邵知宇

揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院 江蘇揚(yáng)州 225127

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的重要載體,也是全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn)[1]。當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域各個方面的各個環(huán)節(jié)獲得越來越廣泛的應(yīng)用,一方面應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,從單一的生產(chǎn)設(shè)備、場景逐步發(fā)展為全生命周期設(shè)備監(jiān)測[2]、全過程智能化管理等[3-4]。另一方面,基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)獲取的現(xiàn)場層數(shù)據(jù),能夠進(jìn)一步地深入分析數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等為進(jìn)一步優(yōu)化控制模型和管理策略提供理論依據(jù)[5-7]。因此,在高校電類專業(yè)人才培養(yǎng)中,搭建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的實驗教學(xué)平臺,培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合型人才,是新工科教育建設(shè)背景下對高校人才培養(yǎng)提出的新要求,也符合產(chǎn)業(yè)升級和現(xiàn)代化的趨勢和要求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺發(fā)展現(xiàn)狀。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個多學(xué)科交叉融合的新工科領(lǐng)域,其人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)面向?qū)嶋H問題,培養(yǎng)工程思維和動手實踐能力。融合交叉學(xué)科知識的新技術(shù)學(xué)習(xí)將改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)模式,需要高校學(xué)生通過一種實踐引導(dǎo)的自學(xué)模式開展項目式實訓(xùn),因此需要在線實驗平臺和工具的支撐[8]。目前已經(jīng)有很多高校在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺方面進(jìn)行了嘗試,如謝昊飛等人設(shè)計了基于Modbus的浸入式教學(xué)實驗項目體系,旨在引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)、平臺管理與數(shù)據(jù)分析以及工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的核心原理和開發(fā)技能[9]。林景波等人結(jié)合工業(yè)應(yīng)用抽油機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的PLC遠(yuǎn)程綜合控制實驗系統(tǒng),并投入實際使用[10]。董瑋等人與阿里巴巴集團(tuán)合作提出了一個云邊融合的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實驗平臺LinkLab,借助虛擬仿真、云邊融合等技術(shù),向教師和學(xué)生提供一個面向物聯(lián)網(wǎng)在線實驗的一站式課程平臺,降低了學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)學(xué)習(xí)門檻[11]。眾多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)與應(yīng)用,一定程度上彌補(bǔ)了我國在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才培養(yǎng)過程中實訓(xùn)平臺的缺失,但是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺的開發(fā)和在教學(xué)中的應(yīng)用仍處于起步階段,存在許多不足。首先,大多數(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺所涉及的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識和應(yīng)用場景相對單一,對學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)能力的培養(yǎng)不足。其次,這些平臺實訓(xùn)系統(tǒng)的上手難度很大,學(xué)生需要較強(qiáng)的編程能力才能夠進(jìn)行實際開發(fā)。一些與商用工業(yè)互聯(lián)平臺合作開發(fā)的實訓(xùn)系統(tǒng)雖然可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)的門檻,但實驗設(shè)計與工程實踐結(jié)合不夠緊密。

因此,為了解決以上現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實訓(xùn)平臺的不足,本項目設(shè)計并實現(xiàn)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的綜合遠(yuǎn)程測控實驗教學(xué)系統(tǒng)。采用相對成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ),支持各種工業(yè)協(xié)議以及開發(fā)工具的使用,能夠系統(tǒng)地使學(xué)生了解和掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的知識和技能。支持模塊化和圖形化的開發(fā),降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。此外,該系統(tǒng)所涉及的實訓(xùn)項目均結(jié)合實際工程實踐需求,使學(xué)生能夠了解企業(yè)項目應(yīng)用開發(fā)中的實際需求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計

