工业互联网综合实训平台的设计与实现

周达左

（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164)

0 引言

人才培养质量是职业院校强化内涵建设、提高办学质量的生命线。人才培养方案是保证人才培养质量的基石，是打通“专业培养什么人才？”和“怎么培养专业人才？”之间的一座桥梁。机电学院的机电一体化、工业机器人、计算机应用、大数据技术与应用专业以培养“懂数据、会收集、能运维”的技能人才为目标。人才的培养离不开实训平台的支撑，科学建设优质实训平台至关重要。

工业互联网覆盖范围无限广博，所谓“万物互联”，应用场所无处不在，控制对象包罗万象[1]。随着纺织行业转型升级步伐的加快，工业互联网技术在纺织行业中的应用也越来越广泛。工业互联网技术通过纺织设备与设备、纺织设备与人以及与管理执行系统的互联，以及其间产生的数据的感知、传输、处理与应用，不仅实现了在化纤、纺纱、织造、染整、服装、家纺等生产制造环节的应用，还在纺织品的物流仓储、市场营销、终端应用等方面大显身手，成为企业降低运营成本，提高生产效率，进而提升综合竞争力的重要手段。该实训平台重点在于对纺织企业进行工业互联网应用研究，从对纺织企业的传感器节点布设、传感节点信息采集、传输，最后进行大数据分析，极大可能地体现了“万物互联、智慧互联”的整个流程的应用；不仅为机电学院各专业提供现实的实训平台，同时能够解决现有纺织企业在应用互联、大数据处理方面提供一套可行的解决方案。

1 常见的工业互联网平台分析与比较

在工业互联网领域，存在许多常见的平台，它们提供了各种功能和特点。以下是对几个常见工业互联网平台的分析与比较：

GE 数字工厂：GE 数字工厂[2]是由通用电气(GE)开发的工业互联网平台。它提供了从设备连接和数据采集到数据分析和预测维护等一系列功能。GE数字工厂注重数据的实时性和精确性，并提供了强大的数据分析和可视化功能。此外，它还支持与第三方系统的集成和开发者平台的开放性。

Siemens Mindsphere： 西门子的Mindsphere 平台[3]是一个开放的工业互联网操作系统，它支持设备连接、数据采集、数据分析和应用开发等功能。Mindsphere 平台强调安全性和可靠性，并提供了各种API和工具，帮助开发者构建自定义的工业应用程序。此外，Mindsphere 还具备强大的边缘计算能力和云端部署选项。

IBM Watson IOT：IBM Watson IoT 平台[4]是一个强大的工业互联网解决方案，它结合了人工智能和分析技术。该平台提供了设备管理、数据分析、预测性维护和故障诊断等功能。IBM Watson IoT注重数据的智能分析和洞察力，通过机器学习和认知计算提供高级分析和决策支持。

微软Azure IOT：Azure IOT 是微软提供的综合性工业互联网平台。它提供了设备连接、数据传输、数据分析和应用开发等一系列功能。Azure IOT 具有高度可扩展性和灵活性，并且与微软的云服务和开发工具紧密集成。平台还提供了丰富的开发资源和预构建的解决方案，使开发者能够快速构建和部署工业应用。

Amazon AWS IOT：亚马逊AWS IOT[5]是一个全面的工业互联网平台，提供了从设备连接和管理到数据存储和分析的全套解决方案。AWS IOT 强调可靠性和安全性，支持海量设备连接和大规模数据处理。平台还集成了其他AWS 云服务，提供了丰富的扩展和定制选项。

2 实训平台开发思路

该实训平台的开发思路分为两部分：一是系统开发[6-7]，二是应用研究[8-9]。

系统开发是一项系统工程，是一项从调研工作开始的，基于行业的标准，进一步地优化方案，不断完善方案的一个动态研究过程。实训平台的开发过程包括了理念和原则的确定、技术路线和实践应用的反复环节，理念是以无线传感网铺设通信平台、采用传感器布设工业互联网的节点、终端数据库采集作为大数据样本源，设计出能够嵌入工业互联网专业知识、大数据专业知识的硬件组成单元模块。开发遵循以下原则：基于大数据原则、仿真性原则、先进性原则、适用性原则、开放性原则。开发采用的技术路线是校企合作方式。

应用研究是指本系统的实践教学研究，借助企业的工作环节进行教学任务及职业情境创设研究，依据职业学校学生的认知规律和教学规律，拓展工业互联网的工作模式，研究建构模式课程体系的配套教学资源。应用更是一个动态研究过程，不断丰富系统的应用功能，以提高学生的认知能力、实践能力和创新能力。通过强大的应用功能体现整个系统的价值。

3 实训平台系统设计

该实训平台是学生接触专业实训的第一场所，最大的特色就是最大可能地贴近生产、技术、管理、服务第一线，可以为学生创设一个“真实”的职业环境，实现按照未来专业岗位群对技术技能进行实际操作训练的要求。主要从以下7个方面考虑：

1) 提供实践机会：综合实训平台为学生提供了实践机会，使他们能够亲自操作和应用工业互联网技术。通过实际操作，学生能够加深对工业互联网的理解，培养实际应用能力。

2) 模拟真实场景：综合实训平台可以模拟真实的工业场景和环境，使学生能够在实验室或虚拟环境中进行真实的工业应用，有助于学生更好地理解工业互联网在实际工作中的应用和影响。

