基本介紹
- 中文名：開放式數控系統
- 外文名：Open numerical control system
- 誕生時間：1952年
- 特徵：模組化、標準化
- 簡稱：CIMS
- 實現形式：集中型
概念,數控系統要求,開放式數控系統的結構與特點,實現途徑,
概念
目前，開放式數控系統還沒有統一的定義，IEEE對其定義為“開放式控制系統應提供這樣的能力：來自不同廠商的，在不同操作平台上運行的應用程式都能夠在系統上實現，並且該系統能夠和其他套用系統協調工作。”
根據這一定義，開放式數控系統應具有以下基本特徵。
（1）開放性：提供標準化環境的基礎平台，允許不同功能和不同開發商的軟、硬體模組介入。
（2）可移植性：一方面，不同的應用程式模組可以運行於不同供應商提供的系統平台之上；另一方面，系統的平台可運行於不同類型、不同性能的硬體平台之上。而整個系統也表現出不同的性能。
（3）可擴展性：增添或減少系統的功能僅表現為特定功能模組的裝載或卸載。
（4）相互替代性：不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模組可以相互替代，而不影響系統的協調運行。
（5）相互操作性：提供標準化的接口、通信和互動模型。不同的應用程式模組通過標準化的應用程式接口運行於系統平台之上，不同的模組之間保持平等的相互操作能力，協調工作。
數控系統要求
（1）生產系統的要求
隨著計算機系統的發展，特別是網路技術的發展，CIMS的實現形式將從大型主計算機和大規模資料庫為中心的集中型，向以個人計算機的小型計算機互相連線、配置成網路的分散發展。其變化不僅擁有技術上的優勢，而且更符合實際生產的需要。
（2）生產設備的客觀需要
工業生產中工具機設備的種類很多，許多工具機是直接根據用戶的需要設計的。控制器生產企業提供的數控系統大多是全功能的數控系統，數控中的許多參數都需要根據工具機的實際情況設定。系統要提供設定參數的接口，以供工具機製造企業調整和修改。數控系統提供的全功能，工具機製造企業不一定都需要。在這種情況下他們都希望數控系統具有一定的“開放性”，即具有高度模組化的結構，可以重新配置、修改、擴充和改裝。
（3）工具機製造企業的推動作用
長期以來數控設備製造企業和工具機製造企業是各自獨立開發產品的，數控企業不斷豐富系統的功能，但在數控工具機實際套用中，並不一定需要龐大的系統功能支持。另一方面，工具機製造廠和用戶有許多經驗而這些經驗不可能與數控裝置的生產廠共享，很難融入到已有的數控系統中去。
傳統數控系統的上述特點嚴重製約著數控技術的發展，不能滿足市場對數控技術新的要求。加上開放式數控系統來自於不同方面的要求，人們在20世紀80年代就提出了開放式控制系統的概念。早在1987年，美國開始了名為“下一代控制系統”的NGC計畫，並成立了“美國國家製造科學中心”，其主要目的是擬訂並推進關於新一代開放式控制系統的詳細分析與規範。其後有許多相關的研究計畫在世界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的OMAC計畫，歐共體的OSACA計畫和日本的OSEC計畫等。
開放式數控系統的結構與特點
傳統的數控系統採用專用計算機系統，軟硬體對用戶都是封閉的，主要存在以下問題。
（1）由於傳統數控系統的封閉性，各數控系統生產商的產品軟硬體不兼容，使得用戶投資安全性受到威脅，購買成本和產品生命周期內的使用成本高。同時專用控制器的軟硬體的主流技術遠遠地落後於PC技術，系統無法“借用”日新月異的PC技術而升級。
（2）系統功能固定，不能充分反映工具機製造廠的生產經驗，不具備某些工具機或工藝特徵需要的性能，用戶無法對系統進行重新定義和擴展，也很難滿足最終用戶的特殊要求。作為工具機生產廠都希望生產的數控工具機有自己的特色以區別於競爭對手的產品，以利於在激烈的市場競爭中占有一席之地，而傳統的數控系統是做不到的。
（3）傳統數控系統缺乏統一有效和高速的通道與其他控制設備和網路設備進行互聯，信息被鎖在“黑匣子”中，每一台設備都成為自動化的“孤島”，對企業的網路化和信息化發展是一個障礙。
（4）傳統數控系統人機界面不靈活，系統的培訓和維護費用昂貴。許多廠家花巨資購買高檔數控設備，面對幾本甚至十幾本沉甸甸的技術資料不知從何下手。由於缺乏使用和維護知識，購買的設備不能充分發揮其作用，一旦出現故障，面對“黑匣子”束手無措，維修費用十分昂貴。有的設備由於不能正確使用以至於長期處於癱瘓狀態，花巨資購買的設備非但不能發揮作用反而成了企業的沉重包袱。
