工业互联网技术应用实验装置

一、设备简介
ZRHL-02型 工业互联网技术应用实训装置以离散行业全流程产线为背景，设定有完整的工业互联网互联网、平台、安全、标识体系架构，可以支撑工业互联网专业数值收集、互联网互联、安全防护、边缘计算、平台运维、数值解析、标识解析、工业APP等项目实训，还可以开展智能制造专业电气控制及动作控制，人工智能专业机器视觉及重量模型解析等课程实训，适用学员全流程参与互动、多维度融合应用的需求。

ZRHL-02型 工业互联网技术应用实训装置以工件切削加工产线为场景，组建基于边缘服务器的工业互联网平台，含有工业网关测控单元、工业控制器及人机交互单元、立体仓库与堆垛机控制单元、转台流转与生产加工单元、机器视觉检验测试单元、机械手控制单元、传送带输送单元、气源及气动控制单元、工业传感器单元、标识解析单元、互联网互联与安全防护单元等，展现新时代工业企业数字化、智能化的特征，为院校相关学科专业的实训、科研和工业互联网工程技术人员职业竞赛提供技术支撑。
1、设备形态
设备外观如图所示。实训装置构造上使用工业型材及焊接框体结构；型材台面便利固定作业站，钣金操作面板；下部装配自锁脚轮，便利位移固定；双开门设计，带锁有机玻璃门保护电气线路，同时能查看电气控制系统作业状态；支持多名学员同时实操和学习掌控把握。
实训装置整体尺寸为：1080mm×1000mm×14000mm，台面高度为780mm。
二、设备构成
设备构成架构如图所示：

工业互联网技术应用实训装置应用四层架构，从底到顶依次为设备层、边缘层、平台层、应用层。
1、设备层
设备层含有工业控制器及人机交互单元，各种直线动作、旋转动作、多自由度动作的执行机构，工业传感器，以及交换机和防火烧墙等互联网设备。
（1）工业控制器及人机交互单元
工业控制器应用PLC模型块，设定有多通道高频率高速写入输出端口，对生产线上限位传感器、状态传感器实行数值收集和状态监测，并按照反馈数值，控制产线执行机构按设定逻辑动作，完成工件切削加工整个产线流程。包括以太网通信模型块，应用ModbusTCP工业互联网协议与上位机通讯。
人机交互终端应用HMI触摸屏，经过RS485连接口、ModbusRTU协议与PLC模型块交互，提供可视化实操界面，可调节执行机构动作坐标，单独控制设备动作，或者循环控制系统运行，就地实时显露设备运行状态。
经过实操触摸屏界面，PLC控制器驱动产线设备从取料出库、流转、加工、检验测试、分拣、成品入库等完整工序技艺流程。HMI人机交互设定有调节模式和自动模式。调节模式支持工业设备功能数值调节，可单独调节测试某一个设备，比如库位占用状态、堆垛机控制、转台单独加工控制、传送带单独控制等；自动模式支持模仿加工流水线自动运行，无需人工干预。调节模式界面，如图所示。
（2）立体仓库与堆垛机控制单元
由立体仓库单元、堆垛机、电气控制模型块构成，用来物料的存取。立体库应用20mm*20mm铝制型材框体结构设计，2行6列，共含有 12 个料位，每个库位装配备有光电传感器，用来检验测试库位有无物料。堆垛机由水平、竖直、伸缩三轴丝杆滑台、180°旋转气缸和夹取气缸构成，分别由三个步进电动机模型块驱动滑块直线往复动作，气动电磁阀控制气缸旋转或加紧。参考如下所示。
（3）转台流转与生产加工单元
转台流转装置应用伺服电动机、伺服驱动器以及间歇机构减慢速度电动机控制圆形转台旋转，转台直径260mm，设定4个物位，分别是上料、加工、检验测试、下料；集合金属接近开关信号按照90°间隔旋转启停。
生产加工单元X轴、Y轴进阶加工电动机转动，带动主轴电动机精准定加工位置；加工主轴扭矩电动机高速旋转模仿原料加工。X轴行程≤100mm，Y轴行程≤100mm。设备如图所示。每个物位装配备有光电传感器，检验测试是否有物料。
加工主轴装配备有温度（℃）、振动传感器，可以实行加工状态监测。
（4）机器视觉检验测试单元
由工业摄像头、视觉检验测试模型块构成，支持本地视觉检验测试（形状、颜色、深度识别）、就地实时反馈查验成果；也可对物料实行图像收集，上传到重量检验测试平台实行残次品检验测试。
（5）机械手控制单元
由工业机械臂、末端抓手、嵌入式控制器构成，完成工件的物位搬运、精准抓放。机械臂主要采用全铝制机械臂，行星减慢速度步进电动机、AB相光电编码器、铝制联轴器、轴承等构成。电动机带有编码器，设定有位置闭合控制，重复精确度大大提升。机械臂负载能力：500g，机械臂重量（kg）：3.14Kg。机械手应用舵机控制机械手张开闭合。手爪应用两面带齿构造，抓取物件更牢固稳当。电控板应用Cortex-M4内核微控制器，4路LV8731V驱动模型块驱动机械臂电动机，板载OLED显露屏，支持串行口控制、RS485控制、按键控制等方法。设备如图所示。
