（机械制造及其自动化专业论文）基于嵌入式数控平台的网络化制造技术的研究.pdf

摘要 先进制造技术正向着柔性化、智能化和网络化方向发展。本文针对传统专用 数控系统的结构封闭、交互形式不通用和配置扩展不灵活方面的劣势以及当前 p c 模式开放结构数控的体积庞大、开放程度不高和实时可靠性不强的局限，创 新性地提出了以基本c n c 框架+ 软件、硬件和接口三种扩展形式为特征的层次化 开放结构的嵌入式c n c 硬件平台，并采用双存储区技术进行了c n c 系统在线仿真 校验机制和安全保护机制的方案设计。针对具备复杂任务管理的c n c 系统在任务 调度策略，多任务并行和实时响应方面存在的缺陷，提出以重叠流水方式并行处 理加工数据的多任务并发技术方案。设计了以虚拟设备层、系统调用层和任务应 用层为主体的三层r t o s 编程模型，引出了将独立任务分化成智能任务节点和采 用多处理器实现真正多任务并发的构想。 论文还提出了以基本c n c 层+ 扩展c n c 层为配置策略的开放式结构，通过区 分平行扩展和补充扩展两种形式，实现了开放c n c 系统结构性继承和接口性 继承的两种新型扩展方案；探究将网络分布计算和大容量存储的技术优势引入到 现场监控应用中的具体方法，提出了本机监控、群控网络监控、企业车间监控和 远程监控为主体的四层监控诊断体系；独创性地建立了一种网络分层激活的运转 机制，实现了网络资源的合理配置和可靠共享：建立了独立的c n c 系统二次开发 环境，开创性地设计了一种以数控几何工艺数据库为基础，以结构化的数控特征 语言描述为交互形式的引导型扩展配置方案。 在w e b 平台上，提出了将工作流技术和多智能主体技术相结合的技术方案， 解决了虚拟企业在建立和运行过程中分布式资源协作和平台异构的问题。将基于 c o r b a 的d n m s 模型和传统的基于a g e n t 对象的m a s 模型统一起来，通过构造j a v a 智能节点结构，创新性地设计了基于客户、服务器前后端协作模式的网络制造方 案。 研究工作开创性地提出了以c o r b a 体系规范将现场c n c 设备封装为智能体对 象节点的诊断网络设计方案；设计了现场设备基于c s 模型，局域网设备基于 b $ 模型和远程设备基于w e b 平台的三层监控诊断方案，并给出了具体的设计实 现应用实例；提出了以i n f r a n e t 、i n t r a n e t 和i n t e r n e t 三层结构为主体框架， 以远程监测诊断中心为调度平台的对象诊断网体系的设计实现方案。 关键词：嵌入式、实时操作系统、开放结构、网络、c o b a r 、监控、诊断 a b s t r a c t a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i s d e v e l o p i n g f o r w a r d f l e x i b i l i t y ， i n t e l l i g e n c e a n di n t e r n e t o p e n e d p a t t e m a i m i n ga t t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e l i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a l s p e c i a lc n c o rc u r r e n tp c - b a s e d ) p e n - s t r u c t u r ec n c ，a b r a n d - n e wc n cp l a t f o r m d e s i g n i n g s c h e m eo f m u l t i l a y e ro p e n a r c h i t e c t u r e i s p r e s e n t e d ，b a s e do ne m b e d d e d m c uc a l c u l a t i o na n dm a n a g e m e n tc o r e ，a n dt h r e e k i n d so fe x p a n d i n gm o d eo fs o f t w a r e ，h a r d w a r ea n di n t e r f a c e b yu s i n gd o u b l e s y s t e mw o r k i n gr a m a n db o o tr o m t e c h n o l o g y ，a l li n d e p e n d e n tr e d e v e l o p m e n t i n t e r f a c ei ss e to nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mt or e a l i z ec u s t o m i z e df u n c t i o n ss i m u l a t i o n s a n dv e r i f i c a t i o n so n l i n e ，w h i c hm a k e sa l lt h ee x p a n d i n go rr e c o n f i g u r i n go nb a s i c c n cp l a t f o r ma r ea l ls a f ea n dr e s t o r a b l e as