開放式控制器體系結(jié)構(gòu)-過去現(xiàn)在和未來 機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計外文翻譯.docx

合 肥 工 業(yè) 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 翻 譯 文 獻(xiàn)翻譯題目：開放式控制器體系結(jié)構(gòu)-過去，現(xiàn)在和未來學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 機械設(shè)計制造及其自動化08-3班 指導(dǎo)老師： 院系名稱： 機械與汽車工程學(xué)院 2012年02月12日開放式控制器體系結(jié)構(gòu)-過去，現(xiàn)在和未來摘要:開放式控制系統(tǒng)是用于模塊化和可重新配置制造系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵推動者。特殊用途的機器和自動化程度高，導(dǎo)致大量的開放式控制系統(tǒng)的供應(yīng)商中立的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的重要性與日俱增。本文給出了一個概述了過去，現(xiàn)在和未來的開放式控制器體系結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對不同的標(biāo)準(zhǔn)，分類和一般開放式控制器的特點，反映在市場上的數(shù)控產(chǎn)品進(jìn)行評估和對在歐洲，北美和日本的全球性研究活動概述給定。隨后，努力協(xié)調(diào)不同的結(jié)果，以便在將來建立一個共同的全球性標(biāo)準(zhǔn)。由于“混合和匹配”，必須集中注意于開放式控制系統(tǒng)的性質(zhì)來進(jìn)行一致性和互操作性測試。關(guān)鍵字：開放式結(jié)構(gòu)控制 數(shù)控 機床1 引言開放式控制器體系結(jié)構(gòu)長期以來在機械控制領(lǐng)域是眾所周知的。自九十年代初，世界各地的若干措施一直致力于讓控制供應(yīng)商，機床廠商和最終使用者從靈活敏捷的生產(chǎn)設(shè)備中獲取更多的利益。主要目的是用于在一個廠商中立，標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境中通過開放接口控制和配置方法進(jìn)行易操作和集成的客戶指定控制。這種系統(tǒng)的廣泛接受和使用使得成本降低，靈活性增加。軟件可重復(fù)使用，用戶特定算法和應(yīng)用程序可以集成。用戶根據(jù)給定的控制配置可以自己設(shè)計控制方法。這種趨勢迫于越來越多的特殊用途的高自動化水平的機械和越來越多的軟件開發(fā)成本（圖1）。圖1： 數(shù)控硬件和軟件實際的發(fā)展趨勢過去數(shù)控領(lǐng)域的實際趨勢是由與專有的硬件和軟件組件相結(jié)合的獨特的設(shè)備導(dǎo)向系統(tǒng)所主導(dǎo)。應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件和硬件的緊耦合導(dǎo)致系統(tǒng)非常復(fù)雜和靈活性差。為了維護(hù)和更遠(yuǎn)的發(fā)展產(chǎn)品，按照新的市場要求，巨大的措施已經(jīng)被實施。現(xiàn)代數(shù)控方法，包括了廣泛的功能來完成一個高質(zhì)量，靈活的機械成果，在一個相同的標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境下，它與減少處理時間，利于個人電腦的措施相結(jié)合（圖2）。由于定義的接口和軟件的平臺，這種結(jié)構(gòu)是軟件導(dǎo)向的、可配置的。開放式控制接口需要不斷整合新的、先進(jìn)的功能到控制系統(tǒng)中去。，而且對于創(chuàng)造可重新配置的制造單元是非常重要的17。分拆硬件和軟件可以從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)縮短的創(chuàng)新周期中獲益。在重利用軟件組件的可能性下，簡單的通過升級硬件平臺，系統(tǒng)的整體性能便增加了。圖2：基于個人電腦的，面向軟件的控制系統(tǒng)對于提供和使用開放式控制系統(tǒng)的人都有很多好處（圖3）7。數(shù)控設(shè)計師和學(xué)者受益于高度開放也包括CNC的內(nèi)部接口。