面向智能制造的“数控机床互联通讯协议NC-Link”

以智能制造为主导的新一代工业体系，核心关键技术是建立数控机床的信息物理系统（CPS）模型，而与数控机床互联是构建数控机床的CPS模型的数据来源基础。针对国内以智能制造数据驱动的创新应用，开展了对国家标准“数控机床互联通讯协议NC-Link”的研究，以及研究基于NC-Link的智能化、信息化的应用范围和现状，为国内工业领域的多源异构数据融合的智能制造应用发展提供一些借鉴。1

序言装备制造业被视为国家战略性产业和综合能力的重要体现。目前伴随着智能AI、工业大数据、云计算和物联网等技术的发展和进步，智能制造逐步成为装备制造业高质量发展的新方向。制造业数字化、网络化、智能化是新一轮工业革命的核心技术。信息物理系统（CPS）模型是新一轮以智能制造为代表的科技革命中，发展智能制造方向的核心技术之一。信息物理系统核心在于“Cyber”和“Physical”互联通信，处理和存储大量的多源异构系统数据、支持高效稳定的数据通信、动态资源与能力的精准协调以及自适应控制等功能。该系统具备高度自主认知、自主诊断、自主调整和主动控制功能，可实现虚拟世界与物理世界协同、连接，并作为智能系统的关键支撑。

数控机床是装备制造业的工业“母机”，是制造业基础技术和现代化装备的重要内核，是强大我国国防军工科技力量的战略装备，在装备制造业中扮演着举足轻重的核心角色。在智能制造体系之中，数控机床的信息物理系统模型是核心基础技术之一。利用数控机床的信息物理系统模型来管理工业大数据，运用数据驱动的思想和策略在实践中逐渐成为共识，数控机床互联通信协议则是建立数控机床的信息物理系统模型的必要途径和基础。“数控机床互联通讯协议NC-Link”根据数控机床的信息物理系统模型定义制定，为其提供可靠的数据项定义，进而保证数据交互。NC-Link是国内全新的数控机床数据通信协议，是国内自主创新，目前国内暂无其他类似的相关项目标准。2

典型的互联通信协议国际众多制造企业都具有大量多源异构数控机床设备，它们的通信协议和数据传输方式类型杂多，多种设备的互联是众多制造企业在进行数字化、网络化和智能化转型过程中遇到的重要困难。伴随多型异构数控机床互联通信的需求愈加强烈，数控机床互联通信协议标准也受到了全世界制造企业的重视。目前，国际上应用较为广泛的典型数控机床互联通信协议是OPCUA通信协议和MTConnect通信协议。2.1

OPCUA协议标准OPCUA是一种工业自动化标准，由OPC基金会于2008年发布。它独立于平台之外，主要为装备制造工厂和装备制造企业之间的数据交互提供一种互通性的通信标准。最新发布的OPCUA相比传统的OPC技术具备更强的通用信息建模能力、更好的通信传输性能及跨平台等特点，让数据采集、信息模型化以及设备层与企业层面之间的通信更加安全、可靠。

OPCUA是一种开放的数据标准，和目前国际协议相比较，它在PLC上的应用更加宽广，支持的设备和拓展性也更为强大，因此众多制造企业将该协议采纳为工业通信的解决方案，Siemens、FANUC、ABB及EMERSON等企业也对OPCUA应用程序进行研发、实践和验证。

因为OPCUA在通信过程中的实时性有较大的限制，不能满足工业现场高时效的信息数据通信的场景，故将其和TSN（Time-SensitiveNetworking，时间敏感网络）相结合，形成“OPCUAoverTSN”的数据通信模式，适应目前的工业现场对实时性要求较高的需求。“OPCUAoverTSN”模式在工业领域上的应用和发展还处于雏形，但随着大量的工业企业、芯片企业和ICT企业对此通信模式的试验、研发和融合，目前成功为数控机床的数据采集、传输构建了更加成熟和高效的通信模式，为工业智能制造多种应用发展提供了关键性因素，例如生产监控、可视化数据管理、预测性维护和远程运维等。而OPCUA已经是工业4.0与工业互联网的核心通信层面协议之一，进一步融合TSN以后，TSN-OPCUA架构将更加强大，有望成为工业互联网与计算机智能控制领域的超级标准。

