计算基础技术 1

《边缘计算技术与应用》教材编写组编制边缘计算技术与应用实训指导书工业互联网/物联网相关专业·项目化实训（基础篇/进阶篇/提高篇）项目一边缘系统的构建以焊接机械臂高精度焊接为应用场景，构建基于边缘控制器的边缘系统，理解边缘计算架构，掌握S7-1500PLC作为边缘控制器实现伺服电动机定位运动的实操方法。任务1.1认识边缘计算一、实训任务1.通过风电场、智能工厂案例，理解边缘计算的定义与诞生背景；2.区分边缘计算与云计算，掌握工业边缘计算的五大特点；3.能够结合工业场景说明边缘计算与云计算的适用边界。二、实训目标知识目标：掌握边缘计算定义、诞生背景；分清边缘计算与云计算区别；掌握工业边缘计算五大特点。技能目标：能结合风电、智能制造案例区分云、边适用场景。素养目标：树立智能制造数字化思维，养成案例分析、资料查阅习惯。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注多媒体计算机/1可联网查阅案例投影仪/1案例演示教材与案例资料/1教学用书3.3知识准备1.1.1初识边缘计算边缘计算诞生的初衷，需追溯到互联网早期发展阶段。随着数据量呈爆发式增长以及对实时性要求的不断提高，传统集中式云计算架构逐渐暴露出延迟高、带宽压力大等问题，进而催生了边缘计算。其关键因素包括：物联网设备海量接入（如工业传感器场景），终端产生的海量数据若全部上云，网络将不堪重负；实时性敏感应用（如自动驾驶）需要瞬间决策，云端往返延迟无法满足；偏远地区网络连接不稳定，本地边缘计算可保障基础功能。核心原理是将计算、数据存储能力部署在靠近数据源或用户端的位置，在网络边缘就近处理数据。架构组成包括：边缘设备层（传感器、智能终端等）、边缘服务器层（汇聚与初步处理）、边缘网络层（边缘节点间传输）以及与云端的连接层。1.1.2边缘计算与云计算边缘计算与云计算是互补关系。从四个维度对比：①延迟——边缘计算在工业自动化场景可将控制指令延迟控制在毫秒级，云计算可能因网络传输、排队等待达到数秒；②带宽——边缘计算可在本地对视频流等初步筛选压缩，减少上云数据量，云计算全程传输需巨大带宽；③数据安全——边缘计算将敏感数据保留在本地处理，降低泄露风险，云计算面临更多网络攻击与跨区域监管挑战；④可扩展性——边缘计算侧重局部区域按需灵活调配资源，云计算依托大规模数据中心实现海量扩展。云计算适用于非实时、长周期数据及业务决策；边缘计算是对云计算的补充与延伸，适用于实时性要求高、短周期数据及本地决策场景。常用“章鱼模型”理解：云计算像章鱼的大脑，边缘计算像八条腕上的“小脑”（一个大脑+多个小脑）。1.1.3边缘网络组成与边缘硬件边缘网络通常由四类组成：接入网络（ECA，设备接入边缘）、计算网络（ECN，边缘节点间计算协同）、互联网络（ECI，边缘与边缘互联）、边云网络（ECC，边缘与中心云连接）。工业边缘硬件主要包括四类：PLC（可编程逻辑控制器，兼具控制与边缘计算能力）、智能传感器（自带处理能力的传感终端）、ICT网关（协议转换与数据汇聚）、边缘服务器（较强算力的边缘节点）。设备选型需考量性能、接口、功耗、成本、环境适应性等要素。四、实训步骤1.回顾“海尔洗衣机智能工厂、风电场海量数据传输痛点”案例，思考全部上云带来的带宽高、延迟大问题。2.归纳边缘计算起源：海量终端、高实时需求催生；定义：数据在网络边缘就近处理（章鱼类比）。3.从延迟、带宽、安全、扩展性四个维度，用表格对比边缘计算与云计算，结合风电案例理解。4.识记工业边缘计算五大特点：分布式、本地处理、高实时、带宽优化、数据安全。5.小组研讨：工业场景为何不能全部使用云计算？整理研讨结论。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称认识边缘计算任务目标掌握边缘计算定义、诞生背景；分清边缘计算与云计算区别；掌握工业边缘计算五大特点。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容回顾“海尔洗衣机智能工厂、风电场海量数据传输痛点”案例，思考全部上云带来的带宽高、延迟大问题。；归纳边缘计算起源：海量终端、高实时需求催生；定义：数据在网络边缘就近处理（章鱼类比）。；从延迟、带宽、安全、扩展性四个维度，用表格对比边缘计算与云计算，结合风电案例理解。；识记工业边缘计算五大特点：分布式、本地处理、高实时、带宽优化、数据安全。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值概念理解准确表述边缘计算定义与五大特点30云边对比能列表对比边缘与云的四维度差异30案例研讨结合案例说明边缘适用场景40任务1.2工业边缘计算系统一、实训任务1.认识边缘网络的四大组成与四种工业边缘架构；2.认识四类工业边缘硬件，能根据工业场景进行边缘硬件选型。二、实训目标知识目标：掌握边缘网络4大类组成（ECA/ECN/ECI/ECC）；熟知云-边-端等4种工业架构；掌握四类边缘硬件概念。技能目标：能够根据工业场景选型边缘硬件。素养目标：建立系统组网思维，培养设备选型工程意识。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注多媒体计算机/1拓扑图查阅投影仪/1演示边缘硬件实物/图片（PLC、智能传感器、ICT网关、边缘服务器）/1套认知教材拓扑图/1教学3.3知识准备1.2.1边缘网络的四大组成ECA接入网络负责现场设备接入边缘节点；ECN计算网络连接边缘计算节点，支撑节点间协同计算；ECI互联网络实现不同边缘节点/站点之间的互联；ECC边云网络连接边缘与中心云，完成数据上云与指令下发。四类网络共同构成“云—边—端”贯通的数据通道。1.2.2四种工业边缘架构①云-边-端（主流）：云端训练与全局决策，边缘节点就近计算与自治，终端设备采集与执行；②边-端：无中心云，纯边缘自治，适用于局域网闭环控制；③MEC（多接入边缘计算）：基于运营商网络在基站侧就近计算，适用于低时延广域业务；④D2D（设备到设备）：设备间直接协同，适用于近距离协作场景。