面向机床装备领域的工业互联网-体化解决方案iNC-Cloud
作者 | 华中科技大学2022-09-15

1、顼目背景

装备制造业是国家战略性产业,高档数控机床作为工业母机重要发展方向,是高端装备制造的重要基础,其发展水平高低是我国从制造大国到制造强国转变的关键指标。机床装备制造行业发展主要面临以下问题和需求:

1)数据存储方式分散、传统、孤立等特点,无法支撑数据挖掘等应用;2)行业数据应用呈现复合型高度动态化;3)行业产业链上下游协同程度低、行业共性技术和知识资源分散,需要通过设备数据采集,结合预先建立的模型,逐步形成大数据的应用;4)需依托工业互联网平台,充分运用数据挖掘以及大数据分析等技术手段,建立“以客户为中心”的管理体系,促进企业智能化化管理。

因此,机床装备制造业亟需依托工业互联网平台,以装备数据为重要资源驱动,实现一切业务数据化,一切数据业务化,一切产业数字化,一切数字产业化。

2、项目建设内容

(一)架构设计

面向机床装备制造领域的工业互联网一体化解决方案iNC-Cloud体系架构如图1所示。从工业互联网平台层角度,主要包含边缘层、工业级 laaS能力层、PaaS层、通用PasS能力层等。

顶层设计方案架构

平台向下实现机床装备领域数据的统一汇聚与管理,向上为机床装备领域应用系统提供稳定可靠的通用服务。

从平台功能和数据流向分析,面向机床装备领域的工业互联网一体化解决方案iNC-Cloud平台,实现了多源异构数据的采集、存储、融合、共享与反馈应用。iNC-Cloud体系架构又可以分为5个功能层:数据采集、数据存储、数据计算、数据访问和数据应用,如图2所示。

iNC-Cloud技术体系架构

数据采集层:基于NC-Link协议,实现异构工业设备/模块/系统/平台的互联互通,覆盖整个车间/工厂的各种智能设备以及各种移动设备,并将异构多源数据进行统一解析与转换,从设备终端采集到数据网关。

数据存储层:数据汇聚模块通过NC-Link协议将数据从数据网关驱动至云端数据库,云端基于多类型数据库协同机制,采用分布存储、集中管理的架构,实现多应用终端差异化信息服务,并基于高速缓存数据库实现高频、高效、高实时的数据服务。

数据计算层:基干智能产线、智能车间中的核心设备,以及MES、 CAPP、ERP、APS等工业实现智能数控系统与制造装备领域中的数据纵向集成,构建面向数据采集、存储、分析挖掘、智能反馈等数据并行处理与分析挖掘服务框架,提供高性能计算环境与机器学习算法库,提供终端互联、安全通信、清洗与存储,并行编程模型与实时处理、智能算法插件式开发环境等技术服务。

数据访问层:数据访问层为智能应用提供统一的数据访问接口,包括数据查询、数据抽取、数据标注等,并基于数据计算层开放智能算法接口,实现智能应用的高效开发。

数据应用层:数据应用层主要指面向机床制造领域的工业级PaaS、SaaS服务,主要实现从机床装备层到产链层的信息集成,构建设备-设备、设备/系统-信息系统、设备/系统-信息系统-应用、企业-产品-用户的四大闭环。通过访问接口从存储资源池获取所需数据,构建质量保障、远程运维、故障维修处理等典型应用场景,实现工业智能化应用的创新与集成。

(二)技术内容

iNC-Cloud以NC-Link设备互联、工业互联网平台、多种应用场景为重点体验展示方向:NC-Link设备互联、数据纵向及横向集成、工业互联网平台。包括多种应用场景:突出远程运维、智能产线、工艺优化、生产管理、质量管理应用场景,同时根据体验中心资源尽可能多的展示其他各种成熟应用场景。覆盖微型、小型、中型、大型企业等。

关键技术产品包括:

