連接機床的世界： 工業4.0的通用語言

在前不久的CIMT2019展會上,便設置了專門展區,用于展示數控裝備工業互聯通訊協議NC-Link標準的代理服務器、適配器、數控系統及相關軟件等全套解決方案。NC-Link目前支持數控機床、機器人、AGV小車、PLC等數控裝備,具有廣泛兼容性。

NC-Link協議支持單個數控裝備、智能產線和智能工廠的數據交互。該標準的研制為我國數控機床互聯互通建立了一套統一的標準,對智能工廠、智能車間的建設、智能生產的推進將帶來巨大的作用。

隨著NC-Link協議的推出,標志著通訊協議的大營中再添一將大員,但機床聯網的通信協議也如整個工業控制領域的通信協議一樣,品種門類繁雜而凌亂。上海維宏電子科技股份有限公司副總經理趙東京先生曾對記者表示,“目前國內多數廠商應用的通訊協議都還是來自于國外,雖然國內已經開始相關協議標準的建立工作,但是還處于起步階段。”因此,實現通訊協議的統一是實現智能制造的前提之一,但在這一方面,國內外差距懸殊。

繁雜而凌亂的通信協議

數控系統的互聯方式從最早的串行通信逐步升級為以太網通信。不同類型(品牌)的數控系統的通訊端口、通訊協議千差萬別。

在不同的時期,不同的階段,數控系統廠家設計并提供了面向不同應用目標的通訊方式和通訊協議。

第一階段,I/O方式用于和其他設備進行握手和工作協同。

第二階段,串口通訊時期,主要是由于數控系統內存偏小,在遇到大程序時進行在線的NC文件下載,即最基礎的DNC功能,這種方式由于其技術門檻低,簡單、易行、低成本而被國內數控廠商所廣泛使用,但是這也同時限制了國內數控系統對于網絡技術的應用,功能極為有限。

第三階段,類似Fanuc、Siemens等中高端數控系統都配備了以太網接口。

第四階段,通訊設計出現了OPC UA和MTConnect等面向互聯網應用的協議設計。

互聯方式的變化更迭本身是帶來便利的,但是,不同的通訊標準又造成了新的壁壘,同一標準設備可以互聯,而不同總線設備則無法互聯。在制造過程中只有真正實現了機床與機床,機床與人之間的對話,才能進入互聯階段。

當公司從廠商A處購買一臺機器,從廠商B購買另一臺機器時,人們期望機器應該易于通信,而不需要實施大量工程才能實現通信。面對標準化通信和互操作性所帶來的挑戰,是否會有一個統一的標準出現取代所有過往標準？

以OPC UA為基礎的機床互聯行業標準

早在2006年,美國機械制造技術協會(AMT)提出了數控設備互聯通訊協議(MTConnect協議),用于機床設備的互聯互通。據了解,在小巨人公司生產現場便可以看到,所有加工設備運行狀態數據通過全球通用的通信協議MTConnect,連接到馬扎克特有的SMOOTH MONITOR AX監控系統,由SMART BOX為網絡和信息安全保駕護航,從而實現數據的收集、分析和反饋,對生產過程進行改善和指導。

2013年,OPC基金會與AMT協商將MTConnect協議與OPC UA進行兼容。由此,MTConnect協議與OPC UA協議在業內受到了廣泛關注。而中國機床互操作標準NC-Link,便是綜合借鑒了OPC UA和MTConnect的特點。為雙向通信協議(可讀可控),支持塊數據傳輸。

目前,各個數字控制器的制造商都使用各自的專有語言,而這已經不能滿足客戶日益增高的要求。對很多企業來說,開放式接口是一大障礙。為了促進機床制造商的互相協作,德國機床制造商協會(VDW)與其核心會員企業攜手,正致力于構建一個以OPC UA為基礎的機床互聯行業標準。VDW希望,通過該標準,能建立一種通用語言,用一種通用標準格式提取機器中的數據,然后導入例如ERP或MES系統,從而為客戶創造更多價值。

umati應用而生,他是一種通用接口,可便捷安全地把機床(WZM)和設備無縫連接到客戶端或用戶端的IT生態系統中去。用于機床與生產環境內外圍的IT系統的連接(生產過程執行系統MES、企業資源計劃ERP、云端,…)。umati的核心在于通過一種基于通信規范OPC統一架構(UA)的信息模型提供一種標準化的語義。umati支持機床生產商和用戶的特定擴展,提供的規范不僅適用于德國,而且支持全球的用戶。

工業4.0的通用語言

工業通信分為互聯(硬件接口的連接)、互通(軟件層面的數據格式與規范)、語義互操作(語義的定義與規范)幾個層面,各種總線解決的是連接問題,互通解決了應用層的匹配,而OPC UA則解決不同系統之間的語義的互操作-包括應用行為與動態功能。

“OPC UA不是一種協議,而是一種信息模型。”OPC基金會中國區首席代表張譽說道,“OPC UA首先且最重要的是一種信息模型。當然,它還是一種用于連接客戶端和服務器的協議,但OPC UA的優勢在于地址空間,正是這一點使得OPC UA成為通用應用接口。”OPC UA提供了一個封裝信息模型的標準,讓信息在不同的平臺間實現暢通無阻的交換,讓平臺之間實現零成本零耗時的無縫對接。

為了解決工業現場數據通信標準不統一的問題,OPC基金會發起了OPC UA技術架構的開發與應用工作。OPC UA采用基于語義和面向服務(SOA)的架構,它以統一的架構與模式,既可以實現設備底層的數據采集、設備互操作等的水平信息集成,即設備與設備之間的橫向通訊。而且,OPC UA還可以實現設備到SCADA,SCADA到MES、設備與云端的垂直信息集成,也就是縱向的通訊。OPC UA最大的優勢就在于其獨立于平臺,

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