o f t w a r et e c h n i c a ld e s i g no fd e a l i n g m u l t i - t a s k ss i m u l t a n e o u s l yb a s e do no v e r l a p p i n g t a s k - c u r r e n tt e c h n o l o g yi s b r o u g h t o u tt os o l v e c o m p l e x c n cf u n c t i o n t a s k s s c h e d u l i n g a r i t h m e t i c ar t o s p r o g r a n u n i n g m o d e lb a s e do nv i r t u a lh a r d w a r e l a y e r ，s y s t e m - c a l l i n gl a y e r a n d t a s k - a p p l i c a t i o nl a y e r f r a m ei s p r e s e n t e d h e r ea n da l s ot h et r a n s l a t i o nf r o m i n d e p e n d e n tf u n c t i o n st oi n t e l l i g e n tt a s kn o d ef o rt h er e a l i z a t i o no ft r u em u l t i - t a s k d e p e n d e n to n m u l t i - c p ui sd e e p l yd i s c u s s e d t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e dt w ok i n d so f e x p a n s i o nm o d e ：s t r u c t u r a li n h e r i t a n c e a n di n t e r f a c e i n h e r i t a n c e ， w h i c ha r ec a l l e d p a r a l l e le x p a n s i o n a n da d d i t i o n a l e x p a n s i o n a n da r ea l lb a s e do nc h a r a c t e r i n h e r i t a n c e t h r o _ 【g hi n t r o d u c i n g t h e a d v a n t a g e so fn e t w o r kc a l c u l a t i o na n dg r e a t v o l u m es t o r a g e ，l o c a lc n cm o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i si se x p a n d e dt ol a n ，i n t r a n e ta n di n t e r a c t ，a n dam u l t i - l a y e rn e t w o r k a c t i v a t i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gm o d e li se s t a b l i s h e dt or e a l i z et h er e a s o n a b l e c o n f i g u r i n ga n d c r e d i b l es h a r i n go f l o n g d i s t a n c er e s o u r c e s t om a k er e - d e v e l o p m e n t p r o c e s sm o r ee a s ya n df r i e n d l y ，as t r u c t u r a ld e s c r i p t i o nl a n g u a g eo fc n c f u n c t i o n c h a r a c t e rb a s e do nd a t al i b r a r yi sd e s i g n e df o rt h et a r g e to fi n d u c t i v er e d e v e l o p m e n t m o d e 。 o nt h ew e b p l a t f o r m ，t h ei n t e g r a t i o no fw o r k i n g d a t as t r e a ma n dm u l t i a g e n t s t e e h n o l o g yh a ss o l v e dt h ec o o p e r a t i o np r o b l e mo fd i s t r i b u t e dr e s o u r c e sa n dd i f f e r e n t a p p l i c a t i o np l a t f o r mi nt h ee s t a b l i s h m e n ta n dr u n n i n gp r o c e s so f v i r t u a le n t e r p r