“互联网+”背景下数控系统发展的新趋势
发布日期：2017-03-14 来源：《上海设备管理》
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随着网络基础设施的能力提升，网速加快，计算机技术日新月异，互联网技术在工业领域获得越来越多的应用。在美国制造业回归、德国的“工业4.0”、“互联网+”、“中国制造2025”等发展思路的推动下，制造业转型升级的技术需求越来越迫切。而基于互联网和计算机技术的“互联网+”恰是技术升级中一个非常重要的突破点。如何融合并发挥中国的互联网和制造优势将会成为制造业发展的下一个爆发点。
在互联网技术的推动下，越来越多的新兴商业模式不断涌现。其中最具代表性的就是“分享经济”，它给我们带来了基于分享模式的新业态，例如在汽车、房产等领域出现的APP 打车、APP 租房等互联网的分享应用模式，在消费环节带来了新的经济效应。在制造业，尤其是制造母机的机床行业，互联网和新经济模式如何落地将会成为一个重要的课题。
然而参考已经成功运营的互联网商业模式，所有基于互联网的新经济模式都依赖于两个关键基础技术：云和端，云是指围绕互联网及云计算的一系列计算机技术，端是指围绕用户交互智能终端的计算机技术。其最根本的目的是将人与人、人与设备、人与知识相互连接，智能终端就是其中最重要的一个链接设备。纵观中国的互联网发展历史，智能手机的出现使得互联网相关产业进入了一个爆发式的增长，新兴商业模式不断出现，智能终端在技术上的突破在其中起到了极其重要的作用，所有互联网相关的应用和技术都离不开通过智能终端与人建立的链接。
而在机床行业中，链接人与设备的智能终端正是数控机床的大脑—数控系统（CNC，Computer Numeric Control）。本文将从数控系统的现状、数控系统互联方式及协议的发展以及笔者所在单位在新兴商业模式及数控系统开发上的一些探索来介绍数控系统在互联网背景下的一些新趋势。
一、传统数控系统
目前市场上的主流数控系统，以传统数控系统为主，比如日本的发那科（Fanuc）和德国的西门子（Siemens），还有很多国内外各具特色的数控系统产品。这类系统有一个共同的特点：几乎绝大部分的优势都趋向于在单机体现，比如更高的精度，更平滑的插补算法，更高效的曲面加工性能等。随着技术的发展，各个品牌的数控厂商在这些传统竞争上的差异越来越小。而在数控系统与互联网的链接上，传统的数控系统中只有中高端系统才具备网络连接功能，并且这一小部分系统中绝大部分也只具备在局域网环境下的点对点连接的功能，同时各家都采用各自设计的通讯协议，不同厂家的设备接入障碍重重。以开放式数控系统为例，其体系结构如图1 所示。
图1 不同开放式系统的实现方案
开放式的数控系统已经初步具备客户化定制及应用扩展的基本能力。用户可以通过开发工具对系统进行不同程度的定制，定制程度视数控厂商对系统相关接口的开放程度不同而不同。但是一般情况下，这类开放式数控系统仅在人机界面及设备扩展上予以了一定程度的开放。并且大部分的系统采用专用的CPU，定制开发需要专门的工具和专业的学习。
二、互联方式及协议的变化
从上世纪50年代第一台数控系统出现到现代开放式数控系统，期间经历了多次重大变化，但是这些变化都局限在单机的功能和单元技术的革新和升级。设备的联网相关技术进展缓慢。
表1描述了数控系统互联方式的变化：数控系统的互联方式从最早的串行通信逐步升级为以太网通信。不同类型（品牌）的数控系统的通讯端口、通讯协议千差万别。从表1还可以看出，在不同的时期，不同的阶段，数控系统厂家设计并提供了面向不同应用目标的通讯方式和通讯协议。比如最早期的I/O方式用于和其他设备进行握手和工作协同。在第二阶段的串口通讯时期（其实这个技术目前还有很多国内外厂商正在使用），主要是由于数控系统内存偏小，在遇到大程序时进行在线的NC 文件下载，即最基础的DNC 功能，这种方式由于其技术门槛低，简单、易行、低成本而被国内数控厂商所广泛使用，但是这也同时限制了国内数控系统对于网络技术的应用，功能极为有限。第三阶段，类似Fanuc、Siemens 等中高端数控系统都配备了以太网接口，比如西门子数控系统提供基于OPC的标准化局域网通讯协议，数据采集和文件传输往标准化靠拢，但是这个阶段的系统设计及网络协议设计依然局限于局域网应用，更多的还是基于传统的DNC设计思想，这个时期的数控系统网络传输相关功能主要针对数据上传和下载（如备份/恢复，NC 程序下载和上传，参数设定等）以满足点对点或者局域网的互联应用目标，但在互联网时代到来时上述功能及其协议的形式却又显得有些捉襟见肘。
