淺談工業(yè)物聯網教學技術及應用

工業(yè)物聯網教學中的關鍵點在于能與實際工業(yè)場景對接，面對海量的工業(yè)物聯網設備的接入以及復雜度越來越高的工業(yè)場景，單一方面的概念講授以及基礎驗證性的實驗已經不足以培養(yǎng)出具備實際工業(yè)物聯網應用與開發(fā)能力的學生。

如何能從現有的概念性、本地化的教學方法中突破，從真正的工業(yè)應用出發(fā)，將實際的工業(yè)對象與功能完備的工業(yè)云平臺帶入到教學當中是當前工業(yè)物聯網教學的一大挑戰(zhàn)。NI幫助天津大學成功實現工業(yè)4.0與物聯網專業(yè)在教學領域的落地

天津大學是如何開展工業(yè)物聯網教學計劃的？

作為新工科建設的發(fā)起者之一的天津大學十分重視工業(yè)4.0與物聯網專業(yè)在教學領域的落地。依托精密儀器與光電子工程學院，建立遠程監(jiān)控開放實驗室，為工業(yè)物聯網教學提供現代化實驗平臺。

以模擬實際工況的旋轉機械故障診斷試驗臺為實驗對象，采用具有多核處理器及FPGA資源的邊緣計算硬件對實驗對象進行監(jiān)測與控制，利用工業(yè)級的系統(tǒng)管理軟件對系統(tǒng)進行統(tǒng)一調度。

從而，在教學過程中取得最好的效果：

一方面能兼顧傳感器、執(zhí)行器、數據采集、控制系統(tǒng)、數據傳輸的基礎概念的傳達；

另一方面能夠幫助學生體驗復雜工業(yè)場景中的工業(yè)物聯網架構、大數據分析以及云平臺的應用，通過遠程訪問對象終端。

項目如何繼續(xù)開展下去？

首先確定核心方向——遠程監(jiān)測虛擬仿真教學系統(tǒng)建設兩大核心板塊：具有實際對象的工業(yè)聯網實驗平臺與工業(yè)級的系統(tǒng)管理軟件。

3個角度透視 NI 工業(yè)物聯網實驗平臺

1、NI工業(yè)物聯網平臺與實際教學深度融合

NI的工業(yè)物聯網實驗平臺由傳感器與試驗臺、cRIO采集設備、SystemLink軟件平臺三部分組成。

其中傳感器與試驗臺用于演示整個系統(tǒng)工作過程。cRIO硬件平臺包括采集和控制兩套設備，其中采集設備連接試驗臺，用來采集試驗臺傳感器數據，通過cRIO嵌入式操作系統(tǒng)中部署的軟件，將采集到的數據傳輸給SystemLink軟件平臺，該軟件平臺安裝運行在PC機上，可以實現基于WEB頁面的設備狀態(tài)監(jiān)測、部署、顯示及預警。

具有實際對象的工業(yè)物聯網實驗平臺

cRIO硬件平臺具有搭載實時系統(tǒng)的多核處理器及可重配置的現場可編程邏輯門陣列（FPGA）及相應的模塊I/O硬件，通過圖形化的編程方式，實現高速邊緣計算。借助該硬件平臺，可獲得高性能I/O和前所未有的系統(tǒng)實時控制靈活性，從而構建工業(yè)物聯網的終端架構。

總而言之，基于RIO架構的智能終端可以通過通用的工業(yè)協議實現互聯，拓展成為大規(guī)模、分布式的工業(yè)系統(tǒng)集群，真正實現工業(yè)物聯網和大數據的需求。

在該系統(tǒng)中，上位機PC與下位機cRIO系統(tǒng)之間通過TCP/IP協議進行通訊，通過人機交互或系統(tǒng)設定，PC機發(fā)送命令序列至cRIO，進而控制cRIO上運行的軟件以及驅動程序來實現對硬件的操作以得到數據，并通過對數據的分析和處理來實現系統(tǒng)功能，數據采集、諧波分析等功能都在cRIO數據采集系統(tǒng)上完成。與此同時模塊化程度極高的c模塊可以實現動態(tài)和靜態(tài)信號的高效采集，與傳感器無縫連接。

