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“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢
發(fā)布日期：2017-03-14 來源：《上海設(shè)備管理》
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隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的能力提升，網(wǎng)速加快，計算機技術(shù)日新月異，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。在美國制造業(yè)回歸、德國的“工業(yè)4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國制造2025”等發(fā)展思路的推動下，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)需求越來越迫切。而基于互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”恰是技術(shù)升級中一個非常重要的突破點。如何融合并發(fā)揮中國的互聯(lián)網(wǎng)和制造優(yōu)勢將會成為制造業(yè)發(fā)展的下一個爆發(fā)點。
在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，越來越多的新興商業(yè)模式不斷涌現(xiàn)。其中最具代表性的就是“分享經(jīng)濟”，它給我們帶來了基于分享模式的新業(yè)態(tài)，例如在汽車、房產(chǎn)等領(lǐng)域出現(xiàn)的APP 打車、APP 租房等互聯(lián)網(wǎng)的分享應(yīng)用模式，在消費環(huán)節(jié)帶來了新的經(jīng)濟效應(yīng)。在制造業(yè)，尤其是制造母機的機床行業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)和新經(jīng)濟模式如何落地將會成為一個重要的課題。
然而參考已經(jīng)成功運營的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式，所有基于互聯(lián)網(wǎng)的新經(jīng)濟模式都依賴于兩個關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)：云和端，云是指圍繞互聯(lián)網(wǎng)及云計算的一系列計算機技術(shù)，端是指圍繞用戶交互智能終端的計算機技術(shù)。其最根本的目的是將人與人、人與設(shè)備、人與知識相互連接，智能終端就是其中最重要的一個鏈接設(shè)備�？v觀中國的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷史，智能手機的出現(xiàn)使得互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進入了一個爆發(fā)式的增長，新興商業(yè)模式不斷出現(xiàn)，智能終端在技術(shù)上的突破在其中起到了極其重要的作用，所有互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用和技術(shù)都離不開通過智能終端與人建立的鏈接。
而在機床行業(yè)中，鏈接人與設(shè)備的智能終端正是數(shù)控機床的大腦—數(shù)控系統(tǒng)（CNC，Computer Numeric Control）。本文將從數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀、數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)方式及協(xié)議的發(fā)展以及筆者所在單位在新興商業(yè)模式及數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)上的一些探索來介紹數(shù)控系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)背景下的一些新趨勢。
一、傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)
目前市場上的主流數(shù)控系統(tǒng)，以傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)為主，比如日本的發(fā)那科（Fanuc）和德國的西門子（Siemens），還有很多國內(nèi)外各具特色的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。這類系統(tǒng)有一個共同的特點：幾乎絕大部分的優(yōu)勢都趨向于在單機體現(xiàn)，比如更高的精度，更平滑的插補算法，更高效的曲面加工性能等。隨著技術(shù)的發(fā)展，各個品牌的數(shù)控廠商在這些傳統(tǒng)競爭上的差異越來越小。而在數(shù)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的鏈接上，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中只有中高端系統(tǒng)才具備網(wǎng)絡(luò)連接功能，并且這一小部分系統(tǒng)中絕大部分也只具備在局域網(wǎng)環(huán)境下的點對點連接的功能，同時各家都采用各自設(shè)計的通訊協(xié)議，不同廠家的設(shè)備接入障礙重重。以開放式數(shù)控系統(tǒng)為例，其體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 不同開放式系統(tǒng)的實現(xiàn)方案
