面向智能制造的數控系統

隨著(zhù)德國的提出，智能制造成為制造技術(shù)發(fā)展的主攻方向。和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等都從國家的戰略角度明確了智能制造的核心地位，并且相互間技術(shù)的交流與標準融合不斷加深。特別是我國從制造大國向制造強國的轉型更加迫切，著(zhù)力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，成為實(shí)現中國制造2025目標的關(guān)鍵，其中十大重點(diǎn)領(lǐng)域就包括高檔數控機床和，所以面向智能制造的數控技術(shù)成為需要優(yōu)先解決的重要課題。

實(shí)現智能制造的核心是信息處理和物理過(guò)程的深度融合，傳統制造過(guò)程主要是在實(shí)體空間依靠生產(chǎn)設備制造產(chǎn)品，設備和過(guò)程本身很少或不產(chǎn)生數據，即使很少的數據信息也處于割裂狀態(tài)，制造效率和程度的提高主要靠物理設備。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )信息技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展為通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行人與人、人與機、機與機的協(xié)同和交互模式，進(jìn)一步建立物理設備和過(guò)程的數字模型，不斷進(jìn)行仿真和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和效益，這就是所謂的CPS(Cyber Physical systems)信息物理融合系統。面向智能制造的數控系統必然是以CPS為基礎構建，它不再僅僅是機床設備的，而是成為工廠(chǎng)甚至整個(gè)智慧城市的一個(gè)智能節點(diǎn)。

實(shí)現智能數控的技術(shù)路線(xiàn)

什么是智能制造目前還沒(méi)有統一的認識，相關(guān)文獻主要從智能制造具有的特征方面來(lái)描述。1988年日本通產(chǎn)省( MITI) 提出智能制造系統(intelligent manufacturing System，IMS) 的設想，1989年形成國際合作項目正式文件，旨在21世紀全球化的大趨勢下通過(guò)國際合作共同研發(fā)新一代制造系統，迎接新世紀全球變化的挑戰。20 世紀90年代IMS項目對未來(lái)工廠(chǎng)的構思，已經(jīng)大致涵蓋今天智能制造的內涵。

智能制造是一個(gè)系統，它不僅僅是智能技術(shù)的組合，也不僅僅局限在生產(chǎn)制造的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，它是以融合了當前最新技術(shù)，貫穿研發(fā)、制造、客戶(hù)服務(wù)等的全價(jià)值鏈領(lǐng)域。所以數控系統的智能化就不能僅僅從制造環(huán)節本身考慮，提高其工藝柔性、質(zhì)量和效率，還要從整個(gè)系統的角度考慮。特別是我國數控系統廠(chǎng)商和研究機構，在傳統制造技術(shù)本身落后于先進(jìn)發(fā)達國家，如何在新模式和理念的引導下實(shí)現超越成為數控系統發(fā)展的新路徑?；诨ヂ?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(gè)非常重要突破點(diǎn)。如何發(fā)揮中國的互聯(lián)網(wǎng)和制造融合的優(yōu)勢將會(huì )成為制造業(yè)轉型升級的重要路徑。

在中國信息物理系統白皮書(shū)中提出的構成CPS的四大核心要素，“一硬”( 感知和自動(dòng)控制)、“一軟”(工業(yè)軟件)、“一網(wǎng)”(工業(yè)網(wǎng)絡(luò ))、“一平臺”(工業(yè)云和智能服務(wù)平臺)，通過(guò)狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準執行四個(gè)過(guò)程解決生產(chǎn)制造、應用服務(wù)過(guò)程中的復雜性和不確定性問(wèn)題，提高資源配置效率，實(shí)現資源優(yōu)化(圖1)。狀態(tài)感知就是通過(guò)各種各樣的傳感器感知物質(zhì)世界的運行狀態(tài);實(shí)時(shí)分析就是通過(guò)工業(yè)軟件實(shí)現數據、信息、知識的轉化;科學(xué)決策就是通過(guò)大數據平臺實(shí)現異構系統數據的流動(dòng)與知識的分享;精準執行就是通過(guò)控制器、執行器等機械硬件實(shí)現對決策的反饋?lái)憫?。CPS具有明顯的層級特征，小到一個(gè)智能部件、一個(gè)智能產(chǎn)品，大到整個(gè)智能工廠(chǎng)都能構成信息物理系統。信息物理系統建設的過(guò)程就是從單一部件、單機設備、單一環(huán)節、單一場(chǎng)景的局部小系統不斷向大系統、巨系統演進(jìn)的過(guò)程。CPS分為單元級、系統級、系統之系統SoS(System of Systems)級三個(gè)層次。雖然數控機床可看成由多個(gè)具有單元級的主軸單元、進(jìn)給單元以及冷卻系統等單元組成，但這些單元在系統中不具獨立承擔任務(wù)的功能，所以將數控系統看成單元級CPS更容易理解制造系統及制造生態(tài)系統的三層架構。

