工業互聯網是數字經濟的關鍵支柱，對于推動我國工業的轉型升級和創新發展具有重大意義。它通過全面連接人、機、物和系統，為工業領域的數字化、網絡化和智能化提供了切實可行的路徑。工業互聯網由網絡、平臺和安全三大核心體系構成，其中網絡是基礎支撐，確保產品、生產和服務等全流程要素的數據互聯互通。因此，培養掌握工業互聯網網絡系統運行與維護的專業人才顯得尤為關鍵，開發集成工控場景的實訓產品對于提升這些能力具有重大價值。

工業互聯網網絡運維實訓系統是一個集教學實訓和技能考核于一體的綜合性平臺，它整合了機械、電氣和信息化軟硬件資源，涵蓋了云平臺、IOT子平臺、工業控制以及多網絡環境下的數據采集和處理等多個場景。該系統能夠進行智能制造、工業互聯網技術和應用的集成測試與培訓，使學員能夠全面掌握工業互聯網網絡運維的知識，并在實訓中深入參與和互動，拓展對云平臺的理解。該系統可以從工業數據采集、網絡連接部署、網絡數據展示及異常排查等多方面進行考核，可滿足應用型本科和職業院校電氣、自動化和信息等專業的教學實訓、技能考核需求。

一、系統構成與工作原理

實訓系統由上位機、控制盤、工控場景模塊及物聯網場景模塊四大組件構成，全面覆蓋傳感器數據采集、組態編程、PLC控制、物聯網與云平臺等多個實訓及考核領域。其中，工控場景模塊模擬了生產全流程的訂單處理、撥針操作、推塊位移、測量及數據存檔等工序；而物聯網場景模塊則通過物聯網網關，智能采集儀表與PLC數據，實現生產要素的廣泛深度互聯。

工控場景具體生產流程：

生產準備：初始化四工位轉盤、讀碼器、RFID系統及各執行機構，為下單做好充分準備。

系統下單：通過上位機或人機界面（HMI）下達訂單，訂單信息包括流水號、工裝號、撥針角度及推塊位移等。

訂單寫入：轉盤定位工裝至工位1，讀取工裝二維碼信息，并將訂單信息寫入RFID芯片。

撥針工序：工位2讀取RFID信息，確認訂單后，氣動裝置驅動伺服機構下降，電機旋轉360°捕捉指針，按訂單設定角度撥動指針，完成后更新生產數據至RFID芯片。

推塊工序：在工位3，系統讀取當前工裝RFID中的信息以確認訂單詳情。隨后，步進裝置驅動撥塊氣缸精準定位斜面滑塊，并推動其按照訂單中預設的位移進行移動。在此過程中，系統同時采集紅外溫度傳感器、扭矩傳感器及噪音傳感器的數據，確保生產過程的全面監控。一旦推塊工序完成，所有相關的生產數據將被即時寫入RFID芯片中。

測量工序：進入工位4，系統再次讀取工裝RFID信息以驗證訂單。隨后，測量氣缸驅動位移傳感器下移，對斜面滑塊的高度進行精確測量，并同步采集壓力傳感器的數據。測量完成后，所有生產數據被記錄并寫入RFID芯片，確保數據的完整性和可追溯性。

生產存盤與追溯：在工位1，系統讀取當前工裝RFID信息，確認訂單無誤后，將生產過程中的所有追溯信息上傳至云端或指定存儲位置。這一步驟確保了生產數據的完整保存和高效管理。

二、系統網絡架構及控制硬件設計

工業互聯網網絡運維實訓系統的網絡結構以云平臺為云端核心，現場端則依托智能網關和PLC作為控制中樞。物聯網技術基于互聯網框架，為智能信息的識別與傳輸提供了堅實基礎，而自動化技術則是推動工業互聯網發展的關鍵力量。

整個系統集成了多種通信協議的設備，實現了IOT網絡與工業網絡的深度融合與互通。網絡類型涵蓋因特網與局域網，有線網絡與無線網絡，確保了數據傳輸的靈活性和多樣性。涉及的通信協議包括RS485和RS232等，這些協議共同支撐了系統的高效運行與數據交換。

