面向智能制造的數(shù)控機床互聯(lián)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(shù)控股份有限公司 湖北武漢 430223

1 序言

機械制造業(yè)是工業(yè)的主體，第四次工業(yè)革命的到來為制造業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型提供了新的機遇，發(fā)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(chǎn)業(yè)政策，推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以保持競爭優(yōu)勢。如德國率先提出“工業(yè)4.0”，建設高端智慧工廠和智能制造創(chuàng)新中心；美國提出“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡”，推進建設制造業(yè)關鍵領域和完備創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)；日本提出“工業(yè)價值鏈”，聯(lián)合100多家企業(yè)共同建設日本智能制造聯(lián)合體，推動實現(xiàn)智能互聯(lián)工廠；《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》提出“服務再制造”，以數(shù)字技術改變傳統(tǒng)供應鏈；《中國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)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(zhì)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動的全方位數(shù)字化，關鍵基礎是數(shù)控機床（包括機床、機器人、量儀具、傳感器等）的智能互聯(lián)互通互操作。

2 數(shù)控機床大數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)是流通于數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集、融合、分析決策、反饋控制等環(huán)節(jié)的“靈魂”，也是數(shù)控機床互聯(lián)互通互操作的根本“服務對象”。數(shù)控機床大數(shù)據(jù)來自于機床不同的功能部件（如控制器、伺服系統(tǒng)、絲杠等），根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特點和用途，筆者將其主要分為以下5類。

（1）屬性數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù)在機床全生命周期中不會發(fā)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(chǎn)廠家、機床生產(chǎn)日期等。

（2）參數(shù)數(shù)據(jù) 為了生產(chǎn)過程的有效控制，數(shù)控系統(tǒng)以參數(shù)的形式對機床運行的各種物理量進行描述，這類數(shù)據(jù)稱為參數(shù)數(shù)據(jù)，包括NC參數(shù)、軸參數(shù)、通道參數(shù)及設備參數(shù)等。

（3）邏輯數(shù)據(jù) 數(shù)控機床通過PLC程序?qū)Ω鞑考倪\行邏輯進行協(xié)調(diào)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(jiān)視和診斷功能等，如當監(jiān)視和診斷模塊發(fā)出特定報警時，不允許機床執(zhí)行正常加工操作；機床防護門處于“打開”狀態(tài)時，不允許執(zhí)行運行操作。

（4）任務數(shù)據(jù) 數(shù)控機床通過G代碼描述加工任務，G代碼一般由CAM系統(tǒng)生成，是現(xiàn)場操作人員對數(shù)控機床發(fā)出加工要求的主要載體，也是數(shù)控機床最主要的任務數(shù)據(jù)。

（5）狀態(tài)數(shù)據(jù) 狀態(tài)數(shù)據(jù)是零件數(shù)控加工的質(zhì)量、精度和效率優(yōu)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(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部反饋控制所獲得的海量電控數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(shù)控機床互聯(lián)互通互操作

數(shù)控機床互聯(lián)互通互操作是溝通數(shù)控機床與數(shù)據(jù)應用的使能技術，是“讓工業(yè)設備說話的技術”。

3.1 數(shù)控機床互聯(lián)

互聯(lián)（Interconnection）是指構成數(shù)控機床與數(shù)據(jù)應用信息交互系統(tǒng)的物理部件和介質(zhì)，主要包括設備本體、傳輸介質(zhì)和通訊接口，類似于人類的信息交流系統(tǒng)的互聯(lián)部分，主要包括發(fā)聲器官（嘴巴）、收聽器官（耳朵）和傳輸介質(zhì)（空氣）。隨著計算機通信技術不斷發(fā)展，數(shù)控機床的互聯(lián)通信方式經(jīng)歷了早期的串口和USB（見圖1），至今以太網(wǎng)憑借實時性、高可靠性等優(yōu)勢，已成為其主流互聯(lián)方式。如華中數(shù)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(shù)控系統(tǒng)與外部通信單元之間的以太網(wǎng)互聯(lián)通信。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)上的以太網(wǎng)口示例

