TK-N421A工业互联网集成应用实训设备

工业互联网集成应用实训设备是一套把真实工业生产流程与工业互联网"网络—边缘—平台—应用"四个层级完整贯通的集成化教学科研装备。设备以液态产品"灌装—检测—入库"的真实工艺流程为主线，由上料灌装工作站、加工检测工作站、成品入库工作站三套生产单元，配合立体仓库、分拣工业机器人、精密加工与检测单元、光伏供电单元及大屏显示单元组成，整机外形尺寸2500×1400×1500mm，六层结构齐全，采用钢结构框架、12mm防火板台面，结构刚性好、布局紧凑、安全防护到位。

设备在网络层配置8×RJ45电口+2×SFP光口的工业交换机（交换容量≥56Gbps，支持云平台管理）、可接入云平台的安全网关与Cortex-A8边缘计算网关；在感知层配置温湿度、光照度、电力运行参数等传感器以及工业相机、RFID射频识别装置；在执行层配置PLC、伺服驱动、变频驱动、步进驱动、工业机器人和气动执行机构；并配套工业自动化设计软件、工业互联网数据采集软件与数字孪生软件，可在同一台设备上完成机械、电气、气动、控制、网络、数据与应用的全链路设计、调试与实训。设备标准供货数量为3套，可平行组网、分组教学与竞赛集训。

一、产品定位与应用场景

（一）产品定位

设备面向工业互联网、智能制造、机电一体化、自动化、机器人工程、工业工程等相关专业，覆盖认识实习、课程实验、综合实训、课程设计、毕业设计及证书培训考核、师资培训、技能竞赛集训等教学场景；同时可作为工业互联网解决方案的原型验证平台，用于柔性生产工艺验证与虚拟调试。

（二）可开设的实验与实训项目

依托本设备可开设的典型项目包括：工业以太网组网实验；边缘网关协议转换实验（Modbus RTU/TCP、OPC UA/DA、MQTT、S7）；生产数据自动识别与数据采集实验；料瓶自动灌装工艺与液位控制实验；机器视觉检测与产品溯源信息写入实验；工业机器人分拣、装箱轨迹编程与调试实验；伺服、变频、步进驱动系统参数整定与联动实验；立体仓库出入库调度与堆垛控制实验；精密加工单元运行数据采集与状态监测实验；光伏发电单元输出特性测试与能耗分析实验；数字孪生产线建模与虚拟调试（PLC在环、PID闭环仿真）实验；工业互联网低代码APP与数据可视化看板开发实验。

二、整机结构与硬件平台

（一）整机结构

整机外形2500×1400×1500mm，六层结构齐全，钢结构框架承载，台面采用12mm防火板，兼顾刚性、绝缘与防火安全；各功能单元按工艺流向依序布置，操作面高度符合人体工程学，便于教学演示与近距离拆装调试。

（二）网络与边缘计算层

1.工业以太网交换设备

提供8×RJ45电口与2×SFP光口，交换容量≥56Gbps，支持云平台管理，可同时承载控制层实时数据与上层视频、数据流的传输需求，并可通过光口实现多套设备之间的组网互联。

2.安全网关（防火墙）

支持基础防火墙功能及CPU、内存资源划分，可实现接入控制与访问策略隔离，数据吞吐率≥1Gbps。该项存储虚拟化能力较弱，属负偏离项，详见第七章偏离项说明。

3.工业无线接入设备

工作温度-10℃~+50℃，单频2.4GHz，无线速率150Mbps，支持AP、Client两种工作模式，用于移动教学终端与无线传感设备的接入。该项仅支持AP、Client模式，属负偏离项，详见第七章。

4.边缘数据采集网关

采用Cortex-A8 800MHz处理器，配置1×USB接口、2×以太网接口、4×RS232/485串口，支持Modbus RTU/Modbus TCP协议，可在设备侧完成协议转换、数据清洗、本地缓存与上云转发，构成"设备—边缘—云"链路中的边缘节点。

（三）环境与设备感知层

1.温湿度传感器

供电12-24VDC，RS485输出，测温精度±0.5℃、测湿精度±3%RH，用于生产环境参数与设备工况的连续监测。

2.光照度传感器

供电12-24VDC，RS485输出，测量量程0-65535lux，可用于环境光照采集及与光伏单元输出特性的对比分析。

3.三相电力监测仪表

可采集电压、电流、功率，有功电能精度2级，支持Modbus-RTU协议。该项不支持DL/T645-2007规约，属负偏离项，详见第七章。

4.RFID读写装置

工作频率13.56MHz，读取距离0-120mm、写入距离0-100mm，支持Modbus TCP协议，用于料盖标签芯片与料盒标签溯源信息的写入与识别。

5.工业检测相机

500万像素网口CMOS，像元尺寸3.45μm，靶面1/2.9英寸，分辨率1600×1200，帧率60fps，用于料瓶外观、液位与检测分拣环节的图像采集。

6.库位检测传感器

每个库位配置DC24V检测传感器，采用红色LED光源，检测距离2-40mm；立体仓库各分区各设6个库位，实现料盒到位与在位状态的可靠判断。

（四）控制与执行层

1.PLC控制器

工作电源24V DC±10%；板载数字输入14点、数字输出10点；模拟量输入2路、模拟量输出1路；用户存储器≥100KB，工作存储器≥4MB；支持SD卡扩展程序与数据记录；板载以太网接口，便于与上位机、边缘网关及运动控制单元协同调试。

