ISO 23218-22022 工业自动化系统和集成.机床数控系统.第2部分数控系统集成的要求标准立项发展报告

工业自动化系统和集成机床数控系统第2部分：数控系统集成的要求标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialAutomationSystemsandIntegration—NumericalControlSystemsforMachineTools—Part2:RequirementsforNumericalControlSystemIntegration摘要关键词：数控系统；系统集成；工业自动化；ISO23218-2；智能制造；互操作性；标准化Keywords:CNCsystem;systemintegration;industrialautomation;ISO23218-2;intelligentmanufacturing;interoperability;standardization一、引言1.1标准立项背景制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。机床作为“工业母机”，是制造业的核心装备，其技术水平直接决定着一个国家制造业的整体竞争力。数控系统作为机床装备的神经中枢，自1952年世界上第一台数控机床在美国麻省理工学院诞生以来，已历经数十年发展演变，从最初的硬线数控（NC）发展到今天的计算机数控（CNC），再到当前面向智能制造的开放式、网络化智能数控系统，技术形态和功能内涵均发生了深刻变革。进入21世纪第三个十年，全球制造业正经历以新一代信息技术与制造技术深度融合为特征的产业变革。工业互联网、人工智能、大数据等新技术不断向制造领域渗透，对机床数控系统提出了更高的集成要求。数控系统已不再是一个孤立的控制装置，而是需要与上位生产管理系统（如MES、ERP）、下位执行设备（如机器人、AGV、传感器）、以及云端服务进行广泛互联和深度融合。然而，由于缺乏统一的国际标准，不同厂商的数控系统在接口协议、数据格式、通信方式等方面存在严重的不兼容问题，导致系统集成成本高、周期长、维护困难，严重制约了智能制造的发展进程。1.2标准制定意义在此背景下，国际标准化组织ISO/TC184“工业自动化系统与集成”技术委员会经过充分论证和广泛协商，决定启动数控系统集成国际标准的制定工作。ISO23218-2:2022的发布实施具有多方面的重要意义：第一，填补标准空白。此前，国际标准化组织（ISO）在工业自动化领域已发布多个相关标准，如ISO6983（G代码标准）、ISO14649（STEP-NC标准）、ISO12100（机械安全标准）等，但针对数控系统整体集成要求尚无专门的标准。ISO23218-2的发布填补了这一关键空白，为数控系统集成提供了系统性、框架性的国际规范。第二，促进互联互通。标准规定了数控系统与其他系统集成的接口要求、数据交换要求和通信协议要求，有助于打破不同厂商之间的技术壁垒，实现异构系统的互联互通和互操作，降低系统集成成本。第三，支撑智能制造。该标准是智能制造标准体系的重要组成部分，与工业互联网、数字孪生等新技术发展相适应，为智能工厂中机床装备的集成应用提供标准化支撑。第四，提升国际竞争力。该标准纳入了我国在数控系统领域的技术成果和实践经验，为我国数控系统产业参与国际竞争提供了标准话语权，有利于提升国产数控系统的国际竞争力。二、数控系统集成技术发展现状与趋势2.1全球数控系统集成技术发展历程数控系统集成技术的发展大致可划分为四个阶段：第一阶段（1952-1970年）：硬线数控（NC）时代。早期的数控系统采用专用的电子控制电路实现插补运算和伺服控制，系统封闭、功能单一，不具备与其他设备集成的能力。第二阶段（1970-1990年）：计算机数控（CNC）时代。随着微处理器技术的成熟，以FANUC、Siemens为代表的数控系统厂商开发出商品化的CNC系统，开始具备RS-232等串行通信接口，支持与外部设备的简单通信。第三阶段（1990-2010年）：开放式数控系统时代。美国、欧洲、日本先后启动了开放式数控系统研究计划，如美国的NGC计划（下一代控制器）、欧洲的OSACA计划（自动化系统的开放式控制系统）、日本的OSEC计划（工厂自动化设备的开放式系统环境）等，旨在建立开放化、模块化、可重构的数控系统架构。这一阶段，以太网通信技术在数控领域得到初步应用。第四阶段（2010年至今）：智能数控与系统集成时代。在工业4.0、工业互联网、中国制造2025等战略推动下，数控系统向智能化、网络化、服务化方向快速发展。数控系统通过OPCUA、MTConnect等通信协议实现与上层管理系统的深度集成，支持云边协同、远程监控、预测性维护等高级功能。数字孪生技术在数控系统集成中的应用也日益深入。2.2数控系统集成面临的技术挑战尽管数控系统集成技术取得了长足进步，但当前仍然面临若干关键挑战：（1）接口标准化程度不足。虽然OPCUA、MTConnect等通信协议日益普及，但各厂商在数据语义层仍存在较大差异，数据模型的标准化程度不足，导致系统间语义互操作困难。