开放式控制器体系结构-过去，现在和未来 机械设计制造及其自动化专业毕业设计外文翻译.docx

合 肥 工 业 大 学毕 业 设 计 翻 译 文 献翻译题目：开放式控制器体系结构-过去，现在和未来学生姓名： 学 号： 专业班级： 机械设计制造及其自动化08-3班 指导老师： 院系名称： 机械与汽车工程学院 2012年02月12日开放式控制器体系结构-过去，现在和未来摘要:开放式控制系统是用于模块化和可重新配置制造系统实现的关键推动者。特殊用途的机器和自动化程度高，导致大量的开放式控制系统的供应商中立的标准为基础的重要性与日俱增。本文给出了一个概述了过去，现在和未来的开放式控制器体系结构。经过对不同的标准，分类和一般开放式控制器的特点，反映在市场上的数控产品进行评估和对在欧洲，北美和日本的全球性研究活动概述给定。随后，努力协调不同的结果，以便在将来建立一个共同的全球性标准。由于“混合和匹配”，必须集中注意于开放式控制系统的性质来进行一致性和互操作性测试。关键字：开放式结构控制 数控 机床1 引言开放式控制器体系结构长期以来在机械控制领域是众所周知的。自九十年代初，世界各地的若干措施一直致力于让控制供应商，机床厂商和最终使用者从灵活敏捷的生产设备中获取更多的利益。主要目的是用于在一个厂商中立，标准化的环境中通过开放接口控制和配置方法进行易操作和集成的客户指定控制。这种系统的广泛接受和使用使得成本降低，灵活性增加。软件可重复使用，用户特定算法和应用程序可以集成。用户根据给定的控制配置可以自己设计控制方法。这种趋势迫于越来越多的特殊用途的高自动化水平的机械和越来越多的软件开发成本（图1）。图1： 数控硬件和软件实际的发展趋势过去数控领域的实际趋势是由与专有的硬件和软件组件相结合的独特的设备导向系统所主导。应用软件，系统软件和硬件的紧耦合导致系统非常复杂和灵活性差。为了维护和更远的发展产品，按照新的市场要求，巨大的措施已经被实施。现代数控方法，包括了广泛的功能来完成一个高质量，灵活的机械成果，在一个相同的标准化的环境下，它与减少处理时间，利于个人电脑的措施相结合（图2）。由于定义的接口和软件的平台，这种结构是软件导向的、可配置的。开放式控制接口需要不断整合新的、先进的功能到控制系统中去。，而且对于创造可重新配置的制造单元是非常重要的17。分拆硬件和软件可以从半导体产业和信息技术产业缩短的创新周期中获益。在重利用软件组件的可能性下，简单的通过升级硬件平台，系统的整体性能便增加了。图2：基于个人电脑的，面向软件的控制系统对于提供和使用开放式控制系统的人都有很多好处（图3）7。数控设计师和学者受益于高度开放也包括CNC的内部接口。对于数控装置的使用者外部的开放性更显重要。它提供了用于集成专用用户对现有控制的应用，和适应专用用户的要求，例如：适应性强的用户界面或机器和生产数据的收集。外部的开放主要基于内部的开放但是有功能上的或者性能上的限制。2 这种技术现状2.1控制系统及其接口控制是非常复杂的系统,由于非常严格的实时的和可靠的需求。为了能控制复杂的系统，硬件和软件接口是本质的问题。控制系统的接口可以被分为两类外部和内部接口。（图4）外部接口这些接口把控制系统连接到上一个单元、下一个单元、用户。它们可以分为编程接口和通信接口。NC和PLC编程接口由国家或国际标准来统一，例如RS- 274，DIN66025或IEC61131-3。通讯接口也受标准很大程度的影响。现场总线系统像SERCOS，Profibus或DeviceNet是用来作为对驱动器和110s的接口。局域网（局域网），主要基于以太网和TCP/ LP，的确可以反应卓越系统的接口。内部接口内部接口主要用于构成控制系统核心的组件间的交互和数据交换。在这一领域的重要标准是实时机制的支持。为了实现重新配置以及适应的配置，控制系统的内部结构基于一个平台概念。主要目的是从软件组件中隐藏具体硬件细节，在软件组件之间建立一个定义了的、灵活的方式。一个应用程序编程接口（API）可以确保这些要求。一个控制系统的整体功能细分成几个部分，通过模块化软件定义的API交互组件2.2控制系统的硬件和软件结构图5显示控制系统的硬件结构不同的变化。变化a）显示的是在控制系统的核心部分带有位置控制的模拟驱动接口。这种结构的每个模块使用自己的处理器，这导致特定供应商提供各种各样的硬件。结合模块导致了处理器的数量有明显意义上的减少。变化b）显示的是在集成控制功能下的智能数字驱动，由于高容量、小型化、处理器更高的性能。变化c）显示的是一个基于个人电脑的单个处理器解决方案，它是在操作系统的实时扩展下。所有的控制功能在实时环境中就像个人电脑中的软件一样运行着。2.3市场概述这些在市场上有用的控制提供了不同层次的开放，按照图6显示的标准。