諶僑，賀彥博，代超仁

1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410126

2.湖北華數(shù)新一代智能數(shù)控系統(tǒng)創(chuàng)新中心有限公司 湖北武漢 430011

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(jì)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)[1]。

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(shí)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(jī)床是裝備制造業(yè)的工業(yè)“母機(jī)”，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(qiáng)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(jī)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(jī)床的信息物理系統(tǒng)模型來管理工業(yè)大數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想和策略在實(shí)踐中逐漸成為共識，數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通信協(xié)議則是建立數(shù)控機(jī)床的信息物理系統(tǒng)模型的必要途徑和基礎(chǔ)?！皵?shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議NC-Link”根據(jù)數(shù)控機(jī)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(xiàng)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(jī)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(xiàng)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(jī)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(jī)床互聯(lián)通信的需求愈加強(qiáng)烈，數(shù)控機(jī)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(jī)床互聯(lián)通信協(xié)議是OPC UA通信協(xié)議和MTConnect通信協(xié)議。

2.1 OPC UA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

OPC UA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(dú)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OPC UA相比傳統(tǒng)的OPC技術(shù)具備更強(qiáng)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(diǎn)，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[2]。

OPC UA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(qiáng)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OPC UA應(yīng)用程序進(jìn)行研發(fā)、實(shí)踐和驗(yàn)證。

因?yàn)镺PC UA在通信過程中的實(shí)時(shí)性有較大的限制，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場高時(shí)效的信息數(shù)據(jù)通信的場景，故將其和TSN（Time-Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）相結(jié)合，形成“OPC UA over TSN”的數(shù)據(jù)通信模式，適應(yīng)目前的工業(yè)現(xiàn)場對實(shí)時(shí)性要求較高的需求?！癘PC UA over TSN”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(yàn)、研發(fā)和融合，目前成功為數(shù)控機(jī)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(hù)和遠(yuǎn)程運(yùn)維等。而OPC UA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-OPC UA架構(gòu)將更加強(qiáng)大，有望成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)智能控制領(lǐng)域的超級標(biāo)準(zhǔn)[3]。

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(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，主要是針對數(shù)控機(jī)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(diǎn)鮮明，具有更強(qiáng)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(gè)加工生產(chǎn)過程中的傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)兼容。MTConnect作為在Linux系統(tǒng)上實(shí)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(jī)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(jī)床實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)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[4]。

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(jī)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(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議NC-Link”是由中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會牽頭，由多家企業(yè)、研究機(jī)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、OPC UA成為機(jī)床數(shù)字化通信三大標(biāo)準(zhǔn)，是國內(nèi)首個(gè)也是唯一一個(gè)數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。相比于OPC UA，NC-Link更加聚焦于制造裝備（機(jī)床及機(jī)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(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)的響應(yīng)能力，更加符合工業(yè)現(xiàn)場對實(shí)時(shí)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(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)控機(jī)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(kuò)展性強(qiáng)大、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和高時(shí)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(jī)床的數(shù)據(jù)類別和格式。數(shù)控機(jī)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(jī)床模型進(jìn)行解析的基礎(chǔ)文件，描述了數(shù)控機(jī)床模型中的Schema文件，但是在數(shù)據(jù)通信時(shí)候不會以該文件作為基礎(chǔ)，只會在數(shù)控機(jī)床模型文件生成時(shí)作為依賴。

（2）模型文件 將模式文件作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)化和具體化，是數(shù)控機(jī)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(yàn)，實(shí)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(jī)床實(shí)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(jī)床實(shí)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?，按照拓?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(jī)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(jī)床模型數(shù)據(jù)中對數(shù)控機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(xiàng)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(xiàng)、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 OPC UA、MTConnect和NC-Link比較

MTConnect和OPC UA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(shí)候，有較高的局限性。NC-Link便應(yīng)運(yùn)而生，其在實(shí)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?yàn)槎嘣串悩?gòu)工業(yè)設(shè)備造成的“信息孤島”問題，實(shí)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(yùn)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(jì)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(shí)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(jī)床行業(yè)統(tǒng)一編碼標(biāo)識解析服務(wù)，賦予機(jī)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(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)、各企業(yè)間信息對接與互通。

SaaS層建立機(jī)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(hù)等典型應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間橫向集成，形成機(jī)床行業(yè)企業(yè)協(xié)同、價(jià)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(shí)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(jī)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(jī)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(jì)算微服務(wù)操作系統(tǒng)

基于NC-Link的邊緣計(jì)算微服務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)了邊緣微服務(wù)操作系統(tǒng)的部署簡便化、維護(hù)可視化和自動化，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對工業(yè)環(huán)境的適配。邊緣平臺智能運(yùn)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(qiáng)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(shí)，提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。針對工業(yè)實(shí)際需求，可開展邊緣計(jì)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(shí)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(yùn)維系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化，以及加工過程的實(shí)時(shí)三維仿真和加工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)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(jī)床互聯(lián)通信協(xié)議是建立數(shù)控機(jī)床信息物理系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心部分。NC-Link協(xié)議是國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，相比于國外的通信協(xié)議，兼容性更強(qiáng)，具有更大的工業(yè)應(yīng)用場景。本文首先對數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通信協(xié)議進(jìn)行了介紹，并概述了目前裝備制造業(yè)設(shè)備多源異構(gòu)的問題，對國家標(biāo)準(zhǔn)NC-Link的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并分析了目前國內(nèi)基于NC-Link的工業(yè)互聯(lián)智能化應(yīng)用、試驗(yàn)和驗(yàn)證等。在智能制造新科技革命浪潮背景下，國內(nèi)外的傳統(tǒng)制造業(yè)都在進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)型。面對當(dāng)前新型工業(yè)化與智能制造領(lǐng)域的創(chuàng)新和變革的壓力，應(yīng)大力推進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)NC-Link的發(fā)展，深度研究和試驗(yàn)基于NC-Link的網(wǎng)絡(luò)融合和智能化應(yīng)用。