工業互聯網綜合實訓平臺設計與開發

摘 要：工業互聯網應用專業是高職院校新興專業，實訓條件相對滯后。對此，為該專業設計并搭建了一套融合傳感檢測技術、PLC控制技術、工業網絡技術和工業云平臺技術的工業互聯網綜合實訓平臺，在此基礎上開發了適用于本專業學生的實訓項目資源，滿足了學生對工業互聯網認知和技能訓練的需求。

關鍵詞：工業互聯網；實訓平臺；傳感器；PLC；邊緣網關；云平臺

中圖分類號：TP274；G712 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-00-03

0 引 言

工業互聯網應用專業作為新工科背景下高職院校的新興專業，肩負著培養符合工業互聯網產業需要的新型復合型應用人才的重要使命，而專業相關的實訓平臺是人才培養的重要載體。目前，工業互聯網應用專業實訓條件相對滯后于產業發展需求，無法滿足本專業學生對工業互聯網基礎認知和綜合應用快速入門的需求。因此，本文跟蹤產業發展前沿情況，結合專業人才培養方案，對適用于工業互聯網應用專業的實訓平臺進行研究探討，設計了一種造價低、實用性強及新一代信息技術與工業控制技術融合的工業互聯網綜合實訓平臺（以下簡稱“實訓平臺”），并對適用于本專業學生的實訓項目進行開發[1]。

1 總體設計

1.1 設計思路

本實訓平臺設計以工業互聯網應用專業人才培養方案以及課程設置為出發點，設計了以PLC為主控器的多種工業現場典型傳感器檢測案例，通過云平臺網關實現了檢測數據的邊緣處理與上云組態。該平臺為學生提供了一個從傳感檢測、數據采集、網絡傳輸到數據上云與應用的工業互聯網典型應用場景，使學生對工業互聯網有一個整體認識。同時基于該實訓平臺開發了融合傳感檢測技術、PLC控制技術、工業網絡技術和工業云平臺技術的實訓項目，滿足了本專業學生硬件選型裝配、軟件編程調試、網絡傳輸調試以及云端配置與組態等專業技能訓練需求[2]。

1.2 系統架構設計

本實訓平臺系統架構如圖1所示。系統采用傳感檢測、數據采集和數據上云3層架構。最底層為傳感檢測層，包含了多種工業現場典型傳感檢測案例，同時配備了異步電機和步進電機，滿足了工業互聯網應用專業實訓場景多樣化的需求；中間層為數據采集層，以工業自動化領域最常用的主控核心PLC作為主數據采集模塊，同時配備了串口服務器作為輔助模塊；最上層為數據上云層，選用了2種目前較為主流的云平臺，可實現實訓平臺檢測數據的云端匯聚，在此基礎上進行數據實時分析與監控、云端組態等。該平臺系統參數配置、軟件編程調試、云端組態等操作均在上位機完成[3]。

2 實訓平臺實現

2.1 硬件設計

傳感檢測層配有電感傳感器、光纖傳感器、超聲波傳感器、噪音傳感器、環境傳感器等，可實現物料、距離、聲音、氣體、溫濕度等的檢測。還配有SCANHOME掃碼傳感器、安科瑞電能表等智能傳感器，可實現數字圖像采集、電參量采集計算、電機位置與轉速測量，滿足了檢測場景多樣化的需求。異步電機控制選用西門子G120變頻器，該變頻器為標準傳動中新一代模塊化產品，高性能IGBT及電機電壓脈寬調制技術和可選擇的脈寬調制頻率的采用，使得電機運行極為靈活可靠；步進電機控制選用雷賽DM542步進電機驅動器，該驅動器采用最新32位DSP技術，可以設置細分以及額定電流內的任意電流值，能夠滿足大多數場合的應用需要[4]。