典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺通常包括端層、邊緣層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、應(yīng)用層等5個系統(tǒng)層級。端層主要指工業(yè)現(xiàn)場各種生產(chǎn)設(shè)備,邊緣層主要負(fù)責(zé)對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,基礎(chǔ)設(shè)施層為平臺提供運(yùn)行硬件保障。平臺層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的核心,對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理、存儲、建模等并提供開發(fā)環(huán)境,應(yīng)用層則提供對外服務(wù)的接口和應(yīng)用擴(kuò)展。

基于典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu),結(jié)合揚(yáng)州大學(xué)測控專業(yè)人才培養(yǎng)方案以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)過程的實際需求,我們設(shè)計了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的綜合遠(yuǎn)程測控實驗教學(xué)系統(tǒng),如下圖所示。其中端層主要包含揚(yáng)州大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)中常見的被控對象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。邊緣層使用典型的儀器儀表、傳感器或?qū)W生自研儀表等通過各類通信協(xié)議等實現(xiàn)被控對象的數(shù)據(jù)采集和傳輸。平臺層則是在實驗室服務(wù)器上本地部署了浙江藍(lán)卓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺supOS,提供數(shù)據(jù)分析、管理、存儲、建模以及應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用層則根據(jù)教學(xué)實訓(xùn)以及工業(yè)生產(chǎn)實踐實例提供應(yīng)用開發(fā)以及對外服務(wù)接口,實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程測控、故障診斷等具體應(yīng)用。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的綜合遠(yuǎn)程測控實驗教學(xué)系統(tǒng)圖

2 端層以及邊緣層設(shè)計

2.1 端層以及邊緣層實驗?zāi)繕?biāo)

端層以及邊緣層在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中主要負(fù)責(zé)設(shè)備的智能感知功能。在測控實驗中,要求學(xué)生使用各類傳感器對設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信息、環(huán)境信息等進(jìn)行連續(xù)的采集和感知,并通過通信設(shè)備及協(xié)議將采集的各類信息傳輸至平臺層。學(xué)生在實驗過程中需要完成的實驗?zāi)繕?biāo)如下:(1)了解并掌握端層設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過程中自動化監(jiān)測與控制的基本要求,并分析智能化過程中需要采集的狀態(tài)參數(shù)。(2)根據(jù)端層設(shè)備的參數(shù)采集要求,使用相應(yīng)的傳感器實現(xiàn)對端層設(shè)備參數(shù)的采集。(3)根據(jù)所采集的端層設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)類型,正確使用邊緣層物聯(lián)網(wǎng)智能終端并使用對應(yīng)的協(xié)議類型實現(xiàn)數(shù)據(jù)與平臺層的接入與傳輸。

2.2 端層以及邊緣層實驗項目

端層以及邊緣層的實驗?zāi)康闹饕亲寣W(xué)生了解并實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框架下的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的需求、方式以及傳輸,具體實驗項目包括:(1)PLC控制器。分別采用溫濕度傳感器和液位計采集溫控箱和液位控制水箱的溫度、濕度和水位信息,通過RS485傳輸至中控PLC控制器中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。(2)工業(yè)控制計算機(jī)。通過編碼器獲取三維滑臺當(dāng)前坐標(biāo)信息,通過以太網(wǎng)傳輸至工控機(jī);通過位置模塊和Wi-Fi傳輸獲取巡檢機(jī)器人位置信息,并傳輸至平臺層服務(wù)器,實現(xiàn)對巡檢機(jī)器人的實時跟蹤。(3)智能IO模塊。智能IO模塊通過編碼器、振動傳感器等獲取水泵、電磁閥當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、振動等設(shè)備狀態(tài)信息,通過4g/5g等智能網(wǎng)關(guān)傳輸至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層服務(wù)器。(4)DCS現(xiàn)場控制站。將工程現(xiàn)場實驗調(diào)試用的水泵機(jī)組振動、擺動以及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等通過搭建VPN專網(wǎng)傳輸至實驗室平臺層服務(wù)器。(5)學(xué)生自研儀表。學(xué)生可使用課程設(shè)計中自主研制的各類儀器儀表,自行確定測控對象,實現(xiàn)與平臺層的接入,進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