對于數(shù)控裝置的使用者外部的開放性更顯重要。它提供了用于集成專用用戶對現(xiàn)有控制的應(yīng)用，和適應(yīng)專用用戶的要求，例如：適應(yīng)性強的用戶界面或機器和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集。外部的開放主要基于內(nèi)部的開放但是有功能上的或者性能上的限制。2 這種技術(shù)現(xiàn)狀2.1控制系統(tǒng)及其接口控制是非常復(fù)雜的系統(tǒng),由于非常嚴(yán)格的實時的和可靠的需求。為了能控制復(fù)雜的系統(tǒng)，硬件和軟件接口是本質(zhì)的問題。控制系統(tǒng)的接口可以被分為兩類外部和內(nèi)部接口。（圖4）外部接口這些接口把控制系統(tǒng)連接到上一個單元、下一個單元、用戶。它們可以分為編程接口和通信接口。NC和PLC編程接口由國家或國際標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一，例如RS- 274，DIN66025或IEC61131-3。通訊接口也受標(biāo)準(zhǔn)很大程度的影響?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)像SERCOS，Profibus或DeviceNet是用來作為對驅(qū)動器和110s的接口。局域網(wǎng)（局域網(wǎng)），主要基于以太網(wǎng)和TCP/ LP，的確可以反應(yīng)卓越系統(tǒng)的接口。內(nèi)部接口內(nèi)部接口主要用于構(gòu)成控制系統(tǒng)核心的組件間的交互和數(shù)據(jù)交換。在這一領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)是實時機制的支持。為了實現(xiàn)重新配置以及適應(yīng)的配置，控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于一個平臺概念。主要目的是從軟件組件中隱藏具體硬件細(xì)節(jié)，在軟件組件之間建立一個定義了的、靈活的方式。一個應(yīng)用程序編程接口（API）可以確保這些要求。一個控制系統(tǒng)的整體功能細(xì)分成幾個部分，通過模塊化軟件定義的API交互組件2.2控制系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)圖5顯示控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)不同的變化。變化a）顯示的是在控制系統(tǒng)的核心部分帶有位置控制的模擬驅(qū)動接口。這種結(jié)構(gòu)的每個模塊使用自己的處理器，這導(dǎo)致特定供應(yīng)商提供各種各樣的硬件。結(jié)合模塊導(dǎo)致了處理器的數(shù)量有明顯意義上的減少。變化b）顯示的是在集成控制功能下的智能數(shù)字驅(qū)動，由于高容量、小型化、處理器更高的性能。變化c）顯示的是一個基于個人電腦的單個處理器解決方案，它是在操作系統(tǒng)的實時擴(kuò)展下。所有的控制功能在實時環(huán)境中就像個人電腦中的軟件一樣運行著。2.3市場概述這些在市場上有用的控制提供了不同層次的開放，按照圖6顯示的標(biāo)準(zhǔn)。一個重要的標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)計算機（軟件，操作系統(tǒng)和中間件）環(huán)境作為執(zhí)行HMI和CNC軟件的使用。除此之外，連接的數(shù)控廠上下各級必須得到保證。應(yīng)用程序編程接口（API）是用于集成在數(shù)控產(chǎn)品的第三方軟件。雖然今天的大部分控制系統(tǒng)提供了開放性，這種開放性包括了與操作者相關(guān)的控制功能（人機交互，HMI），還是有少數(shù)控制系統(tǒng)允許用戶修改他們的低層次的控制算法，來改變機器相關(guān)的控制功能。圖7給出了今天的控制系統(tǒng)方面的開放程度特點的概述。雖然一些控制系統(tǒng)給軟件集成提供了開放的接口（例如OPC），但是通過程序接口的來來回回的數(shù)據(jù)仍然沒有共同的定義。因此，控制系統(tǒng)對目前市場并不隱式支持“插件和播放“的特點。為了改善這種情況，現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以作為一個模型（見圖8）。