面向智能制造的數控機床互聯互通互操作

馮冰艷，代超仁，王蕭，晏嫚

1. 華中科技大學 湖北武漢 430074

2. 武漢華中數控股份有限公司 湖北武漢 430223

1 序言

機械制造業是工業的主體，第四次工業革命的到來為制造業發展和轉型提供了新的機遇，發展智能制造已成為搶占制造技術制高點的突破口，世界各國紛紛推出產業政策，推動制造業數字化轉型，以保持競爭優勢。如德國率先提出“工業4.0”，建設高端智慧工廠和智能制造創新中心；美國提出“國家制造創新網絡”，推進建設制造業關鍵領域和完備創新生態系統；日本提出“工業價值鏈”，聯合100多家企業共同建設日本智能制造聯合體，推動實現智能互聯工廠；《英國工業2050戰略》提出“服務再制造”，以數字技術改變傳統供應鏈；《中國制造業高質量發展》把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。智能制造的實質是以數據驅動的全方位數字化，關鍵基礎是數控機床（包括機床、機器人、量儀具、傳感器等）的智能互聯互通互操作。

2 數控機床大數據分類

數據是流通于數控機床數據采集、融合、分析決策、反饋控制等環節的“靈魂”，也是數控機床互聯互通互操作的根本“服務對象”。數控機床大數據來自于機床不同的功能部件（如控制器、伺服系統、絲杠等），根據不同的數據特點和用途，筆者將其主要分為以下5類。

（1）屬性數據 屬性數據在機床全生命周期中不會發生改變，如機床構造（如三軸鉆攻中心由3個運動軸和1個主軸構成）、部件類型（如控制器、軸等）、機床生產廠家、機床生產日期等。

（2）參數數據 為了生產過程的有效控制，數控系統以參數的形式對機床運行的各種物理量進行描述，這類數據稱為參數數據，包括NC參數、軸參數、通道參數及設備參數等。

（3）邏輯數據 數控機床通過PLC程序對各部件的運行邏輯進行協調控制，包括CNC裝置的控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、補償功能、監視和診斷功能等，如當監視和診斷模塊發出特定報警時，不允許機床執行正常加工操作；機床防護門處于“打開”狀態時，不允許執行運行操作。

（4）任務數據 數控機床通過G代碼描述加工任務，G代碼一般由CAM系統生成，是現場操作人員對數控機床發出加工要求的主要載體，也是數控機床最主要的任務數據。

（5）狀態數據 狀態數據是零件數控加工的質量、精度和效率優劣直接或間接的定量描述。其既包含機床完成工作任務過程中數控系統內部反饋控制所獲得的海量電控數據，如主軸功率、主軸負載電流、進給軸負載電流、跟蹤誤差和材料切除率等，也包括通過外部傳感器采集的物理和幾何數據，如切削力、溫度、振動、空間誤差、熱變形和零件表面粗糙度等[1]。

3 數控機床互聯互通互操作

數控機床互聯互通互操作是溝通數控機床與數據應用的使能技術，是“讓工業設備說話的技術”。

3.1 數控機床互聯

互聯（Interconnection）是指構成數控機床與數據應用信息交互系統的物理部件和介質，主要包括設備本體、傳輸介質和通訊接口，類似于人類的信息交流系統的互聯部分，主要包括發聲器官（嘴巴）、收聽器官（耳朵）和傳輸介質（空氣）。隨著計算機通信技術不斷發展，數控機床的互聯通信方式經歷了早期的串口和USB（見圖1），至今以太網憑借實時性、高可靠性等優勢，已成為其主流互聯方式。如華中數控HNC-848D配置的IPC提供兩個RJ45接口，分別負責上位機與下位機之間，以及數控系統與外部通信單元之間的以太網互聯通信。

圖1 數控系統上的以太網口示例

近年來，移動互聯通信（4G/5G）開始在數控機床領域得到深入應用，使得工廠不再需要復雜的線纜進行數據傳輸，各系統可直接進行無線傳輸、無線控制。特別是5G通信大帶寬、低時延和多連接的特性，已支持打造中國商飛、吉利汽車和三一重工等一批5G+智能制造工廠。

