邵知宇

扬州大学电气与能源动力工程学院 江苏扬州 225127

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[1]。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[2]、全过程智能化管理等[3-4]。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[5-7]。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[8]。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Modbus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[9]。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PLC远程综合控制实验系统,并投入实际使用[10]。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LinkLab,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[11]。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。

1 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5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supOS,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

2 端层以及边缘层设计

2.1 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:(1)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。(2)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。(3)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。

2.2 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:(1)PLC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RS485传输至中控PLC控制器中实现数据采集。(2)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Wi-Fi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。(3)智能IO模块。智能IO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4g/5g等智能网关传输至工业互联网平台层服务器。(4)DCS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VPN专网传输至实验室平台层服务器。(5)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。

3 平台层

3.1 平台层架构

本系统平台层采用了商用的工业互联网平台supOS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supOS工业互联网平台具体功能包括:(1)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。(2)统一门户。能够集成多个应用系统,形成统一的用户体系。(3)组态开发。提供智能APP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。(4)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。

3.2 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APP的开发。具体实验项目包括:(1)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Access)进行存储和读取。(2)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APP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。(3)高代码组件开发。使用可编程组件搭建本地开发环境,实现VS Code与工业互联网平台的联合开发。

4 应用层

4.1 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APP的对外发布与管理。应用APP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。

4.2 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APP界面并实现访问分级管理。

应用层的实验项目包括:(1)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。(2)应用发布与管理。实现平台层网页端的http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APP的远程访问与数据获取。

5 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:(1)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。(2)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。(3)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。(4)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32个,累计使用人时数3200/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。