以下文章来源于智造苑 ，作者小智

不管是OPC UA还是MTConnect，都是用于工业自动化和设备互联的标准协议，旨在促进制造业中不同设备和系统之间的通信和数据交换。这些标准让不同厂商的设备更容易互联，为工业4.0和智能制造提供了基础。今天，我们就来简单介绍一下设备互联标准。

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本文引自：《制造系统中的信息集成技术》（主编：张智海、杨建新，副主编：朱峰、李璠、黄毅、孙林、马俊杰）。由「智造苑」原创首发， 数字化企业经授权发布。

01

OPC/OPC UA

OPC是OLE for Process Control的缩写，即应用于过程控制的OLE。它是工业控制领域的一种标准的数据访问机制，为自动化行业不同厂家的设备和应用程序相互交换数据定义了一个统一的接口函数，以便于使用统一的方式去访问不同设备厂商的产品数据。

OPC标准基于Microsoft Windows技术，使用COM（component object model，组件对象模型）/ DCOM（distributed component object model，分布式组件对象模型）在软件组件之间交换数据。标准为访问过程数据、报警和历史数据提供了单独的定义：

（1）OPC Data Access (OPC DA)：OPC数据访问规范，定义了数据交换，包括值、时间和质量信息。

（2）OPC Alarms & Events (OPC AE)：OPC报警和事件规范，定义了报警和事件类型消息信息的交换，以及变量状态和状态管理。

（3）OPC Historical Data Access (OPC HDA)：OPC HDA规范定义了可应用于历史数据、时间数据的查询和分析的方法。

OPC标准已经很好地服务于工业企业。然而随着技术的发展，企业对OPC规范的需求也在增长。为了在工业自动化等行业安全可靠地进行数据交换，2008年，OPC基金会发布了OPC UA（OPC统一架构），这是一个独立于平台的面向服务的架构，集成了现有OPC Classic规范的所有功能，并且兼容上一代OPC。与此同时，OPC UA也为将来的开发和拓展提供了一个功能丰富的开放式技术平台（图1）。

图1 OPC与OPC UA

OPC UA系列标准共包括13个子协议，分为核心规范、访问类型规范及应用规范3个部分，其体系结构如图2所示。各部分内容简述如下。

图2 OPC UA系列标准结构

第1部分：概念和概述，给出OPC UA的概念和概述。

第2部分：安全模型，描述了OPC UA客户端和OPC UA服务器之间的安全交互模型。

第3部分：地址空间模型，描述了服务器地址空间的内容和结构。

第4部分：服务，规定了OPC UA服务器提供的服务。

第5部分：信息模型，规定了OPC UA服务器的类型及其关系。

第6部分：映射，规定了OPC UA支持的传输映射和数据编码。

第7部分：规约，规定了可用于OPC客户端和服务器的行规。这些行规提供可用于一致性认证的服务组或功能组。服务器和客户端将根据行规进行测试。

第8部分：数据访问，规定了使用OPC UA进行数据访问。

第9部分：报警和条件，规定了使用OPC UA支持用于访问报警和条件。基本系统包括对简单事件的支持，本规范对支持进行了扩展，可支持报警和条件。

第10部分：程序，规定了支持对程序进行访问的OPC UA。

第11部分：历史访问，规定了使用OPC UA进行历史访问，包括历史数据和历史事件。

第12部分：发现，规定了发现服务器在不同情况下如何工作，以及描述了UA客户端和服务器应如何进行交互。本部分也定义了如何使用通用目录服务协议（例如：UDDI和LDAP）访问UA相关信息。

第13部分：聚合，规定了如何计算和返回聚合，如最小值、最大值和平均值等。聚合可与基本（实时）数据和历史数据（HDA）一同使用。

OPC UA将各个OPC规范的所有功能集成到一个可扩展的框架中，独立于平台并且面向服务，这种多层级方法实现了最初设计统一架构规范时的目标。

02

MTConnect与NC-Link

20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。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，用于机床设备的互联互通。

MTConnect是一种数据和信息交换标准，它基于描述与制造操作相关的信息术语数据字典。该标准还定义了一系列语义数据模型，这些模型提供了该信息如何与制造操作相关联的清晰和明确的表示。

MTConnect标准基于可扩展标记语言(XML)，采用HTTP作为数据传输协议，并提供了与整个制造操作中使用的其他标准、软件应用程序和设备的最高级别的互操作性。利用MTConnect实现的制造软件系统可以用一个非常简单的结构来表示，如图3所示。

图3 MTConnect实现的基本结构

MTConnect标准共由5部分组成，各部分内容简述如下：

第1部分：概述和基础，提供MTConnect标准的概述，并定义了与该标准相关的所有文档中使用的术语和结构。此外该部分中还描述了代理提供的功能以及用于与代理通信的协议。

