引言：武漢華中數(shù)控股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華中數(shù)控”）是我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)的首家上市公司，是首批國(guó)家級(jí)“創(chuàng)新企業(yè)”、全國(guó)機(jī)械工業(yè)先進(jìn)集體，并于2016年成為工信部指定的首批智能制造產(chǎn)品供應(yīng)商。
在2016年國(guó)家工信部智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目的推動(dòng)下，華中數(shù)控牽頭成立了“數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)驗(yàn)證”項(xiàng)目，旨在突破互聯(lián)協(xié)議的參考模型、數(shù)據(jù)規(guī)范、接口規(guī)范、安全性和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，建立統(tǒng)一的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（NC-Link），實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、集成、處理、分析和反饋控制。項(xiàng)目的實(shí)施在數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通技術(shù)上，有效縮短我國(guó)與國(guó)外的差距，降低國(guó)產(chǎn)異構(gòu)數(shù)控機(jī)床的整合難度，提升國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)中國(guó)制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)具備巨大的推動(dòng)作用。NC-Link具備完全自主可控的軟硬件技術(shù)，在我國(guó)國(guó)防安全方面具有重大意義。
一、 項(xiàng)目概況
1. 項(xiàng)目背景
隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”計(jì)劃、以及 中國(guó)“智能制造2025”的推進(jìn)與實(shí)施，發(fā)展智能制造已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。智能制造的實(shí)質(zhì)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全方位的數(shù)字化，關(guān)鍵基礎(chǔ)是數(shù)控機(jī)床（包括機(jī)器人、量?jī)x、傳感器等）的智能互聯(lián)互通。但是，國(guó)內(nèi)外主流數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)都是封閉專用的系統(tǒng)，具備特有的外部通訊接口與協(xié)議。為推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)互通，國(guó)外已推出MTConnect協(xié)議和OPC UA協(xié)議，而我國(guó)在2016年還沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控機(jī)床和相關(guān)裝備之間信息溝通不暢，對(duì)我國(guó)智能制造的發(fā)展造成了極大的阻礙，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)基本上所有的企業(yè)在進(jìn)行智能工廠升級(jí)的時(shí)候都遇到相同的問(wèn)題：如何將多種設(shè)備連接在一起，協(xié)同運(yùn)作。
為解決我國(guó)異構(gòu)工控設(shè)備互聯(lián)互通的難題，2016年5月17日，華中數(shù)控聯(lián)合其他14家企事業(yè)單位、研究機(jī)構(gòu)與高校成立數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，聯(lián)盟的宗旨是：整合行業(yè)內(nèi)優(yōu)勢(shì)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)資源，圍繞智能制造的需求，制定具有國(guó)際先進(jìn)水平的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并加以驗(yàn)證與推廣。2016年5月23日，國(guó)家工信部發(fā)布開展智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目。華中數(shù)控圍繞其中的“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)驗(yàn)證”，依托數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，啟動(dòng)項(xiàng)目“數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)驗(yàn)證”，研究制定數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)NC-Link，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)工控設(shè)備互聯(lián)以及異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、處理與應(yīng)用。
2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
（1）開發(fā)數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議（NC-Link），完成NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定，編寫NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范手冊(cè)；
（2）針對(duì)NC-Link協(xié)議開展試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的可行性與可靠性；
（3）基于新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、集成、分析和反饋控制，有效助力國(guó)內(nèi)智能工廠的建設(shè)與發(fā)展；