（6）流水线输送单元
由传送带、电动机控制模型块、调节速度器以及到位检验测试传感器等装置构成，传送带转动，带动工件流转，就地实时检验测试工件到位信号。设备如图所示。
（7）气源及气动控制单元
含有空气压缩机、回转气缸、夹紧气缸、挡料气缸、推料气缸。空气压缩机产生的压缩空气变换成动力，驱动气缸完成旋转、加紧、伸缩等功能。
（8）标识解析单元
含有二维码打印机、二维码UHF手持机，用来二维码的认识阅读。
（9）工业传感器单元
含有温度（℃）传感器、振动传感器、压力传感器等4-20mA模仿量传感器，金属接近开关、红外光电开关、行程开关等开关量传感器，以及三色警灯执行器。
（）互联网互联与安全防护单元
采10用路由器、工业交换机，连接PLC控制器、工业网关、视觉检验测试模型块，组建工业产线内部局域网。应用企业级防火烧墙，设定互联网连接口，完成工厂产线内网和工业互联网平台外网之间的互联互通；按照预先定制的安全策略控制经过防火烧墙的访问行为，从而达到对企业内部互联网访问的安全管控。
2、边缘层
具备通讯协议转发、设备层数值处置整理预处置整理、设备层运行状态转发、平台命令接收处置整理的功能。
（1）工业网关
主要采用Cortex-A9内核主板和7寸电容触摸屏构成，设定有RS485、CAN、以太网连接口，板载WiFi模型块，运行Android、Linux双实操系统，可一键变换，支持ModbusRTU、ModbusTCP工业互联网协议，MQTT、HTTP平台接入协议。
Android应用APP，用来和工业控制器单元交互，获取工业设备运行状态并显露，经过协议变换，将产线信息上传到工业互联网平台；同时接收平台下发的订单信息实行自动流水线生产。主界面如图所示，含有六大分区：原料/成品区，加工区，传输区，检验区，工单状态，系统设定。
（2）远程测控终端
由Cortex-M4内核和1.8寸TFT显露屏构成，设定有8路模仿量写入通道，可配备电压（V）电流（A）类型，4路数字量写入通道，4路PWM输出通道，1路继电器输出通道，设定有RS485连接口，支持ModbusRTU协议；设定有RJ45互联网连接口，支持互联网通信。
3、平台层
（1）边缘服务器
应用Ubuntu实操系统，以Docker轻量级容器化技术部署*框体结构、重量管理模型、*研发环境，部署数值库、MQTT代理服务器、Tomcat应用服务器运行环境；提供本地化部署应用一体化工业互联网平台。
（2）工业互联网平台
工业互联网平台支持本地化部署，轻量小巧，只需铺设局域网环境即可完成工业互联网平台的运行；与产线实训装置通讯，完成原料加工整个工序技艺流程和工厂数字化、互联网化、智能化升级的真实体验。同时提供工业互联网平台运维课程。
含有消息订阅发布模型块。该模型块是核心模型块，用来建立与物联网边缘侧如工业网关的连接和数值收集处置整理。
含有数值库连接口实操模型块，可将产线的订单排产生产过程数值、工单、设备运行数值、传感器监测数值、质检成果等写入数值库，同时可读取数值库信息。
含有数值处置整理模型块，提供数值存储、处置整理、运维、计算和决策。
含有可视化展示模型块。提供弯曲线图、饼状图、柱状图、数字图文等常用插件实行可视化展示。
含有重量检验测试模型块。提供工件的残次品质检模型，能够对工件图片实行质检，反馈检验测试成果。
含有API连接口，支持用户应用程序研发。
4、应用层
围绕生产制造执行系统MES应用展开，平台与仓储、生产、传输等制造业务主设施模型块完成数值交互，完成整个工序技艺流程。
（1）产线应用管理
设定有原料入库、订单管理、排产管理、重量管理、设备追溯、设备管理、标识管理七个应用功能。
原料管理：原料初始化、原料入库、库存状态，
订单管理：支持下单和状态查询
重量管理：查看设备重量，合格率占比。
设备管理：监测设备运行状态等。
标识管理： 标识编码编辑、标识信息录入、标识注册
设备追溯：扫描标识编码，访问标识解析平台，获取设备的溯源信息。
设备管理展示了产线设备运行状态、和工业传感器的就地实时弯曲线。
（2）产线数值解析
可与工业控制器通信，获取现场传感器监测数值存入本地计算机数值的数值库中，实行就地实时收集、历史弯曲线、统计学解析、傅里叶变换、弯曲线结合等数值解析。历史弯曲线显露效果如图所示。
对数值实行傅里叶变换。
三、设备功能
1、数值收集
（1）按照电气连接图，实行工业传感器信号连线，工业控制器功能数值配备，完成工业传感器的数值收集。
（2）配备工业网关，完成常用工业传感器和工业控制器的数值收集。