2、北京中航科訊提供旋轉機械故障仿真模型

此外，在此工業(yè)物聯網實驗平臺中，還采用了由北京中航科訊技術有限公司開發(fā)的旋轉機械故障仿真模型，旋轉機械故障仿真模型由包括電機、控制器、臺架、轉子試驗件等組成。

通過安裝在平臺上的加速度傳感器、編碼器、渦流傳感器等進行數據采集，可進行機械設備狀態(tài)監(jiān)測和電機狀態(tài)監(jiān)測實驗。同時設備可以實現本地與遠程控制兩種模式，輸出軸荷載可自定義調節(jié)。該模型展現的是一個典型的工業(yè)應用問題，包含了故障呈現、傳感器監(jiān)測、設備控制、遠程監(jiān)控等多個環(huán)節(jié)。

基于工業(yè)級系統(tǒng)管理軟件：可遠程訪問靈活配置

接下來聊一下軟件部分，該系統(tǒng)采用工業(yè)級系統(tǒng)管理軟件SystemLink，底層使用LabVIEW進行邊緣算法的定義，實現系統(tǒng)功能控制、加速度曲線顯示、速度均方根值顯示、位移曲線顯示、振動信號軸心顯示、振動信號頻譜分析等分析功能。

SystemLink功能到底有多強大，繼續(xù)往下看就知道了：

SystemLink系統(tǒng)管理軟件，為分布式測試測量和控制解決方案提供了集中管理功能。直觀的Web應用程序可讓您使用包含軟件部署、設備配置和診斷在內的功能來管理多個網絡化系統(tǒng)。

SystemLink還提供安全、可擴展的數據服務和LabVIEWAPI?？芍С值挠布≒XI（Windows操作系統(tǒng)）、 CompactRIO（NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)）和Windows PC 。系統(tǒng)實現通過Web頁面進行分布式設備管理、軟件發(fā)布與管理、數據通信與文件傳輸。同時，可在SystemLink上自定義用戶界面，與實驗對象進行交互。

SystemLink提供了兼容范圍廣的開箱即用硬件設備，具有一系列靈活的模擬和數字傳感器輸入選項。借助CompactRIO平臺，能夠以經濟高效的方式將設備進行批量部署，具有系統(tǒng)可擴展的特性。

SystemLink軟件可支持多用戶登陸瀏覽以及云端訪問，實現分布式測控平臺，該平臺可根據被測對象的數量靈活配置增加硬件監(jiān)測系統(tǒng)數量。

另外，基于本平臺還可將人工智能與工業(yè)對象進行有機結合，通過LabVIEW中的聲音與振動工具包以及機器學習工具包，將系統(tǒng)中采集的數據進行多角度深層次的分析，實現系統(tǒng)的預測性維護。

天津大學遠程監(jiān)測虛擬仿真項目成績斐然

在以實際工況為基礎的實驗平臺以及工業(yè)級的系統(tǒng)管理與監(jiān)測環(huán)境下，天津大學基于cRIO、LabVIEW、SystemLink組建了遠程監(jiān)測虛擬仿真教學實驗室，該系統(tǒng)由北京中航科訊技術有限公司(www.bjzhkx.com)開發(fā)，為工業(yè)物聯網教學方案的打造填上了濃墨重彩的一筆。

這樣的教學系統(tǒng)幫助老師提供了測控類教學的通用場景，滿足了老師對于高性能的教學展示平臺的需求，同時實現了測控系統(tǒng)的網頁發(fā)布，從而時學生可以隨時訪問到教學平臺，增進了教學的效率。

NI的SystemLink系統(tǒng)在教學領域上實現了開創(chuàng)性的創(chuàng)新，將傳統(tǒng)工業(yè)化領域中晦澀難以描述的數據以更加直觀現代化的方式實現了用戶與數據的交互，也給予我們高校使用中很大的啟發(fā)。