在各種不同的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，達(dá)成了廣泛的共識，統(tǒng)一了面向應(yīng)用的接口是可取的，為了向用戶隱藏多元性和系統(tǒng)的復(fù)雜性。大多數(shù)現(xiàn)場總線組織已經(jīng)使用所謂的設(shè)備配置文件，以支持不同廠商的設(shè)備互換。例如，SERCOS接口標(biāo)準(zhǔn)對于數(shù)控和驅(qū)動器之間的循環(huán)和確定性通信（IEC61491）已經(jīng)確定大約的語義。400參數(shù)描述驅(qū)動和控制，是由不同廠商的設(shè)備使用的功能。3 開放式的定義和種類3.1定義IEEE的“開放系統(tǒng)技術(shù)委員會“定義了一個開放的系統(tǒng)如下：“一個開放的系統(tǒng)提供一種能力，使應(yīng)用程序能夠運行在多個供應(yīng)商的平臺上，與其它系統(tǒng)互通應(yīng)用程序，展現(xiàn)與用戶互動的一貫風(fēng)格(IEEE 1003.0)。為了估計控制的開放性，下面的標(biāo)準(zhǔn)可以被使用（圖9）：可移植性: 應(yīng)用程序模塊(AM)可以不經(jīng)過任何變化就能應(yīng)用在不同平臺上，同時保持自己的能力?？蓴U(kuò)展性：各種不同的應(yīng)用模塊可以無沖突的在平臺上運行。互操作性：應(yīng)用模塊可以以一種持續(xù)的方式一塊運行，以及可以以一種定義過的方式互換數(shù)據(jù)。可擴(kuò)展性：根據(jù)用戶要求，應(yīng)用模塊的功能和性能以及硬件的大小可以被調(diào)整。為了實現(xiàn)了IEEE定義的要求和這些公開式的標(biāo)準(zhǔn)，一個開放式控制系統(tǒng)必須是：廠商中立;它保證了單個專有喜好的獨立性。共識達(dá)成: 它是由一個供應(yīng)商和用戶組（通常是以一個用戶組或興趣小組的形式）?；跇?biāo)準(zhǔn)的。這確保了以一種標(biāo)準(zhǔn)的形式廣泛分布（國際/國家標(biāo)準(zhǔn),廠商間的標(biāo)準(zhǔn)）。免費提供。它向任何感興趣的群體免費。3.2開放式控制系統(tǒng)的分類如果我們講控制系統(tǒng)的開放性，以下類別可識別（圖10）開放性人機交互：這種開放性僅限于控制系統(tǒng)的非實時部分。在用戶導(dǎo)向的應(yīng)用中可進(jìn)行改編。有限開放的內(nèi)核：控制核心有一個固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是提供接口來嵌入用戶專用過濾器，深知對于實時功能。開放控制系統(tǒng)：控制核心拓?fù)淙Q于進(jìn)程。它提供了互換性，可擴(kuò)展性，可移植性和互操作性。開放式控制系統(tǒng)，可提供當(dāng)今大多為在一個固定的軟件拓?fù)浞菍崟r部分修改的可能性。他們?nèi)狈Ρ匾撵`活性，并沒有以供應(yīng)商中立的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。3.3要求一個廠商中立的開放式控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)，如果控制功能細(xì)分為功能單位，如果在這些單元間良好定義的接開口被指定 一個廠商中立的開放式控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)（圖11）。因此模塊化可以被認(rèn)定為是開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。在確定模塊化的復(fù)雜程度中，在開放程度和集成成本間有一個很好的權(quán)衡6.越小的模塊提供了一個更高水平的開放性和更多的選擇性，但是增加了復(fù)雜性和集成成本。而且這種低水平的粒度可導(dǎo)致對資源的更高的要求，甚至可能惡化了整個系統(tǒng)的實時性能。以“混合和匹配”的方式連接模塊需要一個標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口（API）的綜合設(shè)置。對于廠商中立的開放式控制系統(tǒng)的接口必須標(biāo)準(zhǔn)化和廣泛接受。由于這種模塊化系統(tǒng)的復(fù)雜性對系統(tǒng)架構(gòu)的定義是可取的和有益的。這導(dǎo)致了所謂的系統(tǒng)平臺（圖12）的介紹。