基于工业互联网平台的综合远程测控教学实验室系统.pdf

:./.基于工业互联网平台的综合远程测控教学实验室系统邵知宇扬州大学电气与能源动力工程学院 江苏扬州 摘 要:工业互联网是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体正成为国家战略布局的新方向 针对专业人才培养过程中对工业互联网复合型人才的需求以商用工业互联网平台为基础设计了基于工业互联网平台的综合远程测控教学实验室系统 以泵站机组状态监测、三维平台等工程实践项目为例使学生掌握工业互联网技术的核心原理具备通过现场层、通信层以及应用层的技术手段结合工业现场需求独立进行应用开发的能力关键词:教学平台工业互联网远程测控中图分类号:.工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体也是全球新一轮产业竞争的制高点 当前工业互联网在工业领域各个方面的各个环节获得越来越广泛的应用一方面应用范围不断扩大从单一的生产设备、场景逐步发展为全生命周期设备监测、全过程智能化管理等 另一方面基于工业互联网获取的现场层数据能够进一步地深入分析数据结合数字孪生技术、大数据分析等为进一步优化控制模型和管理策略提供理论依据 因此在高校电类专业人才培养中搭建基于工业互联网平台的实验教学平台培养工业互联网复合型人才是新工科教育建设背景下对高校人才培养提出的新要求也符合产业升级和现代化的趋势和要求工业互联网教学平台发展现状 工业互联网技术是一个多学科交叉融合的新工科领域其人才培养强调面向实际问题培养工程思维和动手实践能力 融合交叉学科知识的新技术学习将改变现有的传统教学模式需要高校学生通过一种实践引导的自学模式开展项目式实训因此需要在线实验平台和工具的支撑 目前已经有很多高校在工业互联网教学平台方面进行了尝试如谢昊飞等人设计了基于 的浸入式教学实验项目体系旨在引导学生深入学习工业现场数据采集与网络、平台管理与数据分析以及工业应用设计的核心原理和开发技能 林景波等人结合工业应用抽油机控制系统设计了基于工业互联网的 远程综合控制实验系统并投入实际使用 董玮等人与阿里巴巴集团合作提出了一个云边融合的物联网远程实验平台 借助虚拟仿真、云边融合等技术向教师和学生提供一个面向物联网在线实验的一站式课程平台降低了学生的物联网开发学习门槛众多工业互联网平台的开发与应用一定程度上弥补了我国在工业互联网技术人才培养过程中实训平台的缺失但是工业互联网实训平台的开发和在教学中的应用仍处于起步阶段存在许多不足 首先大多数的工业互联网实训平台所涉及的工业互联网专业知识和应用场景相对单一对学生运用多学科知识进行应用开发能力的培养不足 其次这些平台实训系统的上手难度很大学生需要较强的编程能力才能够进行实际开发 一些与商用工业互联平台合作开发的实训系统虽然可以降低学生学习的门槛但实验设计与工程实践结合不够紧密因此为了解决以上现有工业互联网教学实训平台的不足本项目设计并实现了基于工业互联网平台的综合远程测控实验教学系统 采用相对成熟的工业互联网平台为基础支持各种工业协议以及开发工具的使用能够系统地使学生了解和掌握工业互联网开发的知识和技能支持模块化和图形化的开发降低了学生学习的难度 此外该系统所涉及的实训项目均结合实际工程实践需求使学生能够了解企业项目应用开发中的实际需求和行业标准培养解决复杂工程问题的能力 系统设计典型的工业互联网平台通常包括端层、边缘层、基础设施层、平台层、应用层等 个系统层级 端层主要指工业现场各种生产设备边缘层主要负责对设备状态进行数据采集基础设施层为平台提供运行硬件保障 平台层是工业互联网平台的核心对数据进行进一步分析处理、存储、建模等并提供开发环境应用层则提供对外服务的接口和应用扩展基于典型的工业互联网平台架构结合扬州大学测控专业人才培养方案以及工业互联网人才培养过程的实际科教论坛科技风 年 月需求我们设计了基于工业互联网平台的综合远程测控实验教学系统如下图所示 其中端层主要包含扬州大学测控技术与仪器专业中常见的被控对象和执行机构 边缘层使用典型的仪器仪表、传感器或学生自研仪表等通过各类通信协议等实现被控对象的数据采集和传输 平台层则是在实验室服务器上本地部署了浙江蓝卓工业互联网平台 提供数据分析、管理、存储、建模以及应用开发环境 应用层则根据教学实训以及工业生产实践实例提供应用开发以及对外服务接口实现对现场设备的状态监测、远程测控、故障诊断等具体应用基于工业互联网平台的综合远程测控实验教学系统图 端层以及边缘层设计.