i s e s t h r o u g hu n i f y i n gt h et w od n m sm o d e lo fa g e n t b a s e da n dc o r b a b a s e d ，a n i n t e l l i g e n tn o d e s t r u c t u r ei se s t a b l i s h e da st h eb a s ef o rn e t w o r k m a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h er e s e a r c ha l s od e s i g nn o d es t r u c t u r eb a s e do nl o c a lc n cd e v i c e sw h i c ha r e p a c k e d a s a g e n to b j e c t sa c c o r d i n g t oc o r b as p e c i f i c a t i o n ，a n daa c a d e m i cb a s ef o r t h r e e l a y e rm o n i t o r i n gm a i n f r a m ec o m p o s e do fl o c a lc sl a y e r ，l a n - b sl a y e ra n d w e b p l a t f o r ml a y e r ，w h i c ha l es c h e d u l e db yl o n g d i s t a n c ed i a g n o s i sc e n t e r b a s e do n a l lt h e s ea b o v e ，a no b j e c t d i a g n o s i sa r c h i t e c t u r ei se s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，r t o s ，o p e n - a r c h i t e c t u r e ，i n t e r n e t o p e n e d ，c o b a r , n e t w o r k r e m o t e m o n i t o r i n g & d i a g n o s i s 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢处之外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘壁或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：碰液 签字日期：力，眵年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙整盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权 玉建盘壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文解密后适用本授权声明) 学位论文作者签名臌i 霞 签字目缈孑月留日 乃务 酱詹“之艇 名 烈 繇 够 雕 期 导 郑 第一章绪论 1 1 课题的提出及其意义 第一章绪论 随着入类社会运转机制的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到工业控 制领域内的每一个角落，而各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经 远远超过了通用计算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数控机床、 智能工具、工业机器人、服务机器人、柔性制造系统正在逐渐改变着传统工业 生产和服务方式。 先进制造技术正向着柔性化、智能化和网络化方向发展：柔性化要求制造系 统具备开放的模块化结构，能够随着加工条件的变化来动态调整，能够满足分 布式计算和控制的要求；智能化要求工业控制设备能够实时监测自身状态和现 场环境的变化，准确预测、正确识别和及时处理控制过程中的各种故障，自适 应的调整控制方式和保证系统的安全性。网络化则为广泛分布的设备资源、人 力资源和数据资源提供了共享和交互的载体和手段，为建立网络化的制造体系、 服务体系和商务体系提供了技术支持。传统专用数控系统由于其自身的封闭结 构带来了应用上的柔性问题，而依赖于p c 平台的开放式数控技术难于满足严格 工业控制所需的实时性、可靠性、模块化和分布式控制的要求。这些都要求建 立起一个智能化开放结构的c n c 的底层控制平台，作为构建网络化制造体系和 监控体系的基础。 另一方面，世界已进入网络经济时代，各国的经济离不开与国际市场的信息、 技术、资源和产品的交换。从这个意义上说，网络经济是跨国性的、全球性的 经济，生产过程已经不再局限于一国范围内，而是形成“无国界的经济实体”。 网络经济同时使制造环境发生了根本性的变化：传统的组织结构相对固定、制 造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模式已 与之不相适应，需要建立一种市场需求驱动的，具有快速响应机制的网络化制 造模式。而且作为国民经济的支柱产业、社会财富的直接源泉，制造业在2 l 世 纪面临着如何对市场环境急剧变化做出快速反应，及时掌握用户需求，有效地 生产和提供令用户满意的产品和服务的挑战。