在計算機技術飛速發展的今天，商業和辦公自動化的軟硬體系統開放性已經非常好，如果計算機的任何軟硬體出了故障，都可以很快從市場上買到並加以解決，而這在傳統封閉式數控系統中是做不到的。為克服傳統數控系統的缺點，數控系統正朝著開放式數控系統的方向發展， 目前其主要形式是基於PC的NC，即在PC的匯流排上插上具有NC功能的運動控制卡完成實時性要求高的NC核心功能，或者利用NC與PC通信改善PC的界面和其他功能。這種形式的數控系統的開放性、功能、購買和使用總成本以及人機界面等方面較傳統數控有很大的改善，但它還包含有專用硬體，擴展不方便。國內外現階段開發的開放式數控系統大都是這種結構形式的。這種PC化的NC還有專有化硬體，因此還是嚴格意義上的開放式數控系統。
開放式數控系統是製造技術領域的革命性飛躍，其硬體、軟體和匯流排規範都是對外外放的，由於有充足的軟、硬體資源可被利用，系統軟硬體可隨著PC技術的發展而升級，不僅使數控系統製造商和用戶進行的系統集成得到有力的支持，而專門針對用戶的二次開發也帶來方便，促進了數控系統多檔次、多品種的開發和廣泛套用，既可通過升檔或裁剪構成各種檔次的數控系統，又可通過擴展構成不同類型的數控系統，開發周期大大縮短。
要實現控制系統的開放， 首先得有一個大家遵循的標準。國際上一些工業化國家都開展了這一方面的研究，旨在建立一種標準規範，使得控制系統軟硬體與供應商無關，並且實現可移植性、可擴展性、互操作性、統一的人機界面風格和可維護性以取得產品的柔性、降低產品成本和使用的隱形成本、縮短產品供應時間。
（1）歐共體的ESPRIT 6379 OSACA （Open System Architecture for Control withAutomation Systems）計畫開始於1992年，歷時6年，有由控制供應商、工具機製造企業和研究機構等組成的35個成員。
（2）美國空軍開展丁NGC（下一代控制器）項日的研究，美國國家標準技術協會NIST在NGC的基礎上進行丁進一步研究工作，提出了增強型工具機控制器（Enhanced MachineController，EMC），並建立了Linux CNC實驗床驗證其基本方案。美國三大汽車公司聯合研究了OMAC，他們聯合歐盟OSACA組織和日本的JOP（Japan FA Open Systems PromotionGroup）建立了一套國際標準的API，是一個比較實用且影響較廣的標準。
（3）日本聯合六大公司成立了OSEC（Open System Environment for Controller）組織，OSEC討論的重點是NC（數字控制）本身和分散式控制系統。該組織定義了開放式結構和生產系統的界面規範，推進工廠自動化控制設備的國際標準。
2000年，國家經貿委和機械工業局組織進行“新一代開放式數控系統平台”的研究開發。2001年6月完成了在OSACA的基礎上編制《開放式數控系統技術規範》，建立廠開放式數控系統軟、硬體平台，並通過了國家級驗收。此外還有一些學校、企業也在進行開放式數控系統的研究開發。
實現途徑
如何使傳統的專用型封閉式系統走向開放，不同的系統開發商及研究機構對此提出了一些解決方案。按開放的層次不同可分為3種途徑，它們的開放層次不同，難度不等，獲得的開放效果也相差很大。
（1）開放人-機控制接口。這種方式允許開發商或用戶構造或集成自己的模組到人機控制接口（man-machine interface MMI）。這一手段為為客戶提供了靈活制定適用於各自特殊要求的操作界面和操作步驟的途徑，一般用於基於PC的圖形化人-機界面系統中。
（2）開放系統核心接口。此方式除了提供上述方式的開放性能外，還允許片自己特殊的模組到控制核心模組中。通過開放系統的核心接口，用戶可按照一盎將自己特有的控制軟體模組加到系統預先留山的核心接口上。
（3）開放體系結構。開放體系結構的解決方案是一種更徹底的開放方案。提供從軟體到硬體，從人機界面到底層控制核心的全方位開放。人們可以在開放倒的標準及一系列規範的指導下，按需配置功能可繁可簡、性能可高可低、價格可控賴於單一賣方的總成系統。
從實現方法上，“PC+NC”是目前比較現實的NC開放化的途徑。也就是在硬體平台和作業系統的基礎上，使用市售的軟體和硬體插卡，構造出數控系統的各種功能。