1.2.3四类边缘硬件与选型PLC用于逻辑控制与运动控制；智能传感器自带信号调理与预处理；ICT网关负责多协议接入与协议转换；边缘服务器提供较强算力，支撑AI推理与聚合计算。选型时需综合性能、接口类型、功耗、成本、环境适应性（温湿度、防护等级）等因素，按场景匹配硬件。四、实训步骤1.复习导入：边缘落地靠什么网络与硬件？引出系统架构。2.学习边缘网络四大组成：接入网络(ECA)、计算网络(ECN)、互联网络(ECI)、边云网络(ECC)。3.学习四种工业架构：云-边-端（主流）、边-端、MEC、D2D，理解分层与适用场景。4.认识四类硬件：PLC、智能传感器、ICT网关、边缘服务器的结构与功能。5.掌握设备选型8项考量：性能、接口、功耗、成本等，结合场景匹配硬件。6.课堂讨论：云-边-端架构对比纯云计算部署差异。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称工业边缘计算系统任务目标掌握边缘网络4大类组成（ECA/ECN/ECI/ECC）；熟知云-边-端等4种工业架构；掌握四类边缘硬件概念。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容复习导入：边缘落地靠什么网络与硬件？引出系统架构。；学习边缘网络四大组成：接入网络(ECA)、计算网络(ECN)、互联网络(ECI)、边云网络(ECC)。；学习四种工业架构：云-边-端（主流）、边-端、MEC、D2D，理解分层与适用场景。；认识四类硬件：PLC、智能传感器、ICT网关、边缘服务器的结构与功能。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值架构认知说出四层边缘网络与四种架构30硬件认知区分四类边缘硬件及功能30设备选型能按场景合理选型并说明理由40任务1.3边缘控制器的数据采集与计算（S7-1500+V90伺服实操）一、实训任务1.使用S7-1500PLC作为边缘控制器，通过PTO脉冲方式控制V90伺服电动机；2.完成硬件接线、博途轴组态、MC运动指令编程、IP组网与下载调试，实现定位运动控制。二、实训目标知识目标：S7-1500作为边缘控制器软硬件架构；PTO脉冲控制原理；边缘数据采集、预处理、云端分级上传逻辑。技能目标：硬件接线、博途轴参数配置；编写MC系列控制指令（使能/回原点/绝对定位/点动）；IP配置、程序下载调试。素养目标：规范接线、安全实操，养成分步调试、故障排查职业习惯。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注S7-1500PLC/1边缘控制器V90伺服驱动器与电机/1套定位执行限位传感器/若干上/下限位、就绪24V直流电源/1供电网线超五类2组网编程电脑（TIAPortal）/1编程调试3.2网络/参数规划网络参数规划：PLC192.168.0.1/伺服192.168.0.2/PC192.168.0.33（三者同网段）。3.3知识准备1.3.1S7-1500作为边缘控制器S7-1500是高性能PLC，可作为边缘控制器承担逻辑控制、运动控制与边缘数据处理。其本体集成PROFINET接口，支持工艺对象（TO_PositioningAxis）实现轴控制，可在本地完成数据采集、预处理，并按需分级上传云端，体现“边缘自治”。1.3.2PTO脉冲控制与V90伺服PTO（PulseTrainOutput，脉冲串输出）方式由PLC通过高速脉冲输出口（如Q0.0发脉冲、Q0.1发方向）驱动伺服驱动器完成定位。V90伺服在脉冲模式下，依据接收到的脉冲个数与频率确定位移与速度，配合回原点、软/硬件限位实现安全定位运动。1.3.3运动控制MC指令TIAPortal工艺对象提供MC系列指令：MC_Power（轴使能）、MC_Home（回原点）、MC_MoveAbsolute（绝对定位）、MC_MoveJog（点动）。通过OB1调用这些指令，并在轴组态中设置测量单位（mm）、脉冲/方向输出、限位开关与动态参数，即可实现可控定位。四、实训步骤1.硬件接线：PLC连接伺服驱动器，限位传感器接入对应数字量输入（上限位I0.0、下限位I0.2、就绪I0.4）。2.博途新建项目，添加S7-1500PLC；插入工艺对象TO_PositioningAxis。3.轴组态：测量单位mm；PTO模式；脉冲输出Q0.0、方向输出Q0.1、使能Q0.3；设置软/硬件限位开关。4.配置动态参数（转速rpm）；回原点参数（主动回零、归位开关电平、方向为负方向）。5.编程：在OB1调用MC_Power（使能）、MC_Home（回原点）、MC_MoveAbsolute（绝对定位）、MC_MoveJog（点动）。6.IP组网：设置PLC(192.168.0.1)、伺服(192.168.0.2)、PC(192.168.0.33)同网段IP。7.下载程序并监控，操作点动/绝对定位，验证伺服电动机定位运动正常。8.故障排查：检查电子齿轮比、软硬限位参数、通信与IP配置。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称边缘控制器的数据采集与计算（S7-1500+V90伺服实操）任务目标S7-1500作为边缘控制器软硬件架构；PTO脉冲控制原理；边缘数据采集、预处理、云端分级上传逻辑。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容硬件接线：PLC连接伺服驱动器，限位传感器接入对应数字量输入（上限位I0.0、下限位I0.2、就绪I0.4）。；博途新建项目，添加S7-1500PLC；插入工艺对象TO_PositioningAxis。；轴组态：测量单位mm；PTO模式；脉冲输出Q0.0、方向输出Q0.1、使能Q0.3；设置软/硬件限位开关。；配置动态参数（转速rpm）；回原点参数（主动回零、归位开关电平、方向为负方向）。