什么是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)？

改編自：《新一代智能化數(shù)控系統(tǒng)》（作者：陳吉紅，楊建中，周會(huì)成）

「1.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的定義及屬性」

1）開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)定義

目前，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)還沒(méi)有公認(rèn)的統(tǒng)一定義。IEEE對(duì)其定義為“開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)提供這樣的能力：來(lái)自不同廠商的，在不同操作平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用程序都能夠在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，并且該系統(tǒng)能夠和其他應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作?！北疚淖髡吒鶕?jù)自身的研究工作，并結(jié)合本書(shū)內(nèi)容，對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)給出如下定義：開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)本質(zhì)一個(gè)具備軟件平臺(tái)化、功能模塊化、界面組態(tài)化內(nèi)部屬性和可移植性、可伸縮性、互操作性外部特征，支持用戶根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)，并提供用戶應(yīng)用軟件的運(yùn)行、管理平臺(tái)。因此，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的核心是支持用戶根據(jù)需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加定制化功能，提升機(jī)床的性能。

2）開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部屬性

要實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放，使其具備良好通用性、互換性，并且使用戶無(wú)需深入到底層硬件集成、操作系統(tǒng)調(diào)度等專業(yè)性要求很強(qiáng)的開(kāi)發(fā)任務(wù)中，數(shù)控系統(tǒng)需具備軟件層次化、功能模塊化、界面組態(tài)化的內(nèi)部屬性。這些內(nèi)部屬性是數(shù)控系統(tǒng)廠商為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放而對(duì)數(shù)控系統(tǒng)體系內(nèi)部架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（1）軟件層次化

數(shù)控系統(tǒng)軟件不僅包含解釋、插補(bǔ)及運(yùn)動(dòng)控制等功能的實(shí)現(xiàn)，還需具備設(shè)備驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)內(nèi)核及進(jìn)程調(diào)度等基礎(chǔ)功能。但是，用戶進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)目的是改進(jìn)現(xiàn)有功能或增加新功能，其工作并不需要涉及硬件讀寫、內(nèi)核管理等基礎(chǔ)功能。因此，需要對(duì)軟件進(jìn)行層次化劃分，使用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)只需要關(guān)注其所需功能的接口層，不需要了解基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)調(diào)度等任務(wù)，在降低用戶開(kāi)發(fā)難度的同時(shí)，在一定程度上保障系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的分層，首先需要把軟件從硬件中分離出來(lái)，降低硬件的可靠性受用戶加入功能的影響的可能，于是需要建立驅(qū)動(dòng)層。其次，數(shù)控系統(tǒng)軟件隨著功能增多，變得越來(lái)越復(fù)雜，為了不讓用戶陷入到底層軟件的開(kāi)發(fā)當(dāng)中，將軟件層次進(jìn)一步劃分出內(nèi)核層和應(yīng)用層，用戶只需要通過(guò)應(yīng)用層的接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，不需要直接在內(nèi)核的層面進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

綜上所述，可以將數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)從技術(shù)層面分為3個(gè)層次：驅(qū)動(dòng)層、內(nèi)核層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)

a.驅(qū)動(dòng)層：驅(qū)動(dòng)層一般由硬件抽象層（HAL）、板級(jí)支持包（BSP）和驅(qū)動(dòng)程序組成，是數(shù)控系統(tǒng)軟件中不可或缺的重要部分，它的作用是為上層程序提供外部設(shè)備的操作接口，并且實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。上層程序在進(jìn)行硬件操作時(shí)，不需要了解設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，只需要調(diào)用驅(qū)動(dòng)的接口即可。

b.內(nèi)核層：內(nèi)核層即嵌入NC內(nèi)核的操作系統(tǒng)層，包含實(shí)時(shí)內(nèi)核、進(jìn)程調(diào)度、NC內(nèi)核功能模塊、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。在嵌入式系統(tǒng)中工作的操作系統(tǒng)稱為EOS（Embedded Operating System，嵌入式操作系統(tǒng)），EOS在數(shù)控系統(tǒng)中主要作用是處理由內(nèi)部或者外部事件引發(fā)的中斷、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的激活以及執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度，它并不執(zhí)行具體的應(yīng)用功能，如運(yùn)動(dòng)控制、界面顯示等具體功能是由應(yīng)用層的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的。

