CN114301947A - 一种工业互联网实训考核系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业互联网实训考核系统，所述系统包括：执行单元，所述执行单元的输出端有线连接控制单元，所述控制单元的输出端连接有工业交换机，所述工业交换机通过网络协议连接有工业网关单元，所述工业网关单元连接有云服务器，所述云服务器部署有工业互联网云平台；所述执行单元用于实现具体设备的运转以及信号数据的采集；所述控制单元根据执行单元采集的数据实现工业场景的运行流程；所述的云服务器用于将程序或者编程存放于系统本地或云端，向下对接工业网关单元，实现云端数据与系统之间的互联互通，从而提供一个完整的实训考核环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业互联网实训考核系统，属于工业自动化技术领域。
背景技术
现有的工业互联网教学系统，边缘层OT端设备的数据经过协议转化，将设备数据接
入工业互联网，但接入的设备种类较为单一，往往通过一些传感器来模拟信号或采用仿真信号来体现数据来源，而且整个系统中工业通讯协议也较为简单，一般同一种控制器只采用一种工业通讯协议与工业网关进行通讯以实现云端数据采集。
现有的工业互联网教学系统，采用传感器模拟或仿真信号覆盖面欠缺，无法体现典型
工业数据产出的场景，且缺少真实数据来源；另一方面只用一种工业协议进行数据采集在教学、实验实训和考核中局限性较大，学员在一种设备上无法实现多协议、多途径的数据采集，导致教学、实验实训和考核效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业互联网实训考核系统，以解决现有技术系统中场景单一、数据类型覆盖面窄、工业协议单一的缺陷。
一种工业互联网实训考核系统，所述系统包括：
执行单元，所述执行单元有线连接有控制单元，并由控制单元控制，所述控制单元的通讯接口连接有工业交换机，所述工业交换机通过网络协议连接有工业网关单元，所述工业网关单元连接有云服务器，所述云服务器部署有工业互联网云平台；
所述执行单元用于实现具体设备的运转以及信号数据的采集；所述控制单元根据执行单元采集的数据实现工业场景的运行流程；所述的云服务器用于将程序或者编程存放于系统本地或云端，向下对接工业网关单元，实现云端数据与系统之间的互联互通。
进一步地，所述系统还包括调试计算机，所述调试计算机与工业交换机连接，所述调试计算机内装有编程调试软件，实现系统设备的教学、实验实训、考核涉及到的编程调试。
进一步地，所述执行单元包括：
工业传感器，用于实现了数字量、模拟量信号的采集；
温湿度传感器，用于实现了系统所处环境的温度、湿度采集；
视觉系统，用于实现了图像信号的采集；
多功能电表，用于实现了系统能耗信息的采集。
进一步地，所述执行单元还包括：
变频器，用于驱动电动机，并实现电机工作数据的采集；
三轴雕刻机，用于模拟数控加工场景，并实现加工轴数据的采集；
伺服电机系统，由数控系统控制，并驱动三轴雕刻机运行，并实现电机数据的采集；
工业机器人，用于在单元中实现抓取搬运功能，并采集工业机器人的姿态数据；
继电器，用于实现执行单元中的自动控制电路。
进一步地，所述控制单元包括数控系统、可编程控制器和人机界面控制单元，所述数控系统、可编程控制器和人机界面控制单元向下通过信号线、网络线与执行单元连接，向上通过网络线与工业网关单元连接，通过逻辑编程实现了对执行单元产生数据的采集和机构控制。
进一步地，所述执行单元通过远程IO能够与可编程控制器进行通讯，实现远程输入输出的扩展。
进一步地，所述工业网关单元包括通过网络线与控制单元连接的CNC工业网关、PLC工业网关和OPC网关，将控制单元的不同类型工业协议，转化为MQTT协议，再经过以太网、WIFI、4G、5G方式，将数据上传至云服务器。
进一步地，所述工业交换机通过网络线与控制单元、工业网关单元、调试计算机连接，实现系统内工业网络的硬件连接。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明有效解决了现有的工业互联网教学系统，边缘层OT端设备接入的设备种类较少，传感器模拟或仿真信号覆盖面窄，同一个平台中工业协议单一的问题，通过搭建一套具备多种类型执行单元和控制单元的真实工业场景为工业互联网云平台应用及开发提供多种场景的工业数据支撑；
本发明在一套设备中，同时开展面向不同种类的执行单元和控制单元的教学、实验实训、考核内容，三种网关分别实现PLC自有协议、OPC协议、Modbus TCP协议接入的数据采集上云，丰富了学员在系统中的教学、实验实训、考核知识点。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图中：1、执行单元；2、工业传感器；3、湿度传感器；4、视觉系统；5、多功能电表；6、电动机；7、继电器；8、三轴雕刻机；9、变频器；10、伺服电机系统；11、工业机器人；12、远程IO；13、控制单元；14、数控系统；15、可编程控制器；16、人机界面控制单元；17、工业网关单元；18、CNC工业网关；19、PLC工业网关；20、OPC网关；21、工业交换机；22、调试计算机；23、编程调试软件；24、云服务器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，公开了一种工业互联网实训考核系统，所述系统包括：