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值硬件接线PLC-伺服-限位接线正确、规范20轴组态博途轴参数配置正确20运动编程MC指令调用正确25组网下载IP配置与下载监控成功20运行验证定位运动正常、故障可排查15项目二生产环境安全数据采集与边缘计算某大型高压电器企业无尘车间（微正压、SF6气体）需实时监测温湿度、电气电压/电流、气体压力，基于工业网关实现采集、边缘计算与异常报警。三个任务难度递进。任务2.1生产环境-温湿度检测与边缘计算一、实训任务1.在无尘车间部署温湿度传感器，在工业网关侧配置局域网与Modbus采集；2.编写边缘计算函数实现温湿度智能监测与异常调控。二、实训目标知识目标：工业网关与PC局域网组网原理；温湿度数据采集机制；边缘计算函数代码语法；采集-计算-控制关联。技能目标：完成网关与PC网络配置；对接温湿度传感器采集数据；编写调试边缘计算函数实现阈值报警。素养目标：树立细致观察、严谨探究习惯；养成规范操作、重视实训安全的职业素养。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注工业网关/1数据采集温湿度传感器/1Modbus接入PC/1配置网线超五类1组网3.2网络/参数规划网络参数规划：网关LAN与PC同网段；传感器以Modbus接入网关（端口/dev/ttyS4，波特率9600）。3.3知识准备2.1.1工业网关与局域网组网工业网关是连接现场设备与上层网络的桥梁，提供以太网LAN口供PC接入配置。组网时需将网关LAN口与PC设为同一网段静态IP，确保浏览器可登录网关Web管理界面进行设备管理与数据采集。2.1.2温湿度传感器与Modbus采集温湿度传感器经RS485/串口（如端口/dev/ttyS4，波特率9600）以Modbus协议接入网关。网关“设备管理→设备列表→创建”后，在点表添加温湿度测点；通过“工况监控”验证采集成功。2.1.3边缘计算函数边缘计算函数在网关侧周期触发运行，读取采集测点并进行阈值判断。通过自定义点位承载计算结果（如换算后的物理量），当温湿度超过设定阈值时触发报警/调控，形成“采集—计算—控制”闭环。四、实训步骤1.工业网关LAN口连接PC，配置双方同网段IP，确保通信正常。2.登录网关Web，“设备管理”→“设备列表”→“创建”，新建温湿度传感器数据采集连接（端口/dev/ttyS4，波特率9600）。3.进入“详情”→采集点表配置，添加温湿度测点。4.“数据服务”→“工况监控”验证温湿度数据采集成功且正确。5.新建自定义点位（如计算后的物理量），编写边缘计算函数（周期触发）实现温湿度阈值判断。6.验证异常时系统自动报警/调控，完成智能监测闭环。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产环境-温湿度检测与边缘计算任务目标工业网关与PC局域网组网原理；温湿度数据采集机制；边缘计算函数代码语法；采集-计算-控制关联。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容工业网关LAN口连接PC，配置双方同网段IP，确保通信正常。；登录网关Web，“设备管理”→“设备列表”→“创建”，新建温湿度传感器数据采集连接（端口/dev/ttyS4，波特率9600）。；进入“详情”→采集点表配置，添加温湿度测点。；“数据服务”→“工况监控”验证温湿度数据采集成功且正确。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值网络组网网关-PC同网段配置正确20设备对接温湿度传感器采集配置成功25代码调试边缘函数阈值判断正确30联动验证异常报警/调控生效25任务2.2生产环境-电气安全检测与边缘计算（智能电表）一、实训任务1.使用智能电表采集无尘车间电气设备电压/电流；2.配置Modbus通信，编写边缘计算函数完成电量计算与异常判断。二、实训目标知识目标：智能电表Modbus通信参数；电气安全数据采集原理；边缘计算数据换算与判断。技能目标：用PMC-EasyConfig配置电表；网关采集电压/电流；自定义点位计算与边缘函数编写。素养目标：培养规范调试、数据准确性工程思维。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注工业网关/1数据采集智能电表（PMC-340-A5）/1电气采集PC（PMC-EasyConfig）/1电表调试网线超五类1组网3.2网络/参数规划参数规划：ModbusV1.0；端口/dev/ttyS4；波特率9600。3.3知识准备2.2.1智能电表与Modbus通信智能电表（如PMC-340-A5）通过Modbus协议对外提供电压、电流、功率等电参量。使用PMC-EasyConfig调试软件，选择协议ModbusV1.0、端口/dev/ttyS4、波特率9600进行连接与通信参数配置。2.2.2电气安全数据采集与计算网关创建设备连接后，在采集点表添加电压/电流测点；通过“自定义点位”完成电量等换算（如有功电度IMP_Count）；边缘计算函数读取这些测点，进行电气异常（过压/过流）判断与报警。四、实训步骤1.打开PMC-EasyConfig，“工具”→“拓展”，设备型号PMC-340-A5，协议ModbusV1.0。2.“通信”→“连接设备”，核对参数后连接智能电表。3.“通信参数配置”：端口/dev/ttyS4、波特率9600（其余默认）。4.网关“设备管理”→“设备列表”→“创建”，新建智能电表连接（端口/dev/ttyS4、波特率9600）。5.进入采集点表，添加电压/电流测点；“详情”→“自定义点位”计算（如电量IMP_Count）。6.“数据服务”→“工况监控”验证采集；“边缘计算”编写函数完成电气异常判断与报警。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产环境-电气安全检测与边缘计算（智能电表）任务目标智能电表Modbus通信参数；电气安全数据采集原理；边缘计算数据换算与判断。