近年來，移動互聯(lián)通信（4G/5G）開始在數(shù)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(shù)據(jù)傳輸，各系統(tǒng)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(shù)控機床互通

互通（Intercommunication）是數(shù)控機床向外部傳輸數(shù)據(jù)的“數(shù)字化載體”，同樣類似人類信息交互系統(tǒng)空氣振動使發(fā)聲器官發(fā)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(xiàn)人類交流互通的一種信號。對于數(shù)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(shù)據(jù)幀進行傳輸，互通便是負責完成“信號”到“數(shù)據(jù)幀”的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)通信雙方統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互方式，使得數(shù)據(jù)可以被數(shù)據(jù)交互雙方正確解析。

3.3 數(shù)控機床互操作

互聯(lián)與互通實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的流通，但未解決數(shù)據(jù)發(fā)生端和數(shù)據(jù)應用端的信息交互，即使數(shù)據(jù)可以被數(shù)據(jù)應用端（包括數(shù)控機床、各種智能應用等）獲取，應用端也無法理解數(shù)據(jù)內(nèi)所蘊含的信息。如某工藝參數(shù)優(yōu)化模塊基于OPC UA協(xié)議監(jiān)測各個軸的電流數(shù)據(jù)：從互通層角度來看，工藝參數(shù)優(yōu)化模塊可以正確解析出采集的數(shù)據(jù)，但是無法識別數(shù)據(jù)的涵義，包括是哪個軸的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)值代表什么、數(shù)據(jù)單位是什么、數(shù)據(jù)精度是多少等。也就是說，互通層協(xié)議只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析，無法支撐數(shù)據(jù)接收方對數(shù)據(jù)的理解，不能形成數(shù)據(jù)交互雙方之間的互操作行為。數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互操作需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、明確地規(guī)范，以及將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)產(chǎn)生的制造操作相關聯(lián)的機制[2]?；ゲ僮鳎↖nteroperability）就是將數(shù)控機床的數(shù)據(jù)進行“翻譯”，使應用程序或其他設備可以理解數(shù)據(jù)的物理意義，為數(shù)據(jù)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(jié)果返回給甲。”數(shù)控機床大數(shù)據(jù)的互操作要求數(shù)據(jù)交互雙方不僅能正確解析數(shù)據(jù)，還能夠正確理解數(shù)據(jù)，并以正確的動作完成響應。

在互聯(lián)互通互操作三者之間，互聯(lián)使數(shù)控機床與數(shù)據(jù)應用之間的信號傳輸成為可能，互通使得數(shù)據(jù)在互聯(lián)的基礎上可以準確無誤地進行傳輸，在互聯(lián)互通的前提下，完成數(shù)控機床與數(shù)據(jù)應用的互操作，從而實現(xiàn)數(shù)控機床與數(shù)據(jù)應用之間的信息交互與融合。也就是說，互聯(lián)為前提，互通為基礎，最終實現(xiàn)互操作。

4 典型互聯(lián)互通互操作工控協(xié)議

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

4.1 OPC UA協(xié)議標準

OPC UA由OPC基金會于2008年發(fā)布，目的是為工廠車間和企業(yè)之間的數(shù)據(jù)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(yè)4.0環(huán)境下的OPC UA，不是要取代機械裝置內(nèi)業(yè)已普遍使用的確定性通信的手段，而是為不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的成套裝置、機械設備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通信方式，使數(shù)據(jù)采集模型化[4]。

