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一、產(chǎn)品簡介
    LGHL-02型  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)臺以離散行業(yè)全流程產(chǎn)線為背景，具有完整的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全、標(biāo)識體系架構(gòu)，可以支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、安全防護、邊緣計算、平臺運維、數(shù)據(jù)分析、標(biāo)識解析、工業(yè)APP等項目實訓(xùn)，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(zhì)量模型分析等課程實訓(xùn)，滿足學(xué)生全流程參與互動、多維度融合應(yīng)用的需求。

    LGHL-02型  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)臺以工件切削加工產(chǎn)線為場景，構(gòu)建基于邊緣服務(wù)器的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，包含工業(yè)網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)臺流轉(zhuǎn)與生產(chǎn)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(biāo)識解析單元、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與安全防護單元等，展現(xiàn)新時代工業(yè)企業(yè)數(shù)字化、智能化的特征，為院校相關(guān)學(xué)科專業(yè)的實訓(xùn)、科研和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人員職業(yè)競賽提供技術(shù)支撐。
1、產(chǎn)品形態(tài)
產(chǎn)品外觀如圖所示。實訓(xùn)臺結(jié)構(gòu)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(shè)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(xué)生同時操作和學(xué)習(xí)。
實訓(xùn)臺整體尺寸為：1080mm×1000mm×14000mm，臺面高度為780mm。
二、產(chǎn)品組成
產(chǎn)品組成架構(gòu)如圖所示：

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)臺采用四層架構(gòu)，從底到頂依次為設(shè)備層、邊緣層、平臺層、應(yīng)用層。
1、設(shè)備層
設(shè)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(zhuǎn)運動、多自由度運動的執(zhí)行機構(gòu)，工業(yè)傳感器，以及交換機和防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(chǎn)線上限位傳感器、狀態(tài)傳感器進行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測，并根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，控制產(chǎn)線執(zhí)行機構(gòu)按設(shè)定邏輯運動，完成工件切削加工整個產(chǎn)線流程。集成以太網(wǎng)通信模塊，采用ModbusTCP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(diào)整執(zhí)行機構(gòu)運動坐標(biāo)，獨立控制設(shè)備運動，或者循環(huán)控制系統(tǒng)運行，實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)。
通過操作觸摸屏界面，PLC控制器驅(qū)動產(chǎn)線設(shè)備從取料出庫、流轉(zhuǎn)、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(diào)整模式和自動模式。調(diào)整模式支持工業(yè)設(shè)備參數(shù)調(diào)整，可單獨調(diào)試某一個設(shè)備，比如庫位占用狀態(tài)、堆垛機控制、轉(zhuǎn)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(yù)。調(diào)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(shè)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(zhuǎn)氣缸和夾取氣缸組成，分別由三個步進電機模塊驅(qū)動滑塊直線往復(fù)運動，氣動電磁閥控制氣缸旋轉(zhuǎn)或加緊。參考如下所示。
（3）轉(zhuǎn)臺流轉(zhuǎn)與生產(chǎn)加工單元
轉(zhuǎn)臺流轉(zhuǎn)裝置采用伺服電機、伺服驅(qū)動器以及間歇機構(gòu)減速電機控制圓形轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺直徑260mm，設(shè)置4個物位，分別是上料、加工、檢測、下料；結(jié)合金屬接近開關(guān)信號按照90°間隔旋轉(zhuǎn)啟停。
生產(chǎn)加工單元X軸、Y軸進階加工電機轉(zhuǎn)動，帶動主軸電機精準(zhǔn)定加工位置；加工主軸扭矩電機高速旋轉(zhuǎn)模擬原料加工。X軸行程≤100mm，Y軸行程≤100mm。設(shè)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(jié)果；也可對物料進行圖像采集，上傳到質(zhì)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(xiàn)工件的物位搬運、精準(zhǔn)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(lián)軸器、軸承等組成。電機帶有編碼器，具有位置閉合控制，重復(fù)精度大大提高。機械臂負(fù)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(jié)構(gòu)，抓取物件更牢固穩(wěn)當(dāng)。電控板采用Cortex-M4內(nèi)核微控制器，4路LV8731V驅(qū)動模塊驅(qū)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(shè)備如圖所示。
（6）流水線輸送單元
由傳送帶、電機控制模塊、調(diào)速器以及到位檢測傳感器等裝置組成，傳送帶轉(zhuǎn)動，帶動工件流轉(zhuǎn)，實時檢測工件到位信號。設(shè)備如圖所示。
（7）氣源及氣動控制單元
包含空氣壓縮機、回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、擋料氣缸、推料氣缸?？諝鈮嚎s機產(chǎn)生的壓縮空氣轉(zhuǎn)換成動力，驅(qū)動氣缸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、加緊、伸縮等功能。
（8）標(biāo)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(guān)、紅外光電開關(guān)、行程開關(guān)等開關(guān)量傳感器，以及三色警燈執(zhí)行器。
