以智能制造為主導(dǎo)的新一代工業(yè)體系，核心關(guān)鍵技術(shù)是建立數(shù)控機床的信息物理系統(tǒng)（CPS）模型，而與數(shù)控機床互聯(lián)是構(gòu)建數(shù)控機床的CPS模型的數(shù)據(jù)來源基礎(chǔ)。針對國內(nèi)以智能制造數(shù)據(jù)驅(qū)動的創(chuàng)新應(yīng)用，開展了對國家標(biāo)準(zhǔn)“數(shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議NC-Link”的研究，以及研究基于NC-Link的智能化、信息化的應(yīng)用范圍和現(xiàn)狀，為國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的智能制造應(yīng)用發(fā)展提供一些借鑒。1

序言裝備制造業(yè)被視為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和綜合能力的重要體現(xiàn)。目前伴隨著智能AI、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，智能制造逐步成為裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新方向。制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)。信息物理系統(tǒng)（CPS）模型是新一輪以智能制造為代表的科技革命中，發(fā)展智能制造方向的核心技術(shù)之一。信息物理系統(tǒng)核心在于“Cyber”和“Physical”互聯(lián)通信，處理和存儲大量的多源異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、支持高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信、動態(tài)資源與能力的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)以及自適應(yīng)控制等功能。該系統(tǒng)具備高度自主認(rèn)知、自主診斷、自主調(diào)整和主動控制功能，可實現(xiàn)虛擬世界與物理世界協(xié)同、連接，并作為智能系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐。

數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的工業(yè)“母機”，是制造業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)和現(xiàn)代化裝備的重要內(nèi)核，是強大我國國防軍工科技力量的戰(zhàn)略裝備，在裝備制造業(yè)中扮演著舉足輕重的核心角色。在智能制造體系之中，數(shù)控機床的信息物理系統(tǒng)模型是核心基礎(chǔ)技術(shù)之一。利用數(shù)控機床的信息物理系統(tǒng)模型來管理工業(yè)大數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想和策略在實踐中逐漸成為共識，數(shù)控機床互聯(lián)通信協(xié)議則是建立數(shù)控機床的信息物理系統(tǒng)模型的必要途徑和基礎(chǔ)?！皵?shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議NC-Link”根據(jù)數(shù)控機床的信息物理系統(tǒng)模型定義制定，為其提供可靠的數(shù)據(jù)項定義，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)交互。NC-Link是國內(nèi)全新的數(shù)控機床數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是國內(nèi)自主創(chuàng)新，目前國內(nèi)暫無其他類似的相關(guān)項目標(biāo)準(zhǔn)。2

典型的互聯(lián)通信協(xié)議國際眾多制造企業(yè)都具有大量多源異構(gòu)數(shù)控機床設(shè)備，它們的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸方式類型雜多，多種設(shè)備的互聯(lián)是眾多制造企業(yè)在進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)型過程中遇到的重要困難。伴隨多型異構(gòu)數(shù)控機床互聯(lián)通信的需求愈加強烈，數(shù)控機床互聯(lián)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也受到了全世界制造企業(yè)的重視。目前，國際上應(yīng)用較為廣泛的典型數(shù)控機床互聯(lián)通信協(xié)議是OPCUA通信協(xié)議和MTConnect通信協(xié)議。2.1

OPCUA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)OPCUA是一種工業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)，由OPC基金會于2008年發(fā)布。它獨立于平臺之外，主要為裝備制造工廠和裝備制造企業(yè)之間的數(shù)據(jù)交互提供一種互通性的通信標(biāo)準(zhǔn)。最新發(fā)布的OPCUA相比傳統(tǒng)的OPC技術(shù)具備更強的通用信息建模能力、更好的通信傳輸性能及跨平臺等特點，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型化以及設(shè)備層與企業(yè)層面之間的通信更加安全、可靠。

OPCUA是一種開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，和目前國際協(xié)議相比較，它在PLC上的應(yīng)用更加寬廣，支持的設(shè)備和拓展性也更為強大，因此眾多制造企業(yè)將該協(xié)議采納為工業(yè)通信的解決方案，Siemens、FANUC、ABB及EMERSON等企業(yè)也對OPCUA應(yīng)用程序進(jìn)行研發(fā)、實踐和驗證。