開放式的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)初步具備客戶化定制及應(yīng)用擴展的基本能力。用戶可以通過開發(fā)工具對系統(tǒng)進行不同程度的定制，定制程度視數(shù)控廠商對系統(tǒng)相關(guān)接口的開放程度不同而不同。但是一般情況下，這類開放式數(shù)控系統(tǒng)僅在人機界面及設(shè)備擴展上予以了一定程度的開放。并且大部分的系統(tǒng)采用專用的CPU，定制開發(fā)需要專門的工具和專業(yè)的學(xué)習(xí)。
二、互聯(lián)方式及協(xié)議的變化
從上世紀(jì)50年代第一臺數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)到現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)，期間經(jīng)歷了多次重大變化，但是這些變化都局限在單機的功能和單元技術(shù)的革新和升級。設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進展緩慢。
表1描述了數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化：數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)方式從最早的串行通信逐步升級為以太網(wǎng)通信。不同類型（品牌）的數(shù)控系統(tǒng)的通訊端口、通訊協(xié)議千差萬別。從表1還可以看出，在不同的時期，不同的階段，數(shù)控系統(tǒng)廠家設(shè)計并提供了面向不同應(yīng)用目標(biāo)的通訊方式和通訊協(xié)議。比如最早期的I/O方式用于和其他設(shè)備進行握手和工作協(xié)同。在第二階段的串口通訊時期（其實這個技術(shù)目前還有很多國內(nèi)外廠商正在使用），主要是由于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存偏小，在遇到大程序時進行在線的NC 文件下載，即最基礎(chǔ)的DNC 功能，這種方式由于其技術(shù)門檻低，簡單、易行、低成本而被國內(nèi)數(shù)控廠商所廣泛使用，但是這也同時限制了國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，功能極為有限。第三階段，類似Fanuc、Siemens 等中高端數(shù)控系統(tǒng)都配備了以太網(wǎng)接口，比如西門子數(shù)控系統(tǒng)提供基于OPC的標(biāo)準(zhǔn)化局域網(wǎng)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)采集和文件傳輸往標(biāo)準(zhǔn)化靠攏，但是這個階段的系統(tǒng)設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計依然局限于局域網(wǎng)應(yīng)用，更多的還是基于傳統(tǒng)的DNC設(shè)計思想，這個時期的數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)功能主要針對數(shù)據(jù)上傳和下載（如備份/恢復(fù)，NC 程序下載和上傳，參數(shù)設(shè)定等）以滿足點對點或者局域網(wǎng)的互聯(lián)應(yīng)用目標(biāo)，但在互聯(lián)網(wǎng)時代到來時上述功能及其協(xié)議的形式卻又顯得有些捉襟見肘。
表1 數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化
以1996 年發(fā)布的OPC 協(xié)議為例，其最初目的是把PLC 特定的協(xié)議（如Modbus，Profibus 總線等）抽象為標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過以太網(wǎng)向HMI/MES 等系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的連接通訊支持。這種面向局域網(wǎng)的通信存在如下缺點：
（1）平臺局限，跨平臺幾乎無法實現(xiàn)。OPC 基于微軟的COM/DCOM 技術(shù)開發(fā)，只能運行于Windows系統(tǒng)，在如今工業(yè)控制領(lǐng)域流行的Linux 等嵌入式平臺上無法支持，并且2002 年初微軟宣布停止COM 技術(shù)的研發(fā)，OPC 的技術(shù)基礎(chǔ)面臨淘汰。
（2）防火墻穿透困難，OPC 通信在跨越計算機邊界時很難完成，用戶需要在防火墻中打開很多端口才能夠讓DCOM 通信穿越，這嚴(yán)重影響了整個網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。
（3）對Web 等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的支持缺失，OPC 無法支持互聯(lián)網(wǎng)。
（4）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持弱，OPC 無法支持類似結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等復(fù)雜數(shù)據(jù)規(guī)范。
（5）安全功能弱，類似設(shè)備認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中非常重要的安全功能在老式OPC 協(xié)議中并未設(shè)計。
（6）數(shù)據(jù)完整性無法確保，在通信中斷或者異常時，OPC 協(xié)議無法確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確送達，數(shù)據(jù)通信常常會因此損壞并無法找回。