（）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)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(wǎng)關(guān)、視覺檢測模塊，組建工業(yè)產(chǎn)線內(nèi)部局域網(wǎng)。采用企業(yè)級防火墻，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)工廠產(chǎn)線內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺外網(wǎng)之間的互聯(lián)互通；根據(jù)預(yù)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(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問的安全管控。
2、邊緣層
具備通訊協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備層數(shù)據(jù)處理預(yù)處理、設(shè)備層運行狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)、平臺命令接收處理的功能。
（1）工業(yè)網(wǎng)關(guān)
主要由Cortex-A9內(nèi)核主板和7寸電容觸摸屏組成，具有RS485、CAN、以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議，MQTT、HTTP平臺接入?yún)f(xié)議。
Android應(yīng)用APP，用于和工業(yè)控制器單元交互，獲取工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)并顯示，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，將產(chǎn)線信息上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)。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(shè)置。
（2）遠程測控終端
由Cortex-M4內(nèi)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(shù)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(wǎng)絡(luò)接口，支持網(wǎng)絡(luò)通信。
3、平臺層
（1）邊緣服務(wù)器
采用Ubuntu操作系統(tǒng)，以Docker輕量級容器化技術(shù)部署AI框架、質(zhì)量管理模型、AI開發(fā)環(huán)境，部署數(shù)據(jù)庫、MQTT代理服務(wù)器、Tomcat應(yīng)用服務(wù)器運行環(huán)境；提供本地化部署應(yīng)用一體化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。
（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺支持本地化部署，輕量小巧，只需鋪設(shè)局域網(wǎng)環(huán)境即可完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的運行；與產(chǎn)線實訓(xùn)臺通訊，完成原料加工整個工藝流程和工廠數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級的真實體驗。同時提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)如工業(yè)網(wǎng)關(guān)的連接和數(shù)據(jù)收集處理。
包含數(shù)據(jù)庫接口操作模塊，可將產(chǎn)線的訂單排產(chǎn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、工單、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、質(zhì)檢結(jié)果等寫入數(shù)據(jù)庫，同時可讀取數(shù)據(jù)庫信息。
包含數(shù)據(jù)處理模塊，提供數(shù)據(jù)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(shù)字圖文等常用插件進行可視化展示。
包含質(zhì)量檢測模塊。提供工件的殘次品質(zhì)檢模型，能夠?qū)ぜD片進行質(zhì)檢，反饋檢測結(jié)果。
包含API接口，支持用戶應(yīng)用程序開發(fā)。
4、應(yīng)用層
圍繞生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES應(yīng)用展開，平臺與倉儲、生產(chǎn)、傳輸?shù)戎圃鞓I(yè)務(wù)主設(shè)施模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成整個工藝流程。
（1）產(chǎn)線應(yīng)用管理
具有原料入庫、訂單管理、排產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、產(chǎn)品追溯、設(shè)備管理、標(biāo)識管理七個應(yīng)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(zhì)量管理：查看產(chǎn)品質(zhì)量，合格率占比。
設(shè)備管理：監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)等。
標(biāo)識管理： 標(biāo)識編碼編輯、標(biāo)識信息錄入、標(biāo)識注冊
產(chǎn)品追溯：掃描標(biāo)識編碼，訪問標(biāo)識解析平臺，獲取產(chǎn)品的溯源信息。
設(shè)備管理展示了產(chǎn)線設(shè)備運行狀態(tài)、和工業(yè)傳感器的實時曲線。
（2）產(chǎn)線數(shù)據(jù)分析
可與工業(yè)控制器通信，獲取現(xiàn)場傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)存入本地計算機的數(shù)據(jù)庫中，進行實時采集、歷史曲線、統(tǒng)計學(xué)分析、傅里葉變換、曲線擬合等數(shù)據(jù)分析。歷史曲線顯示效果如圖所示。
對數(shù)據(jù)進行傅里葉變換。
三、產(chǎn)品功能
1、數(shù)據(jù)采集
（1）根據(jù)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(shù)配置，實現(xiàn)工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)采集。
（2）配置工業(yè)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)常用工業(yè)傳感器和工業(yè)控制器的數(shù)據(jù)采集。
（3）在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行設(shè)備、數(shù)據(jù)等信息配置，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)上云。
