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工業(yè)互聯網技術應用實訓臺

一、產品簡介
    LGHL-02型  工業(yè)互聯網技術應用實訓臺以離散行業(yè)全流程產線為背景，具有完整的工業(yè)互聯網網絡、平臺、安全、標識體系架構，可以支撐工業(yè)互聯網專業(yè)數據采集、網絡互聯、安全防護、邊緣計算、平臺運維、數據分析、標識解析、工業(yè)APP等項目實訓，還可以開展智能制造專業(yè)電氣控制及運動控制，人工智能專業(yè)機器視覺及質量模型分析等課程實訓，滿足學生全流程參與互動、多維度融合應用的需求。

    LGHL-02型  工業(yè)互聯網技術應用實訓臺以工件切削加工產線為場景，構建基于邊緣服務器的工業(yè)互聯網平臺，包含工業(yè)網關測控單元、工業(yè)控制器及人機交互單元、立體倉庫與堆垛機控制單元、轉臺流轉與生產加工單元、機器視覺檢測單元、機械手控制單元、傳送帶輸送單元、氣源及氣動控制單元、工業(yè)傳感器單元、標識解析單元、網絡互聯與安全防護單元等，展現新時代工業(yè)企業(yè)數字化、智能化的特征，為院校相關學科專業(yè)的實訓、科研和工業(yè)互聯網工程技術人員職業(yè)競賽提供技術支撐。
1、產品形態(tài)
產品外觀如圖所示。實訓臺結構上使用工業(yè)型材及焊接框架；型材臺面方便固定工作站，鈑金面板；底部安裝自鎖腳輪，方便移動固定；雙開門設計，帶鎖有機玻璃門保護電氣回路，同時能觀察電氣控制系統(tǒng)工作狀態(tài)；支持多名學生同時操作和學習。
實訓臺整體尺寸為：1080mm×1000mm×14000mm，臺面高度為780mm。
二、產品組成
產品組成架構如圖所示：