第2部分：设备信息模型，定义用于描述设备可提供的数据的语义数据模型，该模型详细说明了用于描述每个设备的结构和逻辑配置的XML元素。它还描述了制造操作中设备可能提供的每种类型的数据。

第3部分：流信息模型，定义组织从设备收集的数据的语义数据模型，并从代理传输到客户端软件应用程序。

第4部分：资产信息模型，概述了MTConnect资产和代理提供的功能，以传达与资产相关的信息，以及描述MTConnect标准文档中定义的每种类型的MTConnect资产的各种语义数据模型。

第5部分：接口，定义交互模型的MTConnect实现，用于协调制造系统中使用的设备之间的操作。

相较于其他协议而言，MTConnect协议主要包含以下特点：

（1）MTConnect基于XML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。

数控装备工业互联通讯协议，简称NC-Link，是由中国机床工具工业协会正式发布的团体标准。NC-Link平台围绕支持机床装备企业应用和推广NC-Link标准协议，构建面向制造产线、车间、工厂的数据服务基础设施，打破因工业设备通讯接口相异造成的“信息孤岛”，为车间生产管理、预测性分析、设备远程运维、工业产品溯源等智能应用提供稳定、可靠、可持续的数据资产运营服务。

NC-Link标准分为以下7个部分。

第1部分：通用技术条件，规定了NC-Link的体系架构和通用技术要求。

第2部分：联网参考模型，规定了NC-Link的联网参考模型、信息交互流程、运行信息交互要求。

第3部分：数控装备模型定义，规定了NC-Link中数控装备模型的组成结构和描述方法。

第4部分：数据项定义，给出了NC-Link数控装备模型中设备对象、组件对象和数据对象的数据项定义。

第5部分：终端及接口定义，规定了应用系统终端注册，数控装备终端发现机制，NC-Link的适配器、代理器、应用系统三者之间的接口定义。

第6部分：安全性，规定了NC-Link适配器、代理器、应用系统的接入过程和数据传输过程的安全要求。本部分适用于NC-Link安全机制的设计和应用开发。

第7部分：评价规范，规定了NC-Link的评价方法。本部分适用于采用NC-Link开发的产品测试与评价。

NC-Link由数控装备层、NC-Link层和应用系统层组成，其体系架构如4所示，NC-Link层应满足与数控装备层和应用系统层之间信息交互的通讯功能。

图4 NC-Link的体系架构

在图4中，应用系统层为信息应用方和/或控制指令发出方，可以是一个或多个应用系统，如ERP、MES、PLM、PDM、SCM、CRM等。数控装备层为信息提供方和/或受控方，可以是一个或多个数控装备，如数控机床、工业机器人、自动搬运车、清洗设备、检测设备、自动化生产线和自动料库等。NC-Link层为应用系统层与数控装备层的信息交互中介方，由适配器层和代理器层构成。

03

IPC互联工厂

数字交换（CFX）

未来工厂互联互通是基础，数据是核心，如何从用户角度来定义设备加工数据的内容完整性、有效性、可扩展性将是工厂数字化转型的工作重点。为解决制造工厂底层数据的采集和分析，以及将数据进行有效的归类整理，IPC（The Institute of Printed Circuit）发布了IPC-2591互联工厂数据交换（CFX）标准。虽然该标准旨在支持印制电路板生产的相关业务 ，但CFX的使用同样可以扩展到机械装配、定制化、包装和运输等下游环节，以及电气、机械子部件等上游环节。

CFX通信包含三个关键要素：传输，编码和内容。传输是消息传递机制和基础架构，编码是传输所需的数据编码方式，而内容则是待编码数据的定义和含义。CFX将以上要素相结合以实现真正的“即插即用”的标准。

由于CFX数据的全向性，任何CFX的端点都可以产生并使用数据。考虑如下应用场景，将来自不同供应商的设备连接在一起组成一条产线。设备既能够将CFX消息发送到产线中的其他设备，也能够将CFX消息发送到如MES的信息系统。同时，设备也能够从产线中的其他设备或信息系统接收CFX消息，以此优化设备相关操作，甚至帮助设备供应商开发出更具价值的新功能，如支持设备专有的工业4.0。通过这种方式，智能化、数字化的工业4.0工厂将能够由许多不同的工业4.0应用构成，每个应用程序都能够由不同的供应商提供，实现设备、产线、工厂甚至企业层级的协作，通过CFX无缝地共享数据。

CFX标准中的“大数据”概念包括了来自整个工厂的不同数据，如绩效、物料、资源、用户、品质、产品追溯等，这些数据共同形成了一个“大数据”环境。由此，CFX能够为制造过程提供更多的附加值，例如，提升运营效率和生产力，质量和可靠性，灵活性与响应能力。在CFX标准的帮助下，组织将能够确保最终用户及消费者获得满意或超出预期的产品和服务，并采用最及时、最经济可行的方法。