3.2 數控機床互通

互通（Intercommunication）是數控機床向外部傳輸數據的“數字化載體”，同樣類似人類信息交互系統空氣振動使發聲器官發出信號。信號通過空氣傳播，最終被收聽器官接收，也就是說“振動”是實現人類交流互通的一種信號。對于數控機床，無論是什么類型的信號（電脈沖、光脈沖等），最終都需要組織成某種形式的數據幀進行傳輸，互通便是負責完成“信號”到“數據幀”的轉換，實現通信雙方統一的數據交互方式，使得數據可以被數據交互雙方正確解析。

3.3 數控機床互操作

互聯與互通實現了大數據的流通，但未解決數據發生端和數據應用端的信息交互，即使數據可以被數據應用端（包括數控機床、各種智能應用等）獲取，應用端也無法理解數據內所蘊含的信息。如某工藝參數優化模塊基于OPC UA協議監測各個軸的電流數據：從互通層角度來看，工藝參數優化模塊可以正確解析出采集的數據，但是無法識別數據的涵義，包括是哪個軸的數據、數據值代表什么、數據單位是什么、數據精度是多少等。也就是說，互通層協議只能實現數據的解析，無法支撐數據接收方對數據的理解，不能形成數據交互雙方之間的互操作行為。數控機床大數據的互操作需要對數據進行統一、明確地規范，以及將數據與數據產生的制造操作相關聯的機制[2]。互操作（Interoperability）就是將數控機床的數據進行“翻譯”，使應用程序或其他設備可以理解數據的物理意義，為數據應用提供基礎。國際標準化組織地理信息技術委員會（ISO/TC 211）[3]將互操作定義為：“若兩個實體甲和乙能相互操作，則甲、乙對‘處理請求’均有相同的理解，并且如果甲向乙提出‘處理請求’，乙能對該請求做出正確反應，并將結果返回給甲。”數控機床大數據的互操作要求數據交互雙方不僅能正確解析數據，還能夠正確理解數據，并以正確的動作完成響應。

在互聯互通互操作三者之間，互聯使數控機床與數據應用之間的信號傳輸成為可能，互通使得數據在互聯的基礎上可以準確無誤地進行傳輸，在互聯互通的前提下，完成數控機床與數據應用的互操作，從而實現數控機床與數據應用之間的信息交互與融合。也就是說，互聯為前提，互通為基礎，最終實現互操作。

4 典型互聯互通互操作工控協議

國內外很多制造企業的生產車間往往是多類型及多品牌數控機床并存，通信協議與接口定義差別較大，這種現象在國內生產企業尤其普遍。因此，企業在數字化轉型升級過程中均面臨相同的問題：如何實現多種設備的互聯互通互操作。截至目前，國際上已有40多種現場總線，各種工業協議層出不窮。但是，隨著多型異構數控機床互聯通訊的需求日漸突出，互通層和互操作層的工業協議標準亦被各國更加重視。目前，應用比較廣泛的OPC UA協議是典型的互通層通訊協議，MTConnect和NC-Link是支持互操作的典型通訊協議。

4.1 OPC UA協議標準

OPC UA由OPC基金會于2008年發布，目的是為工廠車間和企業之間的數據和信息傳遞提供一個與平臺無關的互通性標準，OPC UA應用架構示例如圖2所示。工業4.0環境下的OPC UA，不是要取代機械裝置內業已普遍使用的確定性通信的手段，而是為不同生產廠商生產的成套裝置、機械設備和部件之間提供一種統一的通信方式，使數據采集模型化[4]。

