为数控机床“筑路”：走进MTConnect的前世今生

    在中国有句老话：“要想富，先修路。”现实生活中交通的高效运行会提高人流、物流等生产要素的流通效率，进而助力整个经济系统的发展。同样，在虚拟的数字世界中，只有为数据的流通交互提供一个高效的网络，才能释放出其巨大的能量。可惜，这样的数据交互网络，在数控机床领域一直走的并不那么顺利。

MTConnect的诞生与发展

    为工业领域的数据交互“筑路”的想法，其实早已有之。上个世纪70年代，随着可编程逻辑控制器（PLC）和自动化技术的发展，数控系统的管理由传统的集中式控制逐渐走向网络化、复杂化的分布式控制结构。由于在数控机床应用上，主要通过宏程序以串口的方式输入指令，在数据采集输出上并没有形成统一的函数标准。另一方面，机床品牌的多元化也导致系统内数据格式存在着很大的差异性，使设备之间的数据信息难以实现共享。为了解决机床数据难以交互、数据格式不兼容的问题，美国机械制造技术协会（The Association For Manufacturing Technology, AMT）在2006年提出了数控设备之间的数据交换标准协议MTConnect（目前版本号为ANSI/MTC1.4-2018）。

    虽然当初AMT的设想是将MTConnect协议用于包括PLC、机械臂、测量设备在内的所有数控设备，但从MT（machine tool）的命名方式可以看出，MTConnect主要用于数控机床，通过标准化的方式使数据交互保持一致性。因此在数据传输上，MTConnect针对机床组件的主要数据，如轴的实际位置、实际速度、旋转模式、主轴速度、进给率；控制器的运行模式、刀具号、程序运行状态、当前执行行号、急停状态；系统的电源、液压、气动、冷却、润滑；接口的任务信息、加载工件、卸载工件、安全门状态等进行了格式编码，方便用户即插即用减少集成的开销。这些数据可以分解为两部分，第一部分主要提供像序列号和创建日期等协议相关信息；第二部分则按照MTConnect的定义划分为组件、数据流、数据资产和错误信息四类相关内容。 

    相较于其它协议而言，MTConnect协议主要包含以下特点：

    1、MTConnect基于XML(可扩展标记语言)，提供广泛认可的、易于交互的、机器可读的数据；

    2、MTConnect采用HTTP作为数据传输协议，并兼容了整个生产操作中使用的其他标准，因此在软件应用程序和设备中保持高级别的互操作性，HTTPS以加密形式传输也保证了数据的安全性；

    3、MTConnect源代码对Linux免费开放，提供了用于建模和组织数据的方法解释来自各种数据源的数据，从而降低开发应用程序的复杂性和工作量。

    基于上述特点，MTConnect为数控机床厂商提供了一个即插即用、标准的、开放的数据传输协议，提升了数控机床的数据交互和采集能力，降低了数控机床的部署成本，提升了产品竞争力。对于用户而言，基于MTConnect可以快速对数控机床进行升级改造，使原有的机床不再是一个“哑设备”，实现车间内数控设备之间的互联互通，提升工厂生产效率。

    因此，MTConnect推出之后立刻得到了北美众多知名数控厂商的推崇，在哈斯（Haas）、格里森（Gleason）等为代表的美国机床厂商中迅速采用，随后日本的部分机床厂商如马扎克（MAZAK）、大隈株式会社（Okuma）等紧跟脚步，支持MTConnect协议的应用。根据MTConnect的官网数据显示，目前已有超过400家各类数控设备企业及研究机构加入到MTConnect标准中，并成为了标准委员会的会员。

群雄逐鹿争食市场蛋糕

    但是MTConnect的出现并没有统一数控机床协议的“江湖”。正所谓一流企业定标准、二流企业做品牌、三流企业卖产品。尽管在AMT的推动下，包括通用电气在内的许多美国企业将MTConnect协议作为采购设备时的强制性标准，但作为机床工业强国的日本、德国显然并不希望完全受限于别人制定的标准之下，例如在中国拥有大量客户的发那科（FANUC）、西门子（Siemens）采用的便是自身FOCAS和OPC UA协议。

    这其中一个很重要的原因是，这些机床厂商在经过多年的市场实践应用下，已经建立了自身专属协议标准，改为支持MTConnect意味着需要已有客户在自身专属协议的函数库上进行一层封装，这个过程中不可避免的将损失一部分数据内容。因此，从数据采集的层面看，虽然MTConnect标准化协议易于用户部署、提升了数据交互能力，但从可采集的数据量方面，MTConnect相较于其它专属协议如发那科FOCAS而言则少了许多。对于发那科等已有成熟协议的机床厂商而言，改用MTConnect协议无疑是一件吃力不讨好的事情。

    在通用协议领域，MTConnect也面临着一个强大的竞争对手OPC UA。我们知道以德国为代表的欧洲国家一直致力于推动工业4.0发展，希望以OPC UA实现从底层数控设备→SCADA→MES→云端的完整数据交互链，这其中自然也包括数控机床。虽然从目前看OPC UA更适用于PLC，不像MTConnect聚焦于数控机床拥有标准化的语义定义，但从支持对象上OPC UA更加丰富，在拓展性上更具有优势。

    即使在中国，为了数控机床领域的长远发展，国内中国机床工具工业协会等组织也在2016年5月17日成立了“数控机床互联通讯协议标准联盟”，在借鉴MTConnect的基础上推出了我国自主数控机床协议NC-Link，这也进一步加剧了国内数控机床协议“群雄逐鹿”的局面：从国内市场应用的角度看，目前既有MTConnect、NC-Link等通用性开放协议，又包含不同厂商自身的专属协议。因此在中国庞大的市场蛋糕面前，MTConnect目前的市场占有率也仅约20%。

走向尚不明朗的未来

    面对条条通向罗马的大路，但实际上却有着各自的交通规则，用户在进行数控机床联网与数据整合时，难免需要联合系统集成商根据不同的协议标准，采用适配器进行协议转换，为彼此的“路”牵线搭桥。在这方面，MTConnect自身也与OPC等其它协议标准组织合作，使双方协议可以直接兼容到对方协议中，让数据能够更方便的汇聚。从长远的角度看，以MTConnect为代表的标准化、开放协议能够降低数控机床的集成成本，帮助用户高效的实现设备之间的互联互通，但在拓展MTConnect协议的数据采集量，深挖数据信息方面，MTConnect还有一段很长的路要走。未来数控机床协议的标准如何统一、由谁统一尚未可知，还需要等待市场的验证。

致     谢

    本文在撰写过程中，得到了兰光创新董事长朱铎先、微茗智能总经理魏振南、马扎克（MAZAK）经理汪斌良、牧野机床经理马付麟的指导与帮助，在此深表感谢！