通過這一精心設計的網絡架構與控制硬件，工業互聯網網絡運維實訓系統能夠為用戶提供全面、高效、安全的實訓環境，助力培養更多具備專業技能和實戰經驗的工業互聯網人才。

三、系統軟件架構設計

工業互聯網網絡運維軟件系統由云平臺上位機程序、觸摸屏程序和PLC程序組成，分別采用高級面向對象編程語言Vue、Java等軟件進行開發。

3.1 上位機管理程序架構

上位機管理程序是工業互聯網網絡運維系統的核心，負責采集各實訓臺的編號信息，并執行數據分析、存儲及遠程控制功能。云端數據的采集工作由智能網關負責，它能夠從現場智能儀表或PLC中獲取信息。云化軟件利用其網絡化的特性，為智能化運維提供了全新的模式，極大地提升了運維效率和智能化水平。

云平臺系統具備與智能網關的無縫集成能力，能夠接收并解析加密數據。通過圖形化的數據流編排界面和豐富的數據處理插件，該系統能夠實現對數據的多樣化處理，包括但不限于統計分析、格式轉換等，滿足各種業務需求。此外，云平臺系統還支持分布式消息集群管理，提供消息的訂閱與發布功能，并配備在線消息隊列管理以及消息查詢檢索服務。同時，該系統還支持主流大數據處理組件，為用戶提供靈活、高效的數據處理解決方案。

3.2 觸摸屏程序設計

觸摸屏程序集成了多項關鍵功能，以滿足生產過程中的多樣化需求：

(1) 生產訂單管理

支持工裝號、撥針角度、推塊位移等訂單信息的設定。

提供訂單下傳及清空功能，確保生產流程的順暢進行。

(2) 參數設置與調整

可靈活配置伺服和步進驅動的速度、位置參數。

支持氣缸報警延時的設置，提高生產安全性。

(3) 生產實時監控

實時展示流程步序和器件狀態，確保生產過程的可視化。

監控傳感器數據，及時發現并處理異常情況。

(4) 生產報警與預警

提供流程狀態報警功能，及時響應生產過程中的問題。

支持RFID讀寫報警、器件故障報警以及急停報警，確保生產安全。

3.3 PLC程序設計

PLC（可編程邏輯控制器）程序在工業互聯網網絡運維實訓系統中扮演著核心角色，主要負責基于工控場景的數據采集和流程控制。具體而言，PLC程序涵蓋了從訂單接收、撥針、推塊、測量到數據存盤的整個生產流程。為了提高系統的靈活性和可維護性，PLC程序設計采用了模塊化和參數化理念，確保每個生產步驟都能根據實際生產工藝進行精確控制。

3.3.1 模塊化設計

模塊化設計是PLC程序的核心原則之一。通過將復雜的生產流程分解為多個獨立的模塊，每個模塊負責特定的功能，從而使得程序結構更加清晰，易于維護和擴展。主要模塊包括：

訂單處理模塊：負責接收和處理來自上位機的生產訂單信息，包括工裝號、撥針角度、推塊位移等。

撥針控制模塊：根據訂單信息，控制伺服電機和氣動裝置，完成指針的精確撥動。

推塊控制模塊：通過步進電機和氣缸，實現滑塊的精確移動。

測量模塊：利用位移傳感器和壓力傳感器，測量滑塊的高度和其他相關參數。

數據存盤模塊：將生產過程中采集的數據寫入RFID芯片，確保數據的完整性和可追溯性。

3.3.2 參數化設計

參數化設計使得PLC程序能夠靈活應對不同的生產需求。通過在程序中定義各種參數，操作人員可以在不修改程序代碼的情況下，輕松調整生產參數。主要參數包括：

伺服和步進驅動參數：如速度、加速度、位置等。

氣缸控制參數：如動作延時、壓力閾值等。

傳感器參數：如采樣頻率、閾值設定等。