（4）指導(dǎo)國(guó)內(nèi)制造企業(yè)建立機(jī)床互聯(lián)機(jī)制，形成NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用示范基地，將NC-Link協(xié)議在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用與驗(yàn)證。
（5）基于NC-Link協(xié)議構(gòu)建工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將海量、異構(gòu)工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織與存儲(chǔ)管理，并為各種數(shù)據(jù)智能的實(shí)現(xiàn)提供接口服務(wù)；
（6）通過(guò)NC-Link協(xié)議和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，開展工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析挖掘研究，開發(fā)工業(yè)智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化、生產(chǎn)效率提升、以及遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)等。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
（1）針對(duì)國(guó)家對(duì)智能制造的迫切需求，以國(guó)際先進(jìn)水平的數(shù)控機(jī)床互聯(lián)互通協(xié)議為標(biāo)靶，突破互聯(lián)協(xié)議的參考模型、數(shù)據(jù)規(guī)范、接口規(guī)范、安全性等關(guān)鍵技術(shù)；
（2）制定數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)NC-Link，包括NC-Link通用技術(shù)條件、NC-Link機(jī)床模型定義、NC-Link數(shù)據(jù)項(xiàng)定義、NC-Link終端及接口定義、NC-Link安全性等5項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
（3）在數(shù)控機(jī)床、生產(chǎn)線、工廠等不同層次對(duì)NC-Link及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行示范應(yīng)用驗(yàn)證。
（4）基于NC-Link構(gòu)建工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)創(chuàng)新與集成。
（5）通過(guò)NC-Link的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成能力，為“中國(guó)制造2025”的順利實(shí)施提供支撐技術(shù)，促進(jìn)中國(guó)制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
1. 項(xiàng)目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
（1）NC-Link架構(gòu)體系
NC-Link協(xié)議由以下5部分構(gòu)成：通用要求、機(jī)床模型定義、數(shù)據(jù)項(xiàng)定義、終端與接口、安全要求，如圖2-1所示。
1） 通用要求
通用要求是NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，用以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的定位、組成、基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境做整體描述。NC-Link協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)為適配器、代理器和應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)部分，如圖2-2中所標(biāo)識(shí)。其中，適配器負(fù)責(zé)將從數(shù)控設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NC-Link協(xié)議格式并發(fā)送到代理器，或者將控制信息轉(zhuǎn)換為設(shè)備可識(shí)別的信息，從代理器發(fā)送至數(shù)控設(shè)備。代理器負(fù)責(zé)適配器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，NC-Link協(xié)議的系統(tǒng)實(shí)施架構(gòu)如圖2-2所示：設(shè)備層、NC-Link層和應(yīng)用層。
設(shè)備層由具體的異構(gòu)數(shù)控裝備組成，數(shù)控裝備是指數(shù)控機(jī)床或者工業(yè)用機(jī)器人，包括能與外部進(jìn)行通信的能力控制器和執(zhí)行部件，數(shù)控裝備與適配器通信的協(xié)議可以是任意協(xié)議，例如開放協(xié)議或私有協(xié)議。設(shè)備層也包含第三方的信息化系統(tǒng)/平臺(tái)，包括MES、ERP、CAPP等。
NC-Link層由適配器層和代理器層組成。每個(gè)適配器可以和多個(gè)數(shù)控裝備相連，但是一個(gè)數(shù)控裝備只能連接一個(gè)適配器；每個(gè)適配器必須連接一個(gè)代理器，且只能連接一個(gè)代理器；每個(gè)代理器支持多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，也可和多個(gè)適配器連接。
2） 機(jī)床模型定義
機(jī)床模型是NC-Link標(biāo)準(zhǔn)的核心，定義了機(jī)床模型的數(shù)字化描述方法，即對(duì)物理設(shè)備的邏輯描述，反映了真實(shí)物理設(shè)備的各種配置信息、能力、組件及組件的子組件等信息。機(jī)床模型文件由JSON語(yǔ)言描述，包括根對(duì)象、設(shè)備對(duì)象、組件對(duì)象、數(shù)據(jù)對(duì)象和采樣通道對(duì)象組成，如圖2-3所示。
3） 數(shù)據(jù)項(xiàng)定義