（3）在工业互联网平台实行设备、数值等信息配备，完成收集数值上云。
（4）含有主轴温度（℃）、主轴振动、主轴转动速度、空压机压力、金属接近开关、红外光电开关等模仿量、开关量不一样信号的工业传感器，可适用工业多类型信号的数值收集、工业控制器多通道编程。
（5）具备数值收集故障处置整理功能，按照故障指示灯和人机交互终端信息提醒，定位简便的线路故障点并实行处置整理。
（6）具备标识编码的数值收集、图像数值收集。
2、设备控制
针对各种工业设备，经过PLC工业控制器、HMI人机交互终端，对工业传感器、工业设备执行机构等实行配备、调节测试。
（1）直线动作控制：可以控制立体仓库堆垛机的x、y、z三轴丝杆实行直线往复动作、行程定点控制，可控制末端气缸夹取工件。与库位状态检验测试传感器集合，完成库存信息动态感知和工件上下架。
（2）旋转动作控制：可控制加工转台按加工顺序转动，定点停止，控制主轴电动机高速旋转模仿加工，设定有上料、加工、检验测试、下料不停歇并行加工功能。
（3）多自由度动作控制：可控制机械臂和末端抓手相互协作，设定有旋转、伸缩、抓放等多个自由度控制和精准抓放，完成自动化装配、搬运。
（4）流水线传输控制：可控制电动机带动皮带转动，设定有调节速度器，可旋转旋钮调动传输速度并显露转动速度，就地实时检验测试接近开关信号，判别工件是否到位。
（5）气动控制：可驱动电磁阀开关完成挡料气缸阻断工件传送，推料气缸将残次品推入次品筐。
3、视觉检验测试
（1）*边缘侧视觉检验测试：边缘侧部署重量检验测试模型，运用*技术对当前加工件形状、颜色等不一样维度实行残次品检验测试，就地实时发布工件的检验测试成果。
（2）*平台侧视觉检验测试：平台侧部署重量检验测试模型，支持模型实训；支持图片接收、重量检验测试、反馈重量检验测试成果。
（3）兼容工业互联网协议：支持经过ModbusTCP协议与工业控制器交互，传输视觉检验测试成果。
（4）支持互联网传输协议：经过HTTP协议与平台API连接口交互。
4、互联网互联
（1）设定有工业控制器、工业网关、视觉检验测试模型块、边缘服务器之间的互联网互联包括功能，可经过通讯调节测试工量具测量试验传输互联网的连通性。
（2）互联网层支持工业现场总线，应用ModbusRTU协议完成工业设备的控制。同时支持工业以太网传输，应用ModbusTCP协议完成工业控制器、工业网关、视觉检验测试模型块之间的信息传递。
（3）平台层设定有协议接入功能。工业网关支持协议变换，将工业通信协议变换为易读性强、层次化构造清晰的JSON数值交换格式，经过MQTT协议、HTTP协议接入工业互联网平台。
5、标识解析
（1）系统支持对接工业互联网标识解析二级节点，设定有标识注册、标识更新、标识删除、标识解析的功能。
（2）针对本设备自动化加工的工件成品，系统将为其生成标识码，并将其注册到工业互联网标识解析二级节点。标识含有功能功能数值如出厂时间，设备材料、设备形状、用途等属性。
（3）标识触发及应用：在标识解析应用管理系统中，当需要查看已加工的成品工件功能时，使用标识解析功能，获取标识编码，从标识解析二级节点平台获取功能功能数值显露出来。
（4）提供位移端标识解析系统，实行标识扫描，获取标识编码，从标识解析平台获取标识名称、数值属性，完成标识解析服务。
6、安全防护
（1）MQTTS安全传输机制：部署于本地私有化服务器中，使用TLS安全传输层协议，保证工业互联网平台与终端应用程序之间具备保密性和数值完整性。
（2）访问控制：按照应用需求配备基础和拓展的访问控制清单、基于时间段的访问控制清单、基于用户、应用的访问控制清单和基于MAC的访问控制清单
（3）安全域：将安全需求相同的连接口实行分类，划分到Local、Trust、DMZ、Management 和Untrust等不一样的安全域，完成域间策略的统一管理。
7、工业数值解析
（1）提供重量模型解析：用人工智能深度学习掌控把握算法对良品和次品工件实行深度学习掌控把握生成重量检验测试模型，应用该模型对工件实行残次品检验测试。
（2）支持数值统计解析：应用数字信号处置整理知识对监测设备运行状态的传感器功能数值实行滤波、去野值、求方差、历史数值弯曲线趋势展示、傅里叶变换及弯曲线结合，达到产线正常运行监测和故障监测的目的。
8、工业APP研发
平台开放API连接口，为二次研发，跨平台可视化研发提供支持。具体含有设备运行状态API连接口、传感器数值监测API连接口、视觉检验测试成果API连接口，可经过HTTP协议调用连接口实行WEB前端应用研发，完成设备运行状态监测、传感器功能数值检验测试、视觉检验测试成果统计等应用。

四、配备表单