（4）包含主軸溫度、主軸振動、主軸轉(zhuǎn)速、空壓機壓力、金屬接近開關(guān)、紅外光電開關(guān)等模擬量、開關(guān)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(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制器多通道編程。
（5）具備數(shù)據(jù)采集故障處理功能，根據(jù)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(biāo)識編碼的數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)采集。
2、設(shè)備控制
針對各種工業(yè)設(shè)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(shè)備執(zhí)行機構(gòu)等進行配置、調(diào)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(fù)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(jié)合，實現(xiàn)庫存信息動態(tài)感知和工件上下架。
（2）旋轉(zhuǎn)運動控制：可控制加工轉(zhuǎn)臺按加工順序轉(zhuǎn)動，定點停止，控制主軸電機高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、伸縮、抓放等多個自由度控制和精準(zhǔn)抓放，實現(xiàn)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(zhuǎn)動，具有調(diào)速器，可旋轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)節(jié)傳輸速度并顯示轉(zhuǎn)速，實時檢測接近開關(guān)信號，判斷工件是否到位。
（5）氣動控制：可驅(qū)動電磁閥開關(guān)實現(xiàn)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(cè)視覺檢測：邊緣側(cè)部署質(zhì)量檢測模型，利用AI技術(shù)對當(dāng)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(jié)果。
（2）AI平臺側(cè)視覺檢測：平臺側(cè)部署質(zhì)量檢測模型，支持模型訓(xùn)練；支持圖片接收、質(zhì)量檢測、反饋質(zhì)量檢測結(jié)果。
（3）兼容工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(jié)果。
（4）支持網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議：通過HTTP協(xié)議與平臺API接口交互。
4、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)
（1）具有工業(yè)控制器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、視覺檢測模塊、邊緣服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)集成功能，可通過通訊調(diào)試工具測試傳輸網(wǎng)絡(luò)的連通性。
（2）網(wǎng)絡(luò)層支持工業(yè)現(xiàn)場總線，采用ModbusRTU協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的控制。同時支持工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，采用ModbusTCP協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)控制器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、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(wǎng)關(guān)支持協(xié)議轉(zhuǎn)換，將工業(yè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為易讀性強、層次化結(jié)構(gòu)清晰的JSON數(shù)據(jù)交換格式，通過MQTT協(xié)議、HTTP協(xié)議接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。
5、標(biāo)識解析
（1）系統(tǒng)支持對接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析二級節(jié)點，具有標(biāo)識注冊、標(biāo)識更新、標(biāo)識刪除、標(biāo)識解析的功能。
（2）針對本產(chǎn)品自動化加工的工件成品，系統(tǒng)將為其生成標(biāo)識碼，并將其注冊到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析二級節(jié)點。標(biāo)識包含性能參數(shù)如出廠時間，產(chǎn)品材質(zhì)、產(chǎn)品形狀、用途等屬性。
（3）標(biāo)識觸發(fā)及應(yīng)用：在標(biāo)識解析應(yīng)用管理軟件中，當(dāng)需要查看已加工的成品工件性能時，使用標(biāo)識解析功能，獲取標(biāo)識編碼，從標(biāo)識解析二級節(jié)點平臺獲取性能參數(shù)顯示出來。
（4）提供移動端標(biāo)識解析軟件，進行標(biāo)識掃描，獲取標(biāo)識編碼，從標(biāo)識解析平臺獲取標(biāo)識名稱、數(shù)據(jù)屬性，實現(xiàn)標(biāo)識解析服務(wù)。
6、安全防護
（1）MQTTS安全傳輸機制：部署于本地私有化服務(wù)器中，使用TLS安全傳輸層協(xié)議，確保工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與終端應(yīng)用程序之間具備保密性和數(shù)據(jù)完整性。
（2）訪問控制：根據(jù)應(yīng)用需求配置基礎(chǔ)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(yīng)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(xiàn)域間策略的統(tǒng)一管理。
7、工業(yè)數(shù)據(jù)分析
（1）提供質(zhì)量模型分析：用人工智能深度學(xué)習(xí)算法對良品和次品工件進行深度學(xué)習(xí)生成質(zhì)量檢測模型，采用該模型對工件進行殘次品檢測。
（2）支持?jǐn)?shù)值統(tǒng)計分析：采用數(shù)字信號處理知識對監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)的傳感器參數(shù)進行濾波、去野值、求方差、歷史數(shù)據(jù)曲線趨勢展示、傅里葉變換及曲線擬合，達到產(chǎn)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(shè)備運行狀態(tài)API接口、傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測API接口、視覺檢測結(jié)果API接口，可通過HTTP協(xié)議調(diào)用接口進行WEB前端應(yīng)用開發(fā)，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、傳感器參數(shù)檢測、視覺檢測結(jié)果統(tǒng)計等應(yīng)用。

四、配置清單