工業互聯網綜合實訓平臺的設計與實現

周達左

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

人才培養質量是職業院校強化內涵建設、提高辦學質量的生命線。人才培養方案是保證人才培養質量的基石，是打通“專業培養什么人才？”和“怎么培養專業人才？”之間的一座橋梁。機電學院的機電一體化、工業機器人、計算機應用、大數據技術與應用專業以培養“懂數據、會收集、能運維”的技能人才為目標。人才的培養離不開實訓平臺的支撐，科學建設優質實訓平臺至關重要。

工業互聯網覆蓋范圍無限廣博，所謂“萬物互聯”，應用場所無處不在，控制對象包羅萬象[1]。隨著紡織行業轉型升級步伐的加快，工業互聯網技術在紡織行業中的應用也越來越廣泛。工業互聯網技術通過紡織設備與設備、紡織設備與人以及與管理執行系統的互聯，以及其間產生的數據的感知、傳輸、處理與應用，不僅實現了在化纖、紡紗、織造、染整、服裝、家紡等生產制造環節的應用，還在紡織品的物流倉儲、市場營銷、終端應用等方面大顯身手，成為企業降低運營成本，提高生產效率，進而提升綜合競爭力的重要手段。該實訓平臺重點在于對紡織企業進行工業互聯網應用研究，從對紡織企業的傳感器節點布設、傳感節點信息采集、傳輸，最后進行大數據分析，極大可能地體現了“萬物互聯、智慧互聯”的整個流程的應用；不僅為機電學院各專業提供現實的實訓平臺，同時能夠解決現有紡織企業在應用互聯、大數據處理方面提供一套可行的解決方案。

1 常見的工業互聯網平臺分析與比較

在工業互聯網領域，存在許多常見的平臺，它們提供了各種功能和特點。以下是對幾個常見工業互聯網平臺的分析與比較：

GE 數字工廠：GE 數字工廠[2]是由通用電氣(GE)開發的工業互聯網平臺。它提供了從設備連接和數據采集到數據分析和預測維護等一系列功能。GE數字工廠注重數據的實時性和精確性，并提供了強大的數據分析和可視化功能。此外，它還支持與第三方系統的集成和開發者平臺的開放性。

Siemens Mindsphere： 西門子的Mindsphere 平臺[3]是一個開放的工業互聯網操作系統，它支持設備連接、數據采集、數據分析和應用開發等功能。Mindsphere 平臺強調安全性和可靠性，并提供了各種API和工具，幫助開發者構建自定義的工業應用程序。此外，Mindsphere 還具備強大的邊緣計算能力和云端部署選項。

IBM Watson IOT：IBM Watson IoT 平臺[4]是一個強大的工業互聯網解決方案，它結合了人工智能和分析技術。該平臺提供了設備管理、數據分析、預測性維護和故障診斷等功能。IBM Watson IoT注重數據的智能分析和洞察力，通過機器學習和認知計算提供高級分析和決策支持。

微軟Azure IOT：Azure IOT 是微軟提供的綜合性工業互聯網平臺。它提供了設備連接、數據傳輸、數據分析和應用開發等一系列功能。Azure IOT 具有高度可擴展性和靈活性，并且與微軟的云服務和開發工具緊密集成。平臺還提供了豐富的開發資源和預構建的解決方案，使開發者能夠快速構建和部署工業應用。

Amazon AWS IOT：亞馬遜AWS IOT[5]是一個全面的工業互聯網平臺，提供了從設備連接和管理到數據存儲和分析的全套解決方案。AWS IOT 強調可靠性和安全性，支持海量設備連接和大規模數據處理。平臺還集成了其他AWS 云服務，提供了豐富的擴展和定制選項。