执行单元1，所述执行单元1有线连接有控制单元13，并由控制单元13控制，所述控制单元13的通讯接口连接有工业交换机21，所述工业交换机21通过网络协议连接有工业网关单元17，所述工业网关单元17连接有云服务器24，所述云服务器24部署有工业互联网云平台25；
所述执行单元1用于实现具体设备的运转以及信号数据的采集；所述控制单元13根据执行单元1采集的数据实现工业场景的运行流程；所述的云服务器24用于将程序或者编程存放于系统本地或云端，向下对接工业网关单元17，实现云端数据与系统之间的互联互通。
所述系统还包括调试计算机22，所述调试计算机22与工业交换机21连接，所述调试计算机22内装有编程调试软件23，实现系统设备的教学、实验实训、考核涉及到的编程调试。
在本实施例中所述执行单元1作为底层执行机构，包括：
工业传感器2，用于实现了数字量、模拟量信号的采集；
温湿度传感器3，用于实现了系统所处环境的温度、湿度采集；
视觉系统4，用于实现了图像信号的采集；
多功能电表5，用于实现了系统能耗信息的采集；
变频器9，用于驱动电动机6，并实现电机工作数据的采集；
三轴雕刻机8，用于模拟数控加工场景，并实现加工轴数据的采集；
伺服电机系统10，由数控系统14控制，并驱动三轴雕刻机运行，并实现电机数据的采集；
工业机器人11，用于在单元中实现抓取搬运功能，并采集工业机器人11的姿态数据；
继电器7，用于实现执行单元1中的自动控制电路；
所述控制单元13包括数控系统14、可编程控制器15和人机界面控制单元16，所述数控系统14、可编程控制器15和人机界面控制单元16向下通过信号线、网络线与执行单元1连接，向上通过网络线与工业网关单元17连接，通过逻辑编程实现了对执行单元1产生数据的采集和机构控制。
所述执行单元1通过远程IO12能够与可编程控制器15进行通讯，实现远程输入输出的扩展；
执行单元1内的结构分别连接至控制单元13，即数控系统、可编程控制器（PLC）、人机界面控制单元，实现机构的控制或信号上传。
所述工业网关单元17包括通过网络线与控制单元13连接的CNC工业网关18、PLC工业网关19和OPC网关20，将控制单元的不同类型工业协议，转化为MQTT协议，再经过以太网、WIFI、4G、5G方式，将数据上传至云服务器24。
所述工业交换机21通过网络线与控制单元13、工业网关单元17、调试计算机22连接，实现系统内工业网络的硬件连接。
在本实施例中，三种控制单元数控系统、可编程控制器PLC、人机界面控制单元，由网络线连接至交换机，在一套系统内组成一个局域网络，同时调试计算机也接入该网络，可以实现对控制系统的编程和调试。系统内的工业网关单元含有三种不同类型的网关，即CNC工业网关、PLC工业网关、OPC工业网关，其中CNC工业网关向下可对接数控系统、可编程控制器、人机界面控制单元中的一种或多种，通讯协议采用Modbus TCP工业协议实现数据上传和向下控制。
在本实施例中，PLC工业网关向下对接不同品牌、型号的可编程控制器PLC，通讯协议根据可编程控制器（PLC）的品牌、型号自行配置，如西门子的S7协议，三菱的CC-Link IEField Basic等。OPC工业网关向下可对接可编程控制器PLC、人机界面控制单元中的一种或多种，通讯协议采用OPC UA，工业协议实现数据上传和向下控制。
在本实施例中，三种工业网关采集数据后将控制单元的不同工业协议转化为MQTT协议，上传至工业互联网IaaS层的云端服务器，该服务器可以部署在云端，或在本地进行私有化部署，以提供计算能力和存储服务。
系统在云端服务器上部署好云平台后，在工业互联网云平台上的工业APP上实现云端应用，能够远程监控底层的执行单元、控制单元的数据和远程操作、运维，实现云端教学、实验实训与考核。
本系统的一个实例，以汽车零部件皮带惰轮的加工装配为教学案例，其中执行单元由原材料单元、零件输送单元、加热老化单元、工业机器人单元、装配及检测单元、三轴加工单元、成品库单元等组成，该执行单元完成了原材料出库、惰轮加工模拟、惰轮装配、组装检测、成品入库等工艺过程，模拟车间生产，为工业互联网云平台应用及开发提供多种场景的工业数据支撑。
原材料单元、零件输送单元中包含了多种类型的工业传感器，如电感传感器、电容传感器、光电传感器、光纤传感器、称重传感器、色标传感器、位移传感器等；加热老化单元中包含了温湿度传感器，能够对加热的温度、湿度进行测量；装配及检测单元包含了一套国产视觉系统，能够对装配结果进行图像识别并对结果进行判断；零件输送单元包含了继电器、接触器、变频器和电动机，通过变频器驱动电动机传动皮带进行零件的搬运，继电器和接触器用于其自动控制电路；三轴加工单元是一个三轴雕刻机，其由三个伺服电机系统驱动，能够使用刀具对零件进行机加工；工业机器人负载产品的装配及搬运；远程IO同于传感器信号的对接和传输；整个执行单元的电能使用数据由多功能电表进行监测并实时上传。