因為OPCUA在通信過程中的實時性有較大的限制，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場高時效的信息數(shù)據(jù)通信的場景，故將其和TSN（Time-SensitiveNetworking，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）相結(jié)合，形成“OPCUAoverTSN”的數(shù)據(jù)通信模式，適應(yīng)目前的工業(yè)現(xiàn)場對實時性要求較高的需求。“OPCUAoverTSN”模式在工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用和發(fā)展還處于雛形，但隨著大量的工業(yè)企業(yè)、芯片企業(yè)和ICT企業(yè)對此通信模式的試驗、研發(fā)和融合，目前成功為數(shù)控機床的數(shù)據(jù)采集、傳輸構(gòu)建了更加成熟和高效的通信模式，為工業(yè)智能制造多種應(yīng)用發(fā)展提供了關(guān)鍵性因素，例如生產(chǎn)監(jiān)控、可視化數(shù)據(jù)管理、預(yù)測性維護和遠(yuǎn)程運維等。而OPCUA已經(jīng)是工業(yè)4.0與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心通信層面協(xié)議之一，進(jìn)一步融合TSN以后，TSN-OPCUA架構(gòu)將更加強大，有望成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與計算機智能控制領(lǐng)域的超級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2

MTConnect協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)MTConnect協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由美國制造技術(shù)協(xié)會提出的數(shù)控機床的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，主要是針對數(shù)控機床的數(shù)據(jù)交互所制定的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。與目前常見的通信協(xié)議相比，MTConnect特點鮮明，具有更強大的可讀性和兼容性，采用XML技術(shù)，便于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互和讀寫。MTConnect的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使用的是HTTP方式，對整個加工生產(chǎn)過程中的傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)兼容。MTConnect作為在Linux系統(tǒng)上實現(xiàn)的通信協(xié)議，通過其語義模型，為數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)交互提供了策略和方向，是目前多源異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)互通的基礎(chǔ)。通過MTConnect標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)控機床與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，從而可以通過互聯(lián)網(wǎng)來查詢機床實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備和應(yīng)用軟件之間更廣泛的交互操作。

目前，MTConnect協(xié)議被全世界眾多的工業(yè)設(shè)備采用。例如，美國通用電氣公司采購的數(shù)控設(shè)備均需對MTConnect協(xié)議進(jìn)行支持和兼容；Mazak公司推動使用MTConnect協(xié)議支撐智能制造應(yīng)用和方案；NUM公司開發(fā)NUMConnect通信接口兼容MTConnect協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；FANUC公司所開發(fā)的數(shù)控機床通信協(xié)議FOCAS，也進(jìn)行了對MTConnect協(xié)議的兼容。3

NC-Link整體介紹“數(shù)控機床互聯(lián)通訊協(xié)議NC-Link”是由中國機床工具工業(yè)協(xié)會牽頭，由多家企業(yè)、研究機構(gòu)和高校共同研發(fā)制定的基于新一代信息通信技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場互聯(lián)互通的統(tǒng)一性標(biāo)準(zhǔn)[5]。

我國自主研發(fā)的NC-Link，與MTConnect、OPCUA成為機床數(shù)字化通信三大標(biāo)準(zhǔn)，是國內(nèi)首個也是唯一一個數(shù)控機床互聯(lián)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。相比于OPCUA，NC-Link更加聚焦于制造裝備（機床及機器人），在服務(wù)器配置及信息建模方面更加便捷；相比于MTConnect，NC-Link支持對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的反向控制，具備毫秒級實時流數(shù)據(jù)的響應(yīng)能力，更加符合工業(yè)現(xiàn)場對實時性的要求[6]。

3.1

NC-Link系統(tǒng)架構(gòu)NC-Link體系架構(gòu)由設(shè)備層、協(xié)議層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)的通信方式可以是“設(shè)備層-協(xié)議層-應(yīng)用層”，也可以是“應(yīng)用層-協(xié)議層-設(shè)備層”。

圖1

NC-Link體系架構(gòu)

1）設(shè)備層代表的是工業(yè)設(shè)備，包含數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)和機器人等，輸出基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。2）應(yīng)用層是數(shù)據(jù)接受層，也是數(shù)據(jù)的最終使用層，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析。3）協(xié)議層要包括協(xié)議適配器和協(xié)議代理器，其中協(xié)議適配器可以從協(xié)議代理器獲取下行的控制數(shù)據(jù)信號，再將控制數(shù)據(jù)信號傳遞給對應(yīng)的數(shù)控機床。協(xié)議代理器可以通過把協(xié)議適配器上采集的數(shù)控機床數(shù)據(jù)信號傳遞給請求端，或接收應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)控機床的控制數(shù)據(jù)信號，從而進(jìn)行雙向通信。NC-Link對數(shù)控系統(tǒng)種類和品牌沒有限制，支持與協(xié)議適配器的連接通信，實現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)控機床的軟硬件普適性和可繼承性。NC-Link采用以太網(wǎng)TCP/IP將適配器、代理器和應(yīng)用平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，支持眾多的通信協(xié)議的集成，是一種擴展性強大、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和高時效性的通信協(xié)議。