數(shù)據(jù)項(xiàng)定義也稱為“數(shù)據(jù)字典”，是NC-Link數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，描述了數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義表達(dá)。設(shè)備終端或系統(tǒng)應(yīng)用根據(jù)機(jī)床模型文件描述的語(yǔ)義信息，結(jié)合數(shù)據(jù)字典，便可準(zhǔn)確掌握數(shù)控機(jī)床的組成、能力、配置等信息，以及其能提供什么運(yùn)行數(shù)據(jù)等。
4） 終端與接口
NC-Link協(xié)議采用訂閱/發(fā)布（Publish/Subscribe）與請(qǐng)求/響應(yīng)（Request/Response）相結(jié)合的通訊模式，提供設(shè)備偵測(cè)、設(shè)備注冊(cè)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)采樣等接口，如圖2-4所示。
5） 協(xié)議安全要求
NC-Link協(xié)議在協(xié)議安全上設(shè)置了設(shè)備接入認(rèn)證和數(shù)據(jù)權(quán)限分層，確保設(shè)備安全運(yùn)行，具備很高的數(shù)據(jù)防密性。
（2）基于NC-Link協(xié)議的大數(shù)據(jù)平臺(tái)（iNC-Cloud）體系架構(gòu)
該項(xiàng)目基于NC-Link協(xié)議構(gòu)建了iNC-Cloud平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、融合、共享與反饋應(yīng)用。iNC-Cloud體系架構(gòu)分為5個(gè)功能層：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)應(yīng)用，如圖2-5所示，每個(gè)層之間的信息交互均基于NC-Link協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)采集層：
基于NC-Link協(xié)議，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)工業(yè)設(shè)備/模塊/系統(tǒng)/平臺(tái)的互聯(lián)互通，覆蓋整個(gè)車間/工廠的各種智能設(shè)備（包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、PLC、邊緣計(jì)算模塊等）以及各種移動(dòng)設(shè)備（如物料小車、工作手機(jī)、平板電腦等），并將異構(gòu)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一解析與轉(zhuǎn)換，從設(shè)備終端采集到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（代理器）。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：
數(shù)據(jù)匯聚模塊通過(guò)NC-Link協(xié)議將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，云端基于多類型數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)同機(jī)制，采用分布存儲(chǔ)、集中管理的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用終端差異化信息服務(wù)，并基于高速緩存數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)高頻、高效、高實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)。
數(shù)據(jù)計(jì)算層：
基于智能車間中的核心設(shè)備，以及MES、CAPP、ERP、APS等工業(yè)實(shí)現(xiàn)智能數(shù)控系統(tǒng)與制造裝備領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)縱向集成，構(gòu)建面向數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析挖掘、智能反饋等全流程信息物理融合系統(tǒng)（CPS）的數(shù)據(jù)并行處理與分析挖掘服務(wù)框架，提供高性能計(jì)算環(huán)境與機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)，提供終端互聯(lián)、安全通信、清洗與存儲(chǔ)，并行編程模型與實(shí)時(shí)處理、智能算法插件式開發(fā)環(huán)境等技術(shù)服務(wù)。
數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：
數(shù)據(jù)訪問(wèn)層為智能應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)標(biāo)注等，并基于數(shù)據(jù)計(jì)算層開放智能算法接口，實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用的高效開發(fā)。
數(shù)據(jù)應(yīng)用層：
數(shù)據(jù)應(yīng)用層是工業(yè)數(shù)據(jù)從抽象到實(shí)例化的映射過(guò)程，是數(shù)據(jù)發(fā)揮自身價(jià)值的支撐性手段，其通過(guò)訪問(wèn)接口從存儲(chǔ)資源池獲取所需數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化應(yīng)用的創(chuàng)新與集成。
2. 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)
（1）基于NC-Link協(xié)議的設(shè)備互聯(lián)架構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)互連體系是各類設(shè)備、系統(tǒng)的連接與數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)，基于NC-Link協(xié)議的設(shè)備互聯(lián)架構(gòu)如圖2-6所示，橫向連接所有生產(chǎn)過(guò)程、縱向打通客戶到供應(yīng)商全價(jià)值鏈連接。
設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：負(fù)責(zé)異構(gòu)工控設(shè)備（機(jī)床、機(jī)器人、伺服電機(jī)、傳感器、物料小車等）到云數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（NC-Link代理器）的數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)接入方式包括：有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)、二維碼。
平臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：負(fù)責(zé)iNC-Cloud平臺(tái)與第三方信息化平臺(tái)的互聯(lián)互通，接入方式包括：有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）。
數(shù)據(jù)融合網(wǎng)絡(luò)：負(fù)責(zé)工業(yè)流式數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)到iNC-Cloud平臺(tái)的匯聚融合，由于該層的數(shù)據(jù)流通量較大，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)首選有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)融合網(wǎng)絡(luò)在之間設(shè)置物理網(wǎng)絡(luò)隔離，并在最終的網(wǎng)絡(luò)融合層實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享。
圖2-6 基于NC-Link協(xié)議的設(shè)備互聯(lián)架構(gòu)
（2）iNC-Cloud平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)
iNC-Cloud平臺(tái)采用“三級(jí)云數(shù)據(jù)中心”進(jìn)行數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與管理，分別為系統(tǒng)廠云數(shù)據(jù)中心、機(jī)床廠云數(shù)據(jù)中心和用戶廠云數(shù)據(jù)中心，如圖2-7所示，平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì)理念為：
1） 所有設(shè)備都需要向系統(tǒng)廠進(jìn)行注冊(cè)，形成機(jī)床廠分組或用戶廠分組，設(shè)備直接與用戶廠云數(shù)據(jù)中心實(shí)施網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；
2） 一個(gè)用戶廠分組包含若干個(gè)工業(yè)設(shè)備，一個(gè)機(jī)床廠分組又可包含一個(gè)或多個(gè)用戶廠分組；
3） 設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)用戶廠云數(shù)據(jù)中心，上傳至機(jī)床廠云數(shù)據(jù)中心，繼而傳輸?shù)较到y(tǒng)廠云數(shù)據(jù)中心；
4） 用戶廠具備最高的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和管理權(quán)限，可設(shè)置向機(jī)床廠或系統(tǒng)廠開放的數(shù)據(jù)類型，如報(bào)警信息、狀態(tài)信息、調(diào)機(jī)信息、設(shè)備位置等，從而保護(hù)機(jī)密生產(chǎn)信息，如加工件數(shù)、G代碼文件等。
5） 機(jī)床廠具備二級(jí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和管理權(quán)限，也可設(shè)置向系統(tǒng)廠開放的數(shù)據(jù)類型，如出廠檢測(cè)信息、工藝知識(shí)庫(kù)，從而同樣達(dá)到保護(hù)機(jī)密數(shù)據(jù)的目的。
3. 具體應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用模式
圖3-1 項(xiàng)目典型應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用模式
（1）依托NC-Link技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備、系統(tǒng)的連接與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成，打破因工業(yè)設(shè)備通訊接口相異造成的“信息孤島”，構(gòu)建面向整個(gè)工廠、產(chǎn)線或車間的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)信息的高度共享。
（2）對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，建立高效的反饋控制機(jī)制，以此優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高工件加工質(zhì)量與加工效率，比如刀具壽命管理、斷刀檢測(cè)、工藝參數(shù)優(yōu)化等智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自主感知、自主優(yōu)化、自動(dòng)決策、自主控制，形成企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ)性支撐體系。
（3）建立產(chǎn)品全生命周期的追溯機(jī)制，記錄設(shè)備全生命周期（出廠、使用、維護(hù)、回收）的過(guò)程數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)信息、關(guān)鍵功能部件信息、維修保養(yǎng)信息等，形成產(chǎn)品全生命周期信息知識(shí)庫(kù)，為系統(tǒng)或設(shè)備的性能優(yōu)化、功能改進(jìn)、運(yùn)維保養(yǎng)等提供支持。
（4）建立可視化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)（運(yùn)行、待機(jī)、離線、報(bào)警），在云端生成企業(yè)生產(chǎn)畫像，統(tǒng)計(jì)設(shè)備的開機(jī)率、運(yùn)行率、產(chǎn)量/產(chǎn)值等信息，并通過(guò)餅狀圖、柱狀圖、折線圖、時(shí)序圖等方式進(jìn)行可視化展示，將車間生產(chǎn)“黑箱”透明化，及時(shí)反饋企業(yè)車間的生產(chǎn)狀況，為車間的高效排產(chǎn)提供信息依據(jù)。
（5）通過(guò)建立設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程畫像，分析設(shè)備及其關(guān)鍵功能部件的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性運(yùn)維。