圖1 CPS本質(zhì)

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動(dòng)下，越來(lái)越多的新興商業(yè)模式不斷涌現。其中最具代表性的就是“分享經(jīng)濟”，它給我們帶來(lái)了基于分享模式的新業(yè)態(tài)，例如在汽車(chē)、房產(chǎn)等領(lǐng)域出現的APP打車(chē)、APP租房等互聯(lián)網(wǎng)的分享應用模式。在制造業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)和新經(jīng)濟模式如何落地?如何適應“分享經(jīng)濟”將會(huì )成為一個(gè)重要的研究?jì)热荨?/p>

智能手機的出現使得互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)爆發(fā)式的增長(cháng)，新興商業(yè)模式不斷出現，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)的應用和技術(shù)都離不開(kāi)通過(guò)智能終端與人建立的鏈接。而在機床行業(yè)中，鏈接人與設備的智能終端正是數控機床的大腦數控系統，所以以CPS架構研發(fā)面向智能制造的數控系統，并以此構建起制造生態(tài)系統是實(shí)現智能制造的可行路線(xiàn)。

數控系統的開(kāi)放互聯(lián)

從19世紀50年代第一臺數控系統出現到現代開(kāi)放式數控系統，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。設備的聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展緩慢。

近年來(lái)，出現了不同結構層次的數控系統產(chǎn)品，包括全系統、半成品和核心軟件，見(jiàn)表1。例如，德國的ISG公司僅提供數控軟件知識產(chǎn)權，由用戶(hù)自行配置或二次開(kāi)發(fā)形成自己品牌的數控產(chǎn)品。美國國家標準與技術(shù)研究院NIST及其他開(kāi)源組織可提供開(kāi)源的LinuxCNC數控軟件，用戶(hù)可免費得到其源代碼，并可在GNU共享協(xié)議下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。德國的PA(Power Automation)公司、倍福(Beckhoff)公司則提供模塊化的數控系統平臺，由用戶(hù)自行配置后形成自己品牌的數控產(chǎn)品。美國DeltaTau公司提供PMAC運動(dòng)控制卡和相關(guān)軟件，由用戶(hù)開(kāi)發(fā)組成自己的數控系統等。

表2描述了數控系統互聯(lián)方式的變化：數控系統的互聯(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(lèi)型(品牌)的數控系統的通訊端口、通訊協(xié)議千差萬(wàn)別。從表1還可以看出，在不同的時(shí)期，不同的階段，數控系統廠(chǎng)家設計并提供了面向不同應用目標的通訊方式和通訊協(xié)議。比如最早期的I/O方式用于和其他設備進(jìn)行握手和工作協(xié)同。在第二階段的串口通訊時(shí)期(其實(shí)這個(gè)技術(shù)目前還有很多國內外廠(chǎng)商正在使用)，主要是由于數控系統內存偏小，在遇到大程序時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)的NC文件下載，即最基礎的DNC功能，這種方式由于其技術(shù)門(mén)檻低，簡(jiǎn)單、易行、低成本而被國內數控廠(chǎng)商所廣泛使用，但是這也同時(shí)限制了國內數控系統對于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用，功能極為有限。第三階段，類(lèi)似Fanuc、Siemens等中高端數控系統都配備了以太網(wǎng)接口，比如西門(mén)子數控系統提供基于OPC的標準化局域網(wǎng)通訊協(xié)議，數據采集和文件傳輸往標準化靠攏，但是這個(gè)階段的系統設計及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計依然局限于局域網(wǎng)應用，更多的還是基于傳統的DNC設計思想，這個(gè)時(shí)期的數控系統網(wǎng)絡(luò )傳輸相關(guān)功能主要針對數據上傳和下載(如備份/恢復，NC程序下載和上傳，參數設定等)以滿(mǎn)足點(diǎn)對點(diǎn)或者局域網(wǎng)的互聯(lián)應用目標，但在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)時(shí)上述功能及其協(xié)議的形式卻又顯得有些捉襟見(jiàn)肘。

表2. 數控系統互聯(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(xiàn)等)抽象為標準化的接口，通過(guò)以太網(wǎng)向HMI/MES等系統提供標準化的連接通訊支持，這種面向局域網(wǎng)的通信存在如下缺點(diǎn)：平臺局限、防火墻穿透困難、OPC無(wú)法支持互聯(lián)網(wǎng)、安全功能弱、數據完整性無(wú)法確保。

1、平臺局限，跨平臺幾乎無(wú)法實(shí)現。OPC基于微軟的COM/DCOM技術(shù)開(kāi)發(fā)，只能運行于Windows系統，在如今工業(yè)控制領(lǐng)域流行的Linux等嵌入式平臺上無(wú)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)基礎面臨淘汰。

