開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)高水平數(shù)字化裝備的保證。其核心是開放式，即系統(tǒng)各模塊與運行平臺的無關性、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作性和人機界面及通信接口的統(tǒng)一性。開放式體系結構使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
    國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術研究中心、華中數(shù)控股份有限公司多年來一直致力于開放式數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件體系結構的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣應用，在國家相關項目的支持下，于2003年成功開發(fā)、生產(chǎn)出新一代開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)&151;HNC-21/22世紀星數(shù)控系統(tǒng)。     開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
    “開放式結構控制器(Open Architecture Controller)”的概念第一次出現(xiàn)在1988年前后。1989年，美國國防部開始了“下一代工作站/機床控制器NGC”計劃。1990年又啟動了OASYS項目作為NGC計劃的后續(xù)項目。其后許多關于開放式系統(tǒng)結構的研究計劃在世界各地相繼啟動。其中影響較大的有美國的Ford、GM和Chryler等公司在NGC計劃的指導下聯(lián)合提出的OMAC開發(fā)計劃、歐洲的德、法、意等國于1995年聯(lián)合啟動的OSACA計劃和日本的豐田、三菱等14家企業(yè)聯(lián)合提出的OSEC計劃等，這些工作已進入了工業(yè)試用階段并逐步走上聯(lián)合壟斷道路。2000年，國內(nèi)的華中數(shù)控、航空數(shù)控等單位在國家經(jīng)貿(mào)委的支持下，提出了開放式數(shù)控系統(tǒng)(ONC)技術規(guī)范，制定了ONC系統(tǒng)技術標準，并在Linux系統(tǒng)平臺上，開發(fā)了基本符合該技術規(guī)范的開放式數(shù)控系統(tǒng)驗證樣機，具有一定的互操作性、可移置性、可伸縮性和相容性等開放性特征。     自上述研究計劃啟動以來，數(shù)控系統(tǒng)體系結構從封閉轉向開放，加快了數(shù)控技術發(fā)展步伐，提高了數(shù)控裝置的性能，并涌現(xiàn)了一批高精度、高效率的開放式數(shù)控系統(tǒng)。
    數(shù)控系統(tǒng)的開放式體系結構，為其網(wǎng)絡化提供了條件，同時數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化正是其開放性的有力體現(xiàn)。
    網(wǎng)絡化包括兩個方面：內(nèi)部網(wǎng)絡(現(xiàn)場總線網(wǎng)絡)和外部網(wǎng)絡。
    所謂內(nèi)部網(wǎng)絡是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等單元，以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡連接：對于數(shù)控系統(tǒng)硬件，開放性主要是指其電腦、網(wǎng)絡、伺服系統(tǒng)及I/O邏輯控制等單元應該具有統(tǒng)一的互聯(lián)標準，以實現(xiàn)互換性。為使數(shù)控系統(tǒng)硬件具有互換性，目前歐洲CNC制造商在其產(chǎn)品中廣泛應用SERCOS(Serial Real-time Communication System，一種適于高速伺服控制的網(wǎng)絡接口協(xié)議，于1995年成為IEC1491國際標準)�，F(xiàn)場總線作為與數(shù)字驅動單元的接口，則采用Profibus等現(xiàn)場總線作為與I/O邏輯控制單元的接口。
    所謂外部網(wǎng)絡，指的是數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其他控制系統(tǒng)或外部上位電腦以網(wǎng)絡連接：隨著現(xiàn)代通信技術和IT業(yè)的發(fā)展，世界上一些著名的數(shù)控系統(tǒng)公司都相繼推出了具有網(wǎng)絡集成能力和一定智能化水平的控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對設備的遠程控制和無人化操作、遠程加工程序(特別是大容量程序)傳輸、遠程診斷和遠程維修服務等技術服務，并提高機床生產(chǎn)率。如日本大隈(Okuma)機床公司的“IT plaza”(信息技術廣場，簡稱“IT廣場”)、日本Mazak(山崎)公司的“Cyber Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)、GE Fanuc公司的“Open Factory CNC”(開放工廠CNC)以及 Siemens公司的“Open Manufacturing Environment”(開放制造環(huán)境)等。
