“互聯網+”背景下數控系統發展的新趨勢

黃云鷹，朱志浩，樊留群

(①沈陽機床(集團)設計研究院有限公司上海分公司，上海 200433；②上海同濟大學中德學院，上海 200092)

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“互聯網+”背景下數控系統發展的新趨勢

黃云鷹①，朱志浩①，樊留群②

(①沈陽機床(集團)設計研究院有限公司上海分公司，上海 200433；②上海同濟大學中德學院，上海 200092)

數控系統的智能化趨勢越來越明顯，在“互聯網+”以及新興商業模式的推動下，傳統的數控系統已經無法滿足市場和應用的需求，平臺開放的數控系統優勢逐漸明顯。隨著網絡技術的普及，互聯網技術在工業領域的不斷應用，越來越多的計算能力被互聯網云端平臺所替代，數控系統在追求精度、效率的同時逐步也成為一個產生大數據的智能終端。隨著數據的積累和對大數據的不斷分析和利用，必然會引起數控系統的一場新的變革。

CNC；智能化；互聯網+；體系結構；大數據

隨著網絡基礎設施的能力提升，網速加快，計算機技術日新月異，互聯網技術在工業領域獲得越來越多的應用。在美國制造業回歸，德國的“工業4.0”，“互聯網+”，“中國制造2025”等發展思路的推動下，制造業轉型升級的技術需求越來越迫切。而基于互聯網和計算機技術的“互聯網+”恰是技術升級中一個非常重要突破點。如何融合并發揮中國的互聯網和制造優勢將會成為制造業發展的下一個爆發點。

在互聯網技術的推動下，越來越多的新興商業模式不斷涌現。其中最具代表性的就是“分享經濟”，它給我們帶來了基于分享模式的新業態，例如在汽車、房產等領域出現的APP打車、APP租房等互聯網的分享應用模式，在消費環節帶來了新的經濟效應。在制造業，尤其是制造母機的機床行業，互聯網和新經濟模式如何落地將會成為一個重要的課題。

然而參考已經成功運營的互聯網商業模式，所有基于互聯網的新經濟模式都依賴于兩個關鍵基礎技術：云和端，云是指圍繞互聯網及云計算的一系列計算機技術，端是指圍繞用戶交互智能終端的計算機技術。其最根本的目的是將人與人、人與設備、人與知識相互連接，智能終端就是其中最重要的一個鏈接設備。縱觀中國的互聯網發展歷史，智能手機的出現使得互聯網相關產業進入了一個爆發式的增長，新興商業模式不斷出現，智能終端在技術上的突破在其中起到了極其重要的作用，所有互聯網相關的應用和技術都離不開通過智能終端與人建立的鏈接。

而在機床行業中，鏈接人與設備的智能終端正是數控機床的大腦——數控系統(CNC，Computer Numeric Control)。本文將從數控系統的現狀、數控系統互聯方式及協議的發展以及筆者所在單位在新興商業模式及數控系統開發上的一些探索來介紹數控系統在互聯網背景下的一些新趨勢。

1　傳統數控系統

目前市場上的主流數控系統，以傳統數控系統為主，比如日本的發那科(Fanuc)和德國的西門子(Siemens)，還有很多國內外各具特色的數控系統產品。這類系統有一個共同的特點：幾乎絕大部分的優勢都趨向于在單機體現，比如更高的精度，更平滑的插補算法，更高效的曲面加工性能等。隨著技術的發展，各個品牌的數控廠商在這些傳統競爭上的差異越來越小。而在數控系統與互聯網的鏈接上，傳統的數控系統中只有中高端系統才具備網絡連接功能，并且這一小部分系統中絕大部分也只具備在局域網環境下的點對點連接的功能，同時各家都采用各自設計的通訊協議，不同廠家的設備接入障礙重重。

以開放式數控系統為例，其體系結構如圖1所示。

開放式的數控系統已經初步具備客戶化定制及應用擴展的基本能力。用戶可以通過開發工具對系統進行不同程度的定制，定制程度視數控廠商對系統相關接口的開放程度不同而不同。但是一般情況下，這類開放式數控系統僅在人機界面及設備擴展上予以了一定程度的開放。并且大部分的系統采用專用的CPU，定制開發需要專門的工具和專業的學習。