2、防火墻穿透困難，OPC通信在跨越計算機邊界時(shí)很難完成，用戶(hù)需要在防火墻中打開(kāi)很多端口才能夠讓DCOM通信穿越，這嚴重影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的安全性和可靠性。

3、對Web等互聯(lián)網(wǎng)應用的支持缺失，OPC無(wú)法支持互聯(lián)網(wǎng)，

4、數據結構支持弱，OPC無(wú)法支持類(lèi)似結構化數據等復雜數據規范。

5、安全功能弱，類(lèi)似設備認證、數據加密等網(wǎng)絡(luò )應用中非常重要的安全功能在老式OPC協(xié)議中并未設計。

6、數據完整性無(wú)法確保，在通信中斷或者異常時(shí)，OPC協(xié)議并無(wú)法確保傳輸數據的準確送達，數據通信常常會(huì )因此損壞并無(wú)法找回。

針對上述缺點(diǎn)，第四階段的通訊設計出現了OPC UA和MTConnect等面向互聯(lián)網(wǎng)應用的協(xié)議設計。

OPC UA為OPC基金會(huì )在原有OPC協(xié)議的基礎上進(jìn)行了擴展和升級，首先解決了操作系統平臺的依賴(lài)問(wèn)題，并且對互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應用提供了更多的支持。OPC UA通過(guò)隧道技術(shù)解決了網(wǎng)絡(luò )安全及防火墻穿透等問(wèn)題，并支持發(fā)布訂閱等面向互聯(lián)網(wǎng)應用的新興通訊技術(shù)，其技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 OPC UA架構

MTConnect是由美國機械制造技術(shù)協(xié)會(huì )(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(kāi)源、免費的機床通信標準，旨在提升來(lái)自不同制造商、軟件商的制造裝備、設備和軟件應用之間的互操作性。其技術(shù)框架如圖3所示。但是，各大數控廠(chǎng)商的系統架構不同，參數、文件命名規范甚至操作系統都不盡相同，想要對數量龐大的數控設備進(jìn)行統一的規范，并且使得數量龐大的類(lèi)似ERP、MES等客戶(hù)端廠(chǎng)商進(jìn)行統一規范并使得相關(guān)應用得以協(xié)同工作依然是一個(gè)漫漫長(cháng)征路。

MTConnect協(xié)議僅僅針對客戶(hù)端與設備的通訊進(jìn)行了約定，但是并未對互聯(lián)網(wǎng)端的應用及其協(xié)調互通接口進(jìn)行約定，其問(wèn)題的根本與OPC UA一樣，本質(zhì)上還是基于點(diǎn)對點(diǎn)的通訊問(wèn)題解決，但是互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應用需求不僅僅局限于此。因而MTConnect的協(xié)議需要一套云端應用的規范來(lái)進(jìn)行合理的補充，才能夠使得數控機床的互聯(lián)網(wǎng)應用得以真正順暢實(shí)現。

圖3 MTConnect架構

智能數控系統的發(fā)展

在工業(yè)4.0及“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，數控系統的未來(lái)發(fā)展與競爭出現了新的變化，在中國更多的競爭將會(huì )聚焦在如何利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，讓數控系統的計算能力獲得無(wú)限擴展，并且通過(guò)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的功能成為未來(lái)的重要趨勢。

1.數控系統智能化要求

圖4 數控機床智能化的需求

從制造技術(shù)本身來(lái)看，數控系統的智能化在如圖4的四個(gè)方面進(jìn)行：操作智能化、加工智能化、維護智能化和管理智能化。

機床在加工過(guò)程中通過(guò)采用各種傳感器，借助實(shí)時(shí)監控和補償技術(shù)，進(jìn)一步提高機床的性能。日本馬扎克、大隈等公司在智能化方面提供了許多先進(jìn)的技術(shù)，如主軸抑振、智能防碰撞等功能。沈陽(yáng)機床i5數控提供了基于特征的編程和圖形化診斷等功能。

2.基于云平臺的數控系統

在云計算的基礎上德國斯圖加特大學(xué)提出“全球本地化(glocalized)”云端數控系統，其概念如圖5所示，從圖中可見(jiàn)，傳統數控系統的人機界面、數控核心和PLC都移至云端，本地僅保留機床的伺服驅動(dòng)和安全控制，在云端增加通信模塊、中間件和以太網(wǎng)接口，通過(guò)路由器與本地數控系統通信。這樣一來(lái)，在云端有每一臺機床的“數字孿生(Digital Twin)”，在云端就可進(jìn)行機床的配置、優(yōu)化和維護，極大方便了機床的使用。實(shí)現所謂的控制器即服務(wù)CaaS(Control as a Service)。