    開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的特點
    開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的主要特徵，分別表現(xiàn)在功能模塊可用于不同控制系統(tǒng)的可移置性；功能相似模塊之間可互相替換，并可隨技術進步更新軟硬件的可擴展性；有即插即用功能，根據(jù)需求變化，能方便有效地重新配置的可縮放性；使用標準I/O和網(wǎng)絡功能，容易實現(xiàn)與其他自動化設備互連的互操作性。
表  傳統(tǒng)專用數(shù)控系統(tǒng)與開放式數(shù)控系統(tǒng)之比較
比較項  傳統(tǒng)專用數(shù)控系統(tǒng)  開放式數(shù)控系統(tǒng)
系統(tǒng)結構及可伸縮性  硬件專用軟件專用不易伸縮  硬件基于PC軟件基于通用操作系統(tǒng)系統(tǒng)可根據(jù)需要進行伸縮
系統(tǒng)可維護性  隨著技術進步，需開發(fā)、生產(chǎn)專用的硬件，難于適應競爭的日益劇烈要求  緊跟PC技術發(fā)展，容易升級
軟件開發(fā)難易性  軟件為CNC制造商獨占，機床廠、用戶難于進行二次開發(fā)以引進獨創(chuàng)部分  使用開放軟件平臺，機床制造商、用戶可以根據(jù)需要開發(fā)自己的軟件。
特殊專用系統(tǒng)開發(fā)  對特殊、專用系統(tǒng)開發(fā)不容易，需花大量時間  使用開放軟件平臺和C++等高級語言，容易開發(fā)
聯(lián)網(wǎng)性  須用專用硬件和專有通訊技術(方法)，聯(lián)網(wǎng)成本高  與PC聯(lián)網(wǎng)技術相同，聯(lián)網(wǎng)成本高
PLC軟件  須用制造商專用語言，難以移植，維修困難  使用符合標準的PLC，可移植性強，容易開發(fā)
接口  用專用接口，只能使用特定制造商產(chǎn)品  使用標準化接口，容易與各類伺服、步進電機驅動及主軸電機聯(lián)接
程序容量  專用RAM，通常只有128KB，擴容成本高，對大型模具程序，需采用DNC  通用RAM，內(nèi)存4M以上，可擴至64MB，并可配置硬盤，一次性調入巨量程序
    HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案
    HNC-21/22世紀星數(shù)控系統(tǒng)平臺的技術路線是：     符合ONC技術規(guī)范，具有開放性。     基于PC體系結構，以軟代硬、簡化硬件、易于生產(chǎn)、使用和維修。     充分利用已有的華中I型數(shù)控系統(tǒng)研究成果。     硬件通用，軟件跨平臺。研制的硬件平臺-PC嵌入式＋FPGA硬件平臺，可適用于三個不同的軟件平臺基于DOS的軟件平臺1、基于LINUX的軟件平臺2、基于WINDOWS的軟件平臺3。
    ONC系統(tǒng)簡介
    借鑒IEEE對開放式系統(tǒng)的定義以及OSACA對開放式控制系統(tǒng)的定義，ONC系統(tǒng)定義了自己的開放式數(shù)控系統(tǒng)：開放式數(shù)控系統(tǒng)是按照開放式技術規(guī)范設計的，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中結構對象(實現(xiàn)功能單元的軟件模塊)之間的互操作性，應用軟件通過ONC系統(tǒng)應用編程接口(ONCAPI)實現(xiàn)與運行平臺的無關性，以及人機界面和與其他系統(tǒng)進行互連接口實現(xiàn)一致性的數(shù)控系統(tǒng)。
       按照上述定義，依據(jù)當前數(shù)控技術的發(fā)展現(xiàn)狀，ONC在采用構件技術和面向對象的分析、設計及編程技術的同時，采用了層次化的結構技術，形成ONC系統(tǒng)基于PC 機的基本體系結構。。     ONC開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放層面體現(xiàn)在：     第一層：具有可配置功能、開放的人機界面和通訊接口及協(xié)議。     第二層：控制裝置在明確固定的拓撲結構下允許替換、增加NC核心中的特定模塊以滿足用戶的特殊要求。     第三層：拓撲結構完全可變的“全開放”的控制裝置。(目前標準未定義)    HNC開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺    HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)平臺的設計思路是：     支援ONC第一層和第二層要求     保留對今后第三層的支持     系統(tǒng)從經(jīng)濟型到高檔型可伸縮及裁減     通過應用程序接口可開發(fā)各種應用程序形成不同產(chǎn)品     通過設備驅動程序連接各種數(shù)控部件     PC體系結構可運行PC應用軟件
   HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺基于PC體系結構。系統(tǒng)內(nèi)部采用數(shù)字量、脈沖量、模擬量標準接口或現(xiàn)場總線連接各功能部件，系統(tǒng)與外部采用網(wǎng)絡化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業(yè)Intranet集成，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化。