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容打开PMC-EasyConfig，“工具”→“拓展”，设备型号PMC-340-A5，协议ModbusV1.0。；“通信”→“连接设备”，核对参数后连接智能电表。；“通信参数配置”：端口/dev/ttyS4、波特率9600（其余默认）。；网关“设备管理”→“设备列表”→“创建”，新建智能电表连接（端口/dev/ttyS4、波特率9600）。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值电表配置PMC-EasyConfig参数正确20网关采集电压/电流测点配置成功25数据计算自定义点位与边缘函数正确30异常报警电气异常判断生效25任务2.3生产环境-无尘车间气体压力检测与边缘计算一、实训任务1.使用气压表采集SF6车间气体压力；2.编写边缘计算函数完成压力状态自主判断，异常时启动报警机制。二、实训目标知识目标：气压表Modbus采集；气体压力标准（5~10Pa）；边缘计算异常判断逻辑。技能目标：气压表设备对接与测点配置；自定义点位计算；压力状态判断与报警联动。素养目标：强化安全生产意识与严谨工程素养。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注工业网关/1数据采集气压表/1气体压力PC/1配置网线超五类1组网3.2网络/参数规划参数规划：端口/dev/ttyS4；波特率9600；压力标准5~10Pa。3.3知识准备2.3.1气压表Modbus采集无尘车间需维持微正压（SF6气体压力标准约5~10Pa）。气压表经Modbus（端口/dev/ttyS4，波特率9600）接入网关，采集点表添加气压测点，“工况监控”验证数据正确。2.3.2压力状态判断与报警通过“自定义点位”添加qy_count并编辑计算；边缘计算函数将采集数据与压力标准（5~10Pa）比对，完成压力状态自主判断，识别异常即启动报警并在“工况监控”展示，形成安全闭环。四、实训步骤1.网关“设备管理”→“设备列表”→“创建”，新建气压表连接（端口/dev/ttyS4，波特率9600）。2.进入采集点表配置气压测点；“详情”→“自定义点位”添加qy_count并编辑计算。3.“数据服务”→“工况监控”验证气压数据采集成功且正确。4.编写边缘计算函数，将采集数据与压力标准（5~10Pa）比对，完成压力状态自主判断。5.一旦识别异常，系统立即启动报警机制并通过“工况监控”展示；验证联动正确。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产环境-无尘车间气体压力检测与边缘计算任务目标气压表Modbus采集；气体压力标准（5~10Pa）；边缘计算异常判断逻辑。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容网关“设备管理”→“设备列表”→“创建”，新建气压表连接（端口/dev/ttyS4，波特率9600）。；进入采集点表配置气压测点；“详情”→“自定义点位”添加qy_count并编辑计算。；“数据服务”→“工况监控”验证气压数据采集成功且正确。；编写边缘计算函数，将采集数据与压力标准（5~10Pa）比对，完成压力状态自主判断。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值设备对接气压表采集配置成功25点位计算自定义点位qy_count正确25状态判断压力标准比对逻辑正确25报警联动异常报警生效25项目三生产设备运行数据采集与计算某金属材料企业生产车间设备多、品类多、监控不到位。引入边缘计算网关实时采集设备运行数据，编写Python逻辑运算判断设备状态，并上云实现远程监控。任务3.1生产设备运行数据采集一、实训任务1.使用IG502边缘计算网关，通过ModbusTCP采集I/O模块的设备运行数据（温度/电流/电压/开关量）；2.验证采集成功率。二、实训目标知识目标：边缘计算网关五大功能；IG502硬件接口；ModbusTCP协议（主从、502、功能码03）。技能目标：网关/I/O/PC局域网组网与静态IP；创建ModbusTCP采集分组与测点；验证数据采集。素养目标：培养工业现场网络调试规范意识，强化数据准确性思维。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注IG502边缘计算网关/1数据采集与计算I/O模块/1设备运行数据PC/1配置网线超五类若干组网3.2网络/参数规划网络参数规划：网关LAN192.168.1.1/I/O模块192.168.1.51/PC192.168.1.100（同网段）。3.3知识准备3.1.1边缘计算网关与IG502边缘计算网关具备数据采集、协议转换、边缘计算、本地存储、北向上云五大功能。IG502提供以太网、串口等接口，支持Modbus、OPCUA等多种协议，可在本地运行Python函数完成数据预处理。3.1.2ModbusTCP协议ModbusTCP基于以太网，主从架构，默认端口502，常用功能码03（读保持寄存器）。数据以寄存器承载，需明确从站地址（SlaveID）、寄存器地址与数据类型（如INT16）。3.1.3网关网络传输配置网关LAN口连接I/O模块与PC，三方需配置同一网段静态IP，确保相互可达；随后在网关Web“数据采集→设备”中新建ModbusTCP分组并添加测点。四、实训步骤1.硬件组网：网关LAN口连接I/O模块和PC，配置三方同网段静态IP。2.浏览器登录网关Web（192.168.1.1），进入“数据采集”→“设备”。3.新建ModbusTCP采集分组，添加I/O模块设备（IP192.168.1.51、端口502、SlaveID1）。4.批量添加测点：温度(0x0000,INT16)、电流(0x0001)、电压(0x0002)、开关量(0x0003)，采集次数无限、权限Read。5.