2.2

MTConnect协议标准MTConnect协议标准是由美国制造技术协会提出的数控机床的标准化通信协议，主要是针对数控机床的数据交互所制定的标准化协议。与目前常见的通信协议相比，MTConnect特点鲜明，具有更强大的可读性和兼容性，采用XML技术，便于设备之间的数据交互和读写。MTConnect的数据传输协议使用的是HTTP方式，对整个加工生产过程中的传输协议标准实现兼容。MTConnect作为在Linux系统上实现的通信协议，通过其语义模型，为数据建模和数据交互提供了策略和方向，是目前多源异构设备的数据互通的基础。通过MTConnect标准将数控机床与互联网连接起来，从而可以通过互联网来查询机床实时数据，实现数控系统、设备和应用软件之间更广泛的交互操作。

目前，MTConnect协议被全世界众多的工业设备采用。例如，美国通用电气公司采购的数控设备均需对MTConnect协议进行支持和兼容；Mazak公司推动使用MTConnect协议支撑智能制造应用和方案；NUM公司开发NUMConnect通信接口兼容MTConnect协议标准；FANUC公司所开发的数控机床通信协议FOCAS，也进行了对MTConnect协议的兼容。3

NC-Link整体介绍“数控机床互联通讯协议NC-Link”是由中国机床工具工业协会牵头，由多家企业、研究机构和高校共同研发制定的基于新一代信息通信技术的工业现场互联互通的统一性标准[5]。

我国自主研发的NC-Link，与MTConnect、OPCUA成为机床数字化通信三大标准，是国内首个也是唯一一个数控机床互联通信协议标准。相比于OPCUA，NC-Link更加聚焦于制造装备（机床及机器人），在服务器配置及信息建模方面更加便捷；相比于MTConnect，NC-Link支持对工业现场设备的反向控制，具备毫秒级实时流数据的响应能力，更加符合工业现场对实时性的要求[6]。

3.1

NC-Link系统架构NC-Link体系架构由设备层、协议层和应用层组成，如图1所示。数据的通信方式可以是“设备层-协议层-应用层”，也可以是“应用层-协议层-设备层”。

图1

NC-Link体系架构

1）设备层代表的是工业设备，包含数控机床、数控系统和机器人等，输出基础的数据信息。2）应用层是数据接受层，也是数据的最终使用层，实现对数据的应用和分析。3）协议层要包括协议适配器和协议代理器，其中协议适配器可以从协议代理器获取下行的控制数据信号，再将控制数据信号传递给对应的数控机床。协议代理器可以通过把协议适配器上采集的数控机床数据信号传递给请求端，或接收应用系统数控机床的控制数据信号，从而进行双向通信。NC-Link对数控系统种类和品牌没有限制，支持与协议适配器的连接通信，实现了多源异构数控机床的软硬件普适性和可继承性。NC-Link采用以太网TCP/IP将适配器、代理器和应用平台进行数据通信，支持众多的通信协议的集成，是一种扩展性强大、数据传输稳定和高时效性的通信协议。

3.2

NC-Link模型文件NC-Link的主要技术基础就是设备模型的建立，以确定数控机床的数据类别和格式。数控机床的设备模型包含模式文件和模型文件两种。（1）模式文件

模式文件是NC-Link协议中对数控机床模型进行解析的基础文件，描述了数控机床模型中的Schema文件，但是在数据通信时候不会以该文件作为基础，只会在数控机床模型文件生成时作为依赖。（2）模型文件

将模式文件作为基础，实现数控机床数据化和具体化，是数控机床数据交互的语义模型。模型文件的基础是模式文件，但是不需要涵盖模式文件的所有内容。NC-Link中模式文件与模型文件的关系如图2所示，模式文件是模型文件的基础和依赖条件，而模型文件的语义模型又可以协助模式文件进行校验，实现其准确性。图2

NC-Link模式文件与模型文件关系

NC-Link的模型文件通过面向对象方法将数控机床实例化分为根对象、设备对象、组件对象、数据对象和采样通道对象等。模型文件通过树状结构的方式，对数控机床实例化进行了解析，如图3所示。NC-Link协议的模型文件中的设备模型结构清晰简明，是整体模型文件体系的基础。图3

NC-Link设备模型

3.3

NC-Link模型数据NC-Link模型数据同样也是按照面向对象方法，按照拓扑结构路径建立。建立的结构主要按照“根对象-设备对象-组件对象-数据对象”方式。而根对象、设备对象、组件对象和数据对象之间的关联关系如图4所示。图4