? 維保計(jì)劃
以指令域分析為基礎(chǔ)提取相關(guān)加工過(guò)程數(shù)據(jù)的特征值，并通過(guò)iNC-Cloud接口層做相關(guān)聚類和可視化處理，輸出數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸、主軸和整機(jī)的健康指數(shù)，跟蹤機(jī)床全生命周期的性能變化，為機(jī)床提供定制化保養(yǎng)計(jì)劃。
? 預(yù)測(cè)性分析
根據(jù)設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)生成健康指數(shù)，直觀的指出當(dāng)前機(jī)床狀態(tài)與基準(zhǔn)狀態(tài)之間的差距，對(duì)關(guān)鍵功能部件（刀具、主軸、進(jìn)給軸等）的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知，判斷其當(dāng)前的磨損狀況，預(yù)測(cè)其潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。
（6）根據(jù)設(shè)備報(bào)警信息，構(gòu)建設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維體系，提高設(shè)備運(yùn)維效率。
? 故障報(bào)修
通過(guò)設(shè)備故障在線報(bào)修，將故障信息遠(yuǎn)程提交至設(shè)備廠/系統(tǒng)廠；設(shè)備廠/系統(tǒng)廠及時(shí)對(duì)故障訂單進(jìn)行在線派遣，并由維修工程師快速跟進(jìn)。該系統(tǒng)集故障報(bào)修、派遣、跟蹤、完成、評(píng)價(jià)、回訪等全流程服務(wù)于一體，打破了傳統(tǒng)售后申請(qǐng)步驟繁瑣的局限，提高設(shè)備運(yùn)維效率。
? 自主維修
構(gòu)建常見(jiàn)故障案例知識(shí)庫(kù)，為用戶提供故障案例解決方案的快速獲取通道，支持用戶根據(jù)指導(dǎo)信息自行解決故障，在降低設(shè)備廠/系統(tǒng)廠運(yùn)維成本的同時(shí)，也極大地縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，降低企業(yè)因設(shè)備故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。
4. 安全及可靠性
（1）NC-Link協(xié)議的安全策略
1）基于NC-Link協(xié)議的數(shù)據(jù)接入安全
NC-Link代理器設(shè)計(jì)有協(xié)議數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備和應(yīng)用的安全接入、用戶認(rèn)證和授權(quán)，數(shù)控裝備在與應(yīng)用層傳輸數(shù)據(jù)之前必須向代理器進(jìn)行身份認(rèn)證。
? 數(shù)控裝備身份認(rèn)證信息
數(shù)控裝備具備唯一的身份認(rèn)證信息，包括但不限于設(shè)備序列號(hào)、MAC地址，或其他不可仿制和更改的信息。
? 數(shù)控裝備身份認(rèn)證機(jī)制
代理層建立數(shù)控裝備認(rèn)證信息數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)控裝備通過(guò)適配器向代理層發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求，代理層響應(yīng)認(rèn)證請(qǐng)求對(duì)數(shù)控裝備進(jìn)行身份認(rèn)證。只有通過(guò)身份認(rèn)證的數(shù)控裝備才能成功接入代理層，并進(jìn)行信息交互。
? 數(shù)控裝備安全連接通道
① 有線連接方式：采用專用網(wǎng)絡(luò)或建立加密通道方式保護(hù)數(shù)據(jù)通信。
② 無(wú)線連接方式：采用專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或通道，并在采用公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，建立虛擬專用撥號(hào)網(wǎng)（VPDN）或接入點(diǎn)（APN）。數(shù)控裝備以間接接入方式連接安全接入系統(tǒng)，滿足以下條件：第一、網(wǎng)關(guān)與安全接入系統(tǒng)均不應(yīng)旁路；第二、網(wǎng)關(guān)能對(duì)數(shù)控裝備的接入進(jìn)行管理。
2）基于NC-Link協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸安全
NC-Link適配器與代理器之間、代理器與應(yīng)用系統(tǒng)之間均通過(guò)安全通道（TLS/SSL）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸安全，保證了數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)時(shí)效性、數(shù)據(jù)不可抵賴性。
3）基于NC-Link協(xié)議的數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全
在設(shè)備端對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)行權(quán)限控制，包括讀寫權(quán)限和獲取權(quán)限。
讀寫權(quán)限：一般用戶不具備數(shù)據(jù)寫入權(quán)限，只有最高權(quán)限用戶發(fā)出的控制命令才能被設(shè)備端接受，有效防止工控系統(tǒng)信息被惡意篡改。
獲取權(quán)限：按照數(shù)據(jù)信息的敏感程度，對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求設(shè)置嚴(yán)格的身份鑒別與權(quán)限控制，以“最小授權(quán)”向用戶開放數(shù)據(jù)獲取權(quán)限。一般用戶只能請(qǐng)求到設(shè)備的基本數(shù)據(jù)，如運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警內(nèi)容等，而對(duì)于加工件數(shù)、加工程序、采樣數(shù)據(jù)等生產(chǎn)信息，則需要更高級(jí)別的授權(quán)，特別是對(duì)于寄存器信息，必需以最高權(quán)限才能獲取。
（2）云端iNC-Cloud平臺(tái)安全策略
? 入侵監(jiān)測(cè)