查看采集数据，确认各测点数值正常更新，记录采集成功率。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产设备运行数据采集任务目标边缘计算网关五大功能；IG502硬件接口；ModbusTCP协议（主从、502、功能码03）。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容硬件组网：网关LAN口连接I/O模块和PC，配置三方同网段静态IP。；浏览器登录网关Web（192.168.1.1），进入“数据采集”→“设备”。；新建ModbusTCP采集分组，添加I/O模块设备（IP192.168.1.51、端口502、SlaveID1）。；批量添加测点：温度(0x0000,INT16)、电流(0x0001)、电压(0x0002)、开关量(0x0003)，采集次数无限、权限Read。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值组网配置三方同网段IP正确25采集分组ModbusTCP分组与设备配置25测点添加寄存器地址与类型正确25数据验证测点数值正常更新25任务3.2生产设备运行数据计算一、实训任务1.在网关中编写Python边缘计算函数，读取设备开关机/作业/急停等信号；2.逻辑判断设备当前状态（待机/作业/停机/故障）并输出。二、实训目标知识目标：Python边缘计算函数机制；周期/事件触发；recall读取测点；状态编码逻辑。技能目标：编写Python逻辑运算代码；状态判断；自定义看板显示与验证。素养目标：培养逻辑分析与严谨编程习惯。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注IG502网关（含已采集的I/O测点）/1计算PC（Python边缘计算编辑器）/1编程3.3知识准备3.2.1Python边缘计算函数网关“Python边缘计算”支持编写自定义函数，触发方式可选“周期触发”或“事件触发”，入口函数为main。通过recall()读取已采集测点，通过write()写入输出测点。3.2.2设备状态逻辑编码依据开机、作业、停止、急停等开关量信号组合判断设备状态，可编码：0=待机、1=作业、2=停机、3=故障。结果写入输出测点后，可在“设备监控→自定义看板”添加组件实时显示。四、实训步骤1.网关“边缘计算”→“Python边缘计算”，新建函数，触发方式选“周期触发”（如1s），入口函数main。2.在函数代码中用recall()读取开机、作业、停止、急停等测点数据。3.编写逻辑：依据信号输入判断设备状态，编码0=待机、1=作业、2=停机、3=故障。4.将计算结果写入输出测点；在“设备监控”→“自定义看板”添加组件显示状态。5.分别操作设备信号，验证状态随输入实时变化（待机/作业/停机/故障）。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产设备运行数据计算任务目标Python边缘计算函数机制；周期/事件触发；recall读取测点；状态编码逻辑。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容网关“边缘计算”→“Python边缘计算”，新建函数，触发方式选“周期触发”（如1s），入口函数main。；在函数代码中用recall()读取开机、作业、停止、急停等测点数据。；编写逻辑：依据信号输入判断设备状态，编码0=待机、1=作业、2=停机、3=故障。；将计算结果写入输出测点；在“设备监控”→“自定义看板”添加组件显示状态。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值函数编写recall读取与逻辑正确30状态判断状态编码准确30看板显示自定义看板配置正确20运行验证状态随信号实时变化20任务3.3生产设备运行状态数据上云一、实训任务1.将边缘网关运算结果通过MQTT上云至根云平台；2.创建物模型/物实例，实现设备远程监控。二、实训目标知识目标：云边协同原理；MQTT协议；根云物模型/物实例。技能目标：网关云服务（标准MQTT）配置；根云平台物模型与实例创建；数据上云与远程监控。素养目标：建立云边协同系统思维。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注IG502网关（已运行计算函数）/1上云PC（根云平台账号）/1云端建模3.3知识准备3.3.1云边协同与MQTT云边协同指边缘侧负责实时采集与计算，云端负责全局建模、存储与分析。MQTT是轻量级物联网发布/订阅协议，网关作为客户端连接云端Broker，通过“发布”主题上送数据，通过“订阅”接收指令。3.3.2物模型与物实例物模型描述设备的属性、事件、服务（如“网关”“设备”两类模型）；物实例是模型的具体设备对象，需激活。网关“云服务”选择“标准MQTT”，填入平台URL/认证标识/密钥后，即可将计算结果上云并在平台远程监控。四、实训步骤1.登录根云，“接入与建模”→“物资源总览”，依次创建“网关”“设备”物模型（直接创建，类型对应）。2.“实例”→“物实例”，创建网关与设备实例并激活。3.网关“边缘计算”→“设备监控”→“云服务”，启动云服务，平台类型选“标准MQTT”，配置根云URL/账号/密码。4.“消息管理”→“发布”，配置发布主题，将计算结果/测点数据上云。5.在根云平台查看设备运行状态、告警数据，完成远程监控验证；可选配置“订阅”接收云端指令。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产设备运行状态数据上云任务目标云边协同原理；MQTT协议；根云物模型/物实例。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容登录根云，“接入与建模”→“物资源总览”，依次创建“网关”“设备”物模型（直接创建，类型对应）。；“实例”→“物实例”，创建网关与设备实例并激活。