數據采集層選用西門子S7-1200系列CPU，配備了串口通信模塊和PROFIBUS-DP模塊作為本系統的控制核心。西門子公司的PLC在工控領域應用廣泛，市場占有率很高，S7-1200系列CPU是西門子新推出產品的核心，可完成簡單但有高精確度要求的自動化任務，其為模塊化和緊湊型設計，功能強大，適用于需要網絡通信功能的工控系統。另外配備了ZLAN5800串口服務器作為輔助采集模塊，串口服務器提供串口轉網絡功能，能夠將RS 232/485/422串口與TCP/IP協議網絡接口的數據進行雙向透明傳輸，解決多串口設備集中控制與遠程監控的問題，因此在工控領域應用廣泛[5]。

數據上云層選用了阿里云平臺和繁易云平臺，分別配備了羅米IoT邊緣網關和繁易FBox邊緣網關，實現協議轉換、實時數據分析、應用管理及云端組態等功能，配置軟件為LM_GateWay和FlexManager。LM_GateWay是一款功能強大的軟件，可以實現數據的快速傳輸和處理。它與羅米 IoT邊緣網關配合使用，為學生提供了高效的數據管理和分析能力。另外，FlexManager是一款易于操作的軟件，為學生提供了簡單、直觀的應用管理功能，使學生可以輕松地管理和監控自己的應用系統。這種雙云平臺的選擇和配置，使學生能夠在不同的學習場景下進行對比分析和拓展應用。無論使用阿里云平臺還是繁易云平臺，學生都可以獲得全面的實踐經驗，了解不同云平臺的特點和優勢。通過這樣的學習方式，學生可以培養出對比分析和拓展應用的能力，為將來在物聯網領域的發展打下堅實的基礎[6]。

2.2 網絡構建

根據3層系統架構，實訓平臺網絡構建也分為3層：其中傳感檢測層與數據采集層間網絡采用PROFIBUS、RS 485、PROFINET、數字/模擬量輸入輸出等多種通信方式實現傳感數據采集；數據采集與數據上云層間網絡采用工業以太網和RealCom兩種通信協議，通過西門子工業交換機進行設備間以太網數據交互。工業以太網主要用于PLC數據上云與上位機PC編程調試，RealCom用于串口服務器參數配置與數據上云。邊緣網關與云平臺間通信采用基于MQTT協議的無線網絡通信方式[7]。實訓平臺實物如圖2所示。實訓平臺網絡構建圖如圖3所示。

3 綜合實訓項目開發

3.1 實訓項目開發目標

本綜合實訓項目旨在通過實驗教學的方式，配以演示PPT和現場影視資料，逐步覆蓋工業互聯網應用專業的知識點，幫助學生構建知識框架，并逐步掌握相關專業技術和應用能力。通過該項目的開展，學生將朝著成為工業互聯網產業新型復合型人才的目標邁進。

本實訓項目采用由淺入深的方式，逐步引導學生掌握工業互聯網應用專業的核心知識和技能，主要包含以下幾個階段：

階段一：介紹工業互聯網的概念、發展歷程和應用領域，理解工業互聯網的核心技術和架構；探索云計算和大數據在工業互聯網中的應用。

階段二：學習傳感器和物聯網設備的選擇和布局；研究工業互聯網平臺的搭建和部署，掌握數據采集、傳輸和存儲技術。

階段三：分析實際工業互聯網應用案例，并分析其中的任務和需求，設計解決方案，包括系統架構，數據處理和安全管理等。

階段四：組建團隊，分工合作，共同實施工業互聯網應用項目；使用現有資源進行實驗搭建和演示；分析實驗結果，總結經驗教訓；準備演示PPT和現場影視資料，向其他學生展示實訓成果；制定實施計劃和項目管理策略，學習工業互聯網數據分析和可視化工具的使用。

3.2 實訓項目實例

根據工業互聯網應用專業的特點及課程設置情況，結合本實訓平臺現有資源設計開發了以下綜合實訓項目。

3.2.1 工業數據采集

工業數據采集項目旨在培養學生在工業控制領域常見傳感器選型和PLC編程調試方面的能力。此項目分為基礎傳感器實訓和智能傳感器實訓2個主要模塊：基礎傳感器實訓涵蓋了不同類型的傳感器實驗，包括電感傳感器、光纖傳感器、超聲波傳感器、噪音傳感器和環境傳感器。學生將通過實際操作了解這些傳感器的工作原理、特點和應用場景。智能傳感器實訓包括電能表實驗和掃碼傳感器實驗。學生將學習智能傳感器的原理和應用，通過深入研究它們的功能和特性，并將其綜合應用于實際工業場景中[8]。