圖2 OPC UA應用架構示例

相較于其他協議，OPC UA其實更適用于PLC，支持對象更加豐富，拓展性也更好，為此越來越多的公司將其作為開放的數據標準，包括主流的自動化廠商，以及IT界的華為、CISCO及Microsoft等都是OPC UA的支持者，很多企業也已經實現了OPC UA應用程序的開發與應用，包括西門子、發那科、倍福、ABB及愛默生等。但是，OPC UA在通信實時性上具有局限性，不適用于工業現場級的數據互通。目前，OPC UA正在積極與TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網絡）進行融合，構建“OPC UA over TSN”模式的通信架構，解決OPC UA不能很好地滿足對時間敏感的工業應用需求的問題。這種模式在工業領域應用雖然尚處于起步階段，但越來越多的工業供應商、ICT廠商和芯片供應商已在共同加快對該通信模式的融合、測試和驗證。如2018年漢諾威工業博覽會上，工業互聯網產業聯盟等超過20家國際組織和業界知名廠商聯手發布了包含6大工業互聯場景的TSN+OPC UA智能制造測試床；2019年，上海華為全聯接大會期間，邊緣計算產業聯盟牽頭35家國際有影響力的企業和組織，首次在國內展示了面向智慧工廠的邊緣計算OPC UA over TSN測試床。TSN與OPC UA融合技術可為數控機床大數據的采集、傳輸、融合與分享構建更高效的通信網絡，正在成為OPC UA協議在工業預測性維護、遠程運維、生產監控及可視化信息管理等方面進行應用的關鍵推動因素。

4.2 MTConnect協議標準

MTConnect協議是美國制造技術協會AMT于2006年提出，主要用于數控機床的標準化數據交互，MTConnect體系架構示例如圖3所示。相較于其他協議而言，MTConnect協議具備以下特點。

圖3 MTConnect體系架構示例

（1）基于XML技術提供易于交互的、機器可讀的數據。

（2）采用HTTP作為數據傳輸協議，兼容整個生產操作中使用的其他標準。

（3）對Linux系統提供源碼開源，通過語義模型提供用于數據建模和組織的方法，以此支持異構機床互操作。因此，MTConnect為機床廠商提供了一個即插即用、標準開放的數據互操作協議[5]。對于機床用戶而言，基于MTConnect可快速對數控機床進行升級改造，使原有舊機床不再是“啞設備”。

目前，MTConnect協議已廣泛融入國內外很多設備廠商設備中，如美國通用電氣GE要求采購的數控設備支持MTConnect協議；Mazak公司也積極支持通過MTConnect協議提供完整的制造解決方案；NUM公司開發的適用于其CNC系統的NUMConnect通信接口選項，完全符合MTConnect 互操作性標準；日本康泰克（CONTEC）在其CONPROSYS系列產品中集成MTConnect協議的適配器和代理器軟件，支持MTConnect客戶端與CONPROSYS控制器的快速連接；FANUC公司也在其機床通訊協議FOCAS接口中兼容了MTConnect協議。

4.3 NC-Link協議標準

NC-Link協議是由中國機床工具工業協會牽頭研發[6]，制定的團體標準已于2020年12月1日正式發布，并于2021年1月1日起實施，NC-Link協議互聯模型示例如圖4所示。該協議不僅支持數控機床、機器人、AGV小車及PLC等單個數控裝備、智能生產線和智能工廠的數據交互，還可支持以NC-Link代理器為基礎的多個云數據中心的互聯。相較于MTConnect協議，NC-Link與其在體系架構、語義模型定義等方面有許多相似之處，但是NC-Link協議支持毫秒級流數據傳輸，在工業現場環境下具備更好的實時性。

圖4 NC-Link協議互聯模型示例

目前，NC-Link協議已在武漢華中數控、廣州數控、科德數控、沈陽高精數控等企業的數控產品中實現了集成，并在藍思科技、比亞迪、四川普什寧江、吉林通用、西格馬數控機床及寶雞機床等企業的生產線和智能工廠進行了應用，華為、聯想及浪潮等ICT企業也參加到標準的技術驗證和推廣應用行列。在CIMT2021國際機床展會上，NC-Link現場接入了上百臺不同類型和不同品牌的工業設備，展示了其多型異構工業設備與協議的兼容能力。

5 結束語

數據是實現智能制造的核心，本文首先對數控機床大數據進行了分類介紹，并針對當前生產車間多型異構設備并存現象，概述了數控機床的互聯互通互操作，以及典型互聯互通互操作協議的特點、應用范圍及應用現狀等。在智能制造浪潮背景下，特別是面對疫情沖擊及逆全球化趨勢，更多的傳統制造企業開始用大數據和人工智能打造企業智慧大腦，深度應用數控機床狀態監測、效率分析、預測預警、工藝優化、質量提升及遠程運維等智能化功能，實現精細化運營，提升企業設計、生產、維保及運營等能力，重塑企業價值體系，提升企業核心競爭力。