c.應(yīng)用層：應(yīng)用層軟件主要指多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用任務(wù)，每個(gè)應(yīng)用任務(wù)完成特定的工作，如I/O任務(wù)、計(jì)算任務(wù)、通信任務(wù)、人機(jī)界面等，由操作系統(tǒng)調(diào)度各個(gè)任務(wù)的進(jìn)行。它由基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序組成，用來(lái)完成對(duì)被控制對(duì)象的控制功能。應(yīng)用層是面向被控制對(duì)象和用戶的，為了方便用戶的操作，往往需要友好的人機(jī)界面。應(yīng)用程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)的接口函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)如采集診斷、運(yùn)動(dòng)控制等具體的應(yīng)用功能。各種任務(wù)以應(yīng)用程序的形式集合在應(yīng)用層，服務(wù)于不同的功能模塊。在操作系統(tǒng)的支持下，每個(gè)任務(wù)都被分配到一個(gè)優(yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)別的高低，動(dòng)態(tài)切換任務(wù)，以保證實(shí)時(shí)性的要求。此外，操作系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源管理，合理分配資源，實(shí)現(xiàn)消息管理、任務(wù)調(diào)度和異常處理等任務(wù)。

數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)專用性很強(qiáng)的多任務(wù)調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)，按照任務(wù)運(yùn)行實(shí)時(shí)性強(qiáng)弱的劃分方法，一般將數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分為管理任務(wù)和控制任務(wù)兩大類。如圖2所示，其中控制類任務(wù)的工作與數(shù)控加工直接相連，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，而管理類任務(wù)的工作對(duì)實(shí)時(shí)性的要求相對(duì)較低。系統(tǒng)的控制任務(wù)又可細(xì)分為位置控制、軌跡插補(bǔ)、指令譯碼、I/O控制、誤差控制、狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷等子任務(wù)；系統(tǒng)的管理任務(wù)則包括人機(jī)交互管理、顯示管理、數(shù)據(jù)管理、通信管理和網(wǎng)絡(luò)管理等子任務(wù)。而且，在實(shí)際的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中可根據(jù)需要對(duì)各個(gè)子任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，形成一個(gè)任務(wù)集合，任務(wù)集合中的任務(wù)都必須根據(jù)外部事件及時(shí)被激活運(yùn)行，同時(shí)結(jié)合具體的加工情況，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，動(dòng)態(tài)地對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)控制，以適應(yīng)不同加工任務(wù)的要求。當(dāng)有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入任務(wù)列表時(shí)，內(nèi)核通過(guò)優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度方式切換到高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；當(dāng)同等優(yōu)先級(jí)的多個(gè)任務(wù)進(jìn)入任務(wù)列表時(shí)，內(nèi)核通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)控制。操作系統(tǒng)具體的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制以在上一小節(jié)給出詳細(xì)解釋。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用層任務(wù)劃分

通過(guò)系統(tǒng)軟件的分層可以實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚”和“低耦合”，每層間功能上獨(dú)立，減少依賴關(guān)系，擴(kuò)展性、可維護(hù)性增強(qiáng)。另外每層之間實(shí)現(xiàn)指定功能，與其他層之間通過(guò)指定接口建立聯(lián)系，可移植性大大提升。

（2）功能模塊化

對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行模塊化開(kāi)發(fā)，使其基礎(chǔ)軟件模塊具有可重用性，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)充性是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的必要條件。數(shù)控系統(tǒng)功能模塊化也稱軟件芯片化，是指采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能劃分，把一些通用模塊做成獨(dú)立的可重用的對(duì)象類，建立類似于硬件芯片的數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫(kù)。當(dāng)開(kāi)發(fā)新的數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，只需從軟件芯片庫(kù)中取出相應(yīng)的模塊加以組合即可，必要時(shí)加以擴(kuò)充，而無(wú)需從頭開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)， 這樣便改變數(shù)控系統(tǒng)的封閉式設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放性設(shè)計(jì)、資源得到重用。利用軟件芯片構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的過(guò)程如圖3所示。