圖5 云端數控系統的概念

數字孿生是指特定物理對象的數字鏡像，包括描述其幾何、材料、組件和行為的設計規范和工程模型以及其所代表實(shí)體特有的生產(chǎn)和運營(yíng)數據，成為形影不離的“伴侶”，是物理對象屬性及狀態(tài)的最新和準確的實(shí)時(shí)鏡像，包括形狀、位置、狀態(tài)和運動(dòng)。機床的數字孿生可在多個(gè)信息域同時(shí)存在，有多個(gè)“化身”，在產(chǎn)品設計階段承擔方案論證、結構和功能驗證以及性能參數優(yōu)化的作用;在構建工廠(chǎng)的規劃階段參與完成布局規劃、系統優(yōu)化模擬仿真等工作;在運行階段進(jìn)行加工狀態(tài)判斷和預測，實(shí)現機床的智能控制和預防性維護，直到產(chǎn)品報廢終結，甚至在其后還存在。

3.互聯(lián)網(wǎng)數控系統及其生態(tài)系統

在互聯(lián)網(wǎng)條件下，數控系統必須要成為一個(gè)能夠產(chǎn)生數據的透明的智能終端，讓制造過(guò)程及其全生命周期“數據透明”。通過(guò)智能終端的“透明”，實(shí)現制造過(guò)程的透明，不僅僅方便加工零件，同時(shí)產(chǎn)生服務(wù)于管理、財務(wù)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的實(shí)時(shí)數據，實(shí)現設備、生產(chǎn)計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務(wù)、銷(xiāo)售、庫存等一系列生產(chǎn)和管理環(huán)節的資源整合與信息互聯(lián)。

沈陽(yáng)機床集團圍繞i5智能機床在世界上領(lǐng)先建立起了機床生態(tài)系統，圖6是i5智能機床關(guān)于數據產(chǎn)生和應用的示意圖，通過(guò)“透明”的i5智能系統，i5智能機床可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)，為上述管理過(guò)程提供精準的數據依據，成為新制造業(yè)態(tài)的基礎。

圖6 i5智能機床的數據產(chǎn)生及應用

圖7 基于iSESOL實(shí)現的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應用框架

iSESOL(i-Smart Engineering Services Online，是沈陽(yáng)機床旗下的公司研發(fā)的云制造平臺，例如云端產(chǎn)能分享平臺，用戶(hù)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(hù)無(wú)需購買(mǎi)設備即可快速獲得制造能力，通過(guò)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(guò)分享獲得利益最大化。無(wú)疑，這種模式將會(huì )成為制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+的一個(gè)重要形式。

圖7為基于iSESOL平臺的智能機床互聯(lián)網(wǎng)應用框架。所有的i5智能設備通過(guò)iPort協(xié)議接入iSESOL網(wǎng)絡(luò )，非i5的設備(如OPC UA終端或者M(jìn)TConnect終端)可以通過(guò)iPort網(wǎng)關(guān)接入iSESOL網(wǎng)絡(luò )。類(lèi)似ERP、MES、遠程看板等云端的APP應用通過(guò)iSESOL聚合的實(shí)時(shí)數據和訪(fǎng)問(wèn)接口實(shí)現對遠程設備的統一訪(fǎng)問(wèn)。iSESOL提供針對不同設備的數據字典映射統一不同設備的訪(fǎng)問(wèn)方式，云端APP只需通過(guò)標準的服務(wù)或者參數命名即可訂閱各類(lèi)事件和數據信息，實(shí)現統一的設備訪(fǎng)問(wèn)。最終用戶(hù)可以通過(guò)不同的終端安裝APP實(shí)現對設備的各類(lèi)互聯(lián)網(wǎng)應用。在這個(gè)平臺下建立的產(chǎn)能協(xié)同生態(tài)系統目前已接入機床幾千臺，目前日常聯(lián)機接入二千五百臺左右。

4 結論和展望

機床數控系統的智能化與網(wǎng)絡(luò )化是大勢所趨，基于CPS的理念引導智能數控系統發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )、平臺從整個(gè)系統的視角實(shí)現數控機床的智能化。

智能化的發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，目前對智能化還有不同的理解，也沒(méi)有普遍適用的解決方案。數控機床商業(yè)模式的創(chuàng )新和真正落地運營(yíng)就一定依賴(lài)于數控系統的智能化與網(wǎng)絡(luò )化。未來(lái)的數控系統將會(huì )越來(lái)越多地將互聯(lián)網(wǎng)的影響滲透到制造環(huán)節，通過(guò)數據的累積、傳輸和挖掘，將會(huì )誕生越來(lái)越多的智能化制造能力，透明和分享化將會(huì )為制造業(yè)帶來(lái)翻天覆地的變革。