2 實訓平臺開發思路

該實訓平臺的開發思路分為兩部分：一是系統開發[6-7]，二是應用研究[8-9]。

系統開發是一項系統工程，是一項從調研工作開始的，基于行業的標準，進一步地優化方案，不斷完善方案的一個動態研究過程。實訓平臺的開發過程包括了理念和原則的確定、技術路線和實踐應用的反復環節，理念是以無線傳感網鋪設通信平臺、采用傳感器布設工業互聯網的節點、終端數據庫采集作為大數據樣本源，設計出能夠嵌入工業互聯網專業知識、大數據專業知識的硬件組成單元模塊。開發遵循以下原則：基于大數據原則、仿真性原則、先進性原則、適用性原則、開放性原則。開發采用的技術路線是校企合作方式。

應用研究是指本系統的實踐教學研究，借助企業的工作環節進行教學任務及職業情境創設研究，依據職業學校學生的認知規律和教學規律，拓展工業互聯網的工作模式，研究建構模式課程體系的配套教學資源。應用更是一個動態研究過程，不斷豐富系統的應用功能，以提高學生的認知能力、實踐能力和創新能力。通過強大的應用功能體現整個系統的價值。

3 實訓平臺系統設計

該實訓平臺是學生接觸專業實訓的第一場所，最大的特色就是最大可能地貼近生產、技術、管理、服務第一線，可以為學生創設一個“真實”的職業環境，實現按照未來專業崗位群對技術技能進行實際操作訓練的要求。主要從以下7個方面考慮：

1) 提供實踐機會：綜合實訓平臺為學生提供了實踐機會，使他們能夠親自操作和應用工業互聯網技術。通過實際操作，學生能夠加深對工業互聯網的理解，培養實際應用能力。

2) 模擬真實場景：綜合實訓平臺可以模擬真實的工業場景和環境，使學生能夠在實驗室或虛擬環境中進行真實的工業應用，有助于學生更好地理解工業互聯網在實際工作中的應用和影響。

3) 多學科交叉：工業互聯網涵蓋了計算機科學、通信技術、控制工程等多個學科領域。綜合實訓平臺的使用可以促進不同學科之間的交叉學習和合作，培養學生的綜合能力。

4) 培養解決問題的能力：綜合實訓平臺注重實際問題的解決，學生需要運用所學知識和技能，通過分析和解決實際問題來完成任務，有助于培養學生的問題解決能力和創新思維。

5) 產業對接和就業需求：工業互聯網在各個行業中得到廣泛應用，對于有工業互聯網技術背景的人才需求日益增長。綜合實訓平臺可以與工業界對接，將學生培養成符合工業互聯網崗位需求的專業人才。

6) 激發創新和創業意識：通過綜合實訓平臺，學生有機會實踐創新思維和創業理念。他們可以提出自己的創新想法，設計并實現相應的工業互聯網解決方案，培養創新創業能力。

7) 長期發展與前景：工業互聯網是未來工業發展的重要趨勢，將在智能制造、物聯網等領域發揮巨大作用。綜合實訓平臺為學生提供了追隨這一趨勢、參與工業互聯網行業發展的機會，并為他們未來的職業發展打下堅實基礎。

該實訓平臺的系統設計包括硬件與軟件建設兩方面，硬件是指與紡織企業合作創建工業互聯網系統，包含傳感器布設、網絡布設、集中采集系統等；軟件是上位機數據采集、數據庫的組建。該實訓平臺研發的硬件與軟件資源將為學校開設實踐類操作課程以及孵化創新創業項目等工作提供保障。通過應用軟件系統開展教學活動，將會增強學生對工業互聯網相關理論的深刻理解和融會貫通，有助于培養學生團隊合作素養，有利于激發學生主動創新的潛質，進而全面提升人才培養質量。

3.1 實訓平臺硬件設計

該實訓平臺硬件部分包括匯川PLC實訓室、三菱PLC 實訓室和MCGS 聯網觸摸屏3 部分，如圖1 所示，其中匯川PLC 實訓室和三菱PLC 實訓室先前已經建好了，通過MCGS 聯網觸摸屏替換原有實訓室的不能聯網MCGS 觸摸屏實現聯網，學生所有的實訓數據可以傳入阿里云平臺，進行實時操作。