工業(yè)互聯網技術應用實訓臺采用四層架構，從底到頂依次為設備層、邊緣層、平臺層、應用層。
1、設備層
設備層包含工業(yè)控制器及人機交互單元，各種直線運動、旋轉運動、多自由度運動的執(zhí)行機構，工業(yè)傳感器，以及交換機和防火墻等網絡設備。
（1）工業(yè)控制器及人機交互單元
工業(yè)控制器采用PLC模塊，具有多通道高頻率高速輸入輸出端口，對生產線上限位傳感器、狀態(tài)傳感器進行數據采集和狀態(tài)監(jiān)測，并根據反饋數據，控制產線執(zhí)行機構按設定邏輯運動，完成工件切削加工整個產線流程。集成以太網通信模塊，采用ModbusTCP工業(yè)網絡協(xié)議與上位機通訊。
人機交互終端采用HMI觸摸屏，通過RS485接口、ModbusRTU協(xié)議與PLC模塊交互，提供可視化操作界面，可調整執(zhí)行機構運動坐標，獨立控制設備運動，或者循環(huán)控制系統(tǒng)運行，實時顯示設備運行狀態(tài)。
通過操作觸摸屏界面，PLC控制器驅動產線設備從取料出庫、流轉、加工、檢測、分揀、成品入庫等完整工藝流程。HMI人機交互具有調整模式和自動模式。調整模式支持工業(yè)設備參數調整，可單獨調試某一個設備，比如庫位占用狀態(tài)、堆垛機控制、轉臺獨立加工控制、傳送帶獨立控制等；自動模式支持模擬加工流水線自動運行，無需人工干預。調整模式界面，如圖所示。
（2）立體倉庫與堆垛機控制單元
由立體倉庫單元、堆垛機、電氣控制模塊組成，用于物料的存取。立體庫采用20mm*20mm鋁合金型材框架設計，2行6列，共包含 12 個料位，每個庫位安裝有光電傳感器，用于檢測庫位有無物料。堆垛機由水平、豎直、伸縮三軸絲桿滑臺、180°旋轉氣缸和夾取氣缸組成，分別由三個步進電機模塊驅動滑塊直線往復運動，氣動電磁閥控制氣缸旋轉或加緊。參考如下所示。
（3）轉臺流轉與生產加工單元
轉臺流轉裝置采用伺服電機、伺服驅動器以及間歇機構減速電機控制圓形轉臺旋轉，轉臺直徑260mm，設置4個物位，分別是上料、加工、檢測、下料；結合金屬接近開關信號按照90°間隔旋轉啟停。
生產加工單元X軸、Y軸進階加工電機轉動，帶動主軸電機精準定加工位置；加工主軸扭矩電機高速旋轉模擬原料加工。X軸行程≤100mm，Y軸行程≤100mm。設備如圖所示。每個物位安裝有光電傳感器，檢測是否有物料。
加工主軸安裝有溫度、振動傳感器，可以進行加工狀態(tài)監(jiān)測。
（4）機器視覺檢測單元
由工業(yè)攝像頭、視覺檢測模塊組成，支持本地視覺檢測（形狀、顏色、深度識別）、實時反饋檢查結果；也可對物料進行圖像采集，上傳到質量檢測平臺進行殘次品檢測。
（5）機械手控制單元
由工業(yè)機械臂、末端抓手、嵌入式控制器組成，實現工件的物位搬運、精準抓放。機械臂主要由全鋁合金機械臂，行星減速步進電機、AB相光電編碼器、鋁合金聯軸器、軸承等組成。電機帶有編碼器，具有位置閉合控制，重復精度大大提高。機械臂負載能力：500g，機械臂重量：3.14Kg。機械手采用舵機控制機械手張開閉合。手爪采用兩面帶齒結構，抓取物件更牢固穩(wěn)當。電控板采用Cortex-M4內核微控制器，4路LV8731V驅動模塊驅動機械臂電機，板載OLED顯示屏，支持串口控制、RS485控制、按鍵控制等方式。設備如圖所示。
（6）流水線輸送單元
由傳送帶、電機控制模塊、調速器以及到位檢測傳感器等裝置組成，傳送帶轉動，帶動工件流轉，實時檢測工件到位信號。設備如圖所示。
（7）氣源及氣動控制單元
包含空氣壓縮機、回轉氣缸、夾緊氣缸、擋料氣缸、推料氣缸?？諝鈮嚎s機產生的壓縮空氣轉換成動力，驅動氣缸實現旋轉、加緊、伸縮等功能。
（8）標識解析單元
包含二維碼打印機、二維碼UHF手持機，用于二維碼的識讀。
（9）工業(yè)傳感器單元
包含溫度傳感器、振動傳感器、壓力傳感器等4-20mA模擬量傳感器，金屬接近開關、紅外光電開關、行程開關等開關量傳感器，以及三色警燈執(zhí)行器。
（）網絡互聯與安全防護單元
采10用路由器、工業(yè)交換機，連接PLC控制器、工業(yè)網關、視覺檢測模塊，組建工業(yè)產線內部局域網。采用企業(yè)級防火墻，設置網絡接口，實現工廠產線內網和工業(yè)互聯網平臺外網之間的互聯互通；根據預先定制的安全策略控制通過防火墻的訪問行為，從而達到對企業(yè)內部網絡訪問的安全管控。
2、邊緣層
