面向智能制造的数控机床互联互通互操作

针对智能制造以数据驱动的创新应用，介绍了数控机床大数据的用途与分类，并简述了与题目一致互联互通互操作各个环节对数据采集与解析的重要性和作用；针对生产车间多型异构工业设备共存、通信协议与接口定义不兼容的现象，阐述了典型互联互通互操作协议标准的应用范围和现状，为数字化产线和智能车间的多源异构数据融合提供借鉴参考。

1  序言

机械制造业是工业的主体，第四次工业革命的到来为制造业发展和转型提供了新的机遇，发展智能制造已成为抢占制造技术制高点的突破口，世界各国纷纷推出产业政策，推动制造业数字化转型，以保持竞争优势。如德国率先提出“工业4.0”，建设高端智慧工厂和智能制造创新中心；美国提出“国家制造创新网络”，推进建设制造业关键领域和完备创新生态系统；日本提出“工业价值链”，联合100多家企业共同建设日本智能制造联合体，推动实现智能互联工厂；《英国工业2050战略》提出“服务再制造”，以数字技术改变传统供应链；《中国制造业高质量发展》把智能制造作为两化深度融合的主攻方向。智能制造的实质是以数据驱动的全方位数字化，关键基础是数控机床（包括机床、机器人、量仪具、传感器等）的智能互联互通互操作。

2  数控机床大数据分类

数据是流通于数控机床数据采集、融合、分析决策、反馈控制等环节的“灵魂”，也是数控机床互联互通互操作的根本“服务对象”。数控机床大数据来自于机床不同的功能部件（如控制器、伺服系统、丝杠等），根据不同的数据特点和用途，笔者将其主要分为以下５类。
（1）属性数据 属性数据在机床全生命周期中不会发生改变，如机床构造（如三轴钻攻中心由３个运动轴和１个主轴构成）、部件类型（如控制器、轴等）、机床生产厂家、机床生产日期等。
（2）参数数据 为了生产过程的有效控制，数控系统以参数的形式对机床运行的各种物理量进行描述，这类数据称为参数数据，包括NC参数、轴参数、通道参数及设备参数等。
（3）逻辑数据 数控机床通过PLC程序对各部件的运行逻辑进行协调控制，包括CNC装置的控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、补偿功能、监视和诊断功能等，如当监视和诊断模块发出特定报警时，不允许机床执行正常加工操作；机床防护门处于“打开”状态时，不允许执行运行操作。
（4）任务数据 数控机床通过G代码描述加工任务，G代码一般由CAM系统生成，是现场操作人员对数控机床发出加工要求的主要载体，也是数控机床最主要的任务数据。
（5）状态数据 状态数据是零件数控加工的质量、精度和效率优劣直接或间接的定量描述。其既包含机床完成工作任务过程中数控系统内部反馈控制所获得的海量电控数据，如主轴功率、主轴负载电流、进给轴负载电流、跟踪误差和材料切除率等，也包括通过外部传感器采集的物理和几何数据，如切削力、温度、振动、空间误差、热变形和零件表面粗糙度等[1]。

3  数控机床互联互通互操作

数控机床互联互通互操作是沟通数控机床与数据应用的使能技术，是“让工业设备说话的技术”。
3.1 数控机床互联
互联（Interconnection）是指构成数控机床与数据应用信息交互系统的物理部件和介质，主要包括设备本体、传输介质和通讯接口，类似于人类的信息交流系统的互联部分，主要包括发声器官（嘴巴）、收听器官（耳朵）和传输介质（空气）。随着计算机通信技术不断发展，数控机床的互联通信方式经历了早期的串口和USB（见图1），至今以太网凭借实时性、高可靠性等优势，已成为其主流互联方式。如华中数控HNC-848D配置的IPC提供两个RJ45接口，分别负责上位机与下位机之间，以及数控系统与外部通信单元之间的以太网互联通信。
图1 数控系统上的以太网口示例