（2）多源异构系统集成复杂。现代智能制造环境中，机床需要与工业机器人、自动导引运输车（AGV）、质量检测设备、刀具管理系统等多种装备协同工作，这些设备来自不同厂商、采用不同技术标准和通信协议，系统集成复杂度极高。（3）实时性与安全性需求并存。数控系统对实时性要求极其严格，运动控制周期通常需达到毫秒甚至亚毫秒级。同时，随着网络化程度的提升，数控系统的网络安全风险日益突出，如何在保证实时性的前提下确保系统安全成为重要技术难题。（4）数据语义不一致。不同系统和设备之间进行数据交换时，因数据格式、数据含义、数据精度等方面的不一致，导致数据互认困难，严重制约了数据驱动智能制造的应用效果。2.3国内外相关标准发展现状目前，国际上与数控系统集成相关的标准主要分布在ISO/TC184和IEC/TC44等技术委员会。主要相关标准包括：-ISO6983：数控机床G代码编程标准（自1982年发布以来长期未更新）-ISO14649（STEP-NC）：基于STEP的数据模型，面向CAD/CAM/CNC无缝集成标准-ISO12100：机械安全设计通则-IEC62443：工业自动化和控制系统信息安全系列标准-IEC61131：可编程控制器语言标准-MTConnect：美国AMT提出的机床互联互通开放标准-OPCUA（IEC62541）：OPC统一架构标准，工业自动化领域广泛应用的开放标准ISO23218系列标准正是在上述标准基础上，针对数控系统集成的系统性要求制定的国际标准。该系列标准由第1部分（通用要求）和第2部分（集成要求）构成，本报告重点分析第2部分的内容。三、标准主要内容与技术要素解析ISO23218-2:2022《工业自动化系统和集成机床数控系统第2部分：数控系统集成的要求》是一份技术规范类国际标准，章节结构严谨，技术内容全面，覆盖了数控系统集成所涉及的各个技术层面的要求。3.1标准适用范围与定位该标准规定了机床数控系统集成的各类要求，适用于数控系统设计师和制造商、机床制造商、系统集成商、最终用户以及相关研究试验机构，为其在数控系统的设计、开发、集成和维护过程中提供技术指导和规范依据。本标准与ISO23218系列的第1部分形成有机配合：第1部分明确数控系统的通用要求（如系统功能、性能指标、安全性、可靠性等），第2部分则聚焦于数控系统与外部环境（包括上层管理系统、下层执行设备以及外部接口等）之间的集成要求。两者的关系可概括为“内部能力”与“外部协同”的关系。3.2系统集成总体框架标准首先确立了一个层次化的数控系统集成总体框架，将系统集成划分为以下四个层次：（1）接口层。定义数控系统对外暴露的各种接口形式，包括硬件接口（如输入输出接口、现场总线接口等）和软件接口（如应用程序编程接口API、数据访问接口等），明确各接口的技术要求和配置要求。（2）数据层。规定数控系统集成过程中数据交换的内容要求和格式要求，涵盖NC程序数据、机床状态数据、加工过程数据、刀具数据、工件数据等各类数据的结构化和标准化描述。（3）通信层。明确数控系统与其他系统之间通信的协议要求、实时性要求、可靠性要求和安全要求，使系统间通信能满足不同应用场景下的差异化需求。（4）应用层。面向具体集成应用场景，提出功能性和性能性要求，包括数据采集与监控、远程诊断与维护、生产调度与协同等功能的技术要求。3.3各层级集成要求（1）硬件集成要求（2）软件与数据集成要求软件及数据集成的核心要求包括编程接口的开放性要求、数据模型的统一性要求、数据格式的规范性要求和服务接口的互操作性要求。在数据集成方面，标准强调数控系统应采用基于OPCUA等标准化数据模型进行数据交互，并对数据语义的一致性提出明确要求，确保不同系统间能实现无歧义的数据解析和理解。标准还要求数控系统应支持标准化的NC程序格式（兼容ISO6983和ISO14649等），并提供统一的数据访问方式，支持MES（制造执行系统）、ERP（企业资源计划）等上层系统对机床数据的高效、安全访问。（3）通信与网络集成要求在通信与网络集成方面，标准重点对通信实时性、通信确定性和网络安全性提出了要求。针对不同的集成应用场景，标准定义了不同等级的实时通信要求（包括运动控制级实时、协调控制级实时和监控管理级实时），并对通信协议的选型和配置提出了建议。在网络安全管理方面，标准要求数控系统应支持用户认证、访问控制、数据加密、安全审计等安全功能，并参照IEC62443标准提出了分层的安全防护要求。（4）功能集成要求功能集成要求包括协同制造功能要求、远程监控与诊断功能要求、数据采集与分析功能要求以及云边协同功能要求。标准要求数控系统应支持与机器人、AGV等周边设备的基本协同操作，支持远程程序上传下载、状态监控和故障诊断功能，支持机床运行数据的实时采集和历史数据存储，并支持与云端平台的安全通信，为预测性维护等高级应用提供数据支撑。3.4信息安全要求信息安全是数控系统集成标准中重点关注的内容。标准从管理层和技术层两个维度提出了信息安全要求。在管理层面上，强调建立全面的信息安全管理体系、安全策略和安全审计机制。