0 引言
隨數着數控技術的發展，人們對數控系統的互聯互操作需求也越來越迫切，這方面的工作涉及到體系結構、接口與互聯協議。在與數控技術有關的開放式控制系統體系結構方面，國外已提出、建立了相應的工業標準，如OMAC、OSAC等。基於工業PC的開放式數控體系結構在國內也獲得了人們的廣泛研究和應用，包括對分佈式體系架構的研究。同時COM、CORBA、OPC等軟件組件技術也在開放式數控系統研究中獲得應用。製造技術與信息技術的結合，特別是網絡化數字製造技術的出現和發展，給數字控制技術帶來了新的需求和機會，與此相適應的是數控技術的網絡化。在網絡數字製造環境下，一臺製造設備成爲企業甚至全球數字製造網絡的一個資源節點，接受和執行來自數字製造網絡的任務、控制命令和狀態監測。
目前的系統，無論是軟硬結合的還是全軟件的，無論是基於組件的還是聯網的數控系統，主要是採用基於工業通用Pc機的單機型系統架構，即系統以一臺計算機系統(通常是PC機)爲主，配以其它輔助控制裝置，在一套系統上集成了大量的或者說幾乎全部的數控功能。正如辯證法所指明的，任何事情都是一分爲二的。通用工業PC機用於數控有許多的優點，但也存在一些無法迴避的問題，如PC的數控系統的Windows操作系統甚至DOS操作系統的知識產權問題或者Linux操作系統的應用軟件支持的缺乏。其次，基於PC的數控系統主要採用單機型的系統架構，而這種單機型的數控系統架構存在的一個顯著問題是系統缺乏柔性。系統缺乏柔性主要表現在：(1)幾乎所有數控功能都集成到一個系統中，因此，系統和功能一旦確定，不能依據加工需要、用戶需要而改變；(2)基於工業PC的數控系統的擴展主要基於ISA、EISA、PCI等並行總線進行擴展，但這種擴展方式存在的問題是，一方面擴展槽有限，另一方面這種基於並行總線的擴展是緊耦合式擴展，擴展硬件模塊的研製開發比數控技術較複雜。再其次，在網絡化數字製造環境下，機牀數控系統已從過去一個獨立的、完整的系統，變成了一個相對簡單的執行單元，數控系統自身的許多功能可以簡化、甚至省略。還有，隨着數控系統功能越來越豐富，將幾乎所有功能集成在單個計算機系統上將使得軟件系統的設計、開發變得非常複雜，軟件耦合變得很密切，不利於互聯和互操作。
近來，嵌入式系統的性能不斷提高，價格逐漸降低，且嵌入式技術與各種通信技術密切結合，通過串行通信、現場總線和網絡，可將嵌入式系統連成現場網絡或接入到企業網絡、乃至互聯網；而且嵌入式軟硬件開發環境、開發工具也越來越豐富和完善。因此，基於嵌入式技術的數控系統近幾年也開始得到人們的重視和研究，國外已出現了基於嵌入式技術的數控系統產品，如德國ECKELMANN公司E*ENC555，但總的來說，這方面的研究纔剛開始，還有許多工作要做。本文作者利用嵌入式技術、網絡與通信技術的發展成果，對系統更緊湊、性價比更高、資源利用更充分、結構靈活、易於擴展、具有開放架構並能更好滿足網絡化數字製造環境的嵌入式數控系統進行了研究和開發。
1 嵌入式數控系統及其體系結構
爲了實現從微小化的角度提高資源利用率、通過系統模塊化和網絡互聯技術提高系統結構的靈活性和柔性、通過嵌入式實時操作系統方面的研究解決數控系統在實時多任務操作系統下面臨的問題及通過嵌入式Web實現更便捷的遠程控制與監測的目標，利用嵌入式技術、網絡通信技術和數控系統相結合提出了嵌入式數控系統，其體系結構如圖1所示。該嵌入式數控系統由一系列的嵌入式控制模塊組成。這些模塊接通用的目標設計，而非針對特定的對象和環境，通過選擇適當的模塊可以組成一個針對特定對象和環境的數控系統，就像用不同PLC模塊可以很方便地組合成針對不同控制對象和環境的控制系統一樣。此外，如何將系統分解爲多個嵌入式控制器，每個嵌入式控制具體實現哪些功能，採用怎樣的實現技術都沒有固定的模式；同樣，各嵌入式控制器間採用什麼樣的通信技術實現互聯也沒有固定的模式，所有這些都是根據實際需要而定，爲了實現互聯、互操作，不同模塊間的互聯可定義CIO技術標準與協議。因此該體系架構是一種開放式的架構。
圖1嵌人式數控系統
該嵌入式數控系統有離線和在線兩種工作模式。在離線工作模式下(主要用於現場調試)，用戶可通過與數控操作與管理模塊連接的鍵盤裝置直接輸入加工代碼；而在在線工作模式下，用戶可在PC上編輯自己的加工代碼，然後通過網絡連接以文件的方式傳送到數控操作與管理模塊上。在這兩種模式下，用戶都可以通過顯示裝置對加工代碼進行查看，同時可以看到加工過程中當前正在加工的代碼及當前加工的狀態信息。此外，它可實現與基於工業PC機的數控系統相同的功能；可通過網絡與企業、全球數字製造網絡相聯，成爲其在線執行單元；可通過專用數控客戶端軟件實現數控遠程操作與監測；也可通過通用瀏覽器實現數控遠程操作與監測。