這些平臺通過吸收封裝硬件，操作系統(tǒng)和通信的特點計算系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。這種中間件系統(tǒng)的可用性促進(jìn)了應(yīng)用軟件輕松移植，也是應(yīng)用模塊，即使在分布式異構(gòu)環(huán)境的互操作性。由于混合和匹配模塊的可能性，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，系統(tǒng)的整體質(zhì)量由單一模塊間的交互程度所決定（見第5）。4 關(guān)于市場的系統(tǒng)4.1重大國際活動日本的OSEC（日本）日本的OSE（關(guān)于制造的開放系統(tǒng)環(huán)境）財團(tuán)于1994年12月成立。三個項目的各個階段進(jìn)行到1999年的三月1 2 3。該財團(tuán)體系的目的是為最終用戶，機床制造商，控制供應(yīng)商，軟件供應(yīng)商，系統(tǒng)集成商，為工業(yè)機器等控制器，提供一個可以添加自己的獨特價值的工業(yè)機器的標(biāo)準(zhǔn)平臺，從而促進(jìn)工業(yè)機器技術(shù)和商業(yè)的發(fā)展。在日本的OSEC API是定義一個接口協(xié)議，它是用來在代表了功能性和實時循環(huán)的控制軟件組件間交換信息。每個功能塊可以被封裝為一個對象，因此沒有必要處理一個功能塊是怎樣在結(jié)構(gòu)層面上傳遞信息的（圖13）雖然功能塊的結(jié)構(gòu)可以被該財團(tuán)體系從視覺上的邏輯點定義，該系統(tǒng)是既不被確定的也不被限制的在它的實施階段，因為在實施階段有太多選擇。這些選項可能包括系統(tǒng)詭計，如設(shè)備驅(qū)動程序，進(jìn)程間通信，如靜態(tài)庫和DLL安裝機制，如硬件因素像控制器卡的選擇，以及軟件模塊對執(zhí)行控制和/或監(jiān)控各種軟件的實現(xiàn) 。換句話說，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊的實施模塊是不被限制在某些模塊的。根據(jù)系統(tǒng)的大小或它的硬件實施和/或利用，它被確定把各種想法納入實施模塊。JOP (日本)為與OSE財團(tuán)平齊，MSTC從1996年到2000年在JOP（日本公開賽推廣組）的旗下形成了開放式控制器技術(shù)委員會（業(yè)主立案法團(tuán)，訓(xùn)練班）。OC TC的各項指標(biāo)是在開放式控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)上為各種公司提供在一起討論和工作的機會。業(yè)主立案法團(tuán)超導(dǎo)還預(yù)計，在這一領(lǐng)域作為國內(nèi)和國際活動之間的聯(lián)系。OC-TC由大約50名成員，其中包括日本大型控制器供應(yīng)商，機床制造商，集成商，用戶和學(xué)者參加了會議。一些成員代表的其他群體，如華泰財團(tuán)和FA聯(lián)網(wǎng)推廣集團(tuán)。其中的一個工作組是致力于在數(shù)控和基于個人電腦的人機交互之間開發(fā)一個為了交互的標(biāo)準(zhǔn)的API。它還應(yīng)在數(shù)控和高層管理控制之間的交流是有效的。這項工作基于來自主要控制供應(yīng)商和華泰財團(tuán)的提議而被執(zhí)行。開發(fā)的規(guī)格被命名為PAPI發(fā)布于1999年的7月。PAPI 被批準(zhǔn)為JIS（日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的技術(shù)報告，并在2000年10月出版。為了證明由OC-TC研制的規(guī)格的有效性，1999年10月在名古屋由不同廠商生產(chǎn)的兩個碳奈米尖錐被連接到一個Windows NT計算機，即由東京大學(xué)所開發(fā)的同一個HMI系統(tǒng)被實施(圖14)。由于任何特定的控制結(jié)構(gòu)都不是假設(shè)的，PAPI可以在現(xiàn)有的各種數(shù)控系統(tǒng)中實施，像個人電腦+專用數(shù)控，個人電腦+數(shù)控板，以及基于個人電腦+110板的數(shù)控軟件。人機交互系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)通過PAPI交流，PAPI是一個基于C語言的功能導(dǎo)向的軟件庫。