端层以及边缘层实验目标端层以及边缘层在工业互联网平台中主要负责设备的智能感知功能 在测控实验中要求学生使用各类传感器对设备运行的状态信息、环境信息等进行连续的采集和感知并通过通信设备及协议将采集的各类信息传输至平台层 学生在实验过程中需要完成的实验目标如下:()了解并掌握端层设备在工业生产过程中自动化监测与控制的基本要求并分析智能化过程中需要采集的状态参数()根据端层设备的参数采集要求使用相应的传感器实现对端层设备参数的采集()根据所采集的端层设备的参数数据类型正确使用边缘层物联网智能终端并使用对应的协议类型实现数据与平台层的接入与传输.端层以及边缘层实验项目端层以及边缘层的实验目的主要是让学生了解并实现工业互联网框架下的现场数据采集的需求、方式以及传输具体实验项目包括:()控制器 分别采用温湿度传感器和液位计采集温控箱和液位控制水箱的温度、湿度和水位信息通过 传输至中控 控制器中实现数据采集()工业控制计算机 通过编码器获取三维滑台当前坐标信息通过以太网传输至工控机通过位置模块和 传输获取巡检机器人位置信息并传输至平台层服务器实现对巡检机器人的实时跟踪()智能 模块智能 模块通过编码器、振动传感器等获取水泵、电磁阀当前开关状态、转速、振动等设备状态信息通过/等智能网关传输至工业互联网平台层服务器()现场控制站 将工程现场实验调试用的水泵机组振动、摆动以及运行状态数据等通过搭建 专网传输至实验室平台层服务器()学生自研仪表 学生可使用课程设计中自主研制的各类仪器仪表自行确定测控对象实现与平台层的接入进而实现设备状态监测数据的传输 平台层.平台层架构本系统平台层采用了商用的工业互联网平台 工业操作系统 该系统是由浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司推出的具有完全自主知识产权的工业操作系统 该工业互联网平台具有通用的工业互联网架构包括边缘层、平台层以及应用层 在本项目中针对学生培养需求所使用的 工业互联网平台具体功能包括:()异构系统数据集成管理 采用统一的数据驱动框架实现数据上传通过对象化模型将多种来源的数据进行重组并进行多元数据管理()统一门户 能够集成多个应用系统形成统一的用户体系()组态开发 提供智能 应用的组态式开发环境通过图形化、组件化、模块化的向导式应用构建有效降低应用开发和设计门槛()移动平台 用户可以在移动端便捷地查看监控画面、趋势图、过程报警、视频监控、生产报表能进行协同办公、交流等.平台层实验项目平台层的实验目的是让学生进一步了解工业互联网架构掌握工业互联网平台数据建模、存储、管理等基本技术并学会使用平台提供的开发工具及其扩展模块进行应用 的开发 具体实验项目包括:()数据采集与存储 实现平台层采集器与边缘层的数据通信接入根据采集的数据类型构建数据模型建立相应的数据对象以及属性等并接入第三方数据库(如)进行存储和读取()低代码组态开发 使用工业互联网平台提供的图形化、模块化编程的向导式应用开发常见的 应用单元具体实验内容包括:数据的图形化展示视频墙的搭建表单的增删改查等()高代码组件开发 使用可编程组件搭建本地开发环境实现 与工业互联网平台的联合开发 应用层.应用层实现的功能本项目平台层的需要实现的功能目标主要有两个方面:一是数据可视化门户界面的开发 设计和开发过程中需要考虑信息模块的完整性、信息显示的简洁性以及人机交互的友好性 二是应用 的对外发布与管理 应用 的发布主要指应用程序能够通过网页端以及移动端的远程访问等 应用管理主要指登录人员信息管理以及访问权限分级管理.