iNC-Cloud通過(guò)防火墻聯(lián)動(dòng)、日志數(shù)據(jù)庫(kù)記錄等方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)防御，并在全系統(tǒng)部署統(tǒng)一的防病毒軟件。
? 反向代理
iNC-Cloud設(shè)置有反向代理（Nginx），對(duì)外屏蔽服務(wù)器的信息，防止主服務(wù)器被惡意攻擊，并實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的負(fù)載均衡和動(dòng)靜分離。
? 流量異常管理
iNC-Cloud實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶終端（基于用戶IP）的流量，對(duì)異常的和疑似攻擊的IP進(jìn)行實(shí)時(shí)攔截，有效抵御DDOS等各種病毒攻擊。
5. 其他亮點(diǎn)
（1）依靠強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推廣和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)
2016年5月17日，數(shù)控行業(yè)19家企事業(yè)單位、研究機(jī)構(gòu)與高校在武漢成立了數(shù)控機(jī)床互聯(lián)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟。通過(guò)了章程、協(xié)議、組織構(gòu)架、工作計(jì)劃。聯(lián)盟下設(shè)工作組，協(xié)調(diào)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)和應(yīng)用工作。聯(lián)盟理事長(zhǎng)單位為中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)，中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)（英文簡(jiǎn)稱CMTBA），于1988年3月經(jīng)中華人民共和國(guó)民政部批準(zhǔn)成立，是具有社會(huì)團(tuán)體法人資格的全國(guó)性、行業(yè)性、非營(yíng)利性社會(huì)組織，常設(shè)機(jī)構(gòu)設(shè)在北京。目前擁有包括金屬切削機(jī)床、金屬成型機(jī)床、鑄造機(jī)械、木工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、量刃具、磨料磨具、機(jī)床附件（含機(jī)床功能部件）、機(jī)床電器等領(lǐng)域的會(huì)員單位1700多家。協(xié)會(huì)下設(shè)28個(gè)分會(huì)和6個(gè)工作委員會(huì)，是機(jī)床行業(yè)最具影響力的產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)。
迄今為止，聯(lián)盟成員已達(dá)30家左右，主要由數(shù)控行業(yè)的排頭企業(yè)構(gòu)成。其中：數(shù)控系統(tǒng)有武漢華中數(shù)控股份有限公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、沈陽(yáng)高精數(shù)控等；數(shù)控機(jī)床有沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)有限公司、大連科德數(shù)控有限公司、大連機(jī)床有限公司等，機(jī)器人有佛山智能研究院、沈機(jī)機(jī)器人等，此外還有3家高校、2家網(wǎng)絡(luò)安全公司、2家工業(yè)軟件公司。聯(lián)盟具有廣泛的行業(yè)代表性和影響力。
（2）基于NC-Link協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的工控協(xié)議，實(shí)施多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與匯聚
在iNC-Cloud研發(fā)過(guò)程中全部采用了NC-Link標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)等環(huán)節(jié)。NC-Link標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的接口、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)具有高度標(biāo)準(zhǔn)化、高度彈性等優(yōu)點(diǎn)。
（3）基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的主動(dòng)型客服精準(zhǔn)服務(wù)
基于iNC-Cloud進(jìn)一步研發(fā)了數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，大大降低了信息獲取、信息整理等成本，縮短了設(shè)備故障處理周期；同時(shí)，建立了數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床客服運(yùn)維中心，客服中心通過(guò)設(shè)備報(bào)警分析、客戶故障上報(bào)等技術(shù)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理設(shè)備故障，并為客戶提供主動(dòng)且精準(zhǔn)的服務(wù)，提升了客戶滿意度。
三、下一步實(shí)施計(jì)劃
1. NC-Link協(xié)議應(yīng)用推廣和宣傳
NC-Link已經(jīng)在國(guó)內(nèi)數(shù)控行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，取得很好反響，下一步將通過(guò)如下措施進(jìn)一步推廣NC-Link：
（1）建立更多NC-Link大數(shù)據(jù)平臺(tái)。以中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)為依托，在國(guó)內(nèi)建立更多互聯(lián)的NC-Link大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，每個(gè)NC-Link平臺(tái)連接多個(gè)智能工廠和智能生產(chǎn)線。在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)。
（2）建立NC-Link技術(shù)平臺(tái)。提供NC-Link標(biāo)準(zhǔn)草案、案例分享、第三方軟硬件開發(fā)工具、技術(shù)交流論壇，提供基于云計(jì)算的NC-Link軟件服務(wù)。