3.2

NC-Link模型文件NC-Link的主要技術(shù)基礎(chǔ)就是設(shè)備模型的建立，以確定數(shù)控機床的數(shù)據(jù)類別和格式。數(shù)控機床的設(shè)備模型包含模式文件和模型文件兩種。（1）模式文件

模式文件是NC-Link協(xié)議中對數(shù)控機床模型進(jìn)行解析的基礎(chǔ)文件，描述了數(shù)控機床模型中的Schema文件，但是在數(shù)據(jù)通信時候不會以該文件作為基礎(chǔ)，只會在數(shù)控機床模型文件生成時作為依賴。（2）模型文件

將模式文件作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)控機床數(shù)據(jù)化和具體化，是數(shù)控機床數(shù)據(jù)交互的語義模型。模型文件的基礎(chǔ)是模式文件，但是不需要涵蓋模式文件的所有內(nèi)容。NC-Link中模式文件與模型文件的關(guān)系如圖2所示，模式文件是模型文件的基礎(chǔ)和依賴條件，而模型文件的語義模型又可以協(xié)助模式文件進(jìn)行校驗，實現(xiàn)其準(zhǔn)確性。圖2

NC-Link模式文件與模型文件關(guān)系

NC-Link的模型文件通過面向?qū)ο蠓椒▽?shù)控機床實例化分為根對象、設(shè)備對象、組件對象、數(shù)據(jù)對象和采樣通道對象等。模型文件通過樹狀結(jié)構(gòu)的方式，對數(shù)控機床實例化進(jìn)行了解析，如圖3所示。NC-Link協(xié)議的模型文件中的設(shè)備模型結(jié)構(gòu)清晰簡明，是整體模型文件體系的基礎(chǔ)。圖3

NC-Link設(shè)備模型

3.3

NC-Link模型數(shù)據(jù)NC-Link模型數(shù)據(jù)同樣也是按照面向?qū)ο蠓椒ǎ凑胀負(fù)浣Y(jié)構(gòu)路徑建立。建立的結(jié)構(gòu)主要按照“根對象-設(shè)備對象-組件對象-數(shù)據(jù)對象”方式。而根對象、設(shè)備對象、組件對象和數(shù)據(jù)對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。圖4

數(shù)據(jù)對象與引用關(guān)系

1）根對象是數(shù)控機床模型數(shù)據(jù)中的終層對象。2）設(shè)備對象的作用是數(shù)控機床模型數(shù)據(jù)中對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)、設(shè)置和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等進(jìn)行解析。3）組件對象的作用是數(shù)控機床模型數(shù)據(jù)中對設(shè)備對象的部件和各元器件進(jìn)行解析，表述其部件和各元器件之間的層次結(jié)構(gòu)。組件對象可以由子組件對象組合構(gòu)成，和其真實物理系統(tǒng)進(jìn)行映射。4）數(shù)據(jù)對象的作用是數(shù)控機床模型數(shù)據(jù)中對子對象的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行解析，設(shè)備對象和組件對象均有其對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象。5）采樣通道對象是對特定數(shù)據(jù)項的引用，是數(shù)據(jù)對象的組合關(guān)系對象，用來描述采樣數(shù)據(jù)項、內(nèi)部采樣周期和上傳周期[7]。

3.4

NC-Link與主流通信協(xié)議比較通過研究NC-Link通信協(xié)議，和目前國際通用熱門的數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1

OPCUA、MTConnect和NC-Link比較MTConnect和OPCUA數(shù)據(jù)通信協(xié)議在面對工業(yè)場景高頻數(shù)據(jù)通信需求的時候，有較高的局限性。NC-Link便應(yīng)運而生，其在實現(xiàn)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，使用JSON數(shù)據(jù)格式描述數(shù)控裝備信息模型，解決了高頻數(shù)據(jù)采集的問題[8]。4

