【干货】面向智能制造的数控系统

    随着德国工业4.0的提出，智能制造成为制造技术发展的主攻方向。中国制造2025和美国工业互联网等都从国家的战略角度明确了智能制造的核心地位，并且相互间技术的交流与标准融合不断加深。特别是我国从制造大国向制造强国的转型更加迫切，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，成为实现中国制造2025目标的关键，其中十大重点领域就包括高档数控机床和机器人，所以面向智能制造的数控技术成为需要优先解决的重要课题。

    实现智能制造的核心是信息处理和物理过程的深度融合，传统制造过程主要是在实体空间依靠生产设备制造产品，设备和过程本身很少或不产生数据，即使很少的数据信息也处于割裂状态，制造效率和自动化程度的提高主要靠物理设备。随着网络信息技术的发展，逐步发展为通过物联网和互联网进行人与人、人与机、机与机的协同和交互模式，进一步建立物理设备和过程的数字模型，不断进行仿真和优化，提高生产效率和效益，这就是所谓的CPS(Cyber Physical Systems)信息物理融合系统。面向智能制造的数控系统必然是以CPS为基础构建，它不再仅仅是机床设备的控制系统，而是成为工厂甚至整个智慧城市的一个智能节点。

    实现智能数控的技术路线

    什么是智能制造目前还没有统一的认识，相关文献主要从智能制造具有的特征方面来描述。1988年日本通产省( MITI) 提出智能制造系统(intelligent manufacturing system，IMS) 的设想，1989年形成国际合作项目正式文件，旨在21世纪全球化的大趋势下通过国际合作共同研发新一代制造系统，迎接新世纪全球变化的挑战。20 世纪90年代IMS项目对未来工厂的构思，已经大致涵盖今天智能制造的内涵。

    智能制造是一个系统，它不仅仅是智能技术的组合，也不仅仅局限在生产制造的业务领域，它是以融合了当前最新技术，贯穿研发、制造、客户服务等的全价值链领域。所以数控系统的智能化就不能仅仅从制造环节本身考虑，提高其工艺柔性、质量和效率，还要从整个系统的角度考虑。特别是我国数控系统厂商和研究机构，在传统制造技术本身落后于先进发达国家，如何在新模式和理念的引导下实现超越成为数控系统发展的新路径。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突破点。如何发挥中国的互联网和制造融合的优势将会成为制造业转型升级的重要路径。

    在中国信息物理系统白皮书中提出的构成CPS的四大核心要素，“一硬”( 感知和自动控制)、“一软”(工业软件)、“一网”(工业网络)、“一平台”(工业云和智能服务平台)，通过状态感知、实时分析、科学决策、精准执行四个过程解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化(图1)。状态感知就是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态；实时分析就是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化；科学决策就是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享；精准执行就是通过控制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应。CPS具有明显的层级特征，小到一个智能部件、一个智能产品，大到整个智能工厂都能构成信息物理系统。信息物理系统建设的过程就是从单一部件、单机设备、单一环节、单一场景的局部小系统不断向大系统、巨系统演进的过程。CPS分为单元级、系统级、系统之系统SoS(System of Systems)级三个层次。虽然数控机床可看成由多个具有单元级的主轴单元、进给单元以及冷却系统等单元组成，但这些单元在系统中不具独立承担任务的功能，所以将数控系统看成单元级CPS更容易理解制造系统及制造生态系统的三层架构。

    图1 CPS本质

    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。在制造业，互联网和新经济模式如何落地？如何适应“分享经济”将会成为一个重要的研究内容。

    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，所以以CPS架构研发面向智能制造的数控系统，并以此构建起制造生态系统是实现智能制造的可行路线。

    数控系统的开放互联

    从19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。

    近年来，出现了不同结构层次的数控系统产品，包括全系统、半成品和核心软件，见表1。例如，德国的ISG公司仅提供数控软件知识产权，由用户自行配置或二次开发形成自己品牌的数控产品。美国国家标准与技术研究院NIST及其他开源组织可提供开源的LinuxCNC数控软件，用户可免费得到其源代码，并可在GNU共享协议下进行开发。德国的PA(Power Automation)公司、倍福(Beckhoff)公司则提供模块化的数控系统平台，由用户自行配置后形成自己品牌的数控产品。美国DeltaTau公司提供PMAC运动控制卡和相关软件，由用户开发组成自己的数控系统等。

    表2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2. 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：平台局限、防火墙穿透困难、OPC无法支持互联网、安全功能弱、数据完整性无法确保。

    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协议并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。

    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。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，其技术框架如图2所示。

    图2 OPC UA架构