而正是网络化制造这一新思想、 新技术极大地推动了制造业的发展。 第一苹绪论 网络制造使现代企业能够把分布在世界各地的制造工厂、销售网点、办事 处等联接成为一个整体，它能够在任何地点、任何时间与任何一个顾客打交道， 并实现各生产要素的最佳配置和组合，以应付多变的市场需求。 分布各地的用户、制造企业和供应商，无论彼此地理距离如何，都可以通 过因特网联结起来。因特网为全球化的产品设计、制造和销售提供了技术基础， 也为实施数字化制造提供了可能。 与此同时，如何对这种分布式制造模式中每个智能单元进行协调管理，使 其安全可靠的充当网络制造体系中的一个资源节点，也成为一个关键性的技术 问题。传统的只限于现场工况的状态监测和故障诊断模式己不能适合网络体系 的整体刚性维护，必须将状态监测、信号采集和分析处理在分布式计算的基础 上，进入网络处理的大环境，调动一切必要的资源，如数据库、知识专家库或 通过直接的网络现场诊断完成整个制造体系的维护。 从以上主要内容可以看出，基于嵌入式数控平台的网络制造可以归为三个部 分，一为开放式智能化的数控系统，二为异地设计制造的资源联合，三为远程 设备的监控和故障诊断。 我们看一下对这几方面内容研究的提出及意义。 1 。1 1 开放式智能化的数控系统 在数控机床中得到广泛应用的数控技术，是- t 中采用计算机对机械加工过程 中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行 构件进行自动化控制的高新技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术， 其中最典型而应用面最广的是数控机床。由于机械加工工艺的多样性和加工零 件的复杂性，使数控机床的规格、品种多样、性能差异极大，控制参数复杂， 调试操作繁琐，因此在将不断飞速发展的通用计算机技术及其体系结构、现代 自动控制理论及现代的电力电子技术应用于新一代数控机床时，要强调使其具 有“开放式”与“智能化”的特点。 1 1 1 1 开放式和模块化结构 要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构，其特点 是：在实现系统构成要素模块化的同时，要通过这些要素之间的标准化，能够 将由不同买方提供的要素自由地结合起来，从而能方便地构成完整的系统。具 体如下叫： 1 ) 系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准化 2 第一章绪论 的； 2 ) 系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”； 3 ) 系统应具有“连续升级”的能力； 4 ) 采用“工艺策划”、“加工数据库”向用户开放； 5 ) 采用“信息技术”将社会制造资源的合理调配逐步在机械制造业建立完 善的虚拟化与网络化的先进制造体系，使机械制造业资源高效地被利 用，达到降低成本、提高质量、缩短制造周期的目的。 1 1 1 2 智能化决繁机制 所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，在数控系统中具有模拟、 延伸、扩展的智能行为的知识处理活动，如自学习、自适应、自组织、自寻优、 自镇定、自识别、自规划、自修复、自繁殖等。智能数控系统通过对影响加工 精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状 态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、 坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状 态”。 当前数控系统所需要的功能将不只是高的性能( 高速、高精度、高可靠性) ， 而且还包括许多智能功能，如加工运动规划、推理、决策能力以及加工环境的 感知能力、制造网络通信能力( 包括与人的交互) 、智能编程、智能数据库、智 能监控等”3 。 1 1 2 设备远程监控与故障诊断 随着现代大生产的发展和科学技术的进步，机械设备的结构越来越复杂， 功能越来越完善，自动化程度越来越高。特别是流水线和自动生产线的广泛应 用，使得设备之间的联系进一步加强。由于许多无法避免的因素的影响，设备 会出现各种各样的故障，以致降低或失去其预定的功能，甚至造成严重的以至 灾难性的事故，这对设备的可靠性提出了更高的要求。 设备的状态监测和诊断技术是保证设备_ j ：| 三常运行的有效手段，在国民经济 各个主要领域发挥了巨大作用，特别是在石化、电力、冶金等行业的应用已经 相当普及，近几年又渗透到交通、矿山、能源、航空航天、核工业等领域。从 目前来看，状态监测与故障诊断技术在机械制造业中的应用研究相对较少。另 外，许多大中型企业在建立或规划m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，管 理信息系统) 时往往会忽略d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，分布式计算机 3 第一章绪论 控制系统) 的各类信息，使d c s 与m i s 脱节成为一个信息“孤岛”“1 。这必然会 导致： 1 ) 企业决策时，缺乏准确、及时的原始数据和情况分析； 2 ) 企业管理中的信息冗余、准确性差、不畅通； 3 ) 企业计划能力差，导致生产不均衡，影响产品的质量和能源的合理利用。 