(1)数控装备工业互联通讯协议NC-Link

(2)工业互联网标识解析二级节点(机床行业公共服务平台)

(3)基于NC-Link的边缘计算微服务操作系统

(4)基于国家商用密码的工业主机加固系统

(5)数控机床大数据采集与管理

(6)面向生产制造全过程的智能产线总控系统

(7)数控系统开放式智能应用APP

(8)面向数字化车间的智能车间看板

(9)数控云管家

(10)数控装备远程运维

(11)数控装备预测性维护

3、应用效果

(一)应用情况总述
iNC-Cloud以中国制造业高质量发展为需求、以先进的工业互联网平台为依托,构建面向机床装备制造领域一体化解决方案,实现面向产业数据全生命周期管理的应用示范,推进整个离散制造行业的自动化和智能化水平,具有重大工程价值和示范效应。目前在航空、机械、汽车、电子通信、元器件等行业实现1000家以上的企业推广,在石化、钢铁、航空、轨道交通、新能源、绿色包装等领域实现30家以上跨行业用户应用。深度融合行业特色,结合单位在上述领域中优势,着重推进项目在机器人制造行业、机床制造行业、航空零部件制造行业、航天零部件制造行业、汽车零部件制造行业、3C制造行业等典型行业进行推广示范,提升制造装备领域智能制造一体化解决方案验证能力,为国内工业软件提供技术支撑。iNC-Cloud每天汇聚并处理上亿条数据,采集数控设备中上千个点位信息,涵盖设备状态、报警信息、加工计件、采样数据等各种工况,为企业一切业务数据化、一切数据信息化奠定夯实基础。

(二)应用案例

(1)在机器人制造行业的资源信息协同管理

针对机器人制造行业痛点,在佛山登奇机电技术有限公司的机器人高端装备用伺服电机数字化车间进行应用。项目通过对国产数控机床的组网,形成数控系统电控大数据网络化管理系统,对数控系统互联通讯接口技术进行应用验证,实现对数控机床远程监控和管理,如图3所示。进而形成在登奇电机零部件领域与机器人集成应用的示范效应。

登奇机器人高端装备用伺服电机数字化车间现场

(2)在机床制造行业的资源信息协同管理

针对机床制造行业的存在的问题,将宝鸡机床集团有限公司产线中70台数控机床建立远程运维服务平台。通过对机床的实时监控,对报警信息进行实时监控分析,为客户提供及时主动服务:对机床故障,用户口以在线报修,也可以根据故障案例库、工艺知识库自主维修:售后服务人员根据设备档案提供的设备信息、位置信息安排服务工作,如图4所示。通过对ERP、PLM、MES、WMS等系统的集成,实现对现场和物流系统的实施监控,全面实现生产过程、质量过程和物流过程的透明化管理。使企业的产线生产效率提高20%以上,生产成本降低12%,产品不良率下降27%,能源利用率提高23%。

宝鸡机床集团宝机云远程运维架构图

(3)在航天零部件制造行业的资源信息协同管理

针对航天零部件制造行业的特征,在中国航天科工集团湖北三江航天红峰控制有限公司红峰惯组精密零件数字化生产线进行应用。产线总控系统主要负责产线设备数据采集、状态显示、产线监控、NC文件传输、检测设备检测交互、RFID数据读写等,实时获取产线加工数据。为MES/ERP系统提供准确、及时的生产完工信息。产线总控系统部署如图5所示。项目实现多品种、变批量的混流加工,根据生产执行计划,实现工件的自动传送和自动加工,程序下发,刀具识别及调用:可在线实现工件品种自动更换,多工件的自动识别:通过刀具磨损状态、主轴功率、切削参数等数据的实时监控,降低机床碰撞的风险,实现了数控设备的自适应、高效加工。节省大量人力资源,提高了生产效率和柔性。