一个重要的标准是标准计算机（软件，操作系统和中间件）环境作为执行HMI和CNC软件的使用。除此之外，连接的数控厂上下各级必须得到保证。应用程序编程接口（API）是用于集成在数控产品的第三方软件。虽然今天的大部分控制系统提供了开放性，这种开放性包括了与操作者相关的控制功能（人机交互，HMI），还是有少数控制系统允许用户修改他们的低层次的控制算法，来改变机器相关的控制功能。图7给出了今天的控制系统方面的开放程度特点的概述。虽然一些控制系统给软件集成提供了开放的接口（例如OPC），但是通过程序接口的来来回回的数据仍然没有共同的定义。因此，控制系统对目前市场并不隐式支持“插件和播放“的特点。为了改善这种情况，现场总线系统可以作为一个模型（见图8）。在各种不同的现场总线系统中，达成了广泛的共识，统一了面向应用的接口是可取的，为了向用户隐藏多元性和系统的复杂性。大多数现场总线组织已经使用所谓的设备配置文件，以支持不同厂商的设备互换。例如，SERCOS接口标准对于数控和驱动器之间的循环和确定性通信（IEC61491）已经确定大约的语义。400参数描述驱动和控制，是由不同厂商的设备使用的功能。3 开放式的定义和种类3.1定义IEEE的“开放系统技术委员会“定义了一个开放的系统如下：“一个开放的系统提供一种能力，使应用程序能够运行在多个供应商的平台上，与其它系统互通应用程序，展现与用户互动的一贯风格(IEEE 1003.0)。为了估计控制的开放性，下面的标准可以被使用（图9）：可移植性: 应用程序模块(AM)可以不经过任何变化就能应用在不同平台上，同时保持自己的能力。可扩展性：各种不同的应用模块可以无冲突的在平台上运行。互操作性：应用模块可以以一种持续的方式一块运行，以及可以以一种定义过的方式互换数据。可扩展性：根据用户要求，应用模块的功能和性能以及硬件的大小可以被调整。为了实现了IEEE定义的要求和这些公开式的标准，一个开放式控制系统必须是：厂商中立;它保证了单个专有喜好的独立性。共识达成: 它是由一个供应商和用户组（通常是以一个用户组或兴趣小组的形式）。基于标准的。这确保了以一种标准的形式广泛分布（国际/国家标准,厂商间的标准）。免费提供。它向任何感兴趣的群体免费。3.2开放式控制系统的分类如果我们讲控制系统的开放性，以下类别可识别（图10）开放性人机交互：这种开放性仅限于控制系统的非实时部分。在用户导向的应用中可进行改编。有限开放的内核：控制核心有一个固定的拓扑结构，但是提供接口来嵌入用户专用过滤器，深知对于实时功能。开放控制系统：控制核心拓扑取决于进程。它提供了互换性，可扩展性，可移植性和互操作性。开放式控制系统，可提供当今大多为在一个固定的软件拓扑非实时部分修改的可能性。他们缺乏必要的灵活性，并没有以供应商中立的标准为基础。3.3要求一个厂商中立的开放式控制系统才能实现，如果控制功能细分为功能单位，如果在这些单元间良好定义的接开口被指定 一个厂商中立的开放式控制系统才能实现（图11）。因此模块化可以被认定为是开放系统体系结构的关键。在确定模块化的复杂程度中，在开放程度和集成成本间有一个很好的权衡6.越小的模块提供了一个更高水平的开放性和更多的选择性，但是增加了复杂性和集成成本。而且这种低水平的粒度可导致对资源的更高的要求，甚至可能恶化了整个系统的实时性能。以“混合和匹配”的方式连接模块需要一个标准应用程序编程接口（API）的综合设置。对于厂商中立的开放式控制系统的接口必须标准化和广泛接受。由于这种模块化系统的复杂性对系统架构的定义是可取的和有益的。这导致了所谓的系统平台（图12）的介绍。这些平台通过吸收封装硬件，操作系统和通信的特点计算系统的细节。这种中间件系统的可用性促进了应用软件轻松移植，也是应用模块，即使在分布式异构环境的互操作性。由于混合和匹配模块的可能性，通过标准化接口，系统的整体质量由单一模块间的交互程度所决定（见第5）。4 关于市场的系统4.1重大国际活动日本的OSEC（日本）日本的OSE（关于制造的开放系统环境）财团于1994年12月成立。三个项目的各个阶段进行到1999年的三月1 2 3。该财团体系的目的是为最终用户，机床制造商，控制供应商，软件供应商，系统集成商，为工业机器等控制器，提供一个可以添加自己的独特价值的工业机器的标准平台，从而促进工业机器技术和商业的发展。在日本的OSEC API是定义一个接口协议，它是用来在代表了功能性和实时循环的控制软件组件间交换信息。每个功能块可以被封装为一个对象，因此没有必要处理一个功能块是怎样在结构层面上传递信息的（图13）虽然功能块的结构可以被该财团体系从视觉上的逻辑点定义，该系统是既不被确定的也不被限制的在它的实施阶段，因为在实施阶段有太多选择。这些选项可能包括系统诡计，如设备驱动程序，进程间通信，如静态库和DLL安装机制，如硬件因素像控制器卡的选择，以及软件模块对执行控制和/或监控各种软件的实现 。