因此，企业已不能再满足d c s 的孤立应用，迫切地需要将d c s 和m i s 紧密地 结合起来，达到信息集成与决策，以便解决企业中的许多复杂问题。为此，需 要设计了一种将d c s 与m i s 集成的计算机网络系统，并在工厂应用、实施，这 样才能做到信息的融合和流通。对在线监测与故障诊断系统本身而言，由于需 要完成采集、监控、报警、信号分析、趋势分析、诊断、数据服务、打印等多 项任务，需要多台机器共同完成，而且完成这些任务的地理位置、工作环境可 以不同，这就使得在线监控与故障诊断集成化网络系统的研究成为必然“3 。 另一方面，在当今信息时代，因特网的迅速发展及其良好的应用前景，使 之成为各种信息的载体。基于因特网的远程协作作为2 1 世纪的新型合作方式倍 受学术界和工业界重视，因特网模式的开放式软硬件体系结构也得到人们的认 同，成为各种系统开发的必然趋势。因此未来的设备故障诊断技术必须和因特 网相结合、采用开放式体系结构，才会有强大的生命力和广阔的应用前景”3 。从 另一角度而言，无论是远程诊断还是现场诊断，诊断者都需要根据设备当时的 实际情况、现场的基本参数、使用第一手数据进行分析、判断。但由于目前我 国企业闪部专业技术人员比较少，设备出现故障时专家又由于地域原因不能及 时到位，往往会因为时间的延误造成巨大的经济损失。而采取远程诊断这种经 济、简便的方法，通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以象专家在 现场一样准确、及时地做出判断、采取有效措旌解决问题。远程监控诊断的另 一部分远程监控是指本地计算机通过网络系统( 主要是广域网i n t e r n e t ) 实现 对远端生产过程、生产设备的监视和控制，这使得相关人员随时随地能了解和 控制设备运行。从这些方面而言，设备的远程监控与诊断有着广阔的应用前景。 机械设备网络化监测诊断是计算机科学、通信技术、虚拟现实技术与机械 故障诊断学相结合的一个新兴科技领域。设备监测诊断服务的对象是工业现场 的生产设备，网上传输的是设备运行的状态信息、工艺参数数据等故障诊断所 需的信息。机械设备网络化监测与故障诊断的优点在于：机械设备监测诊断网 络沟通了管理部门一运行现场一诊断专家一制造厂之间的信息，便于获取多方 面的信息，积累和综合各方面的经验、知识，服务于设计、运行、维修，提高 故障诊断的准确率；利用现代的信息传输载体网络，可以缩短收集故障信 息的时间，提高故障诊断的效率：利用诊断网络还可以有利于数据积累、资源 共享湖。比如，可以实施对设备的异地协同诊断，使得多个诊断系统服务于同 台设备以及多台设备共享同一诊断系统，以弥补单个诊断系统领域知识的不足， 提高故障诊断的可靠性和智能化水平。因此，研究和开发设备在线监测与诊断 网络化系统具有现实意义。 1 1 - 3 异地设计制造联合与虚拟企业 制造业已经进入了全球性竞争的新时代，企业为了应付瞬息万变的市场需 求，不断地加快产品的更新换代速度。”敏捷性”( 既在全球市场范围内，能够快 速生产出高质量、高性能、完全顾客化的产品，并能为顾客提供完善的售后服 务) 已经成为企业获得竞争优势的最重要标志。 面对激烈的市场竞争环境，我国的制造企业必须打破传统的”大而全”、叫、 而全”、”追求规模效益”的模式。企业的这种结构已经越来越不能满足敏捷性的 需要，任何企业只能力求在某些方面确定自己独特的优势。为此，一种新型的 企业组织哲理一虚拟组织”应运而生。虚拟组织又称为虚拟企业，是一种能够对 市场需求做出快速反应并迅速占领市场的新的企业组织形式。它是由两个以上 的企业或部门为了共同的目标，在有限的时间和范围内进行相互信任、相互依 存的合作而临时组成的组织。当市场上出现某个机遇时，为了抓住这个机遇， 具有不同专长的、分散在不同地理位置的企业利用先进的信息技术结合在一起， 共享技术、知识、信息、市场和制造资源，以共同完成任何单独一个企业所不 能承担的任务。虚拟企业是动态的，当这个任务完成后，虚拟企业就自行解体 或重新组合。 虚拟企业的特性： 虚拟企业的”虚拟”特性主要体现在”功能上的不完整性”、”组织上的非永久性 ”和”地域上的分散性”阢在虚拟企业中，虽然它具有企业运行所必须的各种基 本功能，如产品设计、制造、装配和市场营销等等，但对组成它的具体成员来 说，并不需要具备所有的功能，而是仅贡献其最关键的技术，其它功能都是虚 拟的，由组织中的其它成员补充。传统企业在组织结构上是按照递阶层次构造 的，生产指令自上而下逐级下达，因此对市场需求的反应速度迟缓。在虚拟企 业中，组织结构里扁平式、网络状的结构，成员之间是一种平等互助的伙伴关 系，成员内部也强调以若干个既分工又协作的小组来进行工作州。这样，虚拟 企业就可根据市场快速结合和重组。信息和网络技术，特别是国际互联网的迅 第一章绪论 速发展，使得虚拟企业这一全新的企业模式得以实现和发展。在虚拟企业中， 产品开发与设计、加工制造、装配调试以及市场营销完全可以分散在不同的国 家和地区，利用国际互联网及其提供的各种工具( 如万维网、电子邮件、f t p 等) 把它们连接起来，实现资源共享。具体地讲，虚拟企业具有以下的优点】： 1 ) 共享基础设施、优秀的人力和先进的技术资源； 2 ) 分担市场风险和研究开发成本； 3 ) 连接了具有互补能力的企业； 4 ) 提高了企业，特别是中小型企业的生产能力和市场竞争力； 5 ) 增强了企业开拓新市场的能力； 6 ) 分享市场和客户。 本课题所要构建的网络化制造体系是在国家自然科学基金课题“复杂机械 制造系统智能动态辨识与状态预测的理论与方法”、和几个横向的网络应用项目 的支持下完成的。