2　互聯方式及協議的變化

從上世紀50年代第一臺數控系統出現到現代開放式數控系統，期間經歷了多次重大變化，但是這些變化都局限在單機的功能和單元技術的革新和升級。設備的聯網相關技術進展緩慢。

表1描述了數控系統互聯方式的變化：數控系統的互聯方式從最早的串行通信逐步升級為以太網通信。不同類型(品牌)的數控系統的通訊端口、通訊協議千差萬別。從表1還可以看出，在不同的時期，不同的階段，數控系統廠家設計并提供了面向不同應用目標的通訊方式和通訊協議。比如最早期的I/O方式用于和其他設備進行握手和工作協同。在第二階段的串口通訊時期(其實這個技術目前還有很多國內外廠商正在使用)，主要是由于數控系統內存偏小，在遇到大程序時進行在線的NC文件下載，即最基礎的DNC功能，這種方式由于其技術門檻低，簡單、易行、低成本而被國內數控廠商所廣泛使用，但是這也同時限制了國內數控系統對于網絡技術的應用，功能極為有限。第三階段，類似Fanuc、Siemens等中高端數控系統都配備了以太網接口，比如西門子數控系統提供基于OPC的標準化局域網通訊協議，數據采集和文件傳輸往標準化靠攏，但是這個階段的系統設計及網絡協議設計依然局限于局域網應用，更多的還是基于傳統的DNC設計思想，這個時期的數控系統網絡傳輸相關功能主要針對數據上傳和下載(如備份/恢復，NC程序下載和上傳，參數設定等)以滿足點對點或者局域網的互聯應用目標，但在互聯網時代到來時上述功能及其協議的形式卻又顯得有些捉襟見肘。

表1數控系統互聯方式的變化

發展階段第一階段第二階段第三階段第四階段通訊方式I/O方式通訊串行通訊以太網通訊局域網階段以太網通訊互聯網階段代表協議I/O連接串行協議XON/XOFOPCFocasOPCUAMTConnect傳輸內容I/O信號數控程序下裝,I/O信號設定,參數讀取,控制指令數控程序上傳和下裝,I/O信號,參數,控制指令數控程序上傳和下載,機床事件觸發,I/O信號,控制指令,數據收集開放性差差好好應用簡單DNC全功能DNC互聯網

以1996年發布的OPC協議為例，其最初目的是把PLC特定的協議(如Modbus，Profibus總線等)抽象為標準化的接口，通過以太網向HMI/MES等系統提供標準化的連接通訊支持。這種面向局域網的通信存在如下缺點：

(1)平臺局限，跨平臺幾乎無法實現。OPC基于微軟的COM/DCOM技術開發，只能運行于Windows系統，在如今工業控制領域流行的Linux等嵌入式平臺上無法支持，并且2002年初微軟宣布停止COM技術的研發，OPC的技術基礎面臨淘汰。

(2)防火墻穿透困難，OPC通信在跨越計算機邊界時很難完成，用戶需要在防火墻中打開很多端口才能夠讓DCOM通信穿越，這嚴重影響了整個網絡的安全性和可靠性。

(3)對Web等互聯網應用的支持缺失，OPC無法支持互聯網，

(4)數據結構支持弱，OPC無法支持類似結構化數據等復雜數據規范。

(5)安全功能弱，類似設備認證、數據加密等網絡應用中非常重要的安全功能在老式OPC協議中并未設計。

(6)數據完整性無法確保，在通信中斷或者異常時，OPC協議無法確保傳輸數據的準確送達，數據通信常常會因此損壞并無法找回。

針對上述缺點，第四階段的通訊設計出現了OPC UA和MTConnect等面向互聯網應用的協議設計。

2.1OPC UA架構分析

OPC UA[3-4]為OPC基金會在原有OPC協議的基礎上進行了擴展和升級，首先解決了操作系統平臺的依賴問題，并且對互聯網環境下的應用提供了更多的支持。其技術框架如圖2所示。

