微型智能制造工厂综合实训平台开发与实践应用

       随着“工业4.0”和“中国制造2025”的提出和践行，当今产业发展出现新的变革，先进的机械制造技术，精准的现场管理水平，生产制造的数字化、信息化和智能化对未来人才提出了更高的要求，如何培养能够适应现代化产业、具备多元及产业创新能力、管理及服务能力的跨界融合型人才成为发展趋势。

       微型智能制造工厂综合实训平台正是基于当前社会对于制造业人才需求而推出，融合互联网、物联网、元宇宙、大数据、5G和人工智能等新一代信息技术，为各类院校智能制造工程及智能制造相关专业提供数字化教学的有力抓手和实习实训的强力支撑，推进工科教育向数字化、智能化、实践教学发展，打造实习实训基地新标杆。

PART 01   平台介绍

       本平台围绕智能制造在工业互联网的应用技术，以及专业群建设的需求基础，采用数字孪生+人机协作+科技产线的设计理念，将工业互联网技术、机器人技术、工业总线技术以及数字化仿真技术融合。按照工业互联网行业示范项目，引入人工智能技术、工业网络安全、以及边缘计算数据采集技术等相关行业示范解决方案，从仿真、到小型化应用、集成化开发再到创新设计，为高校和人才培养提供完整的实训及创新的实验室平台。 

PART 02  平台建设定位

     本微型智能制造工厂综合实训平台是基于物联系统采用先进的物联网技术、自动化技术、网络技术和先进的实验教学理念，将“先进制造”、“工业工程”学科与“企业应用”三方面有机地融合，通过让学生参与实践，在课堂教学现场，感受工业现场，对智能工厂有一个全面的感性认识和理性认识。

      重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，主要涉及整个企业的生产物流管理和人机互动在工业生产过程中的应用。结合企业生产物流运营模式，结合学校电子技术、机电一体化、电气自动化、工业工程、物流管理及其相关专业现阶段建设情况，以及智慧工厂实验室规划理念，进行综合且专业化的设计，以工业4.0和“互联网+”模式为实训教学研究载体，构建一个高端精细化实体制造运作模式的实验实训平台。

PART 03  主要特点

01 真实生产： 等比例缩小的智能化工厂，采用缩小型工业化机器人系统，真实生产出产品；

02 智能集成： 个性化下单、出入库、加工，全无人化完成自动化生产系统；

03 数字孪生：配置数字孪生仿真，即控制系统与仿真系统完全一致，可在虚拟3D工厂完成对数字化产线的3D可视化仿真与编程开发；

04 3D可视化：配置IOA数字孪生三维数字可视化，具有组态3D与WEB可视化结合，能够更为清晰和认知整套产线与数字化的集成与应用；

05 模块化应用： 基于工业互联网的数据采集、边缘计算、工业总线应用以及应用端MES系统开发，该实训室构建了人手以及的工业互联网实训单元及模块，并采用数字孪生的技术方案将理、实、虚的课程资源引入，给与认知、实训、教学以及科研的综合实训平台。

PART 03  优势点

1、智能工厂MES管理系统

     该微型智能工厂具有一套开源的MES系统，从设备层、控制层、数据层、应用层都具有对应开发及实践内容，通过PLC + 机器人 +计算机管理 + 移动互联软件的模式提供一套完整的数字化产线的，建设、编程、电气再到上层控制的综合型工业互联网开发实训平台。

      从手机APP个性化下单、到数字化MES形成加工工艺数据、再到数字化产线无人化生产、远程数字化SCADA看板监控，该系统能够完成一套完整的个性化数字工厂的生产流程。

      即该平台主要通过软件个性化下单，完成从网上下单、生产订单解析、工艺编排、智能仓储存取、柔性流程重配和生产、基于激光雕刻和立体装配的全自动化无人加工过程。构建真正意义上的工业4.0新型工作模式和基础平台，便于学生对机器人认知、编程学习以及科研人员开发实验。

      通过配套完整的从认知到产线应用的阶段化开发课程资源，全面详细的介绍了数字化产线构成以及集成方式，并通过IOA虚拟仿真技术创建与真实完全一致的虚拟产线，直接进行虚拟仿真调试。特色在于，通过将PLC、工业机器人、计算机软件控制技术结合，分单元分层讲解数字化产线的各个层级个功能的实施及编程控制方法，并能够以虚拟仿真加以展示及实现。