表1 数控系统互联方式的变化
以1996 年发布的OPC 协议为例，其最初目的是把PLC 特定的协议（如Modbus，Profibus 总线等）抽象为标准化的接口，通过以太网向HMI/MES 等系统提供标准化的连接通讯支持。这种面向局域网的通信存在如下缺点：
（1）平台局限，跨平台几乎无法实现。OPC 基于微软的COM/DCOM 技术开发，只能运行于Windows系统，在如今工业控制领域流行的Linux 等嵌入式平台上无法支持，并且2002 年初微软宣布停止COM 技术的研发，OPC 的技术基础面临淘汰。
（2）防火墙穿透困难，OPC 通信在跨越计算机边界时很难完成，用户需要在防火墙中打开很多端口才能够让DCOM 通信穿越，这严重影响了整个网络的安全性和可靠性。
（3）对Web 等互联网应用的支持缺失，OPC 无法支持互联网。
（4）数据结构支持弱，OPC 无法支持类似结构化数据等复杂数据规范。
（5）安全功能弱，类似设备认证、数据加密等网络应用中非常重要的安全功能在老式OPC 协议中并未设计。
（6）数据完整性无法确保，在通信中断或者异常时，OPC 协议无法确保传输数据的准确送达，数据通信常常会因此损坏并无法找回。
针对上述缺点，第四阶段的通讯设计出现了OPC UA 和MTConnect 等面向互联网应用的协议设计。
1、OPC UA 架构分析
OPC UA为OPC 基金会在原有OPC 协议的基础上进行了扩展和升级，首先解决了操作系统平台的依赖问题，并且对互联网环境下的应用提供了更多的支持。其技术框架如图2 所示。
图2 OPC UA架构
OPC UA 通过隧道技术解决了网络安全及防火墙穿透等问题，并支持发布订阅等面向互联网应用的新兴通讯技术。但是OPC UA 毕竟是一个从局域网点对点设备互联发展起来的，其针对互联网应用的定义和设计依然避免不了对历史技术的兼容考虑，在支持广域互联网形式的应用上依然倾向于类似点对点的互联技术，在实际操作中不可避免地产生部署困难、应用互通不便等难题。或许后续新版本的OPC UA 设计能够对工业控制领域的互联网应用作出更多的设计和协议设计，但目前的状态下，这个架构仍需完善。
2、MTConnect 架构分析
MTConnect是由美国机械制造技术协会（AMT）发起，联合美国通用电气等世界领先制造企业制定的开源、免费的机床通信标准，旨在提升来自不同制造商、软件商的制造装备、设备和软件应用之间的互操作性。其技术框架如图3 所示。
图3 MTConnect架构
和OPC UA 不同，MTConnect 完全是一套针对于机床设备的互联网通讯协议，这套协议的重点集中在对机床设备的基础通讯方式以及通讯细节内容的约定和规范。但是，各大数控厂商的系统架构不同，参数、文件命名规范甚至操作系统都不尽相同，想要对数量庞大的数控设备进行统一的规范，并且使得数量庞大的类似ERP、MES 等客户端厂商进行统一规范并使得相关应用得以协同工作依然是一个漫漫征途。
从图3 可见，MTConnect 协议仅仅针对客户端与设备的通讯进行了约定，但是并未对互联网端的应用及其协调互通接口进行约定，其问题的根本与OPC UA 一样，本质上还是基于点对点的通讯问题解决，但是互联网环境下的应用需求不仅仅局限于此。因而MTConnect 的协议需要一套云端应用的规范来进行合理的补充，才能够使得数控机床的互联网应用得以真正顺畅实现。
三、基于网络智能数控系统架构
在工业4.0 及“互联网+”的背景下，数控系统的未来发展与竞争出现了新的变化，更多的竞争将会聚焦在如何利用互联网的优势，让数控系统的计算能力获得无限扩展，并且通过对分享经济等新兴商业模式的理解，合理打造与之相适应的功能成为未来的重要趋势。
1、“透明”的智能终端