换句话说，实现结构模块的实施模块是不被限制在某些模块的。根据系统的大小或它的硬件实施和/或利用，它被确定把各种想法纳入实施模块。JOP (日本)为与OSE财团平齐，MSTC从1996年到2000年在JOP（日本公开赛推广组）的旗下形成了开放式控制器技术委员会（业主立案法团，训练班）。OC TC的各项指标是在开放式控制技术的标准上为各种公司提供在一起讨论和工作的机会。业主立案法团超导还预计，在这一领域作为国内和国际活动之间的联系。OC-TC由大约50名成员，其中包括日本大型控制器供应商，机床制造商，集成商，用户和学者参加了会议。一些成员代表的其他群体，如华泰财团和FA联网推广集团。其中的一个工作组是致力于在数控和基于个人电脑的人机交互之间开发一个为了交互的标准的API。它还应在数控和高层管理控制之间的交流是有效的。这项工作基于来自主要控制供应商和华泰财团的提议而被执行。开发的规格被命名为PAPI发布于1999年的7月。PAPI 被批准为JIS（日本工业标准）的技术报告，并在2000年10月出版。为了证明由OC-TC研制的规格的有效性，1999年10月在名古屋由不同厂商生产的两个碳奈米尖锥被连接到一个Windows NT计算机，即由东京大学所开发的同一个HMI系统被实施(图14)。由于任何特定的控制结构都不是假设的，PAPI可以在现有的各种数控系统中实施，像个人电脑+专用数控，个人电脑+数控板，以及基于个人电脑+110板的数控软件。人机交互系统与数控系统通过PAPI交流，PAPI是一个基于C语言的功能导向的软件库。PAPI接口正在中和特定供应商接口，通过向特定供应商的API和协议映射PAPI命令。OMAC（美国）开放式模块化结构控制器（OMAC）用户组是一个行业论坛，用来推动控制器技术现状10。关于OMAC夫人措施正在实施，用来定义API的规范性，从而最终达成稳固的标准组织。OMAC的API通过接口类来指定使用的API 11，从而实现一个基于组件的方法来实现插件和播放模块化。对于分布式通信，基于组件的技术使用代理来处理跨进程边界的调用方式。OMAC API包含不同的“大小”和“类型”的可重复使用的插件和播放组件 - 组件，模块和任务-每一个都有一个独特的有限状态机（FSM）的合作模式，从而组件协作以一种未知的方式来进行。术语组件应用于可重复使用的软件中，该软件像一个带有应用的构建块一样运行，而术语模块指的是模块的容器件。任务是用来封装的可编程功能行为的一个组件，包括了一系列运行完成的步骤，它支持包括开始，停止，重新启动，暂停和恢复，并可能被多次运行当控制器在运行时。任务可以被用来建立控制程序，这种控制程序包括一系列的转换任务，有能力重启，导向或者作为一个独立的驻地任务来处理特定的控制请求，（例如轴归位或紧急停止）。为了整合元件，一个框架必须规范协作和其他组件操纵的生命周期模块。OMAC API使用微软组件对象模型（COM）作为一个初始框架，借此来开发组件，同时带有期望的利益，就是控制供应商便可以对特定应用的改进其战略集中定义的市场份额，- 而不是将宝贵的编程资源再造和维护软件“管道。与COM的框架的主要问题，尤其是在Windows 2000操作系统下，即缺乏硬的，实时的抢占式调度，而第三方扩展到Windows2000可以用来解决这一要求。图15阐明了OMAC控制器功能。人机界面模块负责与人类的互动，包括提交数据，移交命令和监控事件以及在OMAC API“映射”中的与所有主要的模块相关的，通过代理的组件的引用实际控制器。任务协调员模块在基于编程的系统中负责测试和协调不同的模块。任务协调员可以被认为是控制器中的最高级别的有限状态机。一个任务生成模块把特殊应用的控制程序（例如，零件加工程序的RS274）转换成一系列的与应用无关的瞬态任务。轴组模块负责协调各轴的运动，把一个传入规范运动段转换成一系列的同等时间间隔的设定点以便于协调各轴。轴模块负责轴运动的伺服控制，把传入运动设定点转换成相应的10点执行器设定点。控制律组件负责伺服控制回路的计算，以达到特定的设定值。OSACA（欧洲）在欧洲，ESPRIT的项目OSACA（带有自动化系统的开放式控制系统）于1992年发起，目的是团结欧洲的利益，并为开放式控制系统创建一个供应商中立的标准9 16。它由欧洲主要的控制供应商和机床生产商支持。OSACA在1996年的四月已经达到了一个成熟的状态，拥有任意的一些稳固的规格和系统软件的测试场。基于这些结果，几个应用为导向的项目正在被执行。在1988年汽车行业的两个试点证明了OSACA兼容控制器和应用的互操作性。现有的来自世界各地的35个成员组成的OSACA协会是保持和维护关于OSACA规定的最后的组织。OSACA的基本架构的技