圖3 基于軟件芯片庫(kù)的數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程

a.軟件芯片的特點(diǎn)：內(nèi)部黑箱封裝；接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化；多態(tài)性及繼承性。

b.功能模塊的劃分：人機(jī)交互界面模塊；編碼譯碼模塊；刀補(bǔ)預(yù)處理模塊；軌跡插補(bǔ)模塊；軸伺服控制模塊；I/O模塊。上述幾個(gè)基本模塊具有互操作性、可移植性和可擴(kuò)展性，且是構(gòu)成CNC系統(tǒng)最小的配置模塊，可作為數(shù)控功能的基本劃分，作為最基本的CNC軟件芯片，此外還有刀具管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等芯片，軟件芯片的功能與數(shù)量的定義是動(dòng)態(tài)的，隨著應(yīng)用需求的變化和CNC技術(shù)的發(fā)展，可能需要增加新的軟件芯片。軟件芯片之間協(xié)作關(guān)系如圖4所示。

圖4 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片對(duì)象協(xié)作關(guān)系

（3）界面組態(tài)化

人機(jī)界面是人與數(shù)控系統(tǒng)之間傳遞、交換信息的媒介，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，人機(jī)界面的二次開(kāi)發(fā)是大部分用戶完成可視化內(nèi)容的個(gè)性化定制及開(kāi)發(fā)的重要手段。目前，數(shù)控系統(tǒng)的通用人機(jī)界面已經(jīng)具備了比較通用、完備的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、診斷、編程、設(shè)置等操作。但是，這種標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面不能滿足用戶對(duì)特定加工工藝的個(gè)性化定制需求，另外，用戶提出新功能，數(shù)控系統(tǒng)廠家開(kāi)發(fā)需要一定的開(kāi)發(fā)周期往往不能及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)需求。因此，需要開(kāi)發(fā)一種數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，不僅滿足用戶對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的專業(yè)化、個(gè)性化需求，而且滿足開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的便于擴(kuò)展、對(duì)用戶開(kāi)放等需求。

對(duì)于這種需求，人們提出了組態(tài)的概念，組態(tài)的核心思想就是以圖形可視化方式將人機(jī)界面以功能組件的形式，通過(guò)特定的方式配置組織起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面靈活地、可擴(kuò)展地開(kāi)發(fā)。組態(tài)技術(shù)可以以圖形可視化的方式，通過(guò)功能組件的組合配置，以組態(tài)的形式快速靈活地構(gòu)建具有高可擴(kuò)展性的人機(jī)界面。總的來(lái)說(shuō)人機(jī)界面的組態(tài)技術(shù)主要有兩個(gè)特點(diǎn)：

一是圖形化的界面構(gòu)建能力：組態(tài)化界面開(kāi)發(fā)是以圖形可視化的方式添加和配置界面圖元來(lái)構(gòu)建完成的。組態(tài)要求部署后的組態(tài)界面應(yīng)該和開(kāi)發(fā)過(guò)程中的組態(tài)界面保持“靜態(tài)的一致性”，以實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得的界面開(kāi)發(fā)理念。

二是組件式的功能配置：組態(tài)人機(jī)界面應(yīng)該由獨(dú)立的功能單元組合而成，這些功能單元組件可以是圖元、設(shè)備或者功能模塊等，通過(guò)“配置”的形式將這些功能單元的組合即可完成人機(jī)界面構(gòu)建，同時(shí)這些功能單元之間的組合形式應(yīng)該是低耦合，可擴(kuò)展的。一般來(lái)說(shuō)，組成數(shù)控人機(jī)界面的主要元素有圖形、控件、變量、設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、邏輯命令，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控人界面組態(tài)過(guò)程中的靈活性，降低各個(gè)組件和元素之間的耦合性及HMI 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)數(shù)控人機(jī)界面進(jìn)行模塊化劃分。以功能性為劃分依據(jù)，采用軟件設(shè)計(jì)中常用的 MVC 系統(tǒng)框架（model-view-control 框架），將組成計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)、圖形以及邏輯控制部分抽象剝離出來(lái)，以到達(dá)降低系統(tǒng)耦合性和提升擴(kuò)展性的目的。最終，將人機(jī)界面的基本元素劃分為數(shù)據(jù)，圖形和交互控制三個(gè)模塊。其中數(shù)據(jù)模塊對(duì)應(yīng)于人機(jī)界面的各種數(shù)據(jù)源，為視圖的顯示提供數(shù)據(jù)， 主要包括機(jī)床運(yùn)行與加工過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)。圖形就是數(shù)控 HMI 在屏幕上的表示形式，主要包括構(gòu)成人機(jī)界面的基本圖形即常用組件等；交互控制則主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面運(yùn)行過(guò)程中的邏輯控制及用戶交互。

