馬春敏 康存鋒 黃旭東 楊建武 費仁元

(北京工業(yè)大學，北京100124)

隨著信息技術的發(fā)展，用信息技術對傳統(tǒng)制造業(yè)進行升級，從而實現(xiàn)網絡制造、敏捷制造已成為本領域的重要課題。以美國DELL公司的運作模式為例，公司信息系統(tǒng)通過Internet對顧客的定單做出反應，使其在DELL信息中心分解成若干子任務，通過網絡分派給建立了聯(lián)系的獨立的制造商，各制造商按要求進行部件的組裝，并按規(guī)定時間交貨。DELL在成品車間完成組裝和系統(tǒng)測試，將產品交付顧客服務中心。通過信息化，DELL公司便實現(xiàn)了以最快的速度為客戶提供個性化的優(yōu)質產品和服務，贏得了市場的主動，實現(xiàn)了公司利益的最大化。作為當今世界的制造大國，我國的制造業(yè)信息化水平仍較為落后。從十五規(guī)劃起，國家科技部便將組織實施制造業(yè)信息化關鍵技術研究及應用示范工程作為重點。在十五規(guī)劃中決定，在九五CAD/CIMS應用基礎上，拿出8億元資金，開展該領域的研究工作。此后的十一五、十二五規(guī)劃也都在繼續(xù)加大投入力度，其成果也十分顯著。

從宏觀上看，制造業(yè)信息化包括產品信息化、企業(yè)信息化、行業(yè)信息化、國民經濟信息化和社會信息化5個層次。其中企業(yè)信息化是行業(yè)信息化、國民經濟信息化及社會信息化的基礎。而產品信息化又是企業(yè)信息化的基礎，其基本內容包括:設計、制造、供銷服務和決策管理的信息化［1］。其內容體系如圖1所示。

通過產品信息化，企業(yè)可以按照市場的需求實現(xiàn)產品的快速設計，從容安排對產品的推廣、銷售以及原材料的訂購。其中，產品制造的信息化為產品制造的全過程提供了監(jiān)控、調度和管理的平臺。這一平臺的關鍵環(huán)節(jié)——數(shù)控系統(tǒng)成為提高生產效率的核心和為其他信息設備提供基本數(shù)據的基礎。采用數(shù)字方法對一臺機械設備進行運動和邏輯控制，實現(xiàn)其生產功能的自動化系統(tǒng)可稱為數(shù)控系統(tǒng)。從某種意義上講，數(shù)控技術的水平決定了產品制造的信息化水平，也體現(xiàn)了一個國家制造業(yè)的水平。

1 軟數(shù)控的發(fā)展

1.1 封閉式數(shù)控與運動控制卡型數(shù)控系統(tǒng)

1952年美國麻省理工學院研制出第1臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，隨后逐漸產生了以德國西門子和日本發(fā)那科為代表的第1代封閉式數(shù)控系統(tǒng)。至今，對于需要精密復雜控制的機床領域，此類數(shù)控系統(tǒng)仍延續(xù)著其在經驗和品牌方面的優(yōu)勢，如日本發(fā)那科、三菱的數(shù)控系統(tǒng)，德國西門子的840D、我國華中數(shù)控HNC-32系統(tǒng)和凱奇數(shù)控的NC110等［2］。然而，封閉式系統(tǒng)存在的缺點顯而易見:對于特殊的控制要求難以滿足;數(shù)控系統(tǒng)的全部軟件及硬件依賴于系統(tǒng)廠商，同時受限于廠商。但由于其應用時間長，運行可靠穩(wěn)定，在業(yè)界很多應用領域已被廣泛認可。

伴隨封閉式數(shù)控系統(tǒng)巨頭出現(xiàn)的同時，具有一定開放性，可供第三方(即系統(tǒng)集成商)進行自主系統(tǒng)研發(fā)的運動控制卡類產品應運而生。如美國Deltatau公司和我國研華公司的多軸運動控制卡。此類產品一般能實現(xiàn)5軸以下的插補運動控制，同時具有一定數(shù)目的I/O接口，供第三方在二次開發(fā)中選用。此類產品在控制算法和人機界面上均可按照客戶的需求進行個別訂制，但系統(tǒng)的開發(fā)一般采用高級計算機語言(如C語言)，對開發(fā)人員的編程能力要求較高。其控制系統(tǒng)結構如圖2。