（3）建立NC-Link產(chǎn)品認(rèn)證中心。
（4）通過(guò)會(huì)議、機(jī)床展等多種形式，宣傳NC-Link。
（5）把NC-Link推廣到數(shù)控機(jī)床以外的行業(yè)。
2. 申請(qǐng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
為了占領(lǐng)國(guó)際制高點(diǎn)，掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，下一步擬將NC-Link申請(qǐng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。主要規(guī)劃如下：
（1）利用一帶一路政策，在其他國(guó)家和地區(qū)推廣NC-Link，建立NC-Link國(guó)際應(yīng)用示范項(xiàng)目。
（2）利用國(guó)際機(jī)床展和其他國(guó)家機(jī)床協(xié)會(huì)進(jìn)行技術(shù)交流，進(jìn)而把NC-Link和世界上主要的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)（包括MTConnect和UMATI）進(jìn)行互聯(lián)互通驗(yàn)證和試驗(yàn)。
（3）向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO或IEC提交NC-Link國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案。
四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)
（1）獨(dú)特的數(shù)控裝備信息模型設(shè)計(jì)
相較于其他異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)協(xié)議（如OPC UA、MTConnect），NC-Link協(xié)議定義的數(shù)控裝備模型采用JSON樹狀結(jié)構(gòu)化模型文件，更加貼切地反映出了機(jī)床及其各個(gè)功能部件的邏輯關(guān)系。JSON具備豐富的數(shù)據(jù)類型，可完全覆蓋數(shù)控機(jī)床各類信息的描述需求，因此NC-Link信息模型能夠描述更多的設(shè)備數(shù)據(jù)，輸出更多地設(shè)備及生產(chǎn)信息。
（2）支持自定義的組合數(shù)據(jù)，為指令域數(shù)據(jù)分析提供關(guān)鍵性支撐技術(shù)
NC-Link支持自定義的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機(jī)制，即以多種標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)控裝備端把同一時(shí)間段（或者其他形式對(duì)齊方式）產(chǎn)生的一組數(shù)據(jù)組成一組數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊內(nèi)數(shù)據(jù)自然對(duì)齊，從而可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率，也為數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析提供基礎(chǔ)。例如：以G代碼對(duì)齊的組合數(shù)據(jù)，可以把某一條加工代碼相關(guān)的不同軸的電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，并通過(guò)多軸電流數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，從而提供加工質(zhì)量與加工效率。
（3）簡(jiǎn)單的接口形式
NC-Link協(xié)議接口形式非常簡(jiǎn)單，只有偵測(cè)、查詢、設(shè)置、采樣等四個(gè)基本接口，非常易于實(shí)現(xiàn)，極大地降低工業(yè)智能應(yīng)用的開發(fā)難度，提升智能化生產(chǎn)車間的建設(shè)進(jìn)度。
（4）輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式
本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)中采用弱類型的JSON（Java Script Notation）進(jìn)行模型描述與數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)內(nèi)容的可讀性，帶寬壓力低，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，也決定了NC-Link實(shí)時(shí)雙向控制的特性。
（5）對(duì)異構(gòu)設(shè)備或平臺(tái)的高度兼容性
NC-Link信息模型具備高靈活性和可擴(kuò)充性，因此NC-Link協(xié)議可以兼容現(xiàn)有的主流工業(yè)互聯(lián)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，包括OPC UA、MTConnect、UMATI等。在本項(xiàng)目中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與如下數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)：華中數(shù)控、廣州數(shù)控、科德數(shù)控、沈陽(yáng)機(jī)床i5數(shù)控、西門子數(shù)控、發(fā)那科數(shù)控、倍福數(shù)控等，這是其他異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)協(xié)議不具備的性能。
（6）獨(dú)特的安全性設(shè)計(jì)
NC-Link協(xié)議支持?jǐn)?shù)控裝備端到端的安全通訊，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕趯?shí)現(xiàn)了設(shè)備與終端的接入安全、權(quán)限控制，以及數(shù)據(jù)傳輸安全，并在設(shè)備端對(duì)數(shù)據(jù)操作權(quán)限實(shí)施嚴(yán)格的權(quán)限控制與身份授權(quán)。
（7）基于NC-Link協(xié)議，以工控設(shè)備為核心，通過(guò)數(shù)字雙胞胎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的創(chuàng)新與集成。