主页

个性化工艺管理平台

设备数据管理监控

智能仓储WMS系统

订单统计与管理

订单与工业库

视觉监测采集单元

手机APP个性化下单

2、工业互联网组态平台

1）、基于边缘计算的数据采集软件

      基于MQTT、数据库MySQL、HTTP通讯，IOA-EDGE提供完整的、开放的JSON协议支持，并兼容中国移动ONE-net、亚马逊、阿里云等各大云服务平台。

01 数据库接口：MySQL数据库，支持用户自定义和本地化部署；

02 MQTT服务器：提供开放式MQTT服务器软件，支持用户自定义和本地化；

03 HTTP服务器：云端部署应用，开放式JSON通讯数据包；

04 Python数据解析：提供开放式数据解析函数及API；

05 工业组态上位机：提供开源C#组态上位机；

2）、基于IOA-Cloud的工业互联网数据看板

      IOA-Cloud工业互联网数据中台是面向低代码的数据编辑器及数字化看板软件，集成了丰富的图表、按钮、数据表、数据模板的编辑器，支持用户自定义画布和内容编辑，可一键生成数据看板应用，并开放所有数据接口，支持本地化部署及云端部署应用；

01 丰富的工程案例模板；

02 低代码编程，提供数据库、HTTP以及MQTT通讯接口；

03 支持用户自定义网关数据源；

04 支持摄像头数据显示与监控；

3、数字孪生仿真

1）、平台说明

       该虚拟工厂IOA平台，采用虚实仿真应用仿真，从设备层、控制层、数据层、应用层都具有对应开发及实践内容，通过PLC + 机器人 +计算机软件的模式提供一套完整的数字化产线的，建设、编程、电气再到上层控制的综合型工业互联网开发实训平台。

      工业互联网系统集成需要完整的设备层（自动化）、控制层（驱动与控制）、数据层、管理层以及应用层架构，IOA-Edge平台基于数字孪生仿真思路，通过以虚拟3D工厂为对象，构建1:1的控制层，建立虚拟边缘计算网关，并配套工业互联网管理和应用的数据中台，给与一套低成本、多维度、高集成度的综合的工业互联网仿真集成平台。

      IOA通过结合了数字孪生技术，将1:1的将机器人技术、PLC技术、智能控制技术融合，按照智能制造的人才培养过程和梯度，以仿真贯穿整个设备平台，从智能控制技术 + 机器人技术 + 工业互联网为知识架构，依次将机械、电气、物联网以及计算机软件技术各个专业、行业的示范应用结合，打造出具有综合性、示范性、先进性的工业4.0实训课程体系。

      IOA-Edge平台是一套基于虚拟3D工厂的综合仿真平台，是面向智能工厂的自动化与数字化集成与仿真应用，该平台采用数字孪生技术，以虚拟的工厂为设备层、真实/模拟控制器作为驱动层，以边缘计算数据采集为数据层，最后以数据解析、数据应用的互联网中台作为服务层和应用层。

      IOA-Edge从而构建整个工业互联网的从场景、数据再到应用的完整仿真平台，从工业互联网的集成和技术流程，即工业场景→控制与通讯→数据解析→数据应用→数据安全整个流程仿真。

2）、工业场景：虚拟3D工厂仿真

      IOA-EDGE配套完整的工业场景3D引擎，可满足从基础的零部件搭建再到大型的数字工厂建模，通过虚拟的工业设备完成自动化控制和智能传感的数据集成应用，匹配的丰富的工程应用及数据仿真架构，并内置CAD渲染器和管理器，能够支持用户自定义导入搭建与建模，给与一套完整的数字化工厂的3D平台。

01 丰富的工业场景模型库和工程库；

02 自主知识产权CAD渲染器，支持STEP、STP、IGS、IGES以及FBX导入；

03 支持雕刻、打标、切削、组装、喷涂等工艺仿真；

04 匹配丰富的工程案例资源平台；

3）、控制与集成：数字孪生虚实仿真应用

       通过虚实仿真建立1:1的智能控制的驱动层及控制层，IOA-EDGE配套完整的虚实仿真的引擎，能够兼容市场上绝大多数的PLC、运动控制器、视觉控制器以及机器人编程示教等；通过IOA-EDGE虚拟边缘计算网关，建立modbus总线、RS485、RS232、TCP、MQTT等工业总线通讯，以真实/虚拟的控制器为载体，配套网关端软件平台，能够完成从自动化控制到数据通讯层的1:1建立与仿真；