1．2 NC嵌入PC型數(shù)控系統(tǒng)

隨著PC機的廣泛應用，由于軟件資源豐富、硬件成本低、升級速度快等特點，一些國外的大公司利用對原有產品上持有的經驗優(yōu)勢，很快開發(fā)出了基于PC的新型數(shù)控系統(tǒng)。如西門子的SimotionP，博士力士樂公司的MTX［3］。此類產品功能豐富，由于其開放性，第三方用戶能夠自行對系統(tǒng)的軸、通道、I/O等參數(shù)進行選配;在控制器與驅動器和I/O模塊之間可采用總線方式的數(shù)字量通訊。邏輯控制方面以PLC語言為主，運動控制方面以G代碼為主，語言門檻低，適合具有基本的PLC和G代碼編程經驗的電工技師對整個設備進行長期維護和適當調整。在采用PC作為編程平臺和運行界面的同時，為求得高的可靠性、運行速度和一定的市場壟斷性，各大公司紛紛推出自己的具有通訊和運動控制計算雙重功能的NC控制卡。此類控制卡往往是對傳統(tǒng)封閉式數(shù)控中控制核心硬件的延續(xù)，故而此類系統(tǒng)又稱NC嵌入PC型數(shù)控系統(tǒng)。以博世力士樂公司的MTX系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)的典型結構如圖3所示。

1．3 基于硬PLC的簡易數(shù)控系統(tǒng)

以上所述高檔數(shù)控系統(tǒng)一般都價格昂貴，編程復雜。而對于單軸、或多軸同步要求不高，且邏輯控制與人機界面簡單的數(shù)控系統(tǒng)，如:數(shù)控飛鋸機、立體倉庫等設備，采用帶有高頻脈沖發(fā)生器的硬PLC是性價比最高的選擇。如德國西門子的S7-200［4］，日本三菱、歐姆龍的PCL系列產品，我國和利時公司出品的PLC系列產品等。PLC模塊帶有自己的計算處理單元，具有可靠的I/O端子，多采用簡單的梯形圖語言進行編程。通過串口可以連接帶有組態(tài)功能的觸摸屏，實現(xiàn)具有一定復雜度的友好的數(shù)控人機界面。此類控制系統(tǒng)的伺服控制部分一般采取如圖4所示方案［5］。

1.4 基于實時操作系統(tǒng)的軟數(shù)控

伴隨PC機性能的不斷提高，高技術含量的軟件日益豐富，編程門檻逐漸降低，特別是高實時性系統(tǒng)的出現(xiàn)(如能夠將Windows系統(tǒng)提升為實時系統(tǒng)的VenturCom RTX 補丁包，VxWorks，QNX，RtLinux，RTAI)，以軟件代替硬件成為一種可能。這標志著，即使是十分復雜，且實時性要求較高的數(shù)控系統(tǒng)的全部程序都可以以軟件的方式在PC機上順利運行，不再需要價格昂貴的帶有CPU的運動控制卡，稱軟數(shù)控。美國國家實驗室(NIST)開發(fā)的基于RtLinux實時操作系統(tǒng)的數(shù)控軟件Enhanced Machine Controller(EMC)，德國斯圖加特大學與菲亞特等公司共同合作的基于RTAI和RTCORBA的OCEAN計劃即為此類系統(tǒng)。前者為一個完整的開放源碼的數(shù)控系統(tǒng)，其多軸插補部分，在熟讀源碼后可自行修改以實現(xiàn)自己的多軸控制。系統(tǒng)較適用于各種類型的關節(jié)型機器人、數(shù)控機床等。后者，從數(shù)控系統(tǒng)的開放性角度出發(fā)，在已有的OSACAI體系基礎上［6］，擺脫了微軟公司的COM和DECOM組件技術，采用了具有實時性和跨平臺功能的RTCORBA作為開發(fā)平臺，從而實現(xiàn)了真正意義上的開放性。兩者的軟件體系結構如圖5所示。