OPC UA通過隧道技術解決了網絡安全及防火墻穿透等問題，并支持發布訂閱等面向互聯網應用的新興通訊技術。但是OPC UA畢竟是一個從局域網點對點設備互聯發展起來的，其針對互聯網應用的定義和設計依然避免不了對歷史技術的兼容考慮，在支持廣域互聯網形式的應用上依然傾向于類似點對點的互聯技術，在實際操作中不可避免的產生部署困難、應用互通不便等難題。或許后續新版本的OPC UA設計能夠對工業控制領域的互聯網應用作出更多的設計和協議設計，但目前的狀態下，這個架構任需完善。

2.2MTConnect架構分析

MTConnect[5-6]是由美國機械制造技術協會(AMT)發起，聯合美國通用電氣等世界領先制造企業制定的開源、免費的機床通信標準，旨在提升來自不同制造商、軟件商的制造裝備、設備和軟件應用之間的互操作性。其技術框架如圖3所示。

和OPC UA不同，MTConnect完全是一套針對于機床設備的互聯網通訊協議，這套協議的重點集中在對機床設備的基礎通訊方式以及通訊細節內容的約定和規范。但是，各大數控廠商的系統架構不同，參數、文件命名規范甚至操作系統都不盡相同，想要對數量龐大的數控設備進行統一的規范，并且使得數量龐大的類似ERP、MES等客戶端廠商進行統一規范并使得相關應用得以協同工作依然是一個漫漫長征路。

從圖3可見，MTConnect協議僅僅針對客戶端與設備的通訊進行了約定，但是并未對互聯網端的應用及其協調互通接口進行約定，其問題的根本與OPC UA一樣，本質上還是基于點對點的通訊問題解決，但是互聯網環境下的應用需求不僅僅局限于此。因而MTConnect的協議需要一套云端應用的規范來進行合理的補充，才能夠使得數控機床的互聯網應用得以真正順暢實現。

3　基于網絡智能數控系統架構

在工業4.0及“互聯網+”的背景下，數控系統的未來發展與競爭出現了新的變化，更多的競爭將會聚焦在如何利用互聯網的優勢，讓數控系統的計算能力獲得無限擴展，并且通過對分享經濟等新興商業模式的理解，合理打造與之相適應的功能成為未來的重要趨勢。

3.1“透明”的智能終端

在互聯網條件下，數控系統必須要成為一個能夠產生數據的透明的智能終端，讓制造過程及其全生命周期“數據透明”。通過智能終端的“透明”，實現制造過程的透明，不僅僅方便加工工件，同時產生服務于管理、財務、生產、銷售的實時數據，實現設備、生產計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務、銷售、庫存等一系列生產和管理環節的資源整合與信息互聯。

圖4是沈陽機床集團的i5智能機床關于數據產生和應用的示意圖，通過“透明”的i5智能系統，i5智能機床可以實時在線，為上述管理過程提供精準的數據依據，成為新制造業態的基礎。

3.2與智能終端無縫對接的云端應用

在數控系統提供“透明”數據的情況下，需要與商業模式相配合的云端平臺和云端應用。以沈陽機床集團旗下的iSESOL(i-Smart Engineering & Services Online，是智能云科公司研發的云制造平臺)平臺為例，通過i5智能機床的在線信息，iSESOL打造了一套云端產能分享平臺(圖5)，用戶可以將閑置產能公示于iSESOL產能平臺，有產能需求的用戶無需購買設備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產能提供方可以利用閑置產能獲得收益，產能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會極大地改變制造業的組織形式，并且充分挖掘社會閑置制造資源，從閑置資源中獲得利益最大化。在這樣的模式推動下，傳統的買賣將會越來越少，甚至消失。不難看出，這一看似微小的變化將能夠引發整個制造方式的改變。無疑，這種模式將會成為制造業互聯網+的一個重要形式。