4）、数据解析：基于边缘计算数据解析服务

      基于MQTT、数据库MySQL、HTTP通讯，IOA-EDGE提供完整的、开放的JSON协议支持，并兼容中国移动ONE-net、亚马逊、阿里云等各大云服务平台。

01 数据库接口：MySQL数据库，支持用户自定义和本地化部署；

02 MQTT服务器：提供开放式MQTT服务器软件，支持用户自定义和本地化；

03 HTTP服务器：云端部署应用，开放式JSON通讯数据包；

04 Python数据解析：提供开放式数据解析函数及API；

05 工业组态上位机：提供开源C#组态上位机；

5）、数据应用：基于IOA-Cloud工业互联网中台

      IOA-Cloud工业互联网数据中台是面向低代码的数据编辑器及数字化看板软件，集成了丰富的图表、按钮、数据表、数据模板的编辑器，支持用户自定义画布和内容编辑，可一键生成数据看板应用，并开放所有数据接口，支持本地化部署及云端部署应用；

01 丰富的工程案例模板；

02 低代码编程，提供数据库、HTTP以及MQTT通讯接口；

03 支持用户自定义网关数据源；

04 支持摄像头数据显示与监控；

6）、开源工业互联网可视化案例

      基于低代码工业互联网中台，提供从数据端、数据应用、前后端编程的全套开源的工业互联网应用及案例资源，能够形成用户管理、数据解析、手机远程监控、设备数据看板的典型工业互联网案例资源，并通过软件个性化下单，完成从网上下单、生产订单解析、工艺编排、智能仓储存取、柔性流程重配和生产、基于激光雕刻和立体装配的全自动化无人加工过程。构建真正意义上的工业4.0新型工作模式和基础平台，便于学生对机器人认知、编程学习以及科研人员开发实验。

4、实训课程

1）、互联网+自动化控制课程体系

工业互联网是一套综合化应用课程体系。互联网系统作为信息化和自动化的结合点，具有无限放大的潜力和优势。工业自动化包含采集、传输、计算等环节，而物联网是全面感知、可靠传递、智慧处理，两者是相通的。互联网只是更加强调数字化、智能化应用及云计算部署。工业互联网所需要的自动控制、信息传感、射频识别等属于其上游技术和产业，而下游则是智能控制技术的应用。

2）、构建工业互联网课程资源库

根据工业互联网、自动化、计算机，学科共融，结合行业应用，建设课程资源库如下：

01 工业互联网场景实训案例库

02 提供丰富的课程开发案例，以及视频+工程+素材手册，形成示范性课程应用

03 提供校企共建设计、教师自建的课程案例素材，可根据平台快速建设行业应用课程；

3）、主要实训教学功能

01 工业场景应用，从设备层、驱动层、控制层、数据层、应用层，实现学生对智能制造经典五层架构的认知及应用；

02 常见工业总线搭建，包含物理链路RS485、CAN、以太网，通讯协议等

03 常见无线通讯网络组网，如WiFi、433M、lora、zigbee、4G、5G等

04 常见工业控制执行单元，DI/DO、AI/AO、电机、变频、仪器仪表、传感器等

05 边缘计算单元，数据处理、数据汇聚、数据逻辑计算、常见边缘算法等

06 数字工位单元，人机交互、生产协同、生产管理、边缘协同等

07 手机APP搭建，基于工具化的二次开发软件，快速构建手机APP，实现远程监视、远程控制、实时数据、实时曲线、历史曲线、数据分析等

08 大屏网页搭建，设备建模、实现远程监视、远程控制、实时数据、实时曲线、历史曲线、数据分析等；

4）、实训课程概要

基于微型工厂和书签产线，对整套电气控制系统，MES调度以及工程驱动认知与应用。

01 认识微型产线系统；

02 六轴机器人的控制与示教方法；

03 工业总线通讯modbus-RTU方法与应用；

04 工业总线通讯modbus-tcp方法与应用；

0 5激光雕刻软件设计与使用；

06 CNC铣床工艺设计与使用；

07 MES软件下单与操作；

08 课程设计：基于modbus通讯的远程监控；

09 课程设计：基于MySQL数据库的远程监控；

       微型智能制造工厂综合实训平台，重点服务本科学生及研究生实践教学，旨在培养能够适应现代化产业、具备多元及产业创新能力、管理及服务能力的跨界融合型人才，融合互联网、物联网、元宇宙、大数据、5G和人工智能等新一代信息技术，为各类类院校智能制造工程及智能制造相关专业提供数字化教学的有力抓手和实习实训的强力支撑。