运用了最新的网络集成技术、i n t e m e t 技术、数据库技术、数 据通讯技术等，研究设计出一套网络制造系统的开放平台架构，并完成集网络 异地制造、在线报警、故障诊断、状态监测与预测于一体的平台系统，为机械 制造业网络平台的搭建提供有效的技术基础和解决方案。 1 2 国内外研究现状及其发展趋势 随着网络和信息技术的发展，传统制造企业的制造战略和制造理念都发生 了深刻的变革，2 1 世纪制造业的研究重点和发展趋势是“智能化、集成化、柔 性化、网络化、全球化、精密化、信息化、知识化”，以高性能智能化现场数字 控制平台为基础。以分布式控制和远程监测为目标，采用网络技术和计算机技 术将为制造业实现这一目标奠定了基础，也为制造业中海量信息的处理提供了 可能，促进了企业网络化工程的组建。 1 2 1 国外的典型研究 1 2 1 1 数控系统方面 1 开放结构的研究 数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由 地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以 6 第一章绪论 在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系 统有两种基本结构。“： i ) c n c + p c 主板：把一块p c 主板插入传统的c n c 机器中，p c 板主要运行非 实时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 2 ) p c + 运动控制板：把运动控制板插入p c 机的标准插槽中作实时控制用， 而p c 机主要做非实时控制。 开放结构在9 0 年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采 用第( 2 ) 方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠 性，象p c 机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高 速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对 他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要 的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生 产厂家往往采用( 1 ) 方案，即在不变化原系统基本结构的基础上增加一块p c 板， 提供键盘使用户能把p c 和c n c 联系在一起，大大提高了人机界面的功能，比较 典型的如f a n u c 的1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 l o 系统。有些厂家也把这种装置称为融合 系统( f u s i o ns y s t e m ) 。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的 欢迎。 美国d e l t at a u 公司以生产高性能的多轴运动控制器p m a c 著名，p m a c 基于 d s p 技术，以高速计算与p c 平台构成数字控制的上下位运算管理模式。其产品 已涵盖了几乎所有基于计算机的总线形式，并向嵌入式系统的结构扩展，最先 进的p m a c 产品已可以实现3 2 轴的联动插补，并具备标准的网络通讯能力。“。 2 现场数控设备的网络化 数控系统从进行单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信； 网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级“：( 1 ) 工厂管理 级。一般由以太网组成。( 2 ) 车间单元控制级。一般由d n c 功能进行控制。通过 d n c 功能形成网络可以实现对零件程序的上传或下载；读、写c n c 的数据；p l c 数据的传送：存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的d n c 还可以对c a d c a m c a p p 以及c n c 的程序进行传送和分级管理。c n c 与通信网络 里连接在一起还可以传递维修数据，使用户与n c 生产厂直接通信，进而把制造 厂家连接一起，构成虚拟制造网络。( 3 ) 现场设备级。现场级与车问单元控制级 及信息集成系统主要完成底层设备单机及i o 控制、连线控制、通信连网、在 线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证 现场设备高质量完成生产任务。并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管 笙二童堕堡 理层，向工厂级提供数据，同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命 令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及c i m s 系统的基础。传 统的现场级大多是基于p l c 的分布式系统，其主要特点是现场层设备与控制器 之间的连接是一对一，即一个i o 点对设备的一个测控点。