具備通訊協(xié)議轉發(fā)、設備層數據處理預處理、設備層運行狀態(tài)轉發(fā)、平臺命令接收處理的功能。
（1）工業(yè)網關
主要由Cortex-A9內核主板和7寸電容觸摸屏組成，具有RS485、CAN、以太網接口，板載WiFi模塊，運行Android、Linux雙操作系統(tǒng)，可一鍵切換，支持ModbusRTU、ModbusTCP工業(yè)網絡協(xié)議，MQTT、HTTP平臺接入協(xié)議。
Android應用APP，用于和工業(yè)控制器單元交互，獲取工業(yè)設備運行狀態(tài)并顯示，通過協(xié)議轉換，將產線信息上傳到工業(yè)互聯網平臺；同時接收平臺下發(fā)的訂單信息進行自動流水線生產。主界面如圖所示，包含六大分區(qū)：原料/成品區(qū)，加工區(qū)，傳輸區(qū)，檢驗區(qū)，工單狀態(tài)，系統(tǒng)設置。
（2）遠程測控終端
由Cortex-M4內核和1.8寸TFT顯示屏組成，具有8路模擬量輸入通道，可配置電壓電流類型，4路數字量輸入通道，4路PWM輸出通道，1路繼電器輸出通道，具有RS485接口，支持ModbusRTU協(xié)議；具有RJ45網絡接口，支持網絡通信。
3、平臺層
（1）邊緣服務器
采用Ubuntu操作系統(tǒng)，以Docker輕量級容器化技術部署AI框架、質量管理模型、AI開發(fā)環(huán)境，部署數據庫、MQTT代理服務器、Tomcat應用服務器運行環(huán)境；提供本地化部署應用一體化工業(yè)互聯網平臺。
（2）工業(yè)互聯網平臺
工業(yè)互聯網平臺支持本地化部署，輕量小巧，只需鋪設局域網環(huán)境即可完成工業(yè)互聯網平臺的運行；與產線實訓臺通訊，完成原料加工整個工藝流程和工廠數字化、網絡化、智能化升級的真實體驗。同時提供工業(yè)互聯網平臺運維課程。
包含消息訂閱發(fā)布模塊。該模塊是核心模塊，用于建立與物聯網邊緣側如工業(yè)網關的連接和數據收集處理。
包含數據庫接口操作模塊，可將產線的訂單排產生產過程數據、工單、設備運行數據、傳感器監(jiān)測數據、質檢結果等寫入數據庫，同時可讀取數據庫信息。
包含數據處理模塊，提供數據存儲、處理、運維、計算和決策。
包含可視化展示模塊。提供曲線圖、餅狀圖、柱狀圖、數字圖文等常用插件進行可視化展示。
包含質量檢測模塊。提供工件的殘次品質檢模型，能夠對工件圖片進行質檢，反饋檢測結果。
包含API接口，支持用戶應用程序開發(fā)。
4、應用層
圍繞生產制造執(zhí)行系統(tǒng)MES應用展開，平臺與倉儲、生產、傳輸等制造業(yè)務主設施模塊實現數據交互，完成整個工藝流程。
（1）產線應用管理
具有原料入庫、訂單管理、排產管理、質量管理、產品追溯、設備管理、標識管理七個應用功能。
原料管理：原料初始化、原料入庫、庫存狀態(tài)，
訂單管理：支持下單和狀態(tài)查詢
質量管理：查看產品質量，合格率占比。
設備管理：監(jiān)測設備運行狀態(tài)等。
標識管理： 標識編碼編輯、標識信息錄入、標識注冊
產品追溯：掃描標識編碼，訪問標識解析平臺，獲取產品的溯源信息。
設備管理展示了產線設備運行狀態(tài)、和工業(yè)傳感器的實時曲線。
（2）產線數據分析
可與工業(yè)控制器通信，獲取現場傳感器監(jiān)測數據存入本地計算機的數據庫中，進行實時采集、歷史曲線、統(tǒng)計學分析、傅里葉變換、曲線擬合等數據分析。歷史曲線顯示效果如圖所示。
對數據進行傅里葉變換。
三、產品功能
1、數據采集
（1）根據電氣連接圖，進行工業(yè)傳感器信號連線，工業(yè)控制器參數配置，實現工業(yè)傳感器的數據采集。
（2）配置工業(yè)網關，實現常用工業(yè)傳感器和工業(yè)控制器的數據采集。
（3）在工業(yè)互聯網平臺進行設備、數據等信息配置，實現采集數據上云。
（4）包含主軸溫度、主軸振動、主軸轉速、空壓機壓力、金屬接近開關、紅外光電開關等模擬量、開關量不同信號的工業(yè)傳感器，可滿足工業(yè)多類型信號的數據采集、工業(yè)控制器多通道編程。
（5）具備數據采集故障處理功能，根據故障指示燈和人機交互終端信息提示，定位簡單的線路故障點并進行處理。
（6）具備標識編碼的數據采集、圖像數據采集。
2、設備控制
針對各種工業(yè)設備，通過PLC工業(yè)控制器、HMI人機交互終端，對工業(yè)傳感器、工業(yè)設備執(zhí)行機構等進行配置、調試。