1.5 工業(yè)現(xiàn)場總線與基于總線通訊卡的軟數(shù)控

20世紀80年代，伺服驅動技術的發(fā)展將數(shù)控技術引入更廣泛的設備制造領域。如:印刷機械、紡織機械、輪胎成型機械、食品包裝機械、自動化流水線等，各類數(shù)控設備對數(shù)控系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。其主要需求可歸納為運動控制和邏輯控制兩大部分，傳統(tǒng)以機床為控制對象的封閉式數(shù)控系統(tǒng)模式在應用于以上設備時受限頗多。為此，自動化領域巨頭，如德國的西門子、博世分別推出了自己的總線 Profibus和 CAN。1986年，由歐洲各國控制器和驅動器供應商和OEM機器制造商組成了一個共享工作組，共同開發(fā)出用于驅動器和控制器間的開放式接口SERCOS(Serial Real-time Communication System)［7］，并在當時成為唯一可用于運動控制的開放的總線協(xié)議?，F(xiàn)場總線技術的誕生和發(fā)展促使數(shù)控系統(tǒng)不斷向開放式轉變。越來越多的公司不斷推出基于現(xiàn)場總線的各類伺服驅動器和I/O模塊。進入21世紀，現(xiàn)場總線技術與IPC和實時操作系統(tǒng)相結合形成了新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)的結構。其主要特點是IPC+總線通訊卡(不具有運動控制運算功能)。如圖6所示數(shù)控橫切機的控制系統(tǒng)［8］，其軟件采用Linux下的GNU C語言編程，通過調用LIN-SERCANS(即SERCOS卡在RtLinux系統(tǒng)中驅動程序)庫函數(shù)實現(xiàn)對主站通訊卡的訪問(如:發(fā)送位置命令值)。硬件為IPC、SERCOS通訊卡和帶有SERCOS接口的伺服驅動系統(tǒng)。

以SERCOS接口技術主站卡發(fā)展為例，先后經歷了第一代主動卡、第二代SERCOS被動卡和第三代SERCOSII卡，直至今天的基于工業(yè)實時以太網協(xié)議的SERCOSIII。其發(fā)展趨勢是通訊卡的結構越來越簡單，最終實現(xiàn)了只采用標準的以太網卡作為物理層，而包含協(xié)議內容的驅動程序均在PC機的實時系統(tǒng)上運行。使得數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以完全脫離對硬件設備的依賴。

在現(xiàn)場總線方面通過國際電工委員會的協(xié)調與組織，IEC61158第四版應運而生，該標準采納了經過市場考驗的20種主要類型的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網和實時以太網［9］，具體類型詳見表1。

表1 IEC61158 Ed．4現(xiàn)場總線類型

從上面介紹可以看出，當前列入國際標準的現(xiàn)場總線標準已經有幾十種，而其中基于實時以太網技術的現(xiàn)場總線標準也有十幾種，但大多是用于過程控制的，能夠用于運動控制的主要有PROFINET，EtherCAT和SECORSIII。在主站技術的研究方面，PROFINET具體協(xié)議為西門子公司獨享;SECORSIII協(xié)議為SERCOS協(xié)會成員共享，但由于在實時性要求方面要求較高，完全擺脫通訊卡尚有難度;EtherCAT協(xié)議由國際Ether-CAT技術組織管理，并且已有完整的主站源代碼可以購買，因此具有很大的發(fā)展前景。

伴隨微電子技術的發(fā)展，納米級高速處理芯片、FPGA的應用日益廣泛，總線技術的發(fā)展有了新的動向。德國赫優(yōu)訊公司于2008年中國國際自動化技術展中推出的基于NetX芯片的通訊卡［10］，將若干工業(yè)實時以太網協(xié)議集于一身，向業(yè)界展示了總線技術與硬件的非關聯(lián)性，也給出了更為便捷的研發(fā)基于各種總線的執(zhí)行部件的途徑(圖7)。

1．6 軟PLC與新型數(shù)控系統(tǒng)

