從19世紀(jì)50年代第一臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)到現(xiàn)代開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，期間經(jīng)歷了多次重大變化，但是這些變化都局限在單機(jī)的功能和單元技術(shù)的革新和升級(jí)。設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展緩慢。

近年來(lái)，出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，包括全系統(tǒng)、半成品和核心軟件，見(jiàn)下表。例如，德國(guó)的ISG公司僅提供數(shù)控軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)，由用戶(hù)自行配置或二次開(kāi)發(fā)形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)控軟件，用戶(hù)可免費(fèi)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(guó)的PA(PowerAutomation)公司、倍福(Beckhoff)公司則提供模塊化的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，由用戶(hù)自行配置后形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品。美國(guó)DeltaTau公司提供PMAC運(yùn)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(shù)控系統(tǒng)等。

下面的表格描述了數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)方式的變化：數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)方式從最早的串行通信逐步升級(jí)為以太網(wǎng)通信。不同類(lèi)型(品牌)的數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)廠家設(shè)計(jì)并提供了面向不同應(yīng)用目標(biāo)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(shè)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(guó)內(nèi)外廠商正在使用)，主要是由于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存偏小，在遇到大程序時(shí)進(jìn)行在線的NC文件下載，即最基礎(chǔ)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(guó)內(nèi)數(shù)控廠商所廣泛使用，但是這也同時(shí)限制了國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，功能極為有限。第三階段，類(lèi)似Fanuc、Siemens等中高端數(shù)控系統(tǒng)都配備了以太網(wǎng)接口，比如西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)提供基于OPC的標(biāo)準(zhǔn)化局域網(wǎng)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)采集和文件傳輸往標(biāo)準(zhǔn)化靠攏，但是這個(gè)階段的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)依然局限于局域網(wǎng)應(yīng)用，更多的還是基于傳統(tǒng)的DNC設(shè)計(jì)思想，這個(gè)時(shí)期的數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)功能主要針對(duì)數(shù)據(jù)上傳和下載(如備份/恢復(fù)，NC程序下載和上傳，參數(shù)設(shè)定等)以滿(mǎn)足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者局域網(wǎng)的互聯(lián)應(yīng)用目標(biāo)，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。

數(shù)控系統(tǒng)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總線等)抽象為標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過(guò)以太網(wǎng)向HMI/MES等系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)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(tái)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(shù)據(jù)完整性無(wú)法確保。

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

2、防火墻穿透困難，OPC通信在跨越計(jì)算機(jī)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(yán)重影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

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

4、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持弱，OPC無(wú)法支持類(lèi)似結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等復(fù)雜數(shù)據(jù)規(guī)范。

5、安全功能弱，類(lèi)似設(shè)備認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中非常重要的安全功能在老式OPC協(xié)議中并未設(shè)計(jì)。

6、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確送達(dá)，數(shù)據(jù)通信常常會(huì)因此損壞并無(wú)法找回。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，第四階段的通訊設(shè)計(jì)出現(xiàn)了OPCUA和MTConnect等面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的協(xié)議設(shè)計(jì)。

OPCUA為OPC基金會(huì)在原有OPC協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和升級(jí)，首先解決了操作系統(tǒng)平臺(tái)的依賴(lài)問(wèn)題，并且對(duì)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用提供了更多的支持。OPCUA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(yīng)用的新興通訊技術(shù)，其技術(shù)框架如圖2所示。

MTConnect是由美國(guó)機(jī)械制造技術(shù)協(xié)會(huì)(AMT)發(fā)起，聯(lián)合美國(guó)通用電氣等世界領(lǐng)先制造企業(yè)制定的開(kāi)源、免費(fèi)的機(jī)床通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在提升來(lái)自不同制造商、軟件商的制造裝備、設(shè)備和軟件應(yīng)用之間的互操作性。其技術(shù)框架如圖3所示。但是，各大數(shù)控廠商的系統(tǒng)架構(gòu)不同，參數(shù)、文件命名規(guī)范甚至操作系統(tǒng)都不盡相同，想要對(duì)數(shù)量龐大的數(shù)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范，并且使得數(shù)量龐大的類(lèi)似ERP、MES等客戶(hù)端廠商進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范并使得相關(guān)應(yīng)用得以協(xié)同工作依然是一個(gè)漫漫長(zhǎng)征路。

MTConnect協(xié)議僅僅針對(duì)客戶(hù)端與設(shè)備的通訊進(jìn)行了約定，但是并未對(duì)互聯(lián)網(wǎng)端的應(yīng)用及其協(xié)調(diào)互通接口進(jìn)行約定，其問(wèn)題的根本與OPCUA一樣，本質(zhì)上還是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊問(wèn)題解決，但是互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用需求不僅僅局限于此。因而MTConnect的協(xié)議需要一套云端應(yīng)用的規(guī)范來(lái)進(jìn)行合理的補(bǔ)充，才能夠使得數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得以真正順暢實(shí)現(xiàn)。