；网关“边缘计算”→“设备监控”→“云服务”，启动云服务，平台类型选“标准MQTT”，配置根云URL/账号/密码。；“消息管理”→“发布”，配置发布主题，将计算结果/测点数据上云。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值物模型根云物模型/实例创建正确25云服务网关MQTT配置正确25数据上云发布主题与数据上云成功25远程监控云平台查看状态/告警25项目四生产设备安全数据采集与边缘计算某机械制造企业精密零件生产线面临安全门异常、电动机温升过高、电压异常波动等安全挑战。引入边缘计算节点实时采集安全数据、聚合计算并触发本地联锁控制。任务4.1安全数据-安全门状态检测一、实训任务1.边缘网关采集S7-1200PLC的安全门/启动/急停等BIT测点；2.编写Python快函数实现安全门智能启停与多门状态判定，并输出状态测点。二、实训目标知识目标：ModbusTCP帧结构、502端口、MBAP头；writeAPI三种格式；BIT/INT数据类型；快函数周期触发。技能目标：网关-PLC-PC组网与IP；添加S7-1200控制器与BIT测点；编写安全门逻辑代码与虚拟控制器输出。素养目标：规范接线与IP设置；建立工业安全联锁生产思维；团队协作。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注边缘网关/1数据采集S7-1200PLC/1安全信号PC/1配置网线超五类若干组网3.2网络/参数规划参数规划：ISO-on-TCP端口102、Rack/Slot；ModbusTCP502。3.3知识准备4.1.1S7-1200与ISO-on-TCP通信S7-1200通过ISO-on-TCP（端口102，需指定Rack/Slot）与网关通信。网关创建PLC采集分组，添加控制器后即可批量读取其数据区（如安全门、启动、急停等BIT位）。4.1.2Modbus数据类型与writeAPIModbus常用BIT（位）、INT（16位整型）等类型；MBAP头用于ModbusTCP报文寻址。网关提供writeAPI（三种格式）向虚拟控制器/设备写入结果，实现本地联锁输出。4.1.3安全联锁逻辑依据多道安全门与启动/急停信号，编写周期触发快函数判定整体状态；异常（如安全门未闭合即启动）时通过虚拟控制器输出Safety_Door_Status状态测点，触发即时停机。四、实训步骤1.硬件组网：按文档配置网关WAN/LAN、PLC、PC静态IP。2.网关创建PLC采集分组，添加S7-1200控制器（ISO-on-TCP端口102、Rack/Slot）。3.批量添加安全门、启动、急停等BIT测点，验证数据采集。4.新建周期触发快函数，编写安全门智能启停代码与多门状态判定代码。5.创建虚拟控制器，输出Safety_Door_Status状态测点，验证本地联锁控制。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称安全数据-安全门状态检测任务目标ModbusTCP帧结构、502端口、MBAP头；writeAPI三种格式；BIT/INT数据类型；快函数周期触发。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容硬件组网：按文档配置网关WAN/LAN、PLC、PC静态IP。；网关创建PLC采集分组，添加S7-1200控制器（ISO-on-TCP端口102、Rack/Slot）。；批量添加安全门、启动、急停等BIT测点，验证数据采集。；新建周期触发快函数，编写安全门智能启停代码与多门状态判定代码。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值PLC采集S7-1200控制器与BIT测点配置25代码编写安全门逻辑与多门判定正确30虚拟输出状态测点输出正确20联锁验证异常即时停机生效25任务4.2安全数据-设备安全数据聚合计算一、实训任务1.聚合PLC报警、电机温度（LoRa/4~20mA）、电压等多源数据；2.编写设备总停判定脚本，虚拟控制器输出总停状态。二、实训目标知识目标：电机温升/电压监测意义；4~20mA变送器换算；LoRa低功耗远距离；recall多源聚合。技能目标：LoRa模块串口/无线参数配置；ModbusRTULoRa控制器与测点比例换算；总停脚本编写。素养目标：无线模块接线规范；系统安全思维。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注边缘网关/1聚合计算LoRa采集/透传模块/1对无线采集电机温度传感器（4~20mA）/1温升监测电压变送器/1电压监测PC/1配置3.3知识准备4.2.1LoRa无线采集与4~20mA换算LoRa具备低功耗、远距离特点，适于分散测点无线汇聚。电机温度、电压经4~20mA变送器输出，需在网关做比例换算（如4~20mA映射为工程量程），得到真实温度/电压值。4.2.2多源聚合与总停判定用recall()召读PLC报警、电机温度、电压等多源数据，编写聚合脚本：温度超限且/或电压异常→判定设备总停，经虚拟控制器输出“设备总停”状态测点，触发异常联动。四、实训步骤1.配置LoRa采集模块与透传模块的串口与无线参数。2.网关添加ModbusRTULoRa控制器，配置温度/电压测点及比例换算（如4~20mA→工程值）。3.用recall()召读PLC报警、电机温度、电压等多源数据。4.编写聚合判定脚本：温度超限且/或电压异常→设备总停。5.虚拟控制器输出“设备总停”状态测点，触发异常验证联动。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称安全数据-设备安全数据聚合计算任务目标电机温升/电压监测意义；4~20mA变送器换算；LoRa低功耗远距离；recall多源聚合。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容配置LoRa采集模块与透传模块的串口与无线参数。