（1）直線運動控制：可以控制立體倉庫堆垛機的x、y、z三軸絲桿進行直線往復運動、行程定點控制，可控制末端氣缸夾取工件。與庫位狀態(tài)檢測傳感器結合，實現庫存信息動態(tài)感知和工件上下架。
（2）旋轉運動控制：可控制加工轉臺按加工順序轉動，定點停止，控制主軸電機高速旋轉模擬加工，具有上料、加工、檢測、下料不停歇并行加工功能。
（3）多自由度運動控制：可控制機械臂和末端抓手相互配合，具有旋轉、伸縮、抓放等多個自由度控制和精準抓放，實現自動化裝配、搬運。
（4）流水線傳輸控制：可控制電機帶動皮帶轉動，具有調速器，可旋轉旋鈕調節(jié)傳輸速度并顯示轉速，實時檢測接近開關信號，判斷工件是否到位。
（5）氣動控制：可驅動電磁閥開關實現擋料氣缸阻斷工件傳送，推料氣缸將殘次品推入次品筐。
3、視覺檢測
（1）AI邊緣側視覺檢測：邊緣側部署質量檢測模型，利用AI技術對當前加工件形狀、顏色等不同維度進行殘次品檢測，實時發(fā)布工件的檢測結果。
（2）AI平臺側視覺檢測：平臺側部署質量檢測模型，支持模型訓練；支持圖片接收、質量檢測、反饋質量檢測結果。
（3）兼容工業(yè)網絡協(xié)議：支持通過ModbusTCP協(xié)議與工業(yè)控制器交互，傳輸視覺檢測結果。
（4）支持網絡傳輸協(xié)議：通過HTTP協(xié)議與平臺API接口交互。
4、網絡互聯
（1）具有工業(yè)控制器、工業(yè)網關、視覺檢測模塊、邊緣服務器之間的網絡互聯集成功能，可通過通訊調試工具測試傳輸網絡的連通性。
（2）網絡層支持工業(yè)現場總線，采用ModbusRTU協(xié)議實現工業(yè)設備的控制。同時支持工業(yè)以太網傳輸，采用ModbusTCP協(xié)議實現工業(yè)控制器、工業(yè)網關、視覺檢測模塊之間的信息傳遞。
（3）平臺層具有協(xié)議接入功能。工業(yè)網關支持協(xié)議轉換，將工業(yè)通信協(xié)議轉換為易讀性強、層次化結構清晰的JSON數據交換格式，通過MQTT協(xié)議、HTTP協(xié)議接入工業(yè)互聯網平臺。
5、標識解析
（1）系統(tǒng)支持對接工業(yè)互聯網標識解析二級節(jié)點，具有標識注冊、標識更新、標識刪除、標識解析的功能。
（2）針對本產品自動化加工的工件成品，系統(tǒng)將為其生成標識碼，并將其注冊到工業(yè)互聯網標識解析二級節(jié)點。標識包含性能參數如出廠時間，產品材質、產品形狀、用途等屬性。
（3）標識觸發(fā)及應用：在標識解析應用管理軟件中，當需要查看已加工的成品工件性能時，使用標識解析功能，獲取標識編碼，從標識解析二級節(jié)點平臺獲取性能參數顯示出來。
（4）提供移動端標識解析軟件，進行標識掃描，獲取標識編碼，從標識解析平臺獲取標識名稱、數據屬性，實現標識解析服務。
6、安全防護
（1）MQTTS安全傳輸機制：部署于本地私有化服務器中，使用TLS安全傳輸層協(xié)議，確保工業(yè)互聯網平臺與終端應用程序之間具備保密性和數據完整性。
（2）訪問控制：根據應用需求配置基礎和擴展的訪問控制列表、基于時間段的訪問控制列表、基于用戶、應用的訪問控制列表和基于MAC的訪問控制列表
（3）安全域：將安全需求相同的接口進行分類，劃分到Local、Trust、DMZ、Management 和Untrust等不同的安全域，實現域間策略的統(tǒng)一管理。
7、工業(yè)數據分析
（1）提供質量模型分析：用人工智能深度學習算法對良品和次品工件進行深度學習生成質量檢測模型，采用該模型對工件進行殘次品檢測。
（2）支持數值統(tǒng)計分析：采用數字信號處理知識對監(jiān)測設備運行狀態(tài)的傳感器參數進行濾波、去野值、求方差、歷史數據曲線趨勢展示、傅里葉變換及曲線擬合，達到產線正常運行監(jiān)測和故障監(jiān)測的目的。
8、工業(yè)APP開發(fā)
平臺開放API接口，為二次開發(fā)，跨平臺可視化開發(fā)提供支持。具體包含設備運行狀態(tài)API接口、傳感器數據監(jiān)測API接口、視覺檢測結果API接口，可通過HTTP協(xié)議調用接口進行WEB前端應用開發(fā)，實現設備運行狀態(tài)監(jiān)測、傳感器參數檢測、視覺檢測結果統(tǒng)計等應用。