近年来，移动互联通信（4G/5G）开始在数控机床领域得到深入应用，使得工厂不再需要复杂的线缆进行数据传输，各系统可直接进行无线传输、无线控制。特别是5G通信大带宽、低时延和多连接的特性，已支持打造中国商飞、吉利汽车和三一重工等一批5G+智能制造工厂。
3.2 数控机床互通
互通（Intercommunication）是数控机床向外部传输数据的“数字化载体”，同样类似人类信息交互系统空气振动使发声器官发出信号。信号通过空气传播，最终被收听器官接收，也就是说“振动”是实现人类交流互通的一种信号。对于数控机床，无论是什么类型的信号（电脉冲、光脉冲等），最终都需要组织成某种形式的数据帧进行传输，互通便是负责完成“信号”到“数据帧”的转换，实现通信双方统一的数据交互方式，使得数据可以被数据交互双方正确解析。
3.3 数控机床互操作
互联与互通实现了大数据的流通，但未解决数据发生端和数据应用端的信息交互，即使数据可以被数据应用端（包括数控机床、各种智能应用等）获取，应用端也无法理解数据内所蕴含的信息。如某工艺参数优化模块基于OPC UA协议监测各个轴的电流数据：从互通层角度来看，工艺参数优化模块可以正确解析出采集的数据，但是无法识别数据的涵义，包括是哪个轴的数据、数据值代表什么、数据单位是什么、数据精度是多少等。也就是说，互通层协议只能实现数据的解析，无法支撑数据接收方对数据的理解，不能形成数据交互双方之间的互操作行为。数控机床大数据的互操作需要对数据进行统一、明确地规范，以及将数据与数据产生的制造操作相关联的机制[2]。互操作（Interoperability）就是将数控机床的数据进行“翻译”，使应用程序或其他设备可以理解数据的物理意义，为数据应用提供基础。国际标准化组织地理信息技术委员会（ISO/TC 211）[3]将互操作定义为：“若两个实体甲和乙能相互操作，则甲、乙对‘处理请求’均有相同的理解，并且如果甲向乙提出‘处理请求’，乙能对该请求做出正确反应，并将结果返回给甲。”数控机床大数据的互操作要求数据交互双方不仅能正确解析数据，还能够正确理解数据，并以正确的动作完成响应。

在互联互通互操作三者之间，互联使数控机床与数据应用之间的信号传输成为可能，互通使得数据在互联的基础上可以准确无误地进行传输，在互联互通的前提下，完成数控机床与数据应用的互操作，从而实现数控机床与数据应用之间的信息交互与融合。也就是说，互联为前提，互通为基础，最终实现互操作。

4  典型互联互通互操作工控协议

国内外很多制造企业的生产车间往往是多类型及多品牌数控机床并存，通信协议与接口定义差别较大，这种现象在国内生产企业尤其普遍。因此，企业在数字化转型升级过程中均面临相同的问题：如何实现多种设备的互联互通互操作。截至目前，国际上已有40多种现场总线，各种工业协议层出不穷。但是，随着多型异构数控机床互联通讯的需求日渐突出，互通层和互操作层的工业协议标准亦被各国更加重视。目前，应用比较广泛的OPC UA协议是典型的互通层通讯协议，MTConnect和NC-Link是支持互操作的典型通讯协议。

4.1 OPC UA协议标准

OPC UA由OPC基金会于2008年发布，目的是为工厂车间和企业之间的数据和信息传递提供一个与平台无关的互通性标准，OPC UA应用架构示例如图2所示。工业4.0环境下的OPC UA，不是要取代机械装置内业已普遍使用的确定性通信的手段，而是为不同生产厂商生产的成套装置、机械设备和部件之间提供一种统一的通信方式，使数据采集模型化[4]。

图2 OPC UA应用架构示例

相较于其他协议，OPC UA其实更适用于PLC，支持对象更加丰富，拓展性也更好，为此越来越多的公司将其作为开放的数据标准，包括主流的自动化厂商，以及IT界的华为、CISCO及Microsoft等都是OPC UA的支持者，很多企业也已经实现了OPC UA应用程序的开发与应用，包括西门子、发那科、倍福、ABB及爱默生等。但是，OPC UA在通信实时性上具有局限性，不适用于工业现场级的数据互通。目前，OPC UA正在积极与TSN（TimeSensitive Networking，时间敏感网络）进行融合，构建“OPC UA over TSN”模式的通信架构，解决OPC UA不能很好地满足对时间敏感的工业应用需求的问题。这种模式在工业领域应用虽然尚处于起步阶段，但越来越多的工业供应商、ICT厂商和芯片供应商已在共同加快对该通信模式的融合、测试和验证。如2018年汉诺威工业博览会上，工业互联网产业联盟等超过20家国际组织和业界知名厂商联手发布了包含6大工业互联场景的TSN+OPC UA智能制造测试床；2019年，上海华为全联接大会期间，边缘计算产业联盟牵头35家国际有影响力的企业和组织，首次在国内展示了面向智慧工厂的边缘计算OPC UA over TSN测试床。TSN与OPC UA融合技术可为数控机床大数据的采集、传输、融合与分享构建更高效的通信网络，正在成为OPC UA协议在工业预测性维护、远程运维、生产监控及可视化信息管理等方面进行应用的关键推动因素。