針對上述缺點，第四階段的通訊設(shè)計出現(xiàn)了OPC UA 和MTConnect 等面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的協(xié)議設(shè)計。
1、OPC UA 架構(gòu)分析
OPC UA為OPC 基金會在原有OPC 協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了擴展和升級，首先解決了操作系統(tǒng)平臺的依賴問題，并且對互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用提供了更多的支持。其技術(shù)框架如圖2 所示。
圖2 OPC UA架構(gòu)
OPC UA 通過隧道技術(shù)解決了網(wǎng)絡(luò)安全及防火墻穿透等問題，并支持發(fā)布訂閱等面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新興通訊技術(shù)。但是OPC UA 畢竟是一個從局域網(wǎng)點對點設(shè)備互聯(lián)發(fā)展起來的，其針對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的定義和設(shè)計依然避免不了對歷史技術(shù)的兼容考慮，在支持廣域互聯(lián)網(wǎng)形式的應(yīng)用上依然傾向于類似點對點的互聯(lián)技術(shù)，在實際操作中不可避免地產(chǎn)生部署困難、應(yīng)用互通不便等難題�；蛟S后續(xù)新版本的OPC UA 設(shè)計能夠?qū)I(yè)控制領(lǐng)域的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作出更多的設(shè)計和協(xié)議設(shè)計，但目前的狀態(tài)下，這個架構(gòu)仍需完善。
2、MTConnect 架構(gòu)分析
MTConnect是由美國機械制造技術(shù)協(xié)會（AMT）發(fā)起，聯(lián)合美國通用電氣等世界領(lǐng)先制造企業(yè)制定的開源、免費的機床通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在提升來自不同制造商、軟件商的制造裝備、設(shè)備和軟件應(yīng)用之間的互操作性。其技術(shù)框架如圖3 所示。
圖3 MTConnect架構(gòu)
和OPC UA 不同，MTConnect 完全是一套針對于機床設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，這套協(xié)議的重點集中在對機床設(shè)備的基礎(chǔ)通訊方式以及通訊細節(jié)內(nèi)容的約定和規(guī)范。但是，各大數(shù)控廠商的系統(tǒng)架構(gòu)不同，參數(shù)、文件命名規(guī)范甚至操作系統(tǒng)都不盡相同，想要對數(shù)量龐大的數(shù)控設(shè)備進行統(tǒng)一的規(guī)范，并且使得數(shù)量龐大的類似ERP、MES 等客戶端廠商進行統(tǒng)一規(guī)范并使得相關(guān)應(yīng)用得以協(xié)同工作依然是一個漫漫征途。
從圖3 可見，MTConnect 協(xié)議僅僅針對客戶端與設(shè)備的通訊進行了約定，但是并未對互聯(lián)網(wǎng)端的應(yīng)用及其協(xié)調(diào)互通接口進行約定，其問題的根本與OPC UA 一樣，本質(zhì)上還是基于點對點的通訊問題解決，但是互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用需求不僅僅局限于此。因而MTConnect 的協(xié)議需要一套云端應(yīng)用的規(guī)范來進行合理的補充，才能夠使得數(shù)控機床的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得以真正順暢實現(xiàn)。
三、基于網(wǎng)絡(luò)智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)
在工業(yè)4.0 及“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展與競爭出現(xiàn)了新的變化，更多的競爭將會聚焦在如何利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，讓數(shù)控系統(tǒng)的計算能力獲得無限擴展，并且通過對分享經(jīng)濟等新興商業(yè)模式的理解，合理打造與之相適應(yīng)的功能成為未來的重要趨勢。
1、“透明”的智能終端
在互聯(lián)網(wǎng)條件下，數(shù)控系統(tǒng)必須要成為一個能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)的透明的智能終端，讓制造過程及其全生命周期“數(shù)據(jù)透明”。通過智能終端的“透明”，實現(xiàn)制造過程的透明，不僅僅方便加工工件，同時產(chǎn)生服務(wù)于管理、財務(wù)、生產(chǎn)、銷售的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備、生產(chǎn)計劃、設(shè)計、制造、供應(yīng)鏈、人力、財務(wù)、銷售、庫存等一系列生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的資源整合與信息互聯(lián)。
沈陽機床集團的i5 智能機床通過“透明”的i5 智能系統(tǒng)，可以實時在線為上述管理過程提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)，成為新制造業(yè)態(tài)的基礎(chǔ)。