在數(shù)控系統(tǒng)硬件部分被逐漸通用化、軟件化的同時，數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)也因為一項新技術——軟PLC的誕生而變得容易而有趣。以往的中高檔數(shù)控系統(tǒng)或采用計算機高級語言進行編寫，如基于運動控制卡的系統(tǒng);或采用數(shù)控系統(tǒng)生產商自行開發(fā)的PLC開發(fā)平臺，如博世力士樂公司的MTA，MTC系統(tǒng)。前者因為計算機高級語言與自動化控制系統(tǒng)畢竟在思維方式上有些不同，因此在開發(fā)復雜的系統(tǒng)時開發(fā)效率較低。后者由于數(shù)控系統(tǒng)生產商在PLC開發(fā)平臺的完善上往往無暇顧及，大多處在能用即可的水平，且在運動控制編程方面，一律采用國際通用的G代碼形式，因此在系統(tǒng)開發(fā)時也需要較長的熟悉過程，同時帶來很多不便。為解決自動化控制系統(tǒng)軟件的編程問題，國際電器協(xié)會(IEC)制訂了 IEC61131-3國際標準［11］。該標準自20世紀80年代開始醞釀，至2002年通過第二版。IEC61131-3標準的制訂集中了國際性工業(yè)企業(yè)專家和學者的智慧，以及數(shù)十年在工控方面的經驗。主要包括美國、加拿大、歐洲(主要是德國、法國)以及日本的7家著名工控企業(yè)。該系統(tǒng)的主要特點是:

(1)將多任務的概念引入工控程序中。提高了程序編寫與執(zhí)行調試的靈活性。

(2)制訂了多種語言形式標準，包括了3種圖形語言和兩種文本語言。提高了程序塊的封裝性，符合普通人的編程習慣。

(3)引入了總線接口，并將硬件配置圖形化，令使用者對硬件配置做到一目了然。總線接口通過文件(如jsd文件)導入，實現(xiàn)硬件層的開放性。即意味著，同一數(shù)控程序可以帶動不同總線的不同廠商的設備。

(4)具有圖形化組態(tài)模塊，使程序體與人機界面直接對接。

(5)具有仿真功能，能夠離線調試。即意味著，工程師可以在不具備硬件設備的情況下對程序進行編寫和調試。

(6)具有單步調試功能，令程序員輕松找到問題。

(7)具有豐富的運動控制模塊，避免了采用G代碼的編程方法，使針對運動控制的編程如邏輯控制一樣簡單流暢。

(8)支持編程系統(tǒng)與運行系統(tǒng)的分離。即可以在Windows環(huán)境下進行編程，在編譯通過后下載到運行平臺上。

由上可見IEC61131-3標準是一個工控軟件開發(fā)平臺的標準，需要通過軟件產品來實現(xiàn)和推廣。目前，已有美國和德國的幾家公司推出了自己的產品。而其中的佼佼者當推德國3S公司開發(fā)的Codesys軟件。該公司首先擁有了自己在Windows環(huán)境下的實時補丁系統(tǒng)RTE，在此基礎上，按照IEC61131-3標準完成了整個工控軟件開發(fā)平臺的研發(fā)。此外，在標準的基礎上增加了文件訪問、數(shù)控插補等模塊和安全功能。由于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用方便，在許多國際性自動化展會上才一亮相便受到業(yè)內人士的青睞。其2.0版的軟件結構如圖 8［12］。

目前，全球許多知名的工控領域的大公司均將Codesys開發(fā)環(huán)境嵌入自己的工控產品，以取代自己表現(xiàn)平平的軟件開發(fā)環(huán)境。如:ABB公司、博士集團、AMK、BECKHOFF、LENZE等。此外，一些專門開發(fā)PLC和運動控制器的中小型企業(yè)為給自己的客戶提供友好且符合國際標準的開發(fā)環(huán)境也紛紛與3S公司合作，如我國的和利時、固高等公司。這種帶有Codesys開發(fā)環(huán)境的PLC或運動控制器，由于其編程方便、價格便宜、運行可靠，預計將有很好的應用前景。對于一般數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)而言，如圖9所示軟硬件體系架構將成為今后若干年的主流。

其優(yōu)點是:

(1)采用IEC61131-3標準，編程方便。

(2)采用嵌入式系統(tǒng)，價格便宜、穩(wěn)定性好。

(3)采用工業(yè)實時以太網總線，主站不需要特殊的硬件板卡。從站設備可選擇任意一個廠商出品的帶有總線接口的設備。

綜上所述，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經歷了從封閉到開放、從硬件控制到軟件控制。系統(tǒng)內部的通訊方式從系統(tǒng)廠家的各自為政到采用標準的現(xiàn)場總線技術，以及目前軟PLC標準和嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)，其發(fā)展脈絡如圖10所示。