基于NC-Link協(xié)議采集工控設(shè)備的物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，在iNC-Cloud平臺(tái)完成工控設(shè)備在云端虛擬空間的數(shù)字化映射，建立實(shí)體裝備全生命周期的追溯體系，完成預(yù)測(cè)性分析、遠(yuǎn)程故障診斷、工藝參數(shù)評(píng)估等業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，以及制造裝備在線檢測(cè)分析，并通過(guò)反饋控制實(shí)時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。
2. 實(shí)施效果
（1）經(jīng)濟(jì)效益
該項(xiàng)目已在武漢、蘇州、東莞、西安等地建立了iNC-Cloud大數(shù)據(jù)中心，搭配自主研發(fā)的NB-IoT、4G等通訊裝置，在近百家企業(yè)及高校（包括華中數(shù)控、華數(shù)機(jī)器人、蘇州勝利精密、東莞勁勝、東風(fēng)楚凱、寶雞機(jī)床、吉通、華中科技大學(xué)等）實(shí)施了NC-Link協(xié)議，每天匯聚并處理上億條數(shù)據(jù)，采集數(shù)控設(shè)備中上千個(gè)點(diǎn)位信息，涵蓋設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息、加工計(jì)件、采樣數(shù)據(jù)等各種工況。其中，由勝利精密國(guó)家智能制造示范工廠是3C加工領(lǐng)域華東地區(qū)第一條智能制造示范線，并于2018年獲批國(guó)家智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目。
該項(xiàng)目的實(shí)施為企業(yè)提供了多種故障解決方案途徑，包括預(yù)測(cè)性維護(hù)、自主維修遠(yuǎn)程指導(dǎo)、故障遠(yuǎn)程報(bào)修等，一方面降低設(shè)備廠/系統(tǒng)廠的運(yùn)維成本，另一方面極大地縮短用戶因設(shè)備報(bào)警或故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，其中典型的有：
? 寶雞機(jī)床廠：借助該項(xiàng)目的遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，使其運(yùn)維周期減少了50%。
? 華中數(shù)控：提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了能耗和成本，產(chǎn)線的生產(chǎn)效率提高了20%以上，生產(chǎn)成本降低24%，產(chǎn)品研發(fā)周期縮短39%，產(chǎn)品不良率下降37%，能源利用率提高23%。
通過(guò)采用自主研發(fā)的NB-IoT通訊裝置，與市面?zhèn)鹘y(tǒng)工控設(shè)備通訊裝置相比，每臺(tái)設(shè)備入網(wǎng)成本平均降低了60%，有效推動(dòng)企業(yè)的數(shù)據(jù)融合與信息共享體系建設(shè)，促進(jìn)企業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
（2）社會(huì)效益
NC-Link具有較強(qiáng)的通用性，除數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)外，還可以為其他相關(guān)的工控產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)借鑒和參考，為其提供重要的技術(shù)支撐。因此，NC-Link具有重要的示范效應(yīng)，在其他相關(guān)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)程中起到一定的引領(lǐng)和帶動(dòng)作用。
而且，相較于國(guó)際上廣泛使用的MTConnect和OPC UA，NC-Link不僅實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的超越，使得我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)享受到先進(jìn)的技術(shù)成果，更為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通技術(shù)的自主可控，可以改變市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中受制于人的被動(dòng)局面，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中展現(xiàn)出了重要的社會(huì)效益。
（3）國(guó)防安全
該項(xiàng)目已在中國(guó)航天三院、解放軍火炮備件制件廠、華飛智能科技有限公司等具備軍工背景的企業(yè)進(jìn)行了實(shí)施，通過(guò)NC-Link完全自主可控的特性，建立高可靠性的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，并通過(guò)iNC-Cloud開放統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，極大地提升了我國(guó)軍工類數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)的安全性，從根本上保護(hù)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、產(chǎn)品、信息和網(wǎng)絡(luò)安全，驅(qū)動(dòng)軍工類智能應(yīng)用的開發(fā)及集成，對(duì)推動(dòng)我國(guó)國(guó)防安全建設(shè)發(fā)揮了重要作用。
（4）人才培養(yǎng)
通過(guò)NC-Link和iNC-Cloud技術(shù)，為華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、新疆大學(xué)等高校建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，用于科學(xué)有效地培養(yǎng)“數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用”的三位一體化數(shù)據(jù)行高級(jí)技術(shù)人才，利用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的刺激與融合能力優(yōu)勢(shì)，將高校實(shí)訓(xùn)效率提升了30%，促進(jìn)學(xué)生與企業(yè)的無(wú)縫對(duì)接、快速上崗。