3 平臺層

3.1 平臺層架構(gòu)

本系統(tǒng)平臺層采用了商用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺supOS工業(yè)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由浙江藍(lán)卓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)有限公司推出的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)操作系統(tǒng)。該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺具有通用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),包括邊緣層、平臺層以及應(yīng)用層。在本項目中,針對學(xué)生培養(yǎng)需求,所使用的supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺具體功能包括:(1)異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成管理。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)驅(qū)動框架實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳,通過對象化模型將多種來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,并進(jìn)行多元數(shù)據(jù)管理。(2)統(tǒng)一門戶。能夠集成多個應(yīng)用系統(tǒng),形成統(tǒng)一的用戶體系。(3)組態(tài)開發(fā)。提供智能APP應(yīng)用的組態(tài)式開發(fā)環(huán)境,通過圖形化、組件化、模塊化的向?qū)綉?yīng)用構(gòu)建,有效降低應(yīng)用開發(fā)和設(shè)計門檻。(4)移動平臺。用戶可以在移動端便捷地查看監(jiān)控畫面、趨勢圖、過程報警、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)報表,能進(jìn)行協(xié)同辦公、交流等。

3.2 平臺層實驗項目

平臺層的實驗?zāi)康氖亲寣W(xué)生進(jìn)一步了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)建模、存儲、管理等基本技術(shù),并學(xué)會使用平臺提供的開發(fā)工具及其擴(kuò)展模塊進(jìn)行應(yīng)用APP的開發(fā)。具體實驗項目包括:(1)數(shù)據(jù)采集與存儲。實現(xiàn)平臺層采集器與邊緣層的數(shù)據(jù)通信接入;根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型構(gòu)建數(shù)據(jù)模型,建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象以及屬性等,并接入第三方數(shù)據(jù)庫(如Access)進(jìn)行存儲和讀取。(2)低代碼組態(tài)開發(fā)。使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的圖形化、模塊化編程的向?qū)綉?yīng)用,開發(fā)常見的APP應(yīng)用單元。具體實驗內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)的圖形化展示;視頻墻的搭建;表單的增刪改查等。(3)高代碼組件開發(fā)。使用可編程組件搭建本地開發(fā)環(huán)境,實現(xiàn)VS Code與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的聯(lián)合開發(fā)。

4 應(yīng)用層

4.1 應(yīng)用層實現(xiàn)的功能

本項目平臺層的需要實現(xiàn)的功能目標(biāo)主要有兩個方面:一是數(shù)據(jù)可視化門戶界面的開發(fā)。設(shè)計和開發(fā)過程中需要考慮信息模塊的完整性、信息顯示的簡潔性以及人機(jī)交互的友好性。二是應(yīng)用APP的對外發(fā)布與管理。應(yīng)用APP的發(fā)布主要指應(yīng)用程序能夠通過網(wǎng)頁端以及移動端的遠(yuǎn)程訪問等。應(yīng)用管理主要指登錄人員信息管理以及訪問權(quán)限分級管理。

4.2 應(yīng)用層實驗項目設(shè)計

本項目應(yīng)用層實驗項目設(shè)計要求學(xué)生選擇實際的生產(chǎn)生活需要或工程應(yīng)用場景,在平臺層開發(fā)模塊的基礎(chǔ)上,設(shè)計并實現(xiàn)符合場景需求的應(yīng)用APP界面并實現(xiàn)訪問分級管理。

應(yīng)用層的實驗項目包括:(1)數(shù)據(jù)可視化門戶界面的制作。掌握可視化界面所需展示的基本信息模塊內(nèi)容,了解人機(jī)交互界面設(shè)計基本原則。具體實驗項目包括開發(fā)設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計圖表、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)展示、視頻、運(yùn)行報表以及管理日志等。(2)應(yīng)用發(fā)布與管理。實現(xiàn)平臺層網(wǎng)頁端的http訪問接口的調(diào)用,實現(xiàn)移動端發(fā)布服務(wù)通信協(xié)議的配置;使用端口映射實現(xiàn)APP的遠(yuǎn)程訪問與數(shù)據(jù)獲取。