所谓i 0 接线方式 为传递4 2 0 m a ( 模拟量信息) 或2 4 v d c ( 开关量信息) 。这种系统的缺点是：信息 集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可 维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作 为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网 络系统与控制系统。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字 网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、 数字化通信取代4 2 0 【i a 模拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化( 可 编程或可参数化) 。它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体，具有 开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成 的关键技术”“。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采 用的现场总线有p r o f i b u s d p ，s e r c o s ，j p c n 一1 ，d e v i c o n e t ，c a n ，h t e r b u s s ， m a r c o 等。有的公司还有自己的总线，比如f a n u c 的f s s b ，i ol i n k ( 相当于 j p c n - t ) ，y a s k a w 的m o t i o n l i n k 等。目前比较活跃的是p r o f i b u s d p ，为了允 许更快的数据传送速度，它由开放系统互连模型o s i 的七层结构省去3 7 层构 成。西门子的8 0 2 1 ) 的伺服控制就是由p r o f i b u s d p 控制的。 1 2 1 2 网络化制造系统方面”1 1 ) 1 9 9 4 年美国能源部提出了“敏捷制造的使能技术( t e a m ) ”，t e a m 项目希望通 过一个集成框架柔性地配置先进制造技术来达到制造企业的敏捷化和全球 化目标，使美国企业的国际竞争能力得以增强。在t e a m 项目中，基于a g e n t 的集成框架和分散制造系统是贯穿整个项目的重点环节。 2 )“全美工厂网络( f a n ) ”建立于1 9 9 5 年，是国家工业数据库，提供包括生 产能力、各种工程服务项目、产品及其价格和性能数据、销售和用户服务、 专门服务。 3 ) 1 9 9 5 年洛克海德马丁航空公司建立“制造系统的敏捷基础设施网络 ( a i m s n e t ) ”，利用国际互联网支持和管理敏捷企业的供应链。 4 ) 美国通用研究和开发部的“计算机辅助制造网络( c a m n e t ) ”建立于1 9 9 6 年， 它通过i n t e r n e t 网提供多种制造支撑服务，如产品设计的可制造性、加工 过程仿真及产品试验等，使得集成企业的成员能够快速连接和共享制造信 塑二里堕堡 息。这些网络主要为大公司的成员和客户提供服务。 1 2 1 3 远程监控诊断方面“” 美国的d m 2 0 0 0 系统和p d s 系统，能对多台设备同时进行在线监测和诊断典 型故障，具有远程通信能力，能与企业的管理和控制系统联网通信，使企业不 同部门都能同时获取设备运行状态信息，包能对不同地区不同企业的设备进行 监测和诊断等。 1 2 2 国内的典型研究 1 开放式数控系统 国内对开放结构数控系统的研究还处于模仿国外技术的阶段，基本上都是基 于p c 的运动控制模式，也诞生了很多研制运动控制器的公司，但其核心技术仍 是国# b g l 进。国内具备自主知识产权的开放结构数控主要是华中科技大学的华 中i 型系列，它是一种d o s 下的软件控制结构。 2 虚拟异地合作设计组织 主要强调在产品设计和开发中，获取设计知识的异地合作。我国企业存在 批可以支持产品开发中设计知识获取的资源或潜在资源，我们要使这些资源以 及企业外资源以开发某项产品为中心，并和企业组织在一起，共同为这个项目 的完成进行设计知识、特别是获取新知识。已有一些异地合作设计组织的新概 念和关键技术的研究，在实验室里也有一些局部的和初级的试验，如上海交通 大学与上海飞机制造厂之间进行了异地设计的联网试验；西安交通大学、清华 大学与上海交通大学等高校也在策划异地合作设计网，但这些工作仍属于初级 阶段。 3 。分散网络化生产系统 主要强调生产系统的网络化。分散网络化是指将动态的、没有固定隶属关系 的、地理上相隔的集团，利用信息和通讯技术把它们加以组织起来进行生产， 快速得以合理的成本将产品从设计转入生产。通过因特网对产品设计、工艺、 生产和工况信息从一个生产单元传送到异地的生产单元进行测试。上海先进制 造技术中心( 上海交通大学) 于1 9 9 8 年开始提供快速原形制造中心的上网服务， 同济大学也与香港某些中小型企业进行了联网合作制造模具的试验，但这样的 系统还需要有进一步的研究和实用化配套措施。 4 远程监控诊断网络系统 国内的华中理工大学、天津大学等高校已开始了前期的研究工作，有了功能 9 第一章绪论 有限的，主要用于宣传的远程诊断站点。但渗断标准( 包括测试数据标准、渗 断分析方法标准、共享软件标准等) 尚未建立；一整套的远程采集、分析、诊 断、专家系统软件仍处于初期开发阶段，还很不完善，迫切需要进一步地研究 工作。 