2 SERCOS接口技術資格中心在軟數(shù)控方面的研究

北京工業(yè)大學SERCOS接口技術資格中心在國際SERCOS協(xié)會的授權下于2002年正式成立，成為當時繼歐洲、北美的3個資格中心后的全世界第4個SERCOS接口技術資格中心。此后又經國際SERCOS協(xié)會授權，建立了SERCOS接口測試實驗室。

在追蹤開放式數(shù)控、軟PLC以及現(xiàn)場總線國際先進技術方面，該實驗室自上世紀90年代起便開展了研究工作。在開放式數(shù)控方面，于1999年首次采用博世力士樂公司的基于PC和SERCOS總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)MTC成功實現(xiàn)對三坐標鏜銑加工中心的控制。其控制系統(tǒng)架構屬于“NC嵌入PC型數(shù)控系統(tǒng)”，如圖3所示。圖11所示為該三坐標鏜銑加工中心的機械部分與伺服系統(tǒng)。

在與博世力士樂公司的合作中，對其第二代SERCOS被動卡及其在Windows操作系統(tǒng)上的驅動Soft-SERCANS進行了全面的研究。在此基礎上，與國際SERCOS協(xié)會簽訂協(xié)議，開發(fā)了基于RtLinux的SERCOS二代卡的驅動 LIN-SERCANS，如圖12所示。2003年在LIN-SERCANS的基礎上開發(fā)出了具有典型軟數(shù)控特點的IPC+總線通訊卡(不具有運動控制運算功能)型的橫切機數(shù)控系統(tǒng)。

2005年該實驗室與德國3S公司合作，在Codesys數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺上，采用IEC61131-3軟PLC語言先后開發(fā)出了注塑機［13］、輪胎成型機、印刷機［14］以及碼垛機器人的控制系統(tǒng)，均取得了成功。為軟PLC這一先進技術在國內的推廣起到了積極的推動作用。其中對印刷機的無軸化改造項目屬北京市科委重大課題，該項目以IEC61131-3軟PLC語言和SERCOS現(xiàn)場總線技術為基礎，同時實現(xiàn)了無軸印刷控制系統(tǒng)和運動執(zhí)行部件的國產化，取得了重大的技術突破［15］。圖13為被改造的印刷機實體圖與采用Codesys系統(tǒng)開發(fā)的操作界面。

目前該實驗室正集中對工業(yè)現(xiàn)場總線的前沿——工業(yè)實時以太網開展研究，已在EtherCAT總線的從站和軟主站［16］開發(fā)方面取得了進展，并將進一步研究新一代開放式的嵌入式運動控制器。圖14為基于嵌入式硬件平臺的EtherCAT軟主站，控制對象為驅動器與I/O。由于其嵌入式系統(tǒng)硬件結構可自行設計、操作系統(tǒng)Linux為開放源碼的系統(tǒng)、EtherCAT軟主站是GNU C語言源碼、無需特殊硬件通訊芯片，因而構成了更加開放的數(shù)控系統(tǒng)。

3 結語

制造業(yè)信息化是我國制造業(yè)領域的前沿課題。數(shù)控系統(tǒng)位于制造業(yè)信息化鏈條的核心和源頭，隨著計算機軟硬件、現(xiàn)場總線和大規(guī)模集成電路等相關領域的技術進步，軟數(shù)控、軟PLC以其開放性、靈活性和高的性價比逐漸成為數(shù)控領域發(fā)展趨勢。我國許多科研機構和企業(yè)均在以上新技術方面開展了研究，如北京工業(yè)大學的SERCOS接口技術資格中心。同時，由于數(shù)控設備種類繁多，更新頻率參差不齊，用戶廠家習慣不同等原因，無論是封閉式數(shù)控、硬PLC型簡易數(shù)控、運動控制卡型系統(tǒng)以及軟數(shù)控、軟PLC又都以其自身特點占據一定的市場份額，呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢。

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