为，从制造的观点看，NC是分布式制造系统中的一个服务器。

OSEC所谓的开放式系统本身被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同配置的要求、最小费用的要求和应用先进控制算法及基于PC的标准化人机界面的要求。OSEC认为，实现开放式的CNC，有两种解决方法，第1种是理想的和革命的，该方法将不同的功能单元在基于信息的通信平台上连接起来（这正是OSACA采用的方法）；第2种是现实的和进化性的，该方法将功能单元分组并结构化在一些功能层中，OSEC采用了这种方法。OSEC以日本国际机器人和工厂自动化研究中心（IROFA）所提出的CNC系统参考模型为基础，提出了一个开发系统结构，如图4-31所示，包括了3个功能层和7个处理层。

图4-31 OSEC开放系统体系结构

目前在我国，已有开放式控制系统出现，如华中、航天系统等，它们虽然有着各自的优点，但从数控系统的长远发展看还有许多改进的地方。如相互之间缺乏兼容性，对体系结构的阐述都局限于具体的实现层面，没有提高到一种理论的抽象的层面上来。同时各个系统虽然模块化了，但没有标准化、层次化，没有用到国际上的新技术，和国外相比在开发思想上还有很大的差距。可喜的是最近上海交通大学和德国斯图加特大学在开发OSACA计划方面签署了项目合作协议，德国斯图加特大学作为OSACA协会的主席单位，正式接收上海交通大学为OSACA中国会员。