組件化是對(duì)組成人機(jī)界面功能單元進(jìn)行相應(yīng)的處理，將相同或相似的功能單元進(jìn)行提煉與抽象，轉(zhuǎn)化為具有標(biāo)準(zhǔn)接口、可復(fù)用的功能組件的過(guò)程。如圖5所示，組件化的步驟主要包括單元識(shí)別、單元聚類以及單元集概括抽象和組件封裝。基本單元識(shí)別即將組成系統(tǒng)的基本單元，依據(jù)功能、邏輯和結(jié)構(gòu)方面的差異，通過(guò)相應(yīng)的識(shí)別方法，按照一定劃分粒度，將具有獨(dú)立功能且與其他基本單元低耦合的功能單元提取出來(lái)。在功能單元的識(shí)別過(guò)程中，劃分粒度對(duì)最終人機(jī)界面的靈活性和擴(kuò)展性起著決定性作用。粒度過(guò)大將導(dǎo)致單元組件可配置性差，組態(tài)界面的整體靈活性不高；而粒度過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致界面系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，可維護(hù)性性不夠。因此劃分粒度應(yīng)根據(jù)功能單元的特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

圖5人機(jī)界面組件化基本過(guò)程

基本功能單元識(shí)別完成后，將一些在功能、結(jié)構(gòu)上或邏輯上具有一定相似性的單元進(jìn)行分類，構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的單元集，提升單元集內(nèi)元素的聯(lián)系性，降低單元集之間元素的相似性和耦合性，這個(gè)過(guò)程便稱為單元聚類。單元聚類后，利用面向?qū)ο筌浖_(kāi)發(fā)中類的思想，對(duì)這些單元集進(jìn)行概括和總結(jié)，抽象成為單元“類”，并提煉出單元類的根本屬性，并將其參數(shù)化，添加用于組件組合的外部接口，最后封裝成具有特定功能，可復(fù)用且具有標(biāo)準(zhǔn)可配置參數(shù)與組合接口的單元組件。

「2. 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征」

以上兩部分對(duì)封閉式和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部屬性進(jìn)行了分析，從用戶的角度來(lái)講，封閉式和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在特征上也有所區(qū)別。表2給出了封閉式和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的具體特征的詳細(xì)對(duì)比。

表2 封閉式和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的外部特征

通過(guò)以上對(duì)比分析，我們可以知道傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)具有可靠性高、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于典型量大面廣的場(chǎng)合還是以傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用為主。但是，隨著科技的進(jìn)步和其它相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的這些優(yōu)勢(shì)已經(jīng)不再明顯。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行選配、集成、更改或者擴(kuò)展系統(tǒng)的功能以快速適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本特征：

（1）開(kāi)放性：提供標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺(tái)，允許不同功能和不同開(kāi)發(fā)商的軟、硬件模塊介入。

（2）可移植性：不同的應(yīng)用程序可運(yùn)行于不同生產(chǎn)商提供的系統(tǒng)平臺(tái)，同樣的，系統(tǒng)軟件也可以運(yùn)行于不同特性的硬件平臺(tái)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接口，各功能模塊能夠正常運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上。

（3）可伸縮性：增添或減少系統(tǒng)的功能僅表現(xiàn)為特定功能模塊的裝載或卸載。允許用戶結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，甚至允許用戶將自行設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊集成到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)深層的二次開(kāi)發(fā)。

（4）互換性：不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模塊可以相互替代，而不影響系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（5）相互操作性：提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口、通信和交互模型。不同的應(yīng)用程序模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)之上，不同的模塊之間保持平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。標(biāo)準(zhǔn)化的接口既包含硬件接口，如RS232、USB、VGA、以太網(wǎng)等接口；也包含軟件接口，即通信協(xié)議，如數(shù)控系統(tǒng)與伺服的總線協(xié)議NCUC、EtherCAT、Profinet IRT、Sercos III等，以及不同類型數(shù)控系統(tǒng)之間通信語(yǔ)言，如NC-Link協(xié)議。