基于工業互聯網平臺的綜合遠程測控教學實驗室系統

邵知宇

揚州大學電氣與能源動力工程學院 江蘇揚州 225127

工業互聯網是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物,是制造業數字化、網絡化、智能化的重要載體,也是全球新一輪產業競爭的制高點[1]。當前工業互聯網在工業領域各個方面的各個環節獲得越來越廣泛的應用,一方面應用范圍不斷擴大,從單一的生產設備、場景逐步發展為全生命周期設備監測[2]、全過程智能化管理等[3-4]。另一方面,基于工業互聯網獲取的現場層數據,能夠進一步地深入分析數據,結合數字孿生技術、大數據分析等為進一步優化控制模型和管理策略提供理論依據[5-7]。因此,在高校電類專業人才培養中,搭建基于工業互聯網平臺的實驗教學平臺,培養工業互聯網復合型人才,是新工科教育建設背景下對高校人才培養提出的新要求,也符合產業升級和現代化的趨勢和要求。

工業互聯網教學平臺發展現狀。工業互聯網技術是一個多學科交叉融合的新工科領域,其人才培養強調面向實際問題,培養工程思維和動手實踐能力。融合交叉學科知識的新技術學習將改變現有的傳統教學模式,需要高校學生通過一種實踐引導的自學模式開展項目式實訓,因此需要在線實驗平臺和工具的支撐[8]。目前已經有很多高校在工業互聯網教學平臺方面進行了嘗試,如謝昊飛等人設計了基于Modbus的浸入式教學實驗項目體系,旨在引導學生深入學習工業現場數據采集與網絡、平臺管理與數據分析以及工業應用設計的核心原理和開發技能[9]。林景波等人結合工業應用抽油機控制系統設計了基于工業互聯網的PLC遠程綜合控制實驗系統,并投入實際使用[10]。董瑋等人與阿里巴巴集團合作提出了一個云邊融合的物聯網遠程實驗平臺LinkLab,借助虛擬仿真、云邊融合等技術,向教師和學生提供一個面向物聯網在線實驗的一站式課程平臺,降低了學生的物聯網開發學習門檻[11]。眾多工業互聯網平臺的開發與應用,一定程度上彌補了我國在工業互聯網技術人才培養過程中實訓平臺的缺失,但是工業互聯網實訓平臺的開發和在教學中的應用仍處于起步階段,存在許多不足。首先,大多數的工業互聯網實訓平臺所涉及的工業互聯網專業知識和應用場景相對單一,對學生運用多學科知識進行應用開發能力的培養不足。其次,這些平臺實訓系統的上手難度很大,學生需要較強的編程能力才能夠進行實際開發。一些與商用工業互聯平臺合作開發的實訓系統雖然可以降低學生學習的門檻,但實驗設計與工程實踐結合不夠緊密。

因此,為了解決以上現有工業互聯網教學實訓平臺的不足,本項目設計并實現了基于工業互聯網平臺的綜合遠程測控實驗教學系統。采用相對成熟的工業互聯網平臺為基礎,支持各種工業協議以及開發工具的使用,能夠系統地使學生了解和掌握工業互聯網開發的知識和技能。支持模塊化和圖形化的開發,降低了學生學習的難度。此外,該系統所涉及的實訓項目均結合實際工程實踐需求,使學生能夠了解企業項目應用開發中的實際需求和行業標準,培養解決復雜工程問題的能力。

1 系統設計

典型的工業互聯網平臺通常包括端層、邊緣層、基礎設施層、平臺層、應用層等5個系統層級。端層主要指工業現場各種生產設備,邊緣層主要負責對設備狀態進行數據采集,基礎設施層為平臺提供運行硬件保障。平臺層是工業互聯網平臺的核心,對數據進行進一步分析處理、存儲、建模等并提供開發環境,應用層則提供對外服務的接口和應用擴展。

