连接机床的世界：工业4.0的通用语言
来源：中国工控网
随着智能制造的逐步推进，数控系统、数控机床及相关数字化装备得到了大力发展。数控机床的智能化升级对智能制造的发展起着至关重要的基础性作用，而实现这一目标的基础便是机床装备的互联互通，其中相关的协议标准更是影响互联互通的决定性要素。
在前不久的CIMT2019展会上，便设置了专门展区，用于展示数控装备工业互联通讯协议NC-Link标准的代理服务器、适配器、数控系统及相关软件等全套解决方案。NC-Link目前支持数控机床、机器人、AGV小车、PLC等数控装备，具有广泛兼容性。
NC-Link协议支持单个数控装备、智能产线和智能工厂的数据交互。该标准的研制为我国数控机床互联互通建立了一套统一的标准，对智能工厂、智能车间的建设、智能生产的推进将带来巨大的作用。
随着NC-Link协议的推出，标志着通讯协议的大营中再添一将大员，但机床联网的通信协议也如整个工业控制领域的通信协议一样，品种门类繁杂而凌乱。上海维宏电子科技股份有限公司副总经理赵东京先生曾对gongkong小编表示，“目前国内多数厂商应用的通讯协议都还是来自于国外，虽然国内已经开始相关协议标准的建立工作，但是还处于起步阶段。”因此，实现通讯协议的统一是实现智能制造的前提之一，但在这一方面，国内外差距悬殊。
繁杂而凌乱的通信协议
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。
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。
第一阶段，I/O方式用于和其他设备进行握手和工作协同。
第二阶段，串口通讯时期，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。
第四阶段，通讯设计出现了OPC UA和MTConnect等面向互联网应用的协议设计。
互联方式的变化更迭本身是带来便利的，但是，不同的通讯标准又造成了新的壁垒，同一标准设备可以互联，而不同总线设备则无法互联。在制造过程中只有真正实现了机床与机床，机床与人之间的对话，才能进入互联阶段。
当公司从厂商A 处购买一台机器，从厂商B 购买另一台机器时，人们期望机器应该易于通信，而不需要实施大量工程才能实现通信。面对标准化通信和互操作性所带来的挑战，是否会有一个统一的标准出现取代所有过往标准？
以OPC UA为基础的机床互联行业标准
早在2006年，美国机械制造技术协会（AMT）提出了数控设备互联通讯协议（MTConnect协议），用于机床设备的互联互通。据了解，在小巨人公司生产现场便可以看到，所有加工设备运行状态数据通过全球通用的通信协议MTConnect，连接到马扎克特有的SMOOTH MONITOR AX监控系统，由SMART BOX为网络和信息安全保驾护航，从而实现数据的收集、分析和反馈，对生产过程进行改善和指导。
2013年，OPC基金会与AMT协商将MTConnect协议与OPC UA进行兼容。由此，MTConnect协议与OPC UA协议在业内受到了广泛关注。而中国机床互操作标准NC-Link，便是综合借鉴了OPC UA和MTConnect的特点。为双向通信协议（可读可控），支持块数据传输。
目前，各个数字控制器的制造商都使用各自的专有语言，而这已经不能满足客户日益增高的要求。对很多企业来说，开放式接口是一大障碍。为了促进机床制造商的互相协作，德国机床制造商协会（VDW）与其核心会员企业携手，正致力于构建一个以OPC UA为基础的机床互联行业标准。VDW希望，通过该标准，能建立一种通用语言，用一种通用标准格式提取机器中的数据，然后导入例如ERP或MES系统，从而为客户创造更多价值。
umati应用而生，他是一种通用接口，可便捷安全地把机床（WZM）和设备无缝连接到客户端或用户端的IT生态系统中去。用于机床与生产环境内外围的IT系统的连接 （生产过程执行系统MES、企业资源计划ERP、云端……）。umati的核心在于通过一种基于通信规范OPC统一架构（UA）的信息模型提供一种标准化的语义。umati支持机床生产商和用户的特定扩展，提供的规范不仅适用于德国，而且支持全球的用户。
无锡微茗智能科技有限公司总经理魏振南先生在展会上接受笔者采访时便表示：“目前，厂商分散、协议众多；工艺不同、厂商不同、种类多、数量大；各业务系统对工业制造数据信息需求不同；车间布局比较分散等是阻碍联网的主要问题。不同的协议之间各自为政，很难实现一种协议统一的局面，此时需要的是一种完全中立的平台来进行转化。”
工业4.0的通用语言
工业通信分为互联（硬件接口的连接）、互通（软件层面的数据格式与规范）、语义互操作（语义的定义与规范）几个层面，各种总线解决的是连接问题，互通解决了应用层的匹配，而OPC UA则解决不同系统之间的语义的互操作-包括应用行为与动态功能。
“OPC UA不是一种协议，而是一种信息模型。”OPC基金会中国区首席代表张誉说道，“OPC UA首先且最重要的是一种信息模型。当然，它还是一种用于连接客户端和服务器的协议，但OPC UA的优势在于地址空间，正是这一点使得OPC UA成为通用应用接口。”OPC UA提供了一个封装信息模型的标准，让信息在不同的平台间实现畅通无阻的交换，让平台之间实现零成本零耗时的无缝对接。
为了解决工业现场数据通信标准不统一的问题，OPC基金会发起了OPC UA技术架构的开发与应用工作。OPC UA采用基于语义和面向服务（SOA）的架构，它以统一的架构与模式，既可以实现设备底层的数据采集、设备互操作等的水平信息集成，即设备与设备之间的横向通讯。而且，OPC UA还可以实现设备到SCADA，SCADA到MES、设备与云端的垂直信息集成，也就是纵向的通讯。OPC UA最大的优势就在于其独立于平台，并能确保来自多个厂商的设备之间信息的无缝传输。
现阶段一些主流的自动化厂商和顶级的IT公司如华为、Microsoft、CISCO等都成为了OPC UA的支持者，以及协会组织如OMAC、Euromap、Automation ML、ISA、FDT/DTM、MTConnect、BacNet。全球主要的现场总线基金会如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII均积极支持参与OPC UA的融合与开发工作。德国工业4.0组织和美国工业互联网组织IIC更是将OPC UA列为了实现语义互操作的标准规范。
视点：标准是世界的通用语言
在数字化的推动下，未来工厂将具备互联、有序并且能够实现远程自我优化等特性，前提是，机床、刀具、系统、测量甚至是夹具，都要提供必要的数据来支撑。因此，未来制造业只有一个关键词，那就是”互联“。任何机器，不论它来自德国、中国还是美国，不论在何种生产环境中，都需要实现与任意系统的相联。
如何实现互联互通？那就是统一通讯标准，但是统一标准很难，并且未来也不可能出现一家独大的标准。作为世界各国战略布局的要点，工业通讯标准也是大国利益诉求和博弈的焦点。在全球化的今天，我国如果不加紧制定与完善机床行业相关通讯标准，必然会在发展上再次落后。
无论是机床行业的通讯协议标准还是面向工业领域的其他通讯标准，短期内都还是无法完成统一的，迈向完全整合还须一段时间。而机床行业通讯标准的建立，也绝不仅仅是一个国家、一个协会的事情。在这里，小编呼吁更多的大企业“坐下来”，推进标准统一，加强开放合作。
本文参考：
面向智能制造的数控系统
作者：上海同济大学中德学院樊留群，沈阳机床（集团）设计研究院有限公司上海分公司黄云鹰、朱志浩
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