系统中由数控系统、西门子可编程控制器和西门子人机界面控制单元和组成了控制单元，通过编程实现向下采集并控制执行单元，同时也兼容其他品牌型号的控制器。其通讯接口采用以太网工业总线，连接至工业交换机，分别通过Modbus TCP工业协议、S7 PLC工业协议和OPC UA工业协议，将控制单元的数据采集至CNC工业网关、PLC工业网关和OPC工业网关，三种网关相互独立，可以分别实现系统的数据上云。
工业网关通过MQTT协议上传至云端服务器，如华为云服务器，或通过有线的方式连接至本地部署的服务器，如华为服务器。在服务器上部署有能够具有教学实训考核功能的云平台，在云平台上能够实现该系统的工业现场数据采集、监控管理、数据上云、组态设计等进行工业互联网云应用。
使用者可以通过装有编程调试软件的调试计算机来进行考核系统的通讯配置、控制系统编程、云平台二次开发等，实现云端的数据应用教学实训与考核功能。
综合以上优点，该系统可以在一套设备中，同时开展面向不同种类的执行单元和控制单元的教学、实验实训、考核内容，三种网关分别实现PLC自有协议、OPC协议、ModbusTCP协议接入的数据采集上云，丰富了学员在系统中的教学、实验实训、考核知识点，提高了系统的应用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述系统包括：
执行单元（1），所述执行单元（1）有线连接有控制单元（13），并由控制单元（13）控制，所述控制单元（13）的通讯接口连接有工业交换机（21），所述工业交换机（21）通过网络协议连接有工业网关单元（17），所述工业网关单元（17）连接有云服务器（24），所述云服务器（24）部署有工业互联网云平台（25）；
所述执行单元（1）用于实现具体设备的运转以及信号数据的采集；所述控制单元（13）根据执行单元（1）采集的数据实现工业场景的运行流程；所述的云服务器（24）用于将程序或者编程存放于系统本地或云端，向下对接工业网关单元（17），实现云端数据与系统之间的互联互通。
2.根据权利要求1所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述系统还包括调试计算机（22），所述调试计算机（22）与工业交换机（21）连接，所述调试计算机（22）内装有编程调试软件（23），实现系统设备的教学、实验实训、考核涉及到的编程调试。
3.根据权利要求1所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述执行单元（1）包括：
工业传感器（2），用于实现了数字量、模拟量信号的采集；
温湿度传感器（3），用于实现了系统所处环境的温度、湿度采集；
视觉系统（4），用于实现了图像信号的采集；
多功能电表（5），用于实现了系统能耗信息的采集。
4.根据权利要求1所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述执行单元（1）还包括：
变频器（9），用于驱动电动机（6），并实现电机工作数据的采集；
三轴雕刻机（8），用于模拟数控加工场景，并实现加工轴数据的采集；
伺服电机系统（10），由数控系统（14）控制，并驱动三轴雕刻机运行，并实现电机数据的采集；
工业机器人（11），用于在单元中实现抓取搬运功能，并采集工业机器人（11）的姿态数据；
继电器（7），用于实现执行单元（1）中的自动控制电路。
5.根据权利要求1所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述控制单元（13）包括数控系统（14）、可编程控制器（15）和人机界面控制单元（16），所述数控系统（14）、可编程控制器（15）和人机界面控制单元（16）向下通过信号线、网络线与执行单元1连接，向上通过网络线与工业网关单元（17）连接，通过逻辑编程实现了对执行单元（1）产生数据的采集和机构控制。
6.根据权利要求5所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述执行单元（1）通过远程IO（12）能够与可编程控制器（15）进行通讯，实现远程输入输出的扩展。
7.根据权利要求1所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述工业网关单元（17）包括通过网络线与控制单元（13）连接的CNC工业网关（18）、PLC工业网关（19）和OPC网关（20），将控制单元的不同类型工业协议，转化为MQTT协议，再经过以太网、WIFI、4G、5G方式，将数据上传至云服务器（24）。
8.根据权利要求1所述的工业互联网实训考核系统，其特征在于，所述工业交换机（21）通过网络线与控制单元（13）、工业网关单元（17）、调试计算机（22）连接，实现系统内工业网络的硬件连接。
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