工业互联网课程设计

课程设计报告书

工业互联网课程设计

基于模拟汽车生产线的上云改造

一、设计任务

基于工业互联网实施与运维实训平台的模拟汽车生产线（图1）,对其进行

上云改造，远程实时展示环境温/湿度、设备运行效率、机床X轴、Y轴、Z轴坐

标位置（图2）。

以项目式教学方式将工业互联网实施与运维涉及的数据采集方案规划、网络

部署与数据采集、采集数据上云、数据边缘处理、云平台模型搭建与实例化、数

据可视化等环节有机串联，完成一项工程机械行业上云改造案例的全流程活动。

图2上云改造效果示意

二、数据采集方案规划

基于以上项目需求，完成数据采集方案规划。

1、项目需求分析

基于工业互联网实施与运维实训平台的模拟汽车生产线的上云改造需求为

远程实时展示如下信息：

（1）环境温度、湿度；

（2）设备运行效率；

（3）机床X轴、Y轴、Z轴坐标位置。

2、数据来源梳理

来源于工业互联网实施与运维实训平台的模拟汽车生产线中的坐标

3、数据采集架构

现场调研：PLC支持S7协议，CNC支持ModBus协议，触摸屏支持0PC协议。

网关设备选型：支持S7协议的网关，支持ModBus协议的网关，支持OPC协

议的网关

4、数据采集点表

数控机床数据，床Modbus通信地数据类M

功能码通讯地址取位详缺

用户编程值X609double4区30609运行过程中用户编程值X

用户编程值Y613double4区30613运行过程中用户编程值Y

用户编程值Z617double4区30617运行过程中用户编程值Z

（hMDI：2：自动；3：单步；

工作模式1short4区30001

4：手动；5：增昌：6：点退；

工作状态2short4区30002（1：空同；2.运行；3：暂停）

（1：急停：2：急停员位；3：关

机床状态3short4区30003

闭：4：开启）

报警状态4short4区30004（0：无报警；1：有报警）

回零状态X5short4区30005（0：未回零：1：已回零）

回零状态Y6short4区30006<0,未回零；h已回零）

回零状态Z7short4区30007（0：未回零：1：已回零）

-三

2

2三

2二

二

2二

:二

2

三

tvc«p…2

a2

2二

三2

2三

三2

三

一2

三

2二

DAtrd

VTUMfl2%MMXQ212ilW，'E”qvM*fa

9TUKIF2KMMtl2

二

力♦父■*—**«»•»2三HJMV弓a

truVftffMANU2

trusftR"aXACMN2

：

HMWMG2IM1M

tTUfflff2%AOM®2

三

fTUVfffBoot%MXMJ三2

,UV2VMM122

ItTU©♦贪M32M4,

5、数据采集网络拓扑图

三、过程论述

1、PC的IP设置与测试

根据网络拓扑图设置小组对应电脑的平台层IP地址，因HMI数据采集过程

中电脑需与设备层通信，所以同时设置电脑的设备层IP地址，两个1P地址如图

X所示。

孽=麦

载学和考核时.

说明IP标签

可修改的IP地址

射东盒子S7SANCD192.168.100.30192.168.100.37SW2-5

敷平施彳OPC

102.168.100.311g.168.100.39SW2-6

(VANN)

W^aTlODBUSCAN

192.168.100.321S.168.100.39SV2-7

□)

右边交

学生电峪11W,168.100.33SW2-2

拔机1

学生电152192.168.100.34S»2-3

学生电收3192.168.100.3SSW2-4

--_______■

1收授机与机带

PLC192.168.0.120SV3-4

«1192.168.0.121S¥3-5

CWC192.168.0.122SV3-6

ROOOT102.ICO.0.129SV37

左边交

接机2

数东盒子S7(LAX口)192.168.0.124X9N168.0.131SV3-1

敷用盒子OPC

19N168.0.125192.168.0.132SW3-2

(LAND)

毅奈盒子-ODBUS(LAW

192.168.0.126192.1附0.133SV3-3

□)

I/O192.168.0.127SW3-8

图1PC的IP地址设置

使用ping命令分别测试电脑与出11、服务器的通信，通信正常。

\U5ers\»dinn>pinc21

的

EPine192.M8.ai21I

8192.168.0.12)的口甚32gTTL0

I192.168.0.121mfllgTTL-C4

PIGi192.i68.o.121max32TTL-U

a21的旧复32<lzcTTL*64

笑9

.UscrsXadxdnpir<192,168.100L20)