圖1 實訓平臺硬件設計

3.2 實訓平臺軟件設計

該實訓平臺軟件部分主要包括：阿里云平臺、MCGS聯網觸摸屏程序、PLC程序，阿里云平臺主要通過阿里云自帶的IoT Studio 平臺進行數據界面設計，MCGS聯網觸摸屏程序主要在MCGS組態軟件實現編程，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便地開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態就可構造自己的應用系統，如可以靈活組態各種智能儀表、數據采集模塊、無紙記錄儀、無人值守的現場采集站、人機界面等專用設備。PLC程序根據不同的實訓室，采用相應實訓室的PLC編程軟件實現。

其中阿里云平臺如圖2 所示，其中包括應用開發、項目管理、解決方案、資源用量4 個模塊。主要功能是在應用開發領域打造的一站式、低成本、高穩定、易定制的物聯網生產力工具，可幫助用戶經濟高效地完成物聯網應用開發，可以面向各個行業提供場景化解決方案模板，企業可以直接利用現有的解決方案模板來開發自己的業務，將原有需要幾周的開發過程縮短到幾天。同時，IoT Studio 提供了可視化應用開發的功能。用戶通過簡單的可視化拖拽的方式，即可將各種組件、圖表與設備相關的數據源進行關聯，幾乎無須任何編程經驗。另外，IoT Studio提供了服務開發的功能，通過低代碼開發方式，用戶可以很方便地實現設備之間的聯動、設備與服務之間的數據流轉。其采用簡單的拖拽式設計，簡化了編程。

圖2 阿里云平臺

MCGS 聯網觸摸屏程序功能如下：實訓室根據課程安排，原有觸摸屏課程按照原計劃學習，只是原有學習內容信息管理不再局限于數據存儲于本地進行分析和顯示，而是應該通過觸摸屏實時上傳到云端并能夠實時地人性化顯示，數據融入阿里云，實現整個數據的實時聯網，進而實現加強及規范學生學習管理、提高學習效率、實現學生學習數據可視化、為教學提供決策參考等能力。

4 實訓平臺預期功能

4.1 教學功能

培養工業互聯網相關專業學生的工業互聯網應用開發能力，實驗內容包括課程以培養工業互聯網應用型、技術技能型或操作型的高技能人才為目的，對工業互聯網的應用特性、數據上云、云服務開發與部署等內容進行了較詳細的講解，在原理性知識及工程技術環節都安排了大量的實驗，做到了“教、學、做”為一體。同時在此基礎上，強調工業互聯網架構體系和數據融合，讓學生在設備層、邊緣層、云平臺3個工業互聯網的主要層次上對工業互聯網系統乃至整個制造業體系架構有個直觀的認識和了解，并能在工業互聯網系統框架下進行設計創新。

培養工業互聯網專業學生在工業互聯網關鍵技術基礎創新運用能力，主要服務傳感器技術與應用、智能工廠設備接入技術、工業網絡技術、工業云技術應用基礎、工業微服務應用、工業 App 開發與運維等專業課程。

4.2 社會培訓

通過開展工業互聯網實施與運維1+X 職業技能等級認證的相關培訓考核工 作，為在校師生以及本地區行業企業職工開展技能等級認證、再教育等項目。預計培訓人數在每年 150 人次左右。

4.3 技術服務

依托工業互聯網綜合實訓室，建立一支工業互聯網技術應用科研團隊，以工業互聯網與智能制造為主要研究方向，開展制造業企業中工業數據上云、云平臺的組建和云服務開發等技術服務與社會培訓。預計每年完成教科研項目1個，專利和軟件著作權1～2個，技術服務項目2個，到賬經費20萬元左右。