开放式控制系统的现状.doc

开放式控制系统的现状、趋势与对策市场全球化的后果是竞争空前剧烈，从而要求制造商具有较强的市场适应能力，因而市场对适合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。 这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。 1、国外研究动态 开放式控制系统的概念在80年代就已出现。早在1981年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器（NGC）”的计划，并成立了“美国国家制造科学中心（NCMS）”，其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为NGC的后续工作，美国国防部启动了OASYS项目，其目的是建立并安装8套控制器，并在6种不同场所对其进行测试。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的OMAC、 欧洲的OSACA和日本的OSEC等计划。1.1 OMAC计划 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，从而也就决定了它产品化、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OSACA等进行联合。 1.2 OSACA计划 OSACA（Open System Architecture for Control within Automation 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-项目计划。这实际上是第一阶段OSACA-，它于1994年结束，完成了OSACA规范和应用指南的制定。其第二期工程OSACA-（ESPRIT 9115）于1996年4月结束，主要完成依照OSACA规范为其系统平台开发标准、通用的软件模块和通用的OSACA系统平台，建立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IDAS OSACA（Information Dissemination and Awareness Action）于1997年1月开始，计划历时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的目标之一，是使自己成为自动化领域的通用国际标准，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。1.3 OSEC 日本的“控制器开放系统环境（OSEC）”，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（FA）控制设备标准。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，提出了一个开放体系结构。实现了IROFA的参考体系结构，并增加了定制和分化产品的功能。 2、开放式控制系统的初步研究 在国家自然科学基金委员会等单位的支持下，我们进行了开放性数控系统的理论与实践研究。 2.1 开放式控制系统的建模 由于面向对象的软件开发技术综合了功能抽象与数据抽象，它较好地实现了软件的可扩充性、多态性，并使软件易于修改，我们采用面向对象方法对数控系统软件进行建模，分三个层次对其进行描述与实现：系统、控制单元和基本类。使CNC软件可组装、易扩展。 基本类是数控系统功能细粒度分解的结果，是组成开放系统的最小单位。基本类构成面向对象数控软件的类体系。具有标准化接口的基本类称之为软件芯片。 控制单元是由一系列功能相关的基本类组成的、完成一定功能的软件实体。控制单元可以嵌套。 系统是由一系列控制单元组成的某种类型的数控系统软件。它可包含某个控制单元或基本类的一个或多个对象。图1是数控软件功能的面向对象划分模型。由于面向对象方法直接将现实世界的物理对象映射到软件对象，而将对象本身的数据（属性）和操作封装，因而它直观、易于理解。 图1 面向对象CNC软件功能划分 数控系统软件各部分之间以及与操作系统平台之间通过通讯子系统进行通讯与协作。2.2 软硬件平台 考虑到Windows系列平台应用软件的丰富性，及其丰富的数据类型和管理4GB地址空间的能力，我们采用WIN32平台作为操作系统平台，硬件平台采用“PC+适配器卡”的结构，并在WIN32中添加实时处理的能力，灵活、经济地实现了实时控制功能。平台结构见图2。图2 基于PC的开放数控平台结构通信子系统保证CNC应用软件与PC平台的无关性。其结构见图3。通信子系统通过建立独立的通讯缓冲区来实现CNC软件各子系统之间及其与平台之间的数据交换。 图3 通讯子系统示意图2.3 工具支持 目前提供了对软件芯片进行有效管理的芯片库管理系统，实现软件芯片的浏览及维护工作。并可以功能、算法和名称等关键词对软件芯片进行检索。其组成见图4。图4 库管理器体系结构 实现了由软件芯片生成应用数控系统的配置、集成系统，可以支持用户利用库中的软件芯片或任何第三方提供的软件单元生成应用系统。它由软件芯片组合生成控制单元的单元功能配置工具、由控制单元组合生成CNC应用软件的应用框架配置工具、应用程序生成以及编译连接工具等组成，见图5。 