3.2.2 工業運動控制

工業運動控制項目旨在讓學生掌握皮帶控制和絲杠控制2種常見的工業運動控制技術。這2種控制場景分別使用了變頻器控制異步電機和步進驅動器控制步進電機。在皮帶控制中，學生將通過使用變頻器來控制異步電機，帶動皮帶運動。通過限位開關的檢測，學生可以實時了解皮帶的位置，并將其反饋給PLC，實現準確的運動控制。在絲杠控制中，學生將使用步進驅動器來控制步進電機，以帶動絲杠的移動。通過U型光電開關的檢測，學生可以準確獲取絲杠位置，并將其反饋給PLC，實現精準控制。通過工業運動控制項目，學生將熟悉并掌握2種常用的運動控制技術。

3.2.3 工業云平臺應用

工業云平臺應用項目旨在讓學生了解和掌握邊緣網關的配置、數據采集、協議轉換、數據處理和云端的部署與配置。學生將學習如何通過邊緣網關采集工業檢測數據，并將其進行協議轉換和數據處理后上傳至云平臺。在這個項目中，學生將學習邊緣網關的配置方法和關鍵配置項，確保邊緣設備能夠有效連接和通信。學生還將學習如何配置數據采集和傳輸，以及如何進行協議轉換和數據處理，以確保數據的準確性和安全性。此外，學生還將學習如何在云平臺上進行平臺部署與配置，實現對采集數據的遠程監控、實時管理和可視化展示。通過工業云平臺應用項目，學生將具備基本的工業云平臺應用能力[9]。

3.2.4 實訓平臺綜合應用

實訓平臺綜合應用項目要求學生根據實際需求選擇一個具體的工業場景，并利用實訓平臺現有資源進行綜合應用。這個項目設計的目的是培養學生解決實際問題的能力。學生將自主選擇一個工業場景，并完成硬件選型、設備連接、參數配置、軟件編程和調試等一系列步驟。學生還將學習如何將采集的數據上傳至云平臺，并通過云平臺實現數據的展示和應用。這個項目將幫助學生綜合運用所學的知識和技能，培養他們解決實際問題的能力，并為他們未來的專業課程學習和實踐活動提供基礎和經驗[10]。

4 結 語

本文設計的工業互聯網綜合實訓平臺已經成功應用于“工業數據采集技術”“傳感器應用技術”“工業互聯網系統應用與實踐”等專業課中。在實際的教學應用中，該實訓平臺展現出了良好的教學效果和實踐價值，在本專業及相關專業的課程教學和技能訓練方面取得了良好的效果。通過該實訓平臺的應用，學生能夠拓寬視野、增強動手實踐能力，并為工業互聯網應用專業的后續建設與發展提供寶貴的經驗和思路，通過進一步的應用和完善將對培養更多高素質、專業化的工業互聯網應用人才起到積極的促進作用。

參考文獻

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[10]邵知宇.基于工業互聯網平臺的綜合遠程測控教學實驗室系統[J].科技風，2023（31）：46-48.

基金項目：常州信息職業技術學院校級教育教學改革課題：“數實融合”背景下的工業互聯網綜合實訓平臺建設與應用研究（2023CXJG11）；常州信息職業技術學院校級科研課題：基于智能優化算法的直流電機PD控制技術研究（CXZK202205Y）；江蘇省高等學校基礎科學（自然科學）研究面上項目：基于多線圈疊加磁場感應加熱CFRP溫度場調控研究（22KJD430003）；常州市應用基礎研究計劃項目：基于多磁場疊加的感應加熱CFRP溫度場研究（CJ20220035）

作者簡介：許明瑤（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電氣自動化、工業互聯網應用。