5 項目優(yōu)勢與應(yīng)用效果

目前在高校人才培養(yǎng)中使用的大多數(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺存在學(xué)習(xí)難度大、實驗項目場景單一、脫離工程實踐與企業(yè)生產(chǎn)實際需求、可擴(kuò)展性弱等問題。因此,為了解決以上問題,本項目基于商用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建了一套遠(yuǎn)程測控實驗系統(tǒng),并用于本專業(yè)課程教學(xué)中。其主要優(yōu)勢在于:(1)基于已有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、應(yīng)用開發(fā)等環(huán)節(jié)實驗項目的設(shè)置,學(xué)生可采用圖形化結(jié)合低代碼開發(fā)的方式進(jìn)行,簡單易上手,在較短時間內(nèi)能夠獨(dú)立進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。(2)本遠(yuǎn)程測控實驗系統(tǒng)兼容各種通用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲管理協(xié)議,設(shè)備接入成本相對較低,可擴(kuò)展性較強(qiáng),特別是支持學(xué)生自行研制的儀器儀表的設(shè)備狀態(tài)接入,能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)造力。(3)本實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息采用無線傳輸和異地組網(wǎng)的方式進(jìn)行,支持遠(yuǎn)程線上開發(fā),克服時空限制,兼容線上線下教學(xué),擴(kuò)展了應(yīng)用范圍和場景。(4)本系統(tǒng)實驗項目設(shè)置結(jié)合實際工程應(yīng)用,注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,理論教學(xué)和工程實踐相輔相成。

本項目開發(fā)的實驗教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于揚(yáng)州大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的人才培養(yǎng)與實踐教學(xué)中,具體課程包括“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用實習(xí)”“遠(yuǎn)程測控軟件課程設(shè)計”“機(jī)電設(shè)備健康管理”以及“畢業(yè)設(shè)計”中,累計實驗項目32個,累計使用人時數(shù)3200/年。此外,本系統(tǒng)還支持了學(xué)生進(jìn)行課外創(chuàng)新實踐,基于本實驗平臺的學(xué)生作品多次獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計、各級別科創(chuàng)項目立項以及競賽獲獎,在師生中引發(fā)熱烈反響。此外,在本項目實驗平臺上進(jìn)行的相關(guān)預(yù)研技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了工程實踐和推廣應(yīng)用,取得了良好的應(yīng)用效果。

結(jié)語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新型制造系統(tǒng)的數(shù)字化神經(jīng)中樞,是企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型重要抓手。在高校專業(yè)人才培養(yǎng)中,培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合型人才,是新工科教育建設(shè)背景下對高校人才培養(yǎng)提出的新要求,也符合產(chǎn)業(yè)升級和現(xiàn)代化的趨勢和要求。本研究基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建的實驗教學(xué)系統(tǒng),實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的低代碼開發(fā),過程更加簡單便捷,同時具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。開發(fā)過程基于通用工業(yè)協(xié)議進(jìn)行,便于工業(yè)設(shè)備狀態(tài)的可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化管理。此外,平臺支持遠(yuǎn)程訪問和開發(fā),脫離了地域的限制進(jìn)行線上開發(fā)和教學(xué)。本系統(tǒng)結(jié)合工程實踐項目讓學(xué)生了解工業(yè)生產(chǎn)和管理技術(shù)的需求和發(fā)展趨勢,其原理樣機(jī)可結(jié)合生產(chǎn)實際進(jìn)一步應(yīng)用在水站閘站、智慧水利、智慧工廠等場景中,真正實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的融合。