四、配置清單

序號

類別

名稱

數量

備注

1

數據中心

邊緣服務器（含軟件）

1

含顯示器、鍵鼠套裝

2

網關

工業(yè)網關（含軟件）

1

 

3

遠程測控終端（含軟件）

1

 

4

臺體

實訓臺載體

1

 

5

系統(tǒng)供電單元

1

含電源開關、急停開關

6

電氣控制單元

PLC工業(yè)控制單元（含軟件）

1

 

7

HMI人機交互終端（含軟件）

1

 

8

立體倉庫單元

立體倉庫框架

1

 

9

立體倉庫光電開關組

1

 

10

堆垛機控制單元

立體倉庫堆垛機運動機構

1

 

11

立體倉庫堆垛機驅動器

1

 

12

轉臺流轉單元

加工轉臺執(zhí)行機構

1

 

13

加工轉臺伺服電機及伺服驅動器

1

 

14

生產加工單元

生產加工運動機構

1

 

15

生產加工模擬刀具

1

 

16

轉軸變頻器及調速器

1

 

17

電機調速器

2

 

18

視覺檢測單元

工業(yè)攝像頭及固定裝置

1

 

19

機器視覺檢測模塊（含軟件）

1

 

20

多自由機械手單元

機械手運動機構

1

 

21

機械手抓取機構

1

 

22

機械手控制模塊（含軟件）

1

 

23

流水線輸送單元

傳送帶及傳動電機

1

 

24

電機調速器

1

 

25

傳送帶到位檢測傳感器

1

 

26

氣源及氣動控制單元

空氣壓縮機及氣管

1

 

27

回轉氣缸

1

 

28

夾緊氣缸

1

 

29

擋料氣缸

1

 

30

推料氣缸

1

 

31

氣動電磁閥

4

 

32

工業(yè)傳感器單元

溫度傳感器

1

 

33

溫度變送器

1

 

34

振動傳感器

1

 

35

壓力傳感器

1

 

36

三色警燈及固定裝置

1

 

37

標識解析單元

標識采集終端

1

 

38

標簽打印機

1

 

39

網絡互聯與安全防護單元

工業(yè)交換機

1

 

40

無線路由器

1

 

41

企業(yè)級防火墻

1

 

42

附件

直連網線

4

 

43

加工工件

6

 

44

Micro USB線

1

燒寫HMI

45

Mini USB線

1

燒寫PLC

46

16GB TF Card

1

 

47

TF Card讀卡器

1

 

48

方口USB數據線

1

連接仿真器

49

J-LINK仿真器（含20P灰色排線）

1

 

50

程序下載調試板

1

 

51

20CM連接線

12

連測控終端與傳送帶

52

螺絲刀套裝

1

 

53

萬用表

1

 

54

配套桌凳

1

1桌2凳

55

產品說明書

1

 

56

合格證

1

 
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