Ping1W.168.ICO.200

192.168.1O12CO的叫<1»TTL»64

00gTTLW

192.168.1C0.2C0的国<lasHL-64

00的回S<lasTTL44

图2PC与HMI通信测试

:\Users\admin>ping192.168.0.121

在

自192.168.0.121具:

认殂

自168.0.121的回I<1B6TTL=64

168.0.121的回

2<TTL=64

PLCI自1168.o.121m3.i寸回<1msTTL=64

3s4216R.O.121的问=3207IBJ<1TCTTF=64

C:\Users\admin>ping192.168.100.200

有

一

攵

正在-&^

子T4

192.168.10000一32

回

ring.2节1

的

目<

一1

一Q

192.168.100.200士4TTL=64

回1

节32

的<

一M

一

目U

192.168.100,200工1TTL=64

回

节32

的Q4<

-一H

自4

192.168.100.200本1TTL=64

回32

节

的5HQJ<

192.168.100.20032TTL=64

图3PC与服务器通信测试

2、PLC采集

基于llanyun-box-PLC和网关管理软件XEdge完成项目所需PLC数据的采集,

并在数据监控页面查验，操作步骤如下：

(1)网关硬件安装接线(检查：WAN口-平台层，LAN口-设备层)；

(2)通信配置(按照网络规划设置WAN/LAN口IP)；

(3)联网方式配置(4G联网，网关插入SIM卡，无需配置)；

(4)添加网关(网关与管理软件XEdge绑定)；

(5)添加设备(网关与被采设备建立通信)；

(6)添加采集点(网关对被采设备数据采集)。

数据监控页面查验结果如图4所示，与现场实际情况相符。

O力卜—OX

■VEM衣1但0t)i■■♦乂

宓娟鹫投而ME录历要IS闲立4HTHlalfTft初&施投卷城坛釜■其配・

MtXEdoeSKiWWQI。分®21

1Q全局收■

图・/A

°名称RASBI•作

▼(1/1)

❺

°Temperatu23.5OXMD608U✓1a«

。PLCbox■

re

JS42H110066i

•Humidity60%MD612OMD0./o4

□•QudMiedO诩MD628&MD0，©■

utPut

□■ToulOutpCHftMDMO❺MD0zIQ•

ut

□•OnlineOurMD600©MD0✓e®

Mion

□■ProductLin。“阴MD616OMD0✓Oi

eSpwd

•MQn1mqttcornOxl✓o®

ectO

[4

+fcAO*_______也中Q/7•

图4Hanyun-box-PLC采点

3、PLC上云

通过网关管理软件XEdge对Hanyun-box-PI.C进行网关端数据上云配置，包

括指定协议、设置云服务、同步数据。然后，通过设备画像对Ilanyun-box-PLC

上云数据进行平台端配置，包括网关配置、设备配置、设备绑定网关、采点配置。

设备画像采点配置结果如图5所示，与网关采点一致。

etc.003)阳关名年：Pic()$42i9HC0€4i

tte6尊21ag必>>序伍比s

•T4mp^ituf*fW<nfMrMuf«)21500000X■电我量0°⑥

..GT)。®

(SS^)0(2)

•QuaSX0uBuUQu，/W05AA)08800■,他受量0

•koKXrtMWgM04XW009M珏量0°'、少

•Ortigrao010M“Ou，gon16325813g,/受量.0(一S—T)‘0@

0

•w0150c0aM««£■0<QS3D©

.(ST)0(2)

•Mon(MQn)101'

5、，*E三ME

图5PLC采点上云

4、CNC采集

通过Google（谷歌）浏览器登录Hanyun-box-CNC,完成机床X轴、Y轴、Z

轴坐标位置的数据采集，并在日志页面查验，操作步骤如下：

（1）网关硬件安装接线（检查：WAN口-平台层，LAN口-设备层）；

（2）通信配置（按照网络规划设置NAN/LAN口IP）；

（3）添加设备（网关与被采设备建立通信）；

（4）添加采集点（网关对被采设备数据采集）。

在设备日志的查验结果如图6所示，与现场CNC控制面板展示的位置信息一

致。

M金・以*・

1Z241两小咻〃<**

2y3262022222X1”

3x1532O22/K略

40W22/K咯

图6Hanyun-box-CNC采点

5、CNC上云

通过Google（谷歌）浏览器登录Hanyun-box-CNC,进行网关端数据上云配

置，包括指定协议、设置云服务。然后，通过设备画像对Hanyun-box-CNC上云

数据进行平台端配置，包括网关配置、设备配置、设备绑定网关、采点配置。

设备画像采点配置结果如图7所示，与网关采点一致。

吉丽GKNC⑹网关客每：CNC(500219090091)