数据对象与引用关系

1）根对象是数控机床模型数据中的终层对象。2）设备对象的作用是数控机床模型数据中对数控机床的结构、设置和基础数据等进行解析。3）组件对象的作用是数控机床模型数据中对设备对象的部件和各元器件进行解析，表述其部件和各元器件之间的层次结构。组件对象可以由子组件对象组合构成，和其真实物理系统进行映射。4）数据对象的作用是数控机床模型数据中对子对象的数据参数进行解析，设备对象和组件对象均有其对应的数据对象。5）采样通道对象是对特定数据项的引用，是数据对象的组合关系对象，用来描述采样数据项、内部采样周期和上传周期[7]。

3.4

NC-Link与主流通信协议比较通过研究NC-Link通信协议，和目前国际通用热门的数据通信协议进行比较，结果见表1。

表1

OPCUA、MTConnect和NC-Link比较MTConnect和OPCUA数据通信协议在面对工业场景高频数据通信需求的时候，有较高的局限性。NC-Link便应运而生，其在实现互联互通的基础上，使用JSON数据格式描述数控装备信息模型，解决了高频数据采集的问题[8]。4

基于NC-Link的智能制造应用基于NC-Link协议，打造面向装备制造业的数字化、网络化和智能化应用平台，解决因为多源异构工业设备造成的“信息孤岛”问题，实现多种设备的互联，完成多源异构数据的融合和组织，可为工业生产监控、车间数字化管理、设备远程运维和刀具智能管理等智能应用提供有力的数据基础和保障。4.1

基于NC-Link的工业互联网平台iNC-Cloud基于NC-Link的工业互联网平台iNC-Cloud体系架构如图5所示。针对工业互联网平台iNC-Cloud的工业互联网平台层面的调研和解析，主要包含边缘层、工业级IaaS能力层、PaaS层和通用SaaS能力层等。图5

基于NC-Link的工业互联网平台iNC-Cloud边缘层利用边缘计算、NC-Link数控装备互联通信协议、标识对象及智能网关等关键技术提高数据采集协议兼容、设备上云和数据安全能力，实现企业内部纵向集成。IaaS层提供数据中心基础设施和标识解析基础设施等。PaaS层通过大数据管理平台、大数据应用平台和标识解析系统等，提供机床行业统一编码标识解析服务，赋予机床行业企业关键设备、部件、产品以及数据等资源唯一身份“标识”，实现各环节、各企业间信息对接与互通。SaaS层建立机床行业一物一码、产品溯源、数据共享、产品全生命周期管理和预测性维护等典型应用，实现企业间横向集成，形成机床行业企业协同、价值共享和产业集群。工业互联网平台iNC-Cloud可以向下实现对工业设备数据的采集和管理，也可以向上支持对工业设备领域的系统应用的需求，为其提供稳定可控的数据服务，具备完善的资源管理与平台服务能力。对促进机床行业新一代人工智能技术集成与应用，推动我国机床行业工业互联网发展具有重要意义。

4.2

基于NC-Link的边缘计算微服务操作系统基于NC-Link的边缘计算微服务操作系统实现了边缘端操作系统重构，降低了系统复杂度，减少了依赖组件，实现了边缘微服务操作系统的部署简便化、维护可视化和自动化，以实现系统对工业环境的适配。边缘平台智能运维系统界面如图6所示，通过建立基于NC-Link协议的面向边缘端多源异构数控装备数据的兼容接口，达到统一接口形式、简化设备接入和简化应用开发的目的，提供数据增强服务的支持，分析各类应用的数据需求，构建以边缘微服务模块为基本组成的数据派生服务和接口。该种模式在保证数据模型稳定性的同时，提供强大的数据服务能力。针对工业实际需求，可开展边缘计算微服务轻量化编排模块产品化，突破传统微服务编排工具的局限，降低现场操作人员的编程能力门槛，实现组态可视化服务开发编排，提升平台开发效率，降低使用难度。图6

边缘平台智能运维系统界面该系统可实时采集设备加工过程的位置、电流和进给速度等数据，提供图形化的实时数据可视化，以及加工过程的实时三维仿真和加工现场的实时视频监控，界面如图7、图8所示。图7

边缘平台设备模拟仿真界面

图8

边缘平台设备监控界面5

结束语数控机床互联通信协议是建立数控机床信息物理系统模型的基础，也是实现智