在技术层面上，要求数控系统在通信安全（支持加密通信、防重放攻击等）、访问控制（基于角色的访问控制等）、数据完整性保护和安全日志留存等各方面达到IEC62443规定的相应安全等级。3.5集成测试与验证要求四、主要参与单位与技术贡献4.1北京机床研究所有限公司概况北京机床研究所有限公司（以下简称“北京机床研究所”）是中国机床行业成立最早、综合实力最强的国家级科研院所之一，创建于1956年，是原机械工业部直属的综合性机床技术研究机构。经过数十年的发展，北京机床研究所已形成了以数控机床关键技术研究、数控系统开发与应用、机床性能测试与评价、行业标准化工作为核心的多元化业务格局，是中国机床工具工业协会、全国机床标准化技术委员会等重要行业组织的主要技术支撑单位，长期承担多项国际标准、国家标准和行业标准的制修订工作。4.2在标准制定中的主要贡献北京机床研究所在ISO23218-2:2022标准的制定过程中发挥了关键作用，主要体现在以下方面：（1）牵头提案与立项推动。北京机床研究所作为我国数控系统标准化的核心力量，联合国内优势企业和科研机构，在ISO/TC184框架下提出了制定数控系统集成国际标准的提案，并组织国内专家组完成了标准立项建议书、工作草案等技术文件的编制，为标准成功立项提供了重要的技术和智力支撑。（2）核心技术内容编写。北京机床研究所凭借在数控系统领域数十年的技术积累，牵头起草了标准的系统集成总体框架部分，将国内在数控系统互联互通方面的研究成果和实践经验融入国际标准中。特别是在数据集成要求、通信实时性分级等核心章节的编写上，北京机床研究所提出了多项具有创新性的技术方案，获得了各参与国专家的广泛认可。（3）组织国际协调与研讨。标准制定过程中，北京机床研究所积极组织承办多次国际工作会议和专家研讨活动，有效协调各方意见，推动标准技术内容的不断完善。在标准草案的各阶段评审中，北京机床研究所牵头汇总和分析了各成员国反馈意见，提出了建设性的修改方案，为标准顺利进入最终国际标准草案（FDIS）阶段并成功发布发挥了重要作用。（4）试验验证工作。北京机床研究所利用其建设的数控机床检测试验平台和标准验证环境，针对标准中的关键技术要求组织了验证试验，为部分条款的科学性和可操作性提供了数据支撑和试验依据，有效保证了标准内容的实用性和可实施性。4.3行业影响与辐射带动作用北京机床研究所在ISO23218-2:2022标准制定中的成功实践，不仅提升了我国在国际数控技术标准化领域的话语权，也为我国数控产业“走出去”创造了良好的标准环境。通过主导或深度参与国际标准的制定，北京机床研究所积累了丰富的国际标准化工作经验，培养了一支熟悉国际标准规则、精通专业技术的标准化人才队伍，为后续承担更多国际标准制定任务奠定了坚实基础。五、结论与展望5.1主要结论ISO23218-2:2022《工业自动化系统和集成机床数控系统第2部分：数控系统集成的要求》作为国际标准化组织在数控系统集成领域发布的首个专项标准，具有里程碑式的重要意义。第一，该标准系统性地建立了数控系统集成的技术框架和规范化要求，覆盖硬件集成、软件与数据集成、通信与网络集成、功能集成、信息安全以及测试验证等多个维度，形成了完整的数控系统集成技术体系，填补了国际标准在该领域的空白。第二，该标准的发布凝聚了各参与国家的技术智慧，体现了当前数控系统集成技术的先进水平和智能制造发展的方向需求。标准适度引入了OPCUA、工业互联网等信息领域的新技术成果，具有较好的技术前瞻性和适用性。第三，该标准是中国实质性参与国际标准化工作取得的又一重要成果。以北京机床研究所为代表的中国标准化技术力量在标准制定过程中发挥了重要作用，多项中国技术方案被纳入标准内容，有力提升了中国在数控技术国际标准领域的话语权和影响力。5.2未来展望展望未来，数控系统集成标准化工作面临新的机遇和挑战：一是标准体系的持续完善。随着智能制造技术的快速发展，数控系统集成的新需求、新场景不断涌现，需要在ISO23218系列框架下持续完善相关标准内容，适时启动标准修订或扩展工作。同时，有必要进一步研究数控系统集成与数字孪生、人工智能等新兴技术融合的标准需求，为更多智能化应用提供标准化支撑。二是标准应用的全面推广。推动ISO23218-2:2022在全球范围内的广泛应用，需要各国标准化机构、行业协会、企业和科研院所共同努力。特别是要通过标准宣贯、技术培训、示范应用等多种方式，推动供应链上下游企业深入理解和有效应用该标准。三是与相关标准协同发展。数控系统集成标准与工业自动化安全标准、通信标准、数据标准等多个标准体系密切相关，需要加强与IEC/TC44、IEC/TC65等相关技术委员会的合作，促进标准间的协调与衔接，形成更加协同高效的标准生态。四是标准实施的效果评估。建议相关机构适时开展该标准实施效果的跟踪评估工作，及时收集分析标准应用中存在的问题和建议，为标准后续修订提供参考依据，确保标准持续保持其先进性、科学性和实用性。参考文献[1]ISO23218-2:2022,Industrialautomationsystemsandinte