基于典型的工業互聯網平臺架構,結合揚州大學測控專業人才培養方案以及工業互聯網人才培養過程的實際需求,我們設計了基于工業互聯網平臺的綜合遠程測控實驗教學系統,如下圖所示。其中端層主要包含揚州大學測控技術與儀器專業中常見的被控對象和執行機構。邊緣層使用典型的儀器儀表、傳感器或學生自研儀表等通過各類通信協議等實現被控對象的數據采集和傳輸。平臺層則是在實驗室服務器上本地部署了浙江藍卓工業互聯網平臺supOS,提供數據分析、管理、存儲、建模以及應用開發環境。應用層則根據教學實訓以及工業生產實踐實例提供應用開發以及對外服務接口,實現對現場設備的狀態監測、遠程測控、故障診斷等具體應用。

基于工業互聯網平臺的綜合遠程測控實驗教學系統圖

2 端層以及邊緣層設計

2.1 端層以及邊緣層實驗目標

端層以及邊緣層在工業互聯網平臺中主要負責設備的智能感知功能。在測控實驗中,要求學生使用各類傳感器對設備運行的狀態信息、環境信息等進行連續的采集和感知,并通過通信設備及協議將采集的各類信息傳輸至平臺層。學生在實驗過程中需要完成的實驗目標如下:(1)了解并掌握端層設備在工業生產過程中自動化監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參數。(2)根據端層設備的參數采集要求,使用相應的傳感器實現對端層設備參數的采集。(3)根據所采集的端層設備的參數數據類型,正確使用邊緣層物聯網智能終端并使用對應的協議類型實現數據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目的主要是讓學生了解并實現工業互聯網框架下的現場數據采集的需求、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控制器中實現數據采集。(2)工業控制計算機。通過編碼器獲取三維滑臺當前坐標信息,通過以太網傳輸至工控機;通過位置模塊和Wi-Fi傳輸獲取巡檢機器人位置信息,并傳輸至平臺層服務器,實現對巡檢機器人的實時跟蹤。(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、電磁閥當前開關狀態、轉速、振動等設備狀態信息,通過4g/5g等智能網關傳輸至工業互聯網平臺層服務器。(4)DCS現場控制站。將工程現場實驗調試用的水泵機組振動、擺動以及運行狀態數據等通過搭建VPN專網傳輸至實驗室平臺層服務器。(5)學生自研儀表。學生可使用課程設計中自主研制的各類儀器儀表,自行確定測控對象,實現與平臺層的接入,進而實現設備狀態監測數據的傳輸。

3 平臺層

3.1 平臺層架構

本系統平臺層采用了商用的工業互聯網平臺supOS工業操作系統。該系統是由浙江藍卓工業互聯網信息技術有限公司推出的具有完全自主知識產權的工業操作系統。該工業互聯網平臺具有通用的工業互聯網架構,包括邊緣層、平臺層以及應用層。在本項目中,針對學生培養需求,所使用的supOS工業互聯網平臺具體功能包括:(1)異構系統數據集成管理。采用統一的數據驅動框架實現數據上傳,通過對象化模型將多種來源的數據進行重組,并進行多元數據管理。(2)統一門戶。能夠集成多個應用系統,形成統一的用戶體系。(3)組態開發。提供智能APP應用的組態式開發環境,通過圖形化、組件化、模塊化的向導式應用構建,有效降低應用開發和設計門檻。(4)移動平臺。用戶可以在移動端便捷地查看監控畫面、趨勢圖、過程報警、視頻監控、生產報表,能進行協同辦公、交流等。

3.2 平臺層實驗項目

平臺層的實驗目的是讓學生進一步了解工業互聯網架構,掌握工業互聯網平臺數據建模、存儲、管理等基本技術,并學會使用平臺提供的開發工具及其擴展模塊進行應用APP的開發。具體實驗項目包括:(1)數據采集與存儲。實現平臺層采集器與邊緣層的數據通信接入;根據采集的數據類型構建數據模型,建立相應的數據對象以及屬性等,并接入第三方數據庫(如Access)進行存儲和讀取。(2)低代碼組態開發。使用工業互聯網平臺提供的圖形化、模塊化編程的向導式應用,開發常見的APP應用單元。具體實驗內容包括:數據的圖形化展示;視頻墻的搭建;表單的增刪改查等。(3)高代碼組件開發。使用可編程組件搭建本地開發環境,實現VS Code與工業互聯網平臺的聯合開發。

