【所属领域】
智能制造、软件服务
【痛点问题】
随着德国“工业4.0”、美国“互联网+”计划、以及中国“智能制造2025”的推进与实施，发展智能制造已经上升为国家战略。智能制造的实质是以数据驱动的全方位的数字化，关键基础是数控机床（包括机器人、量仪、传感器等）的智能互联互通。但是，国内外主流数控系统大多数都是封闭专用的系统，具备特有的外部通讯接口与协议。为推进数控机床的互联互通，国外已推出MTConnect协议和OPC UA协议，而我国在2016年还没有统一的数控机床互联互通协议标准，数控机床和相关装备之间信息沟通不畅，对我国智能制造的发展造成了极大的阻碍，当时国内基本上所有的企业在进行智能工厂升级的时候都遇到相同的问题：如何将多种设备连接在一起，协同运作。
尽管国内外围绕工业互联网平台已开展了大量研究和建设工作，但仍存在多方面的不足：
（1）缺乏面向制造业，特别是工业母机的应用场景；
（2）缺乏大数据在机床装备制造业的纵向与横向融合；
（3）缺乏大数据在机床装备制造业的数据综合集成与优化。
【解决方案】
2016年5月23日，国家工信部发布开展智能制造综合标准化与新模式应用项目。华中科技大学围绕其中的“智能制造综合标准化试验验证”，依托数控机床互联通讯协议标准联盟，启动项目“数控机床互联通讯协议标准与试验验证”，研究制定数控机床互联互通协议标准NC-Link，实现异构工控设备互联以及异构数据采集、处理与应用。基于NC-Link协议构建了iNC-Cloud平台，iNC-Cloud平台立足机床装备制造领域行业和企业的特点、痛点和需求，充分发挥平台在设备互联、数据采集、远程运维等典型应用场景上的优势，赋能企业数字化转型升级。
图1 基于NC-Link协议的工业互联平台（iNC-Cloud）体系架构
iNC-Cloud是华中科技大学“国家智能设计与数控技术创新中心”杨建中教授团队自主研发的面向装备制造领域的工业互联网解决方案，软件集工业设备接入、工业大数据采集、传输、存储、分析为一体，打造平台开放式应用中心，提供微应用的集成、发布以及共享。通过与机床装备领域数据的纵向与横向集成与融合，实现了设备互联、数据融合、智能分析、生产管控、产品溯源等功能，提供多种成熟应用场景为机床装备领域赋能。
iNC-Cloud软件技术特点如下：
创新性：设备互联，自主研发NC-Link标准协议，支持多源异构工业设备互联互通，兼容多种联网模式，并融合5G和TSN技术，实现毫秒级大数据采集与传输。
通用性：设备上云，数据融合，数据服务。提供通用的企业设备上云解决方案、“端-边-云”协同的数据融合体系，边缘计算操作系统，提供标准化数据交互接口。
有效性：基于NC-Link标准协议的毫秒级数据采集实现装备数据的有效性， 提供智能工厂生产过程全要素状态感知及监控，支持决策性、模型化的智能工厂数据集关系，实现智能工厂高级排产、调度及精准化决策管理。
安全性：基于国产密码的数控装备信息安全防护，为平台的设备安全、网络安全、存储安全“保驾护航”。
商业模式：构建开放式APP开发平台，提供设备联网、状态监控、统计分析等基础服务，同时，提供工艺参数优化、设备健康诊断、故障预测预警、智能远程运维等增值定制化智能服务，实现“以客户需求为自己需求”服务宗旨。
生态能力：面向机床行业提供集成远程运维、生产管控、智能产线、四位一体，实现机床全生命周期数据管理和应用生态体系。
iNC-Cloud已在航空航天、高端装备、汽车制造、电子加工等领域近1000家工业企业应用，全方位助力企业形成数字生态，推动企业数字化转型和智能制造发展。
iNC-Cloud软件主要功能模块如下：
设备互联：自主研发NC-Link标准协议，支持多源异构工业设备互联互通，兼容多种联网模式，并融合5G和TSN技术，实现毫秒级数据采集与传输，实现全厂连接、全覆盖采集。已形成国标及iNC-Box系列智能数采网关产品。
边缘计算：具备轻量弹性的企业级数据中心建设能力，支持多设备、多类型数据采集、汇聚、存储、管理，内置多款智能应用，帮助企业快速建立私有数据中心。已形成了iNC-Edge系列边缘计算机产品。