；网关添加ModbusRTULoRa控制器，配置温度/电压测点及比例换算（如4~20mA→工程值）。；用recall()召读PLC报警、电机温度、电压等多源数据。；编写聚合判定脚本：温度超限且/或电压异常→设备总停。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值LoRa配置串口/无线参数正确20测点换算比例换算正确25聚合脚本多源判定逻辑正确30总停验证设备总停联动生效25任务4.3安全数据-电动机温升与电压异常检测一、实训任务1.采集电动机温度（4~20mA/LoRa）与设备运行电压；2.编写温升阈值与电压异常波动判断脚本，异常时触发报警与本地保护。二、实训目标知识目标：电动机温升监测工业意义；电压异常波动判定；边缘本地保护逻辑。技能目标：温度/电压测点配置；阈值与波动判断脚本编写；报警触发验证。素养目标：设备安全与预防性维护意识。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注边缘网关/1计算LoRa/变送器（温度、电压）/1套安全采集PC/1配置3.3知识准备4.3.1温升与电压异常监测意义电动机温升过高常预示过载或散热失效；电压异常波动可能损坏设备。在边缘侧实时监测，可在故障扩大前实施本地保护（降载/停机），提升安全性。4.3.2边缘本地保护逻辑编写边缘函数：电动机温度超阈值（温升过高）判定；设备电压超出正常波动范围判定。异常即触发报警并自动采取本地保护措施，无需等待上云决策，缩短响应时间。四、实训步骤1.网关添加温度（4~20mA/LoRa）与电压测点，完成比例换算与验证。2.编写边缘函数：电动机温度超阈值（温升过高）判定；设备电压超出正常波动范围判定。3.异常时触发报警并自动采取本地保护措施（如降载/停机）。4.模拟温度超限与电压异常，验证报警与保护联动正确。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称安全数据-电动机温升与电压异常检测任务目标电动机温升监测工业意义；电压异常波动判定；边缘本地保护逻辑。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容网关添加温度（4~20mA/LoRa）与电压测点，完成比例换算与验证。；编写边缘函数：电动机温度超阈值（温升过高）判定；设备电压超出正常波动范围判定。；异常时触发报警并自动采取本地保护措施（如降载/停机）。；模拟温度超限与电压异常，验证报警与保护联动正确。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值测点配置温度/电压采集正确25阈值判断温升与电压异常逻辑正确30本地保护异常自动保护生效25模拟验证异常场景验证通过20项目五生产过程人员安全数据采集某制造企业生产线涉及高温、机械操作等高风险环节，引入AI边缘网关与摄像头，对人员离岗、违规使用手机、工服穿着等进行实时智能监测，提升安全管理水平。任务5.1生产过程人员安全数据-人员离岗检测一、实训任务1.完成AI边缘网关、摄像头、交换机等硬件组网与网络配置；2.配置“人员离岗检测”算法与监测区域，实现人员擅自离岗的实时监测与告警。二、实训目标知识目标：AI边缘网关/摄像头/交换机硬件认知；边缘计算相对云的优势；工业智慧管控系统算法配置。技能目标：硬件组网与IP规划；摄像头后台配置与视频采集；AI网关映射与算法配置；告警查看。素养目标：遵守工业实训安全规范；团队分工协作、标准化作业。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注AI边缘盒子/1算法推理工业摄像头（如海康）/1视频采集交换机/1汇集路由器/1出口网线超五类若干组网笔记本电脑/1配置3.2网络/参数规划网络规划：路由器LAN→AI边缘网关WAN；网关/摄像头/PC均接交换机LAN；摄像头默认IP需跨网段访问。3.3知识准备5.1.1AI边缘网关与工业智慧管控系统AI边缘网关内置视觉推理能力，在工业智慧管控系统中以“边缘服务器”形态纳管；系统通过“物模型/区域管理/算法配置”实现算法到摄像头的映射，相比纯云方案可降低时延、保护隐私。5.1.2边缘摄像头与视频采集摄像头经交换机接入，默认IP常需跨网段访问；配置PC网卡后登录摄像头后台修改静态IP，验证视频流采集正常，再与AI网关关联。5.1.3视觉算法映射与监测区域在“边缘服务器→监测配置”新增算法（如人员离岗检测），设置告警聚合频率与监测模式；在“区域管理”绘制封闭监测区域（选4点），保存后于“告警处理”查看对应告警。四、实训步骤1.硬件清点：识别设备，标注WAN/LAN接口；4人一组（接线员/安全员/记录员/检查员），禁止带电插拔。2.物理接线：路由器LAN→网关WAN；网关、摄像头、PC接交换机LAN；检查接线牢固、走线规范。3.配置PC网卡，实现与摄像头跨网段访问；登录摄像头后台修改静态IP，验证视频采集。4.完成AI边缘网关、工业智慧管控系统的网络配置。5.管控系统“系统管理”→“设备管理”→“边缘服务器”，选择AI盒子关联；“区域管理”创建区域并关联摄像头。6.边缘服务器“监测配置”新增算法选“人员离岗检测”；告警聚合频率设60s/6张，监测模式按实际，录制/实时视频不开启。7.“区域管理”绘制监测区域（选4点封闭）；保存后于“告警处理”查看对应告警。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产过程人员安全数据-人员离岗检测任务目标AI边缘网关/摄像头/交换机硬件认知；边缘计算相对云的优势；工业智慧管控系统算法配置。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容硬件清点：识别设备，标注WAN/LAN接口；4人一组（接线员/安全员/记录员/检查员），禁止带电插拔。