4 應用層

4.1 應用層實現的功能

本項目平臺層的需要實現的功能目標主要有兩個方面:一是數據可視化門戶界面的開發。設計和開發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交互的友好性。二是應用APP的對外發布與管理。應用APP的發布主要指應用程序能夠通過網頁端以及移動端的遠程訪問等。應用管理主要指登錄人員信息管理以及訪問權限分級管理。

4.2 應用層實驗項目設計

本項目應用層實驗項目設計要求學生選擇實際的生產生活需要或工程應用場景,在平臺層開發模塊的基礎上,設計并實現符合場景需求的應用APP界面并實現訪問分級管理。

應用層的實驗項目包括:(1)數據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容,了解人機交互界面設計基本原則。具體實驗項目包括開發設備運行統計圖表、運行狀態數據展示、視頻、運行報表以及管理日志等。(2)應用發布與管理。實現平臺層網頁端的http訪問接口的調用,實現移動端發布服務通信協議的配置;使用端口映射實現APP的遠程訪問與數據獲取。

5 項目優勢與應用效果

目前在高校人才培養中使用的大多數工業互聯網實訓平臺存在學習難度大、實驗項目場景單一、脫離工程實踐與企業生產實際需求、可擴展性弱等問題。因此,為了解決以上問題,本項目基于商用工業互聯網平臺搭建了一套遠程測控實驗系統,并用于本專業課程教學中。其主要優勢在于:(1)基于已有的工業互聯網操作平臺進行數據采集、數據通信、應用開發等環節實驗項目的設置,學生可采用圖形化結合低代碼開發的方式進行,簡單易上手,在較短時間內能夠獨立進行應用程序開發。(2)本遠程測控實驗系統兼容各種通用的數據傳輸協議、數據存儲管理協議,設備接入成本相對較低,可擴展性較強,特別是支持學生自行研制的儀器儀表的設備狀態接入,能夠充分發揮學生的主觀能動性與創造力。(3)本實驗系統的數據信息采用無線傳輸和異地組網的方式進行,支持遠程線上開發,克服時空限制,兼容線上線下教學,擴展了應用范圍和場景。(4)本系統實驗項目設置結合實際工程應用,注重培養學生解決復雜工程問題的能力,理論教學和工程實踐相輔相成。

本項目開發的實驗教學系統已經應用于揚州大學測控技術與儀器專業的人才培養與實踐教學中,具體課程包括“工業互聯網技術及應用實習”“遠程測控軟件課程設計”“機電設備健康管理”以及“畢業設計”中,累計實驗項目32個,累計使用人時數3200/年。此外,本系統還支持了學生進行課外創新實踐,基于本實驗平臺的學生作品多次獲得優秀畢業設計、各級別科創項目立項以及競賽獲獎,在師生中引發熱烈反響。此外,在本項目實驗平臺上進行的相關預研技術已經進行了工程實踐和推廣應用,取得了良好的應用效果。

結語

工業互聯網技術是新型制造系統的數字化神經中樞,是企業智能化轉型重要抓手。在高校專業人才培養中,培養工業互聯網復合型人才,是新工科教育建設背景下對高校人才培養提出的新要求,也符合產業升級和現代化的趨勢和要求。本研究基于工業互聯網平臺搭建的實驗教學系統,實現工業互聯網應用程序的低代碼開發,過程更加簡單便捷,同時具有很強的可擴展性。開發過程基于通用工業協議進行,便于工業設備狀態的可視化、標準化、集成化和智能化管理。此外,平臺支持遠程訪問和開發,脫離了地域的限制進行線上開發和教學。本系統結合工程實踐項目讓學生了解工業生產和管理技術的需求和發展趨勢,其原理樣機可結合生產實際進一步應用在水站閘站、智慧水利、智慧工廠等場景中,真正實現產學研的融合。