圖6為基于iSESOL平臺的智能機床互聯網應用框架。所有的i5智能設備通過iPort協議接入iSESOL網絡，非i5的設備(如OPC UA終端或者MTConnect終端)可以通過iPort網關接入iSESOL網絡。類似ERP、MES、遠程看板等云端的APP應用通過iSESOL聚合的實時數據和訪問接口實現對遠程設備的統一訪問。iSESOL提供針對不同設備的數據字典映射統一不同設備的訪問方式，云端APP只需通過標準的服務或者參數命名即可訂閱各類事件和數據信息，實現統一的設備訪問。最終用戶可以通過不同的終端安裝APP實現對設備的各類互聯網應用。

3.3云與端結合的數控系統新趨勢

通過前文的分析，不難看出，未來數控系統的趨勢將會是云與端相互結合的新架構，并且需要通過對行業應用的深入分析和了解，設計符合未來發展趨勢的互聯網應用及商業模式，通過智能終端將人與人、人與設備、人與知識相互連接，使得人才(知識)資源、制造資源、金融資源等獲得分享和價值最大化，而數控系統需要承擔起人與制造資源鏈接橋梁的重要角色，面向“互聯網+”的數控系統必須具備以下幾個特點：

(1)便捷穩定的網絡接入能力，無需網關等附加設備，提高集成度。

(2)開放的智能終端操作系統平臺，提供對設備訪問的各類標準化APP，便于實現終端上的各類APP應用。

(3)開放的互聯方式和協議，提供設備與云端的便捷互聯。

(4)支持事件觸發的信息推送，并支持自定義訂閱。

(5)開放的安全框架，對于租賃等商業化應用提供安全保障，并可在開放的安全框架內對系統的操作及訪問權限進行安全定制及擴展。

(6)開放的云端平臺并提供標準接口，具有一個與之配合的開放的云端平臺，為第三方云端應用提供標準的設備互聯代理。

4　結論和展望

機床數控系統的智能化與網絡化是大勢所趨，數控機床商業模式的創新和真正落地運營就一定依賴于數控系統的智能化與網絡化 。而類似分享經濟等新興的商業模式又將會推動數控機床行業的不斷創新和快速發展。未來的數控系統將會越來越多地將互聯網的影響滲透到制造環節，制造能力的透明和分享化將會為制造業帶來翻天覆地的變革，參與和影響商品的制造環節，通過數據的累積、傳輸和挖掘，將會誕生越來越多的個性化應用。未來將是一個互聯網制造的時代，是一個分享經濟的時代，誰掌握并引領了智能終端的趨勢才能夠掌握未來制造的主動權。

[1]樊留群，朱志浩，黃云鷹，等，開放式數控系統及其發展[J]，制造技術與機床，2012增刊，58-60.

[2]張曙，樊留群，朱志浩，等，機床數控系統的新趨勢[J].制造技術與機床，2013(4)：24-27.

[3]IEC 62541-1:OPC Unified Architecture Specification [S].[S.1.]:IEC,2008.

[4]www.openopcua.com[OL]

[5]AMT MTConnect Standard Version 1.3.0[Z], 2014.

[6]www.mtconnect.org[OL]

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New trends on CNC system with the influence of “Internet+”

HUANG Yunying①, ZHU Zhihao①, FAN Liuqun②

(①Shanghai Branch, SMTCL Research Institute, Shanghai 200433, CHN;②Sino-German College, Tongji University, Shanghai 200092, CHN)

The CNC system is become more and more intelligent, with the driving of “Internet +” and new business models, the traditional CNC cannot meet the requirement from the market and the applications, the advantage of open structure CNC system is much more obvious. With the popularization of network technology, the Internet technology has been widely used in the industrial field, the computing ability has been replaced with the ability provided by cloud. With the improvement of accuracy and efficiency, the CNC system also gradually becomes a big data intelligent terminal as well. With the accumulation of bit-data and the continuous analysis and use of big-data, it will cause a big change of the CNC system definition.

CNC; intelligence; Internet +; structure; big data

TH165

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10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.008

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2016-07-19)

161012