4.2 MTConnect协议标准

MTConnect协议是美国制造技术协会AMT于2006年提出，主要用于数控机床的标准化数据交互，MTConnect体系架构示例如图3所示。相较于其他协议而言，MTConnect协议具备以下特点。

（1）基于XML技术提供易于交互的、机器可读的数据。

（2）采用HTTP作为数据传输协议，兼容整个生产操作中使用的其他标准。

（3）对Linux系统提供源码开源，通过语义模型提供用于数据建模和组织的方法，以此支持异构机床互操作。因此，MTConnect为机床厂商提供了一个即插即用、标准开放的数据互操作协议[5]。对于机床用户而言，基于MTConnect可快速对数控机床进行升级改造，使原有旧机床不再是“哑设备”。

目前，MTConnect协议已广泛融入国内外很多设备厂商设备中，如美国通用电气GE要求采购的数控设备支持MTConnect协议；Mazak公司也积极支持通过MTConnect协议提供完整的制造解决方案；NUM公司开发的适用于其CNC系统的NUMConnect

通信接口选项，完全符合MTConnect 互操作性标准；日本康泰克（CONTEC）在其CONPROSYS系列产品中集成MTConnect协议的适配器和代理器软件，支持MTConnect客户端与CONPROSYS控制器的快速连接；FANUC公司也在其机床通讯协议FOCAS接口中兼容了MTConnect协议。

图3 MTConnect体系架构示

4.3 NC-Link协议标准

NC-Link协议是由中国机床工具工业协会牵头研发[6]，制定的团体标准已于2020年12月1日正式发布，并于2021年1月1日起实施，NC-Link协议互联模型示例如图４所示。该协议不仅支持数控机床、机器人、AGV小车及PLC等单个数控装备、智能生产线和智能工厂的数据交互，还可支持以NC-Link代理器为基础的多个云数据中心的互联。相较于MTConnect协议，NC-Link与其在体系架构、语义模型定义等方面有许多相似之处，但是NC-Link协议支持毫秒级流数据传输，在工业现场环境下具备更好的实时性。

图4 NC-Link协议互联模型示例

目前，NC-Link协议已在武汉华中数控、广州数控、科德数控、沈阳高精数控等企业的数控产品中实现了集成，并在蓝思科技、比亚迪、四川普什宁江、吉林通用、西格马数控机床及宝鸡机床等企业的生产线和智能工厂进行了应用，华为、联想及浪潮等ICT企业也参加到标准的技术验证和推广应用行列。在CIMT2021国际机床展会上，NC-Link现场接入了上百台不同类型和不同品牌的工业设备，展示了其多型异构工业设备与协议的兼容能力。

5  结束语

数据是实现智能制造的核心，本文首先对数控机床大数据进行了分类介绍，并针对当前生产车间多型异构设备并存现象，概述了数控机床的互联互通互操作，以及典型互联互通互操作协议的特点、应用范围及应用现状等。在智能制造浪潮背景下，特别是面对疫情冲击及逆全球化趋势，更多的传统制造企业开始用大数据和人工智能打造企业智慧大脑，深度应用数控机床状态监测、效率分析、预测预警、工艺优化、质量提升及远程运维等智能化功能，实现精细化运营，提升企业设计、生产、维保及运营等能力，重塑企业价值体系，提升企业核心竞争力。

参考文献

[1] 陈吉红，杨建中，周会成，等. 基于指令域电控数据分析的数控机床工作过程CPS建模及应用[J]. Engineering，2015，1（2）：173-199.

[2] 王丽娜. 基于MTConnect的数控设备互联互通技术研究与实现[D]. 北京：中国科学院大学（中国科学院沈阳计算技术研究所），2018.

[3] 张劭阳，张在龙，吴倩，等. 互操作：概念、架构与评价体系综述[J]. 网络空间安全，2017，8（12）：45-50.

[4] 方晓时，王麟琨. OPC UA技术简介[J]. 中国仪器仪表，2014（8）：45-47.

[5] 田雨萌. 基于OPC-UA和MTConnect的数控系统网络接口研究[J]. 工业控制计算机，2020，33（8）：31-32.

[6] 刘胜勇. 基于NC-Link的机床工具新发展[J]. 金属加工（冷加工），2021（5）：1-4.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第2期第11~14页，作者：华中科技大学 冯冰艳，代超仁；武汉华中数控股份有限公司 王萧，晏嫚，原标题：《面向智能制造的数控机床互联互通互操作》。

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