的名将12!1・怆iX超地让分类建序"法“作

15266WWW6W6770OT')00Q)I

・xOO

•yfO12600000000000025MftlKjK0(SO。④。

“133333333333353MftlStl0。@S|

・m

<Q]>1陈/页三跳至55

图7CNC采点上云

6、OPC采集

通过Google（谷歌）浏览器登录Hanyun-box-OPC进行网关通信配置，使用

UaExpert软件对HMI进行通信测试并获取采点参数（湿度、温度），然后在智

能终端OPC开发系统创建工程并下载到网关，最后在智能终端OPC网管系统查验。

操作步骤如下：

（1）网关硬件安装接线（检查：WAN口-平台层，LAN口-设备层）；

（2）通信配置（按照网络规划设置WAN/LANFlTP）；

G0Am0•S

(3)通信测试及获取采点参数；

(4)智能终端OPC开发系统创建工程；

(5)添加设备(网关与被采设备建立通信)；

(6)添加采集点(网关对被采设备数据采集)；

(7)工程下载(智能终端OPC开发系统工程下载到网关)。

在智能终端OPC网关系统的查验结果如图8所示，与现场实际情况相符。

；KwRSSkt?53?J&；SSSIMLW邵cSiFIM*

»***<WM

Bro«whhm»

O*«cn(tu^

Uw^VmMMk

Sc<rc«rM««arTp

Wcwrr*»««»Tip

ftatMCodi

WW

*D»ur>p«

图8Hanyun-box-OPC采点

7、OPC上云

在智能终端OPC开发系统创建的工程中，进行网关端数据上云配置，包括指

定协议、设置云服务、同步数据，网关端数据上云配置完成后更新工程，使新的

工程在网关盒子生效。然后，通过设备画像对Hanyun-box-OPC上云数据进行平

台端配置，包括网关配置、设备配置、设备绑定网关、采点配置。

设备画像采点配置结果如图8所示，与网关采点一致。

图8HMI采点上云

8、云计算

基于云平台采点数据，根据业务需求，在云平台搭建算法模型，完成算法模

型实例化，并对模型进行验证。

设备运行效率计算模型的目标、变量、关系如下：

⑴目标

设备运行效率计算

（2）变量

自变量：良品数、总产量、开机时长、产线运行速度

因变量：合格率、开机率、性能率

（3）关系

设备运行效率=合格率X开机率X性能率

合格率二（良品数♦总产量）X100%

开机率;（开机时长+计划生产时长）X100%

性能率二（产线运行速度♦产线理论速度）X100%

已知生产线的计划生产时长3小时、生产线的理论速度60辆/小时，基于云

平台采点数据（良品数、总产量、升机时长、产线运行速度），在设备画像算法

建模模块按照新建模型、代码编写、模型保存、模型实例化、模型验证、实例保

存的操作步骤完成设备运行效率的计算任务。并且在网关（XEdge软件）和云平

台（设备画像）同步添加了“0EE（设备运行效率）”数据采点，用来存放和显示

设备运行效率计算结果。设备运行效率模型代码和模型实例代码详见附件lo

模型实例化过程如图9所示。

图9模型实例化

在设备画像“设备管理”下选择“设备状态”，在实时信息中可以查看配置

的设备综合效率OEE的值，如图10所示。

图100EE云计算结果

9、工业APP

基于项目前期的数据采集、上云、云计算工作，根据项目总体需求，通过设

备画像的“云组态”模块的“云组态设计器”完成工业APP的页面开发与一健发

布，在工业APP中实时展示环境温/湿度、设备运行效率，以及机床X/Y/Z轴必

标。其中，温/湿度、机床X/Y/Z轴坐标可直接使用工业数据，设备运行效率则

是经过计算获得。

基于模拟汽车生产线的上云改造项目的工业APP页面，即云组态运行页面如

图11所示。

图11云组态运行页面

10、边缘计算

1）产线状态判断

因为汽车产线要求湿度保持在35%-75%,温发保持在0℃-40℃,超出此范

围，会对产线某些工艺产生影响。所以，通过数据过滤和逻辑运算作边缘处理，

筛选异常情况，并上报云平台。产线状态与边缘处理结果上报值如表X所示。

表X产线状态与边缘处理结果上报值

产线状态“湿度”范围“温度”范围边缘层处理上报值

正常运行35%~75%0℃"40℃正常1

传感器失常/损坏<35%或者>75%或者>40℃异常2

产线状态判断的算法流程图如图12所示

图12产线状态判断算法

基于Hanyun-box-PLC和XEdge的边缘处理，还需要新增网关本地采点，用

于存放和显示边缘处理结果，这里新增产线状态判断采点。

根据上述算法流程图进行边缘计算脚本编辑，完成脚本编写后点击“运行”