数字化产线总控系统网络连接图

(4)在汽车零部件制造行业的资源信息协同管理

针对汽车零部件制造行业的需求,在吉林省吉通机械制造有限责任公司进行应用。绕数控机床远程监控与管理技术的研究与应用,主要实现了对机床运行状况的动态监控,同时通过对机床运行大数据的实时采集、处理与统计分析,实现了对机床开机率、运率、故障时间等影响机床加工效率的关键指标的统计分析,最终实现车间的信息化管理,并在一定程度上提高机床的运行效率,实现对机床设备科学、高效的管理。通过应用验证和改进提升,国产高档数控系统的功能、性能和可靠性达到国外同类产品的水平。

(5)3C制造行业的资源信息协同管理

针对项目3C制造业发展难点,在广东劲胜公司移动终端金属加工智能制造新模式项目进行应用,如图6所示。项目建立适合3C行业金属加工制造模式的智能化制造信息系统,实现高速高精钻攻中心、国产数控系统、机器人与收取料系统的协同运动控制,实现多车间智能装备之间的协同工作。项目整合生产过程数据,为ERP、WMS、MES等生产运维系统提供数据支撑,减少各信息化系统的实施成本。集成工艺参数优化、设备预测性运维,实现工艺效率最大化,减少设备故障发生,提升设备使用效率,将风险扼杀在摇篮中。为企业提升生产效率25.38%,缩短产品研发周期19%,降低产品不良率375%,提升能源利用率23.01%。

东莞劲胜3C金属加工智能工厂技术架构图

4、主要创新点

立足于机床装备智能制造需求,依托自主研发的“数控机床互联通讯协议标准”促进智能机床、智能产线、智能车间数据纵向集成,依托“工业互联网标识解析二级节点”,提供机器、产品、资源的标识注册解析服务,实现跨企业上下游数据横向集成:对推进整个离散行业的自动化和智能化水平,具有重大工程价值和示范效应。

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。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:面向机床行业提供机器、产品、资源的标识注册解析服务,实现企业上下游数据流转及横向集成,打造产品数据溯源、供应链管理、设备全生命周期管理等应用生态体系。

iNC-Cloud已在航空航天、高端装备、汽车制造、电子加工等领域近千家工业企业应用,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。

5、推广价值

iNC-Cloud依托行业、地域、项目、技术联盟等优势,打造面向工业母机智能制造整体解决方案,推进离散行业的自动化和智能化水平。拥有1)面向机床装备制造领域的工业互联网一体化解决方案、2)国家自主可控的NC-Link互联通讯协议、3)与工业互联网标识解析二级节点(机床行业应用服务平台)。

iNC-Cloud围绕开源社区及工业互联网平台、形成工业互联网平台产品资源池,为工业互联网平台产品销售、智能化工业互联解决方案咨询与服务两大业务提供强有力的支撑,形成工业互联网平台产品销售和智能化工业互联解决方案咨询服务两种盈利模式,主要面向电子轻型制造、机械加工重型装备制造及已有客户群等方向。

(一)形成工业智能制造行业的垂直覆盖

用涵盖航空航天、军工、汽车、钢铁、核工业、机车、船舶、家电、轻工、电子、模具、制冷、纺织、医疗等多个领域。

(二)以工业互联网平台整体解决方案的产品及服务支持

从全球工业互联网应用领域分布来看,机械和能源行业占比最大,合计达58%。此类行业单个设备价值高,所以对于设备运维管理需求高。设备运维是工业互联网平台具备的功能中相对容易实现且发展最快速的部分。

而其余垂直领域尤其是原材料加工行业更加注重生产流程管控和产业链上下游协同。工业互联网平台潜在待开发价值巨大。据统计,2018年全球工业互联网平台市场规模为33亿美元,预计2023年将达到138.2亿美元,复合增速超过30%。

预计到2023年,平台国内市场占有率突破10%,营收总额超过3亿。其中软件占比应超过60%。在应用推广后总体社会经济效益巨大,产业化应用推广具备可行性。


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