单元配置和框架配置工具根据用户的选择，分别生成单元配置文件和应用配置文件，由应用生成工具根据配置文件生成CNC软件代码。生成的代码对用户开放，用户可以根据情况对生成的代码进行修改。利用集成工具，可以灵活、高效地生成开放性控制系统。 目前利用已开发的软件芯片及集成工具，可自动生成二坐标车床控制系统。我们正在开发图形化的应用系统分析、集成工具。 3、迅速开展我国开放式控制系统研究的建议 数控技术是制造技术的基础，是提高产品质量和性能，降低产品成本，缩短生产周期的关键。 3.1 现状与问题 目前国内已有的开放性控制系统有四种：华中型、中华型、航天型和蓝天型。国内的开放控制系统各有优点，但从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放性控制系统的本质特征，仍有许多需要改进之处。 首先，开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。 其次，没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系统。软件开发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。 从总体上讲，我国制造业面临的形势如下： (1)我国制造业对开放式制造控制系统有着巨大的需求与动力我国制造业和制造业组织面临着调整、改造和优化的艰巨任务，因此存在着研究和发展包括开放性控制系统在内的新一代制造技术的巨大动力；产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，已成为制约我国制造业发展的瓶颈，因此存在着发展开放性制造控制系统的需求；此外由于我国各科研生产单位各自采用不同的标准，形成了各种不同的封闭系统：不同的通讯协议和数据结构，使不同设备之间无法实现信息交换，不同的软件之间无法实现信息的传输，不同的数据库之间无法实现数据的共享，因而有实现开放式制造控制系统的迫切需要。 (2)我国的生产与市场将进一步融合到广阔的国际市场中去面对激烈的市场竞争，要使我们的产品在国际上占有一席之地，必须尽快提高产品的技术含量和性能指标，并与国际接轨。数控系统，无论是其作为商品本身，还是作为商品的加工手段，都要求其是一个开放式控制系统。 3.2 开展我国开放式控制系统研究的建议 国外的各研究计划，其根本目的是扩大自身产品在国际市场所占份额，或至少巩固已有的市场阵地。如欧洲的OSACA，就将目标直接对准竞争对手日本，其目的是使欧洲的制造系统供应商在市场上压倒竞争对手。就我国数控系统产品目前的水平来讲，如果不采取果断、有效的措施，将来不仅在国际市场，就是在国内市场，也将会无立足之地。 被OSEC称之为制造业第三次革命的开放式控制系统的研究，为我国数控产业的发展带来了新的契机。我们应该抓住这一大好时机，迅速开展并深化我国的开放性控制系统的研究，结合我国的实际情况，制定近期和中长期目标与计划，在制定开放性控制系统标准的基础上，尽快推出我国的新一代开放性控制系统产品。 任何技术都不是孤立的，技术受到经济、文化、技术基础、社会结构、管理体制和人员素质的制约。开展开放性控制系统研究，要借鉴但不能照搬国外的经验，必须脚踏实地，认清形势，从我国的国情和企业的情况出发，寻求经济、有效的发展途径。我们认为，根据我国制造自动化“十五”和中长期发展规划，面向制造业，基于数字制造的开放式控制系统的研究开发迫在眉睫，千万不可等闲视之，必须从思想深处认识到，立即开展我国开放式控制系统研究的必要性与紧迫性。为此提出如下建议： (1)必须树立系统的思想，以系统的目标为最终目标 由国家有关部门牵头，由科研、生产单位参加，制定明确的近中长期发展目标、发展战略、实施计划、技术路线及指导思想。国家应集中支持开放性控制系统研究，在各企业、科研单位之间，相互协调，相互补充，协同作战，避免重复投资和重复开发。 在资金投放上，采用借、贷、拨相结合的方法，建立有效的竞争激励机制。 (2)面对国外强劲的竞争对手，走联合发展的道路，加强竞争的实力从目前国外的情况看，从美国的OMAC、欧洲的OSACA，到日本的OSEC，无一不是跨行业、跨部门的联合。联合起来，才能充分利用现有的技术、经济、人力、物力资源，发挥整体优势，加快发展步伐。 (3)在队伍组织上，保证参加成员的多元化不但应包括机床、控制系统等生产企业及其用户，还应包括高校、科研机构；不光要有机械制造行业，还应有计算机、信息技术等行业参加，以便充分利用相关领域的最新技术与成果，并能适应其未来发展，从而保证开放性控制系统有效可行。并建立专门机构，认真研究国外OMAC、OSACA、OSEC等相关计划的现状、成果与问题，及未来发展动向，以便充分利用别人的成果，降低我们的研究时间和代价。如日本的机器人协会中就有一个机构专门对OSACA进行研究。 (4)加强软件可靠性理论、软件测试方法与标准及系统可靠性设计方法的研究同时还要切实加强开放性控制系统开发工具的研究，只有在提供方便友好的工具支持的情况下，最终用户才能真正受益于开放性控制系统。 (5)以市场为导向，充分预测国内外市场前景，建立技术推广体系，加快科研成果向生产力的转化可以在制定出开放式控制系统标准的基础上，先推出经济型开放性数控系统，一方面可以在市场中检验其技术、理论方案的正确性、有效性，另一方面可以积累资金，支持下一步的开发、研究工作。 4、结束语 系统越开放，意味着它所需考虑和处理的技术与非技术问题越多。OS