按钮，查看输出内容，如图13所示。脚本代码详见附件2。

speed=0,

passRate=0,

bootRate=0,

performanceRate=0,

oee=0;

1€

11

验证结里

12©）；

13验证成功.结果为0.748点击“实例保存’以保存文

14例

15

1€脸

17

18

speed=getDouble('PLC','ProdjctionLineSpeed');

performanceRate=speed/theoryS9eed;

oee=passRate*bootRate*performanceRate*100;

returnoee.toFixed(3);

23}

24•/**入［1形宏上Fi卞、之；:兆甲,JE/可以继珪彳

图13产线状态判断脚本编辑与运行输出

保存脚本后，可以在“脚本”选项下查看到脚本基本信息。然后，根据实际

情况设置脚本的执行策略，当前选择周期执行。在“执行策略”内可以看到脚本

的策略信息（图M）;在脚本选项卡，可以查看到产线状态判断脚本被引用的

个数为1（图15）o

图14产线状态判断策略信息

图15产线状态判断脚本信息

在数据监控页面，可以查看数据监控温度、湿度和产线状态判断的值，如图

16所示。

图16产线状态判断结果

2）零件状态判断

基于Hanyun-box-PLC和XEdgc进行边缘处理，判断加工的零件存放位置，

即先判断零件状态，然后根据零件的不同状态启动相应的机器人程序将零件放到

指定位置。

一个合格零件应该保证高度符合标准，并将加工时间控制在合理的范围内，

如果时间过快或超时都会造成零件不合格；如果零件不合格会直接放到废品库；

如果零件合格，将零件放入成品库对应颜色的库位（零件只有白色、蓝色两种颜

色，即白色零件放入白色库位，蓝色零件放入蓝色库位）。

可以通过高度传感器来获取零件的高度信息，通过PLC获取零件的铳削加工

时间，通过色标传感器获取零件的颜色信息。

基于上述信息零件状态判断的算法流程图如图17所示。

图17零件状态判断算法

依据上述算法,需要在Hanyun-box-PLC添加必要的采点作为边缘处理的输

入变量和输出变量,如表18所示。

欧据会工

L地址黑集周期

nftWhdMn：NM40Bod

1

蓝色llltaeMMKM41Boni

马里告斛HcigtMM.BNM42)0h

1

▲度不合格MH.NM43Bodj•一

TantMD:20nReal3Ub

半件PartKWwonLibitBl＞及

其中，“Part”为输出变量，是网关本地采点，用于存放和显示边缘处理结

果：0为默认值，1表示铳削加工时间过快，2表示零件高度合格并且颜色为白

色，3表示零件高度不合格，4表示铳削加工时间超时，5表示零件高度合格并

且颜色为蓝色。其余均为输入变量。

根据上述算法流程图进行边缘计算脚本编辑，完成脚本编写后点击“运行”

按钮，查看输出内容，如图19所示。脚本代码详见附件2。

图19零件状态判断脚本编辑与运行输出

完成边缘计算脚本编辑后，要根据实际情况设置脚本的运行策略。实际情况

是：

①铳削加工，获徨加工时间信息；

②高度检测，检测不合格，直接放到废品库，不再进行颜色检测；

③颜色和高度检测存在时间差，零件颜色必须等到高度检测完成才能判断；

④铳削加工、颜色、高度信息都会等到执行一个完整周期后置0。

因此，执行策略为：

①当高度不合格时，执行边缘计算脚本；

②当高度合格时，通过零件颜色白色或颜色蓝色的值触发边缘计算脚木。

从而，需要在执行策略页面新建3个策略，分别由“高度不合格”、“颜色

白色”、“颜色蓝色”3个条件触发边缘计算脚本，如图20所示。

图20零件状态判断策略信息

同时，在脚本选项卡，可以查看到零件状态到断脚本被引用的个数为3（图

21）。

图21零件状态判断脚本信息

在数据监控页面，可以查看数据监控颜色、高度、加工时间信息，以及零件

状态判断的值，如图