应用层实验项目设计本项目应用层实验项目设计要求学生选择实际的生 科技风 年 月科教论坛产生活需要或工程应用场景在平台层开发模块的基础上设计并实现符合场景需求的应用 界面并实现访问分级管理应用层的实验项目包括:()数据可视化门户界面的制作 掌握可视化界面所需展示的基本信息模块内容了解人机交互界面设计基本原则 具体实验项目包括开发设备运行统计图表、运行状态数据展示、视频、运行报表以及管理日志等()应用发布与管理 实现平台层网页端的 访问接口的调用实现移动端发布服务通信协议的配置使用端口映射实现 的远程访问与数据获取 项目优势与应用效果目前在高校人才培养中使用的大多数工业互联网实训平台存在学习难度大、实验项目场景单一、脱离工程实践与企业生产实际需求、可扩展性弱等问题 因此为了解决以上问题本项目基于商用工业互联网平台搭建了一套远程测控实验系统并用于本专业课程教学中 其主要优势在于:()基于已有的工业互联网操作平台进行数据采集、数据通信、应用开发等环节实验项目的设置学生可采用图形化结合低代码开发的方式进行简单易上手在较短时间内能够独立进行应用程序开发()本远程测控实验系统兼容各种通用的数据传输协议、数据存储管理协议设备接入成本相对较低可扩展性较强特别是支持学生自行研制的仪器仪表的设备状态接入能够充分发挥学生的主观能动性与创造力()本实验系统的数据信息采用无线传输和异地组网的方式进行支持远程线上开发克服时空限制兼容线上线下教学扩展了应用范围和场景()本系统实验项目设置结合实际工程应用注重培养学生解决复杂工程问题的能力理论教学和工程实践相辅相成本项目开发的实验教学系统已经应用于扬州大学测控技术与仪器专业的人才培养与实践教学中具体课程包括“工业互联网技术及应用实习”“远程测控软件课程设计”“机电设备健康管理”以及“毕业设计”中累计实验项目 个累计使用人时数/年 此外本系统还支持了学生进行课外创新实践基于本实验平台的学生作品多次获得优秀毕业设计、各级别科创项目立项以及竞赛获奖在师生中引发热烈反响 此外在本项目实验平台上进行的相关预研技术已经进行了工程实践和推广应用取得了良好的应用效果结语工业互联网技术是新型制造系统的数字化神经中枢是企业智能化转型重要抓手 在高校专业人才培养中培养工业互联网复合型人才是新工科教育建设背景下对高校人才培养提出的新要求也符合产业升级和现代化的趋势和要求 本研究基于工业互联网平台搭建的实验教学系统实现工业互联网应用程序的低代码开发过程更加简单便捷同时具有很强的可扩展性 开发过程基于通用工业协议进行便于工业设备状态的可视化、标准化、集成化和智能化管理 此外平台支持远程访问和开发脱离了地域的限制进行线上开发和教学 本系统结合工程实践项目让学生了解工业生产和管理技术的需求和发展趋势其原理样机可结合生产实际进一步应用在水站闸站、智慧水利、智慧工厂等场景中真正实现产学研的融合参考文献:赵敏.工业互联网平台的六个支撑要素 解读工业互联网平台白皮书.中国机械工程():.李贵文罗云东陈琳等.基于物联网的吊车梁全生命周期智慧监测.全国冶金自动化信息网 年会论文集冶金自动化杂志社.王逸飞杨欣欣李慧颖等.油田工业物联网设备全生命周期一体化智能管理技术研究.智能制造():.赵晋松张朝阳顾巍峰等.基于工业互联网的智能电厂平台架构.热力发电():.邢震韩安陈晓晶等.基于工业互联网的智能矿山灾害数字孪生研究.工矿自动化():.张伦彦.面向数字孪生的工业互联网平台构建技术研究.智能制造():.郝志伟郭超.基于 的煤炭工业互联网大数据分析平台建设与实践.智能矿山():.吕鹏.面向新工科教育的工业互联网在线实验平台设计与实现.北京邮电大学.谢昊飞刘代雄吴禹霜.面向工业互联网的 浸入式教学实验项目设计.实验技术与管理():.林景波金显吉刘洪臣等.基于工业互联网的 远程综合控制实验系统.中国现代教育装备():.董玮高艺李博睿:云边融合的物联网远程实验平台.中国现代教育装备():.基金:扬州大学 年度自制实验仪器设备项目()“基于工业互联网与数字孪生技术的设备状态监测平台的研发”作者简介:邵知宇()男汉族河南桐柏人博士中级职称研究方向为机器人传感与控制、工业互联网科教论坛科技风 年 月