1 3 本论文的主要研究内容 由上面国内外的研究分析中看出，尽管国内外对这一领域进行了一定的研 究，但仍存在许多不足。系统标准还未建立起来，尤其是对网络化制造、设备 监控诊断的资源不能共享。尽管有一些系统己建立起来，但仅局限于很小的范 围内，系统的开放性还很不够，远远没有达到通用、稳定的产业化系统。针对 这些不足，我们提出了对该课题的研究，主要研究内容有： ( 1 ) 研究采用嵌入式微控制器来实现开放结构数控系统的全新模式和形式。 研究包括以具备高速计算能力和网络通讯能力的高性能的微控制器作为 运算控制的硬件基础，采用模块化，组件化的硬件层次构建系统硬件平 台体系。 ( 2 ) 研究基于嵌入式实时操作系统构建c n c 软件平台的运行环境，包括对实 时任务响应特性的分析、多任务并行处理机制的讨论和以此为基础的软 件平台的设计和实现，以及c n c 系统开放结构、层次化监控和二次开发 技术的研究。 ( 3 ) 搭建用户驱动的网络化制造平台，研究网络化制造内涵并拓展其内容， 提出网络化制造应用模式。 ( 4 ) 新的研究开发和设计模式，实现异地协同研究、开发和异地设计，动态 组建虚拟企业。改变制造企业的管理方式和方法，通过网络使企业管理 集约化。对供应链实行动态优化、减少库存，实时了解生产状态，以提 高管理水平，降低管理费用。 ( 5 ) 基于网络的设备监测诊断开放平台架构研究。 ( 6 ) 设计基于网络的设备监测诊断开放平台的框架，研究c o r b a e j b 等组件 技术、b s 模式在系统实现中的应用。探求i n t e r n e t 时代的计算模式， 应用软件架构与基于网络的设备监测诊断开放平台的结合模式。 ( 7 ) 网络制造系统实现中的关键问题解决，解决系统实现中的关键问题如： 多线程程序的实现、实时性设计与数据传输、状态监控中实时曲线的实 现、基于b s 模式的远程监控的实现等。 第二章基于嵌入式m c o 的数控系统硬件平台的研究 第二章基于嵌入式m o o 的数控系统硬件平台的研究 数控系统的硬件平台不仅作为实施现场控制和监测的物理基础，更在网络化 的制造体系中充当外服务的资源节点，如何利用嵌入式体系结构的优势和高性 能m c u 的运算和管理功能，为c n c 上层软件构建一个功能完整、运转可靠并且 具备开放特征的底层硬件平台是本章研究的主要内容。研究按四个层次逐步深 入和具体：首先是在讨论嵌入式系统体系结构和数控系统组成原理的基础上， 创建了数控硬件平台的开放结构框架和扩展模式；其次，结合嵌入式m c u m c 6 8 3 3 2 的结构特征，设计了以此为控制核心的硬件组织结构，并给出了具体的 电路实现方案。最后描述了系统的硬件封装技术和对设备驱动层的处理。 2 1 基于嵌入式m o o 的数控系统设计 并不是所有的微控制器都是嵌入式的，它必须有针对嵌入式应用的体系结构 和功能配置：也不是所有使用了嵌入式微控制器的系统都可被称为嵌入式系统， 它必须是一个软硬件无缝融合的有机整体，即硬件设计要与软件设计的层次、 结构形式和运转机制相适应，这是c n c 系统嵌入式应用要解决的最基本问题， 也是本节研究的重点。 2 1 1 嵌入式系统体系结构 2 1 1 。1 嵌入式系统定义 由于目前嵌入式系统已经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业和 消费类电子等领域的应用范围不断扩大，使得嵌入式系统本身却变成是一个相 对模糊的概念，这个概念具备了丰富的内涵和外延，却缺乏一个统一精确的描 述。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 英文原文为d e v i c eu s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o i o fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬 件的综合体，而且还涵盖了机械等附属装置。然而这个定义过于抽象，不能充 1 l 第二章基于嵌入式m c u 的数控系统硬件平台的研究 分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定义是：以计算机技 术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功 耗要求的专用计算机系统9 i 。 这个较为具体的定义可以从以下几个方面来理解：首先，嵌入式系统是面向 用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体的应用相结合才会具有生命力。 在设计中必须明确设计目标，保证系统针对性和专用性，必须提供一个能根据 实际系统需要进行合理裁剪利用的手段。其次，嵌入式系统的核心是计算机技 术，特别是工业控制中广泛使用的各类微控制器和微处理器是嵌入式应用的基 础。第三点，嵌入式系统的专用性与可裁剪性必须要协调处理，建立一个相对 通用的软硬件基础，形成一个供上层软件持续开发的系统运行环境，是进行嵌 入式系统设计的有利发展模式。 2 1 i 2 嵌入式系统组成 一般而言，嵌入式系统的构架可分成四个部分：处理器、存储器、输入输 出( i o ) 和软件，如图2 - i 所示。软件部分实际上包括操作系统和应用软件， 但多数爪型的嵌入式系统的应用软件和操作系统紧密结合，这也是嵌入式系统 和一般w i n d o w s 系统的最大区别。