2、與智能終端無縫對接的云端應(yīng)用
在數(shù)控系統(tǒng)提供“透明”數(shù)據(jù)的情況下，需要與商業(yè)模式相配合的云端平臺和云端應(yīng)用。以沈陽機床集團旗下的iSESOL( i-Smart Engineering ＆ Services Online，是智能云科公司研發(fā)的云制造平臺) 平臺為例，通過i5 智能機床的在線信息，iSESOL 打造了一套云端產(chǎn)能分享平臺，用戶可以將閑置產(chǎn)能公示于iSESOL 產(chǎn)能平臺，有產(chǎn)能需求的用戶無需購買設(shè)備即可快速獲得制造能力，通過這種方式，產(chǎn)能提供方可以利用閑置產(chǎn)能獲得收益，產(chǎn)能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會極大地改變制造業(yè)的組織形式，并且充分挖掘社會閑置制造資源，從閑置資源中獲得利益最大化。在這種模式推動下，傳統(tǒng)的買賣將會越來越少，甚至消失。不難看出，這一看似微小的變化將能夠引發(fā)整個制造方式的改變。無疑，這種模式將會成為制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+ 的一個重要形式。
圖4為基于iSESOL 平臺的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架。所有的i5 智能設(shè)備通過iPort 協(xié)議接入iSESOL網(wǎng)絡(luò)，非i5 的設(shè)備（如OPC UA 終端或者MTConnect終端）可以通過iPort 網(wǎng)關(guān)接入iSESOL 網(wǎng)絡(luò)。類似ERP、MES、遠程看板等云端的APP 應(yīng)用通過iSESOL聚合的實時數(shù)據(jù)和訪問接口實現(xiàn)對遠程設(shè)備的統(tǒng)一訪問。iSESOL 提供針對不同設(shè)備的數(shù)據(jù)字典映射統(tǒng)一不同設(shè)備的訪問方式，云端APP 只需通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)或者參數(shù)命名即可訂閱各類事件和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)統(tǒng)一的設(shè)備訪問。最終用戶可以通過不同的終端安裝APP 實現(xiàn)對設(shè)備的各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
圖4 基于iSESOL實現(xiàn)的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架
3、云與端結(jié)合的數(shù)控系統(tǒng)新趨勢
通過前文的分析，不難看出，未來數(shù)控系統(tǒng)的趨勢將會是云與端相互結(jié)合的新架構(gòu)，并且需要通過對行業(yè)應(yīng)用的深入分析和了解，設(shè)計符合未來發(fā)展趨勢的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及商業(yè)模式，通過智能終端將人與人、人與設(shè)備、人與知識相互連接，使得人才（知識）資源、制造資源、金融資源等獲得分享和價值最大化，而數(shù)控系統(tǒng)需要承擔(dān)起人與制造資源鏈接橋梁的重要角色，面向“互聯(lián)網(wǎng)+”的數(shù)控系統(tǒng)必須具備以下幾個特點：
（1）便捷穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)接入能力，無需網(wǎng)關(guān)等附加設(shè)備，提高集成度。
（2）開放的智能終端操作系統(tǒng)平臺，提供對設(shè)備訪問的各類標(biāo)準(zhǔn)化APP，便于實現(xiàn)終端上的各類APP應(yīng)用。
（3）開放的互聯(lián)方式和協(xié)議，提供設(shè)備與云端的便捷互聯(lián)。
（4）支持事件觸發(fā)的信息推送，并支持自定義訂閱。
（5）開放的安全框架，對于租賃等商業(yè)化應(yīng)用提供安全保障，并可在開放的安全框架內(nèi)對系統(tǒng)的操作及訪問權(quán)限進行安全定制及擴展。
（6）開放的云端平臺并提供標(biāo)準(zhǔn)接口，具有一個與之配合的開放的云端平臺，為第三方云端應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備互聯(lián)代理。
四、結(jié)論和展望
機床數(shù)控系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化是大勢所趨，數(shù)控機床商業(yè)模式的創(chuàng)新和真正落地運營就一定依賴于數(shù)控系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，而類似分享經(jīng)濟等新興的商業(yè)模式又將會推動數(shù)控機床行業(yè)的不斷創(chuàng)新和快速發(fā)展。未來的數(shù)控系統(tǒng)將會越來越多地將互聯(lián)網(wǎng)的影響滲透到制造環(huán)節(jié)，制造能力的透明和分享化將會為制造業(yè)帶來翻天覆地的變革，參與和影響商品的制造環(huán)節(jié)，通過數(shù)據(jù)的累積、傳輸和挖掘，將會誕生越來越多的個性化應(yīng)用。未來將是一個互聯(lián)網(wǎng)制造的時代，是一個分享經(jīng)濟的時代，誰掌握并引領(lǐng)了智能終端的趨勢才能夠掌握未來制造的主動權(quán)。
作者：1、黃云鷹、朱志浩 沈陽機床( 集團) 設(shè)計研究院有限公司上海分公司 2、樊留群 上海同濟大學(xué)中德學(xué)院