在互联网条件下，数控系统必须要成为一个能够产生数据的透明的智能终端，让制造过程及其全生命周期“数据透明”。通过智能终端的“透明”，实现制造过程的透明，不仅仅方便加工工件，同时产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据，实现设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联。
沈阳机床集团的i5 智能机床通过“透明”的i5 智能系统，可以实时在线为上述管理过程提供精准的数据依据，成为新制造业态的基础。
2、与智能终端无缝对接的云端应用
在数控系统提供“透明”数据的情况下，需要与商业模式相配合的云端平台和云端应用。以沈阳机床集团旗下的iSESOL( i-Smart Engineering ＆ Services Online，是智能云科公司研发的云制造平台) 平台为例，通过i5 智能机床的在线信息，iSESOL 打造了一套云端产能分享平台，用户可以将闲置产能公示于iSESOL 产能平台，有产能需求的用户无需购买设备即可快速获得制造能力，通过这种方式，产能提供方可以利用闲置产能获得收益，产能需求方可以以较低的成本获得制造能力，双方通过分享获得利益最大化。这种制造能力的分享模式将会极大地改变制造业的组织形式，并且充分挖掘社会闲置制造资源，从闲置资源中获得利益最大化。在这种模式推动下，传统的买卖将会越来越少，甚至消失。不难看出，这一看似微小的变化将能够引发整个制造方式的改变。无疑，这种模式将会成为制造业互联网+ 的一个重要形式。
图4为基于iSESOL 平台的智能机床互联网应用框架。所有的i5 智能设备通过iPort 协议接入iSESOL网络，非i5 的设备（如OPC UA 终端或者MTConnect终端）可以通过iPort 网关接入iSESOL 网络。类似ERP、MES、远程看板等云端的APP 应用通过iSESOL聚合的实时数据和访问接口实现对远程设备的统一访问。iSESOL 提供针对不同设备的数据字典映射统一不同设备的访问方式，云端APP 只需通过标准的服务或者参数命名即可订阅各类事件和数据信息，实现统一的设备访问。最终用户可以通过不同的终端安装APP 实现对设备的各类互联网应用。
图4 基于iSESOL实现的智能机床互联网应用框架
3、云与端结合的数控系统新趋势
通过前文的分析，不难看出，未来数控系统的趋势将会是云与端相互结合的新架构，并且需要通过对行业应用的深入分析和了解，设计符合未来发展趋势的互联网应用及商业模式，通过智能终端将人与人、人与设备、人与知识相互连接，使得人才（知识）资源、制造资源、金融资源等获得分享和价值最大化，而数控系统需要承担起人与制造资源链接桥梁的重要角色，面向“互联网+”的数控系统必须具备以下几个特点：
（1）便捷稳定的网络接入能力，无需网关等附加设备，提高集成度。
（2）开放的智能终端操作系统平台，提供对设备访问的各类标准化APP，便于实现终端上的各类APP应用。
（3）开放的互联方式和协议，提供设备与云端的便捷互联。
（4）支持事件触发的信息推送，并支持自定义订阅。
（5）开放的安全框架，对于租赁等商业化应用提供安全保障，并可在开放的安全框架内对系统的操作及访问权限进行安全定制及扩展。
（6）开放的云端平台并提供标准接口，具有一个与之配合的开放的云端平台，为第三方云端应用提供标准的设备互联代理。
四、结论和展望
机床数控系统的智能化与网络化是大势所趋，数控机床商业模式的创新和真正落地运营就一定依赖于数控系统的智能化与网络化，而类似分享经济等新兴的商业模式又将会推动数控机床行业的不断创新和快速发展。未来的数控系统将会越来越多地将互联网的影响渗透到制造环节，制造能力的透明和分享化将会为制造业带来翻天覆地的变革，参与和影响商品的制造环节，通过数据的累积、传输和挖掘，将会诞生越来越多的个性化应用。未来将是一个互联网制造的时代，是一个分享经济的时代，谁掌握并引领了智能终端的趋势才能够掌握未来制造的主动权。
作者：1、黄云鹰、朱志浩 沈阳机床( 集团) 设计研究院有限公司上海分公司 2、樊留群 上海同济大学中德学院