数据平台：构建“端-边-云”协同数据融合体系，提供边缘计算操作系统和开放式APP开发平台，通过数据清洗、数据汇聚、数据存储、数据访问、应用开发、分析计算，实现企业内部数据快速集成与共享。已形成了iNC-Cloud机床大数据中心。
远程运维：以“机床大数据”为核心，建立机床全生命周期健康保障体系。为加工制造行业，提供机床故障处理、常规保养、健康保障、预测性维护等功能，助力机床用户、主机生产、关键功能部件等企业建立三级数据中心，实现“管人”、“管事”、“管设备”。
生产管控：提供智能工厂生产过程全要素状态感知及监控，支持决策性、模型化的智能工厂数据集关系，实现智能工厂高级排产、调度及精准化决策管理。已形成了程序管理iDNC、车间管理iMDC、刀具管理系统iTool、智能产线iPLCS等软件产品。
图2 iNC-BOX系列智能数采网关
图3 iNC-Cloud平台工业APP应用中心示意
图4 iNC-Cloud平台应用-边缘计算
图5 iNC-Cloud平台应用-智能产线
本项目软件立足机床装备制造领域行业和企业的特点、痛点和需求，充分发挥平台在设备互联、数据采集、远程运维等典型应用场景上的优势，赋能企业数字化转型升级。
【技术指标】
（1）基于NC-Link协议的iNC-BOX系列智能数采网关主要特点
（2）iNC-Cloud平台工业APP开发成果
从数据层面，iNC-Cloud平台工业APP采用NC-Link标准化API及标准化数据交互流程；从功能开发层面，iNC-Cloud平台工业APP基于微服务架构通过微服务的快速构建及自由组合，形成可独立运行的软件模块/产品包；从集成层面，根据其资源需求、实时性需求、使用便利性等要求，可相应在装置端、云端、移动端进行开发、部署及运行。
【竞争优势】
本项目软件属于一类卡脖子工业软件，尽管国内外围绕工业互联网平台多数存在多方面的不足，本项目软件利用网络化技术赋能装备智联，打破国外封锁，实现国产替代。
本项目软件技术含量高，需要集合机械工程领域知识、数控系统、数控机床、通信协议、算法设计、软件研发等多方面技能才能取得突破。
本项目软件对标德国西门子MindSphere平台和美国GE工业领域物联网平台Predix，100%自主研发。成果包括数控机床互联通讯协议NC-Link，获批国家标准，与美国MTConnect和、德国Umati并称为全球数控装备工业互联通讯三大标准；iNC-Cloud平台获评湖北省工业互联网平台；建立了机床行业标识解析二级节点。
本项目成果为我国数控机床互联互通建立了一套统一的指导性规范，推动了我国机床行业公共大数据平台建设，技术壁垒高，一旦研发成功，难以复制。
【资质荣誉】
2019年湖北省高价值专利大赛金奖（专利权人：华中科技大学，专利名称：一种基于虚拟上位机的数控系统）；
2019年工业互联网应用案例：数控装备工业互联通讯协议（NC-Link）及应用，工业互联网产业联盟；
2021年第五届全国工业互联网数据创新应用一等奖；
2021年全国工业APP优秀作品奖
2021年第三届中国工业互联网大赛·青岛站三等奖；
2021年获第六届中国创新挑战赛（湖北）武汉赛区二等奖；
2021年《面向机床装备领域的工业互联网平台 iNC-Cloud》获评湖北省工业互联网平台；
2022年首届中国工业互联网标识创新应用大赛中部十强优胜奖；
2022年第十七届“振兴杯”全国青年职业技能大赛银奖。
【技术熟化度】
可量产。
【产业化应用】
iNC-Cloud工业互联网平台依托行业、地域、项目、技术联盟等优势，以企业自动化和智能化转型升级为切入点，推广面向机床装备领域工业互联网平台整体解决方案。产学研合作单位包括华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心、武汉华中数控股份有限公司等，在台州、湖南、成都等地与用户组建了联合攻关团队，打造了“浙江省产业大脑”等典型示范，加强工程化成果辐射、扩散及对行业发展影响，带动本地产业技术进步和转型升级。同时，承担和完成了国家科技重大专项、工信部专项及省部级科技攻关等课题10多项。发起成立“数控机床互联通讯协议标准联盟”（NC-Link联盟）和开源社区，为中国智能制造的大数据通讯互联提供支撑，推动行业技术进步。
应用案例