3) 多学科交叉：工业互联网涵盖了计算机科学、通信技术、控制工程等多个学科领域。综合实训平台的使用可以促进不同学科之间的交叉学习和合作，培养学生的综合能力。

4) 培养解决问题的能力：综合实训平台注重实际问题的解决，学生需要运用所学知识和技能，通过分析和解决实际问题来完成任务，有助于培养学生的问题解决能力和创新思维。

5) 产业对接和就业需求：工业互联网在各个行业中得到广泛应用，对于有工业互联网技术背景的人才需求日益增长。综合实训平台可以与工业界对接，将学生培养成符合工业互联网岗位需求的专业人才。

6) 激发创新和创业意识：通过综合实训平台，学生有机会实践创新思维和创业理念。他们可以提出自己的创新想法，设计并实现相应的工业互联网解决方案，培养创新创业能力。

7) 长期发展与前景：工业互联网是未来工业发展的重要趋势，将在智能制造、物联网等领域发挥巨大作用。综合实训平台为学生提供了追随这一趋势、参与工业互联网行业发展的机会，并为他们未来的职业发展打下坚实基础。

该实训平台的系统设计包括硬件与软件建设两方面，硬件是指与纺织企业合作创建工业互联网系统，包含传感器布设、网络布设、集中采集系统等；软件是上位机数据采集、数据库的组建。该实训平台研发的硬件与软件资源将为学校开设实践类操作课程以及孵化创新创业项目等工作提供保障。通过应用软件系统开展教学活动，将会增强学生对工业互联网相关理论的深刻理解和融会贯通，有助于培养学生团队合作素养，有利于激发学生主动创新的潜质，进而全面提升人才培养质量。

3.1 实训平台硬件设计

该实训平台硬件部分包括汇川PLC实训室、三菱PLC 实训室和MCGS 联网触摸屏3 部分，如图1 所示，其中汇川PLC 实训室和三菱PLC 实训室先前已经建好了，通过MCGS 联网触摸屏替换原有实训室的不能联网MCGS 触摸屏实现联网，学生所有的实训数据可以传入阿里云平台，进行实时操作。

图1 实训平台硬件设计

3.2 实训平台软件设计

该实训平台软件部分主要包括：阿里云平台、MCGS联网触摸屏程序、PLC程序，阿里云平台主要通过阿里云自带的IoT Studio 平台进行数据界面设计，MCGS联网触摸屏程序主要在MCGS组态软件实现编程，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块、无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。PLC程序根据不同的实训室，采用相应实训室的PLC编程软件实现。

其中阿里云平台如图2 所示，其中包括应用开发、项目管理、解决方案、资源用量4 个模块。主要功能是在应用开发领域打造的一站式、低成本、高稳定、易定制的物联网生产力工具，可帮助用户经济高效地完成物联网应用开发，可以面向各个行业提供场景化解决方案模板，企业可以直接利用现有的解决方案模板来开发自己的业务，将原有需要几周的开发过程缩短到几天。同时，IoT Studio 提供了可视化应用开发的功能。用户通过简单的可视化拖拽的方式，即可将各种组件、图表与设备相关的数据源进行关联，几乎无须任何编程经验。另外，IoT Studio提供了服务开发的功能，通过低代码开发方式，用户可以很方便地实现设备之间的联动、设备与服务之间的数据流转。其采用简单的拖拽式设计，简化了编程。

图2 阿里云平台

MCGS 联网触摸屏程序功能如下：实训室根据课程安排，原有触摸屏课程按照原计划学习，只是原有学习内容信息管理不再局限于数据存储于本地进行分析和显示，而是应该通过触摸屏实时上传到云端并能够实时地人性化显示，数据融入阿里云，实现整个数据的实时联网，进而实现加强及规范学生学习管理、提高学习效率、实现学生学习数据可视化、为教学提供决策参考等能力。

4 实训平台预期功能

4.1 教学功能

培养工业互联网相关专业学生的工业互联网应用开发能力，实验内容包括课程以培养工业互联网应用型、技术技能型或操作型的高技能人才为目的，对工业互联网的应用特性、数据上云、云服务开发与部署等内容进行了较详细的讲解，在原理性知识及工程技术环节都安排了大量的实验，做到了“教、学、做”为一体。同时在此基础上，强调工业互联网架构体系和数据融合，让学生在设备层、边缘层、云平台3个工业互联网的主要层次上对工业互联网系统乃至整个制造业体系架构有个直观的认识和了解，并能在工业互联网系统框架下进行设计创新。

培养工业互联网专业学生在工业互联网关键技术基础创新运用能力，主要服务传感器技术与应用、智能工厂设备接入技术、工业网络技术、工业云技术应用基础、工业微服务应用、工业 App 开发与运维等专业课程。

4.2 社会培训

通过开展工业互联网实施与运维1+X 职业技能等级认证的相关培训考核工 作，为在校师生以及本地区行业企业职工开展技能等级认证、再教育等项目。预计培训人数在每年 150 人次左右。

4.3 技术服务

依托工业互联网综合实训室，建立一支工业互联网技术应用科研团队，以工业互联网与智能制造为主要研究方向，开展制造业企业中工业数据上云、云平台的组建和云服务开发等技术服务与社会培训。预计每年完成教科研项目1个，专利和软件著作权1～2个，技术服务项目2个，到账经费20万元左右。