PAPI接口正在中和特定供應(yīng)商接口，通過向特定供應(yīng)商的API和協(xié)議映射PAPI命令。OMAC（美國）開放式模塊化結(jié)構(gòu)控制器（OMAC）用戶組是一個行業(yè)論壇，用來推動控制器技術(shù)現(xiàn)狀10。關(guān)于OMAC夫人措施正在實施，用來定義API的規(guī)范性，從而最終達(dá)成穩(wěn)固的標(biāo)準(zhǔn)組織。OMAC的API通過接口類來指定使用的API 11，從而實現(xiàn)一個基于組件的方法來實現(xiàn)插件和播放模塊化。對于分布式通信，基于組件的技術(shù)使用代理來處理跨進(jìn)程邊界的調(diào)用方式。OMAC API包含不同的“大小”和“類型”的可重復(fù)使用的插件和播放組件 - 組件，模塊和任務(wù)-每一個都有一個獨特的有限狀態(tài)機（FSM）的合作模式，從而組件協(xié)作以一種未知的方式來進(jìn)行。術(shù)語組件應(yīng)用于可重復(fù)使用的軟件中，該軟件像一個帶有應(yīng)用的構(gòu)建塊一樣運行，而術(shù)語模塊指的是模塊的容器件。任務(wù)是用來封裝的可編程功能行為的一個組件，包括了一系列運行完成的步驟，它支持包括開始，停止，重新啟動，暫停和恢復(fù)，并可能被多次運行當(dāng)控制器在運行時。任務(wù)可以被用來建立控制程序，這種控制程序包括一系列的轉(zhuǎn)換任務(wù)，有能力重啟，導(dǎo)向或者作為一個獨立的駐地任務(wù)來處理特定的控制請求，（例如軸歸位或緊急停止）。為了整合元件，一個框架必須規(guī)范協(xié)作和其他組件操縱的生命周期模塊。OMAC API使用微軟組件對象模型（COM）作為一個初始框架，借此來開發(fā)組件，同時帶有期望的利益，就是控制供應(yīng)商便可以對特定應(yīng)用的改進(jìn)其戰(zhàn)略集中定義的市場份額，- 而不是將寶貴的編程資源再造和維護(hù)軟件“管道。與COM的框架的主要問題，尤其是在Windows 2000操作系統(tǒng)下，即缺乏硬的，實時的搶占式調(diào)度，而第三方擴(kuò)展到Windows2000可以用來解決這一要求。圖15闡明了OMAC控制器功能。人機界面模塊負(fù)責(zé)與人類的互動，包括提交數(shù)據(jù)，移交命令和監(jiān)控事件以及在OMAC API“映射”中的與所有主要的模塊相關(guān)的，通過代理的組件的引用實際控制器。任務(wù)協(xié)調(diào)員模塊在基于編程的系統(tǒng)中負(fù)責(zé)測試和協(xié)調(diào)不同的模塊。任務(wù)協(xié)調(diào)員可以被認(rèn)為是控制器中的最高級別的有限狀態(tài)機。一個任務(wù)生成模塊把特殊應(yīng)用的控制程序（例如，零件加工程序的RS274）轉(zhuǎn)換成一系列的與應(yīng)用無關(guān)的瞬態(tài)任務(wù)。軸組模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各軸的運動，把一個傳入規(guī)范運動段轉(zhuǎn)換成一系列的同等時間間隔的設(shè)定點以便于協(xié)調(diào)各軸。軸模塊負(fù)責(zé)軸運動的伺服控制，把傳入運動設(shè)定點轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的10點執(zhí)行器設(shè)定點?？刂坡山M件負(fù)責(zé)伺服控制回路的計算，以達(dá)到特定的設(shè)定值。OSACA（歐洲）在歐洲，ESPRIT的項目OSACA（帶有自動化系統(tǒng)的開放式控制系統(tǒng)）于1992年發(fā)起，目的是團(tuán)結(jié)歐洲的利益，并為開放式控制系統(tǒng)創(chuàng)建一個供應(yīng)商中立的標(biāo)準(zhǔn)9 16。它由歐洲主要的控制供應(yīng)商和機床生產(chǎn)商支持。OSACA在1996年的四月已經(jīng)達(dá)到了一個成熟的狀態(tài)，擁有任意的一些穩(wěn)固的規(guī)格和系統(tǒng)軟件的測試場。基于這些結(jié)果，幾個應(yīng)用為導(dǎo)向的項目正在被執(zhí)行。在1988年汽車行業(yè)的兩個試點證明了OSACA兼容控制器和應(yīng)用的互操作性。現(xiàn)有的來自世界各地的35個成員組成的OSACA協(xié)會是保持和維護(hù)關(guān)于OSACA規(guī)定的最后的組織。OSACA的基本架構(gòu)的技