1）针对在汽车零部件制造行业的设备管理优化：以吉林省吉通机械制造有限责任公司作为汽车零部件制造行业推广应用的切入点，实现了产线运行时间、产量数据排序功能、产量、产品数据统计功能、开机率、运行时间、故障时间数据统计功能、多周期数据回看功能，及机床健康保障、工艺参数优化以及机床精度提升等一批智能化功能的应用。通过新技术、新工具，分析积累的基础数据，评估出设备的亚健康状态，提前维护，大大减少设备维护成本，提升设备使用率。使企业产线的生产效率提高15%以上，产品不良率下降17%以上，能源利用率提高13%以上。
2）针对在3C制造行业的产品全生命周期管理优化：以东莞劲胜精密组件股份有限公司作为3C制造行业推广应用的切入点，实现工艺软件、知识库与三维CAD的集成，实现基于MBD的制造特征定义与信息提取，打通了几何特征模型和制造特征模型之间的联系；将工艺知识融入到后端的自动化设备应用中，实现三维工艺从产品设计--工艺--智能制造的贯穿式应用，全面提升行业加工智能性和效率。
3）针对在机床制造行业的运营管理优化：床行业的设备维修保养基本以事后维系为主，设备维保无计划、设备维修周期长、过度维修等都是现实存在的问题，针对机床制造行业的运营管理存在的问题，以宝鸡机床集团有限公司作为机床制造行业推广应用的切入点，通过构建设备远程运维平台，实现了机床制造企业由设备故障触发被动维护机制向基于设备远程运维服务平台，开展主动预测性设备维护的模式创新和转变，提升设备运维能力、提高设备售后服务响应效率、减少客户设备维护成本和故障时间，设备运维成本降低6%以上，设备整体效率提升8%以上。
图6 智能制造生产线
图7 宝鸡机床集团远程运维架构图
应用前景
1）面向车间数字化、自动化、智能化解决方案提供商或者集成商，销售工业设备数据采集硬件iNC-BOX及边缘计算硬件（软硬一体，包含边缘计算平台）iNC-Edge，提供数据采集、汇聚、存储、分析、集成整套解决方案，并将需求旺盛的优质客户发展为代理商，代理我方工业设备数据采集硬件iNC-BOX及边缘计算硬件iNC-Edge，目前数字化、智能化转型升级正处在需求旺盛阶段。
2）面向工业制造终端用户，销售数字化车间转型升级整体解决方案，即数据采集+企业工业互联平台+数字化应用整体解决方案形式，能够帮助企业实现数字化转型升级，最终实现降本增效的目的。
3）面向工业制造终端用户，销售自动化生产线升级改造及整线自动化解决方案，帮助企业实现机器换人，提高企业生产效率并降低人工成本投入。
4）面向数控装备主机厂，提供工业互联网平台建设及远程运维系统解决方案，帮助主机厂实现对售出设备远程运维管理及售后服务全流程数字化管理。
知识产权
该成果已申请/授权多项中国发明专利。
合作方式
专利许可、专利转让、作价入股、技术开发、面谈等。
【团队介绍】
国家智能设计与数控技术创新中心（简称“国智中心”）以科技部“国家数控系统工程技术研究中心”和“国家企业信息化应用支撑软件工程技术研究中心（武汉）”为基础建设，于2022年1月获得国家科技部批复，由国家科技部和湖北省人民政府授牌。
国智中心定位从科学到技术的转化，坚持面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场、面向人民生命健康，以突破关键核心技术、解决“卡脖子”问题为核心，聚焦智能系统设计工业软件、高端数控系统和智能制造系统工业软件三大方向，开展工业基础软件和高端数控系统的研究，研发智能系统设计和数控中的引擎、平台和系统，“以研发为使命，以技术为产品”，与深度融合的国内高技术企业共同推动技术产品化，形成核心技术、产品和生态。
国智中心坚持“对标追赶，创新超越”路线，对标MATLAB、西门子、海德汉等国际领先产品，自主研发了科学计算与工程建模设计系统、高档数控系统、生产系统建模仿真软件、PLM软件、等几何拓扑优化引擎、生产调度优化引擎、几何约束引擎、远程运维系统等系列核心技术成果，在航天、航空、能源、车辆、船舶、通讯、工程机械等重点行业的骨干企业得到广泛应用。为数字化工厂、数字化车间、数字化产线、数字化装备和智能化应用，提供了国产替代、自主可控、安全可信的数字化工厂解决方案。
国智中心数字化工厂体系架构
【联系方式】
CG24026
