工业互联网是数字经济的关键支柱，对于推动我国工业的转型升级和创新发展具有重大意义。它通过全面连接人、机、物和系统，为工业领域的数字化、网络化和智能化提供了切实可行的路径。工业互联网由网络、平台和安全三大核心体系构成，其中网络是基础支撑，确保产品、生产和服务等全流程要素的数据互联互通。因此，培养掌握工业互联网网络系统运行与维护的专业人才显得尤为关键，开发集成工控场景的实训产品对于提升这些能力具有重大价值。

工业互联网网络运维实训系统是一个集教学实训和技能考核于一体的综合性平台，它整合了机械、电气和信息化软硬件资源，涵盖了云平台、IOT子平台、工业控制以及多网络环境下的数据采集和处理等多个场景。该系统能够进行智能制造、工业互联网技术和应用的集成测试与培训，使学员能够全面掌握工业互联网网络运维的知识，并在实训中深入参与和互动，拓展对云平台的理解。该系统可以从工业数据采集、网络连接部署、网络数据展示及异常排查等多方面进行考核，可满足应用型本科和职业院校电气、自动化和信息等专业的教学实训、技能考核需求。

一、系统构成与工作原理

实训系统由上位机、控制盘、工控场景模块及物联网场景模块四大组件构成，全面覆盖传感器数据采集、组态编程、PLC控制、物联网与云平台等多个实训及考核领域。其中，工控场景模块模拟了生产全流程的订单处理、拨针操作、推块位移、测量及数据存档等工序；而物联网场景模块则通过物联网网关，智能采集仪表与PLC数据，实现生产要素的广泛深度互联。

工控场景具体生产流程：

生产准备：初始化四工位转盘、读码器、RFID系统及各执行机构，为下单做好充分准备。

系统下单：通过上位机或人机界面（HMI）下达订单，订单信息包括流水号、工装号、拨针角度及推块位移等。

订单写入：转盘定位工装至工位1，读取工装二维码信息，并将订单信息写入RFID芯片。

拨针工序：工位2读取RFID信息，确认订单后，气动装置驱动伺服机构下降，电机旋转360°捕捉指针，按订单设定角度拨动指针，完成后更新生产数据至RFID芯片。

推块工序：在工位3，系统读取当前工装RFID中的信息以确认订单详情。随后，步进装置驱动拨块气缸精准定位斜面滑块，并推动其按照订单中预设的位移进行移动。在此过程中，系统同时采集红外温度传感器、扭矩传感器及噪音传感器的数据，确保生产过程的全面监控。一旦推块工序完成，所有相关的生产数据将被即时写入RFID芯片中。

测量工序：进入工位4，系统再次读取工装RFID信息以验证订单。随后，测量气缸驱动位移传感器下移，对斜面滑块的高度进行精确测量，并同步采集压力传感器的数据。测量完成后，所有生产数据被记录并写入RFID芯片，确保数据的完整性和可追溯性。

生产存盘与追溯：在工位1，系统读取当前工装RFID信息，确认订单无误后，将生产过程中的所有追溯信息上传至云端或指定存储位置。这一步骤确保了生产数据的完整保存和高效管理。

二、系统网络架构及控制硬件设计

工业互联网网络运维实训系统的网络结构以云平台为云端核心，现场端则依托智能网关和PLC作为控制中枢。物联网技术基于互联网框架，为智能信息的识别与传输提供了坚实基础，而自动化技术则是推动工业互联网发展的关键力量。

整个系统集成了多种通信协议的设备，实现了IOT网络与工业网络的深度融合与互通。网络类型涵盖因特网与局域网，有线网络与无线网络，确保了数据传输的灵活性和多样性。涉及的通信协议包括RS485和RS232等，这些协议共同支撑了系统的高效运行与数据交换。

通过这一精心设计的网络架构与控制硬件，工业互联网网络运维实训系统能够为用户提供全面、高效、安全的实训环境，助力培养更多具备专业技能和实战经验的工业互联网人才。

三、系统软件架构设计

工业互联网网络运维软件系统由云平台上位机程序、触摸屏程序和PLC程序组成，分别采用高级面向对象编程语言Vue、Java等软件进行开发。

3.1 上位机管理程序架构

上位机管理程序是工业互联网网络运维系统的核心，负责采集各实训台的编号信息，并执行数据分析、存储及远程控制功能。云端数据的采集工作由智能网关负责，它能够从现场智能仪表或PLC中获取信息。云化软件利用其网络化的特性，为智能化运维提供了全新的模式，极大地提升了运维效率和智能化水平。

云平台系统具备与智能网关的无缝集成能力，能够接收并解析加密数据。通过图形化的数据流编排界面和丰富的数据处理插件，该系统能够实现对数据的多样化处理，包括但不限于统计分析、格式转换等，满足各种业务需求。此外，云平台系统还支持分布式消息集群管理，提供消息的订阅与发布功能，并配备在线消息队列管理以及消息查询检索服务。同时，该系统还支持主流大数据处理组件，为用户提供灵活、高效的数据处理解决方案。

3.2 触摸屏程序设计

触摸屏程序集成了多项关键功能，以满足生产过程中的多样化需求：

(1) 生产订单管理

支持工装号、拨针角度、推块位移等订单信息的设定。

提供订单下传及清空功能，确保生产流程的顺畅进行。

(2) 参数设置与调整

可灵活配置伺服和步进驱动的速度、位置参数。

支持气缸报警延时的设置，提高生产安全性。

(3) 生产实时监控

实时展示流程步序和器件状态，确保生产过程的可视化。

监控传感器数据，及时发现并处理异常情况。

(4) 生产报警与预警

提供流程状态报警功能，及时响应生产过程中的问题。

支持RFID读写报警、器件故障报警以及急停报警，确保生产安全。

3.3 PLC程序设计

PLC（可编程逻辑控制器）程序在工业互联网网络运维实训系统中扮演着核心角色，主要负责基于工控场景的数据采集和流程控制。具体而言，PLC程序涵盖了从订单接收、拨针、推块、测量到数据存盘的整个生产流程。为了提高系统的灵活性和可维护性，PLC程序设计采用了模块化和参数化理念，确保每个生产步骤都能根据实际生产工艺进行精确控制。

3.3.1 模块化设计

模块化设计是PLC程序的核心原则之一。通过将复杂的生产流程分解为多个独立的模块，每个模块负责特定的功能，从而使得程序结构更加清晰，易于维护和扩展。主要模块包括：

订单处理模块：负责接收和处理来自上位机的生产订单信息，包括工装号、拨针角度、推块位移等。

拨针控制模块：根据订单信息，控制伺服电机和气动装置，完成指针的精确拨动。

推块控制模块：通过步进电机和气缸，实现滑块的精确移动。

测量模块：利用位移传感器和压力传感器，测量滑块的高度和其他相关参数。

数据存盘模块：将生产过程中采集的数据写入RFID芯片，确保数据的完整性和可追溯性。

3.3.2 参数化设计

参数化设计使得PLC程序能够灵活应对不同的生产需求。通过在程序中定义各种参数，操作人员可以在不修改程序代码的情况下，轻松调整生产参数。主要参数包括：

伺服和步进驱动参数：如速度、加速度、位置等。

气缸控制参数：如动作延时、压力阈值等。

传感器参数：如采样频率、阈值设定等。