基于NC-Link的智能制造應(yīng)用基于NC-Link協(xié)議，打造面向裝備制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化應(yīng)用平臺，解決因為多源異構(gòu)工業(yè)設(shè)備造成的“信息孤島”問題，實現(xiàn)多種設(shè)備的互聯(lián)，完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合和組織，可為工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控、車間數(shù)字化管理、設(shè)備遠(yuǎn)程運維和刀具智能管理等智能應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和保障。4.1

基于NC-Link的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺iNC-Cloud基于NC-Link的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺iNC-Cloud體系架構(gòu)如圖5所示。針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺iNC-Cloud的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層面的調(diào)研和解析，主要包含邊緣層、工業(yè)級IaaS能力層、PaaS層和通用SaaS能力層等。圖5

基于NC-Link的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺iNC-Cloud邊緣層利用邊緣計算、NC-Link數(shù)控裝備互聯(lián)通信協(xié)議、標(biāo)識對象及智能網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵技術(shù)提高數(shù)據(jù)采集協(xié)議兼容、設(shè)備上云和數(shù)據(jù)安全能力，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部縱向集成。IaaS層提供數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)識解析基礎(chǔ)設(shè)施等。PaaS層通過大數(shù)據(jù)管理平臺、大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺和標(biāo)識解析系統(tǒng)等，提供機床行業(yè)統(tǒng)一編碼標(biāo)識解析服務(wù)，賦予機床行業(yè)企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備、部件、產(chǎn)品以及數(shù)據(jù)等資源唯一身份“標(biāo)識”，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)、各企業(yè)間信息對接與互通。SaaS層建立機床行業(yè)一物一碼、產(chǎn)品溯源、數(shù)據(jù)共享、產(chǎn)品全生命周期管理和預(yù)測性維護等典型應(yīng)用，實現(xiàn)企業(yè)間橫向集成，形成機床行業(yè)企業(yè)協(xié)同、價值共享和產(chǎn)業(yè)集群。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺iNC-Cloud可以向下實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和管理，也可以向上支持對工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用的需求，為其提供穩(wěn)定可控的數(shù)據(jù)服務(wù)，具備完善的資源管理與平臺服務(wù)能力。對促進(jìn)機床行業(yè)新一代人工智能技術(shù)集成與應(yīng)用，推動我國機床行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重要意義。

4.2

基于NC-Link的邊緣計算微服務(wù)操作系統(tǒng)基于NC-Link的邊緣計算微服務(wù)操作系統(tǒng)實現(xiàn)了邊緣端操作系統(tǒng)重構(gòu)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，減少了依賴組件，實現(xiàn)了邊緣微服務(wù)操作系統(tǒng)的部署簡便化、維護可視化和自動化，以實現(xiàn)系統(tǒng)對工業(yè)環(huán)境的適配。邊緣平臺智能運維系統(tǒng)界面如圖6所示，通過建立基于NC-Link協(xié)議的面向邊緣端多源異構(gòu)數(shù)控裝備數(shù)據(jù)的兼容接口，達(dá)到統(tǒng)一接口形式、簡化設(shè)備接入和簡化應(yīng)用開發(fā)的目的，提供數(shù)據(jù)增強服務(wù)的支持，分析各類應(yīng)用的數(shù)據(jù)需求，構(gòu)建以邊緣微服務(wù)模塊為基本組成的數(shù)據(jù)派生服務(wù)和接口。該種模式在保證數(shù)據(jù)模型穩(wěn)定性的同時，提供強大的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。針對工業(yè)實際需求，可開展邊緣計算微服務(wù)輕量化編排模塊產(chǎn)品化，突破傳統(tǒng)微服務(wù)編排工具的局限，降低現(xiàn)場操作人員的編程能力門檻，實現(xiàn)組態(tài)可視化服務(wù)開發(fā)編排，提升平臺開發(fā)效率，降低使用難度。圖6

邊緣平臺智能運維系統(tǒng)界面該系統(tǒng)可實時采集設(shè)備加工過程的位置、電流和進(jìn)給速度等數(shù)據(jù)，提供圖形化的實時數(shù)據(jù)可視化，以及加工過程的實時三維仿真和加工現(xiàn)場的實時視頻監(jiān)控，界面如圖7、圖8所示。圖7

邊緣平臺設(shè)備模擬仿真界面

圖8

邊緣平臺設(shè)備監(jiān)控界面5

結(jié)束語數(shù)控機床互聯(lián)通信協(xié)議是建立數(shù)控機床信息物理系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)智