；物理接线：路由器LAN→网关WAN；网关、摄像头、PC接交换机LAN；检查接线牢固、走线规范。；配置PC网卡，实现与摄像头跨网段访问；登录摄像头后台修改静态IP，验证视频采集。；完成AI边缘网关、工业智慧管控系统的网络配置。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值硬件组网设备识别与接线规范20摄像头配置静态IP与视频采集成功20网关映射边缘服务器/区域关联正确20算法配置算法与监测区域设置正确20告警验证对应告警可查看20任务5.2生产过程人员安全数据-违规使用手机检测一、实训任务1.完成硬件组网与网络配置；2.配置“违规使用手机监测”算法与监测区域，实现违规使用手机的实时告警。二、实训目标知识目标：AI边缘网关算法映射机制；违规使用手机识别原理；监测区域绘制方法。技能目标：复用5.1组网配置；切换并配置“违规使用手机监测”算法；查看告警。素养目标：标准化作业；团队分工协作。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注AI边缘盒子/1算法推理工业摄像头（如海康）/1视频采集交换机/路由器/网线/笔记本/1套组网3.2网络/参数规划网络规划同任务5.1（路由器LAN→网关WAN；网关/摄像头/PC接交换机LAN）。3.3知识准备5.2.1违规使用手机识别原理基于目标检测/行为识别模型，AI边缘网关对视频帧推理，识别人员在岗位区域内手持手机的行为；相比人工巡检，可7×24实时、无遗漏监测。5.2.2算法切换与区域复用同一套组网与区域可直接切换算法类型；将“监测配置”的算法改为“违规使用手机监测”，其余区域与告警配置复用，即可上线新监测项。四、实训步骤1.硬件清点与物理接线同任务5.1，确认摄像头视频采集正常。2.完成AI边缘网关、工业智慧管控系统网络配置，关联边缘服务器与区域、摄像头。3.边缘服务器“监测配置”新增算法选“违规使用手机监测”；告警聚合频率设60s/6张。4.“区域管理”绘制监测区域（选4点封闭）；保存后于“告警处理”查看违规使用手机告警。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产过程人员安全数据-违规使用手机检测任务目标AI边缘网关算法映射机制；违规使用手机识别原理；监测区域绘制方法。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容硬件清点与物理接线同任务5.1，确认摄像头视频采集正常。；完成AI边缘网关、工业智慧管控系统网络配置，关联边缘服务器与区域、摄像头。；边缘服务器“监测配置”新增算法选“违规使用手机监测”；告警聚合频率设60s/6张。；“区域管理”绘制监测区域（选4点封闭）；保存后于“告警处理”查看违规使用手机告警。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值硬件组网设备识别与接线规范20摄像头配置静态IP与视频采集成功20网关映射边缘服务器/区域关联正确20算法配置算法与监测区域设置正确20告警验证对应告警可查看20任务5.3生产过程人员安全数据-工服检测一、实训任务1.完成硬件组网与网络配置；2.配置“工服检测”算法与监测区域，实现未按要求穿着工服的实时告警。二、实训目标知识目标：工服检测算法原理；安全生产着装规范意义；算法与区域关联。技能目标：配置“工服检测”算法与监测区域；查看告警并闭环处理。素养目标：强化安全生产着装意识；规范操作。三、实训准备3.1物料准备序号名称规格数量备注AI边缘盒子/1算法推理工业摄像头（如海康）/1视频采集交换机/路由器/网线/笔记本/1套组网3.2网络/参数规划网络规划同任务5.1（路由器LAN→网关WAN；网关/摄像头/PC接交换机LAN）。3.3知识准备5.3.1工服检测原理工服检测模型识别人员是否按规定穿戴工服（颜色/款式特征），未穿工服即在岗位区域触发告警，强化进入生产区域的安全着装管理。5.3.2监测闭环算法触发告警后，于“告警处理”标注、派单、处理并归档，形成“识别—告警—处置—归档”安全管理闭环。四、实训步骤1.硬件清点与物理接线同任务5.1，确认摄像头视频采集正常。2.完成AI边缘网关、工业智慧管控系统网络配置，关联边缘服务器与区域、摄像头。3.边缘服务器“监测配置”新增算法选“工服检测”；告警聚合频率设60s/6张。4.“区域管理”绘制监测区域（选4点封闭）；保存后于“告警处理”查看未穿工服告警并闭环处理。五、实训小结班级组别学号姓名实训日期任务名称生产过程人员安全数据-工服检测任务目标工服检测算法原理；安全生产着装规范意义；算法与区域关联。实训器材见3.1物料准备实训场地边缘计算实训室实训主要内容硬件清点与物理接线同任务5.1，确认摄像头视频采集正常。；完成AI边缘网关、工业智慧管控系统网络配置，关联边缘服务器与区域、摄像头。；边缘服务器“监测配置”新增算法选“工服检测”；告警聚合频率设60s/6张。；“区域管理”绘制监测区域（选4点封闭）；保存后于“告警处理”查看未穿工服告警并闭环处理。……实训小结附：考核评分表考核项目评分标准分值硬件组网设备识别与接线规范20摄像头配置静态IP与视频采集成功20网关映射边缘服务器/区域关联正确20算法配置算法与监测区域设置正确20告警验证对应告警可查看20项目六边缘计算应用拓展及系统运维在现有工业智慧管控系统中增加语音播报系统，并对系统进行运维管理（告警处理、数据管理、运维管理），保障系统稳定高效运行。任务6.1语音控制器配置与语音播报一、实训任务1.认识CX-830S-E语音播报控制器，完成网络参数配置；2.完成工业智慧管控系统外接设备接入与算法“接入模式”配置，实现绑定算法触发时的即时语音播报。二、实训目标知识目标：语音播报控制器原理（接收-处理-合成-输出）、TTS机制；CX-830S-E结构与接口。技能目标：语音播报器网络参数配置；管控系统外接设备创建与关联；算法接入模式配置与联动播报。素养目标：细致观察、严谨探究；规范认知设备、重视实训安全。三、实训准备3.1物料准备