    HNC-21/22數(shù)控系統(tǒng)充分利用工業(yè)PC機的接口功能強大的特點，采用10.4/9.4英寸真彩TFT液晶顯示幕，8MB Flash ROM(可擴至72MB)程序斷電存儲，16MB RAM (可擴至64MB)加工緩沖區(qū)，配備硬盤和軟盤，可裝載和存儲大量加工程序，具有巨量程序加工能力，不需DNC，可直接加工高達100MB的G代碼程序，利用以太網(wǎng)、RS232等接口，輕松實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。
    HNC-21/22的開關量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，進給軸接口電路，主軸接口電路都集成在一塊“世紀星”主板上。其核心器件是ACTEL公司的FPGA晶片，為滿足CNC裝置對開放性的要求，“世紀星”主板采用雙FPGA設計。一個FPGA晶片負責控制開關量接口電路，MCP、MDI鍵盤接口電路，主軸接口電路，串行口伺服驅動裝置接口電路；另一個FPGA晶片負責控制脈沖量伺服驅動裝置或步進電機驅動裝置接口電路，模擬量伺服驅動裝置接口電路。兩個FPGA晶片通過PC104總線由研華工業(yè)PC機控制。利用FPGA晶片的靈活性，在不改變硬件電路的情況下，通過改變FPGA晶片的固件，以及兩個FPGA晶片靈活搭配，構造出如下HNC-21/22“世紀星”系列CNC裝置，從而最大限度地降低成本，提高性能。
    HNC-21/22A：可配4個模擬量伺服驅動裝置；     HNC-21/22C：可配4個串行口伺服驅動裝置；     HNC-21/22D：可配4個脈沖量伺服驅動裝置或步進電機驅動裝置；     HNC-21/22F：可配4個脈沖量伺服驅動裝置或步進電機驅動裝置或4個模擬量伺服驅動裝置或4個 底層軟件，它是HNC-21/22 CNC裝置的軟件平臺，其中RTM模塊為自行開發(fā)的實時多任務管理模塊，負責CNC裝置的任務管理和調度。NCBIOS模塊為CNC裝置的基本輸入/輸出系統(tǒng)，管理CNC裝置所有的外部控制對象，包括設備驅動程序的管理、位置控制、PLC控制、插補計算和內(nèi)部監(jiān)控等。NCBIOS將NC共性部分構成NC內(nèi)核，提供標準接口函數(shù)，向用戶開放，適應用戶個性化要求，利于品種派生和二次開發(fā)。
    虛線以上的部分稱為應用層軟件(過程層軟件)，它包括編輯程序、參數(shù)設置、解碼程序、PLC管理、MDI、故障顯示等與用戶操作有關的功能模塊。對于不同的數(shù)控裝置，其功能的區(qū)別都在這一層，或者說功能的增減均在這一層進行，各功能模塊均可通過NCBIOS與底層進行信息交換，從而使該層的功能模塊與系統(tǒng)的硬件無關。
    對于不同的控制對象(如加工中心、銑床、車床、磨床等)，或對于同一控制對象而采用不同的伺服驅動時，CNC裝置的硬件配置可能不同，此時，只需選用相應的驅動程序來驅動這些硬件模塊即可，而無需更改底層軟件和應用層軟件，體現(xiàn)出良好的開放性。
    在配置系統(tǒng)時，所有用到的板卡都要在NCBIOS的NCBIOS.CFG(類似于DOS的Config文件)中說明，說明格式為DEVICE=板卡驅動程序名(副檔名一般為 .DRV，例如HC4103的驅動程序為HC4103.DRV)。NCBIOS根據(jù)NCBIOS.CFG的預先設置，調入對應板卡的驅動程序，建立相應的接口管道。
    采用統(tǒng)一硬件平臺技術，除了基于DOS開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化了上述可靠性高、技術成熟的開放數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺外，還基于LINUX開發(fā)了開放體系結構數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺，其主要技術特點為：
    基于LINUX自由軟件平臺     軟件數(shù)控     可使用工業(yè)標準PC硬件或RISC處理器，增加了開放性     32位元體系結構     突破640k內(nèi)存的限制     強大的網(wǎng)絡通訊功能     優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境     豐富的軟件資源
    此外，北京航空航天大學采用上述硬件平臺技術，基于Windows 開發(fā)了開放體系結構數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺。     正是由于HNC開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)平臺良好的的開放性，國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術研究中心、華中數(shù)控基于此平臺除開發(fā)出車、銑等通用數(shù)控系統(tǒng)外，在短短幾年時間內(nèi)還派生出齒輪加工機床、仿形機床、磨床、鍛壓和沖壓機床、絎縫機、組合機床、刨床、彎管機、玻璃加工機床等多種數(shù)控系統(tǒng)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