圖2 OPC UA應用架構示例

相較于其他協(xié)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(shù)據(jù)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(yè)也已經(jīng)實現(xiàn)了OPC UA應用程序的開發(fā)與應用，包括西門子、發(fā)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(yè)現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)互通。目前，OPC UA正在積極與TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)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(yè)應用需求的問題。這種模式在工業(yè)領域應用雖然尚處于起步階段，但越來越多的工業(yè)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(yè)博覽會上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等超過20家國際組織和業(yè)界知名廠商聯(lián)手發(fā)布了包含6大工業(yè)互聯(lián)場景的TSN+OPC UA智能制造測試床；2019年，上海華為全聯(lián)接大會期間，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟牽頭35家國際有影響力的企業(yè)和組織，首次在國內(nèi)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(shù)控機床大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、融合與分享構建更高效的通信網(wǎng)絡，正在成為OPC UA協(xié)議在工業(yè)預測性維護、遠程運維、生產(chǎn)監(jiān)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(xié)議標準

MTConnect協(xié)議是美國制造技術協(xié)會AMT于2006年提出，主要用于數(shù)控機床的標準化數(shù)據(jù)交互，MTConnect體系架構示例如圖3所示。相較于其他協(xié)議而言，MTConnect協(xié)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(shù)據(jù)。

（2）采用HTTP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，兼容整個生產(chǎn)操作中使用的其他標準。

（3）對Linux系統(tǒng)提供源碼開源，通過語義模型提供用于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)互操作協(xié)議[5]。對于機床用戶而言，基于MTConnect可快速對數(shù)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(xié)議已廣泛融入國內(nèi)外很多設備廠商設備中，如美國通用電氣GE要求采購的數(shù)控設備支持MTConnect協(xié)議；Mazak公司也積極支持通過MTConnect協(xié)議提供完整的制造解決方案；NUM公司開發(fā)的適用于其CNC系統(tǒng)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(chǎn)品中集成MTConnect協(xié)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(xié)議FOCAS接口中兼容了MTConnect協(xié)議。

4.3 NC-Link協(xié)議標準

NC-Link協(xié)議是由中國機床工具工業(yè)協(xié)會牽頭研發(fā)[6]，制定的團體標準已于2020年12月1日正式發(fā)布，并于2021年1月1日起實施，NC-Link協(xié)議互聯(lián)模型示例如圖4所示。該協(xié)議不僅支持數(shù)控機床、機器人、AGV小車及PLC等單個數(shù)控裝備、智能生產(chǎn)線和智能工廠的數(shù)據(jù)交互，還可支持以NC-Link代理器為基礎的多個云數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)。相較于MTConnect協(xié)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(xié)議支持毫秒級流數(shù)據(jù)傳輸，在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下具備更好的實時性。

圖4 NC-Link協(xié)議互聯(lián)模型示例

目前，NC-Link協(xié)議已在武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控、科德數(shù)控、沈陽高精數(shù)控等企業(yè)的數(shù)控產(chǎn)品中實現(xiàn)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(shù)控機床及寶雞機床等企業(yè)的生產(chǎn)線和智能工廠進行了應用，華為、聯(lián)想及浪潮等ICT企業(yè)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(xiàn)場接入了上百臺不同類型和不同品牌的工業(yè)設備，展示了其多型異構工業(yè)設備與協(xié)議的兼容能力。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能制造的核心，本文首先對數(shù)控機床大數(shù)據(jù)進行了分類介紹，并針對當前生產(chǎn)車間多型異構設備并存現(xiàn)象，概述了數(shù)控機床的互聯(lián)互通互操作，以及典型互聯(lián)互通互操作協(xié)議的特點、應用范圍及應用現(xiàn)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(tǒng)制造企業(yè)開始用大數(shù)據(jù)和人工智能打造企業(yè)智慧大腦，深度應用數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測、效率分析、預測預警、工藝優(yōu)化、質(zhì)量提升及遠程運維等智能化功能，實現(xiàn)精細化運營，提升企業(yè)設計、生產(chǎn)、維保及運營等能力，重塑企業(yè)價值體系，提升企業(yè)核心競爭力。