    HNC-21/22開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化應用
    HNC-21/22開放式、網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)提供了與局域網(wǎng)或Internet連接的網(wǎng)絡接口，通過與網(wǎng)絡互聯(lián)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡資源分享、遠程控制、監(jiān)測、診斷，已在實際生產(chǎn)中得到應用，獲得了滿意的效果。

    華中數(shù)控在某廠進行仿型銑數(shù)控改造時，對模具車間的2臺加工中心、2臺仿形銑和龍門銑實現(xiàn)了網(wǎng)絡化互接，如圖4所示。通過網(wǎng)絡共用仿型數(shù)據(jù)，使普通數(shù)控銑床也能加工仿型測量的零件，提高仿型加工效率，節(jié)約了昂貴的仿形銑設備購置費用。同時，將工廠數(shù)控機床網(wǎng)絡與辦公用網(wǎng)絡聯(lián)在一起，使用辦公室的CAD/CAM系統(tǒng)能方便快捷地與數(shù)控機床進行信息交換與控制，可在遠程異地設計、編程，然后通過INTERNET網(wǎng)絡傳送和共享零件加工程序，實現(xiàn)了CAD/CAM/CNC的網(wǎng)絡集成，大大提高了生產(chǎn)效率和設備的利用率。目前，這些設備運行狀況良好，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟效益。
 基本原理
    通過Internet將分布在不同地域的數(shù)控設備、現(xiàn)場設備維修工程師、設備制造企業(yè)維修工程師及領域專家組織和聯(lián)系起來，在設備與人之間、人與人之間進行快速的信息傳遞，形成一個網(wǎng)絡化的數(shù)控設備診斷與維修諮詢系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)，借助網(wǎng)絡這一快捷的現(xiàn)代通訊手段，對數(shù)控設備故障進行快速診斷。 
    系統(tǒng)構成與工作流程
    數(shù)控設備E-服務系統(tǒng)的總體結構，主要由數(shù)控設備E-服務平臺、數(shù)控機床網(wǎng)關和遠程用戶終端三大部分組成。
    數(shù)控設備E-服務平臺是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一個特殊網(wǎng)站，內(nèi)容包括數(shù)控設備制造企業(yè)的用戶檔案、協(xié)助其進行設備故障診斷的領域專家檔案、用戶設備電子病歷，設備遠程操作、診斷、維護模塊，以及網(wǎng)絡會診工具等。平臺的作用是通過Web這一靈活、方便的形式將與設備技術支持與服務相關的設備診斷信息、用戶信息、專家信息組織在一起，形成一個網(wǎng)絡化設備故障診斷與服務保障體系，提高產(chǎn)品售后服務質量和效率。
    機床網(wǎng)關是由運行在生產(chǎn)現(xiàn)場的一臺PC機或筆記本電腦構成的一個數(shù)控機床連接器，它一端通過電話網(wǎng)、移動通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)控設備E-服務平臺相連，另一端則通過局域網(wǎng)/RS232等形式與數(shù)控機床相連。其作用是將數(shù)控機床內(nèi)部的PLC信息和外部的音頻、視頻信息、傳感器信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，供設備遠程診斷使用。另外它也可以將遠程終端用戶瀏覽器發(fā)送來的控制信息轉發(fā)給與之連接的數(shù)控機床。
    遠程終端可以是互聯(lián)網(wǎng)上的任何一臺電腦，其用戶是設備使用工程師、設備制造工程師或領域專家。他們通過運行在遠程終端上的瀏覽器從數(shù)控設備E-服務平臺上獲取和發(fā)布信息，對數(shù)控設備故障進行遠程協(xié)作診斷，提供遠程技術支持。 
    數(shù)控設備E-服務系統(tǒng)的典型工作過程如圖6所示。企業(yè)用戶遇到技術問題時先登錄數(shù)控設備E-服務平臺，利用平臺提供的典型案例、設備常見故障、數(shù)控設備診斷專家系統(tǒng)等工具嘗試自行解決問題；如果用戶無法在平臺提供的工具下解決問題則請求作為平臺管理員的設備制造企業(yè)工程師協(xié)助解決問題；如果問題還是不能解決則由平臺管理員請求異地領域專家進行聯(lián)合會診，直至問題解決。     在國家十五攻關、863、國家自然科學基金等相關項目的支持下，國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術研究中心與華中數(shù)控聯(lián)合研發(fā)的網(wǎng)絡化、開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺符合ONC規(guī)范，具有良好的開放性和強大的網(wǎng)絡功能，已派生出了車、銑、加工中心、齒輪加工機床、仿形機床、磨床、鍛壓和沖壓機床、絎縫機、組合機床、刨床、彎管機、玻璃加工機床等30多種數(shù)控系統(tǒng)，在實際應用中得到了有力的驗證。