2.伺服驱动系统

伺服电机额定功率100W、额定电流1.2A、额定转速3000rpm；驱动器内置动力制动，自冷、防护等级IP20，支持RS-485通讯，用于输送、定位与搬运轴的速度、位置控制。

3.变频调速系统

适配电机容量0.4kW；变频器输出容量1.0kVA、输出电流2.5A，输出3相200-240V，频率范围0.2-400Hz，用于主输送带等负载的无级调速与软启停控制。

4.步进驱动系统

驱动器支持16档细分，最高脉冲频率200KHz，工作电压DC20-50V，绝缘等级B级、绝缘电阻≥100MΩ，配套57型步进电机，用于上料、分料等定位轴的开环定位控制。

5.工业机器人

6自由度串联结构，最大工作半径580mm，额定有效负载3kg，重复定位精度±0.02mm，采用标准以太网通信，支持原生运动控制协议，可完成料瓶分拣、装箱、码垛与上下料等作业，并与数字孪生软件实现模型与运动同步。

6.气动执行机构

Y轴缸径20mm、有效行程600mm，Z轴缸径20mm、行程100mm，配气动夹爪，用于料瓶搬运、定位夹紧与瓶盖取放等工序，动作响应快、维护量小。

（五）加工、仓储与新能源单元

1.精密加工与检测单元

机器外形400×300×250mm，X轴行程300mm、Y轴行程200mm、Z轴行程45mm，主轴转速6000rpm，并配置数据采集接口，可将主轴负载、进给状态等运行数据实时接入网络，用于加工过程数据监测与数字孪生建模。

2.立体仓库单元

立体仓库按生产需求完成料盒入库堆垛或产品出库，配合库位检测传感器与RFID识别，构成"识别—调度—存取—追溯"的自动化仓储闭环。

3.光伏供电单元

包含光伏板、控制器、数据采集，输出电压0-30V、电流0-15A，最大输出功率450W，用于绿色能源供电与能耗教学分析。该项最大输出功率450W，小于600W，属负偏离项，详见第七章。

（六）供配电单元

1.开关电源

输入单相三线制AC220V，直流24V/20A输出，配熔断器保护，为PLC、传感器、执行机构等24V负载集中供电。

2.供电方式

整机适应AC220V±10%电网波动，采用直接供电、无稳压方式，接线简洁、故障点少，便于教学排故训练。

（七）上位机与显示单元

1.工程师工作站

配置Intel i7处理器、内存16GB、固态硬盘256GB、机械硬盘1TB、独立显卡（显存16GB），显示器尺寸23.8英寸，可流畅运行三维设计、数字孪生仿真与数据采集分析软件。

2.大屏显示单元

显示单元外形尺寸1100×400×1600mm，配32英寸单屏显示，用于生产看板、数据大屏与教学投屏。该项整体尺寸小于1300×500×1800mm，属负偏离项，详见第七章。

3.电气控制柜

控制柜外形600×500×1000mm，钢结构形式，配套2套，分别承载各工作站电气控制以及网络、网关设备的集中安装。

三、生产工作站与工艺流程

（一）上料灌装工作站

上料灌装工作站包括转盘上料单元、主输送带单元、辅输送带单元、原液箱单元、料瓶搬运单元、操作面板和电气控制板。上料输送：转盘上料单元将空瓶逐个送至辅输送带，辅输送带逐个转送至主输送带。供液灌装：原液箱单元按系统指令向储液罐供液；空瓶到达灌装位后定位夹紧，灌装电磁阀开启，将储液罐内液体灌入料瓶。出料控制：瓶内液位达到设定高度后，定位夹紧机构松开，主输送线将料瓶送至下一工位。灌装模式：支持按一次灌装数量、料瓶灌装高度等参数组合设定，实现多样化灌装方式。

（二）加工检测工作站

加工检测工作站由进料输送线单元、加盖转盘单元、出料检测输送线单元、二层输送线单元、瓶盖搬运单元、操作面板和电气控制板组成。进料与盖装：进料输送线将灌装后料瓶推送至加盖转盘；料瓶随转盘依次完成加盖、拧盖，拨料机构将出料工位料瓶拨至出料检测输送线。检测与溯源：出料检测输送线对料瓶进行检测和射频标记，将溯源信息、检测信息写入料盖标签芯片。二层检测与瓶盖回流：二层输送线上层对流经物料进行检测分拣；瓶盖搬运单元将检测出的瓶盖搬回加盖转盘料盖筒。

（三）成品入库工作站

成品入库工作站由二层输送线单元、料瓶提升单元、料盒供料单元、料盒输送单元、立体仓库单元、废液箱、操作面板、电气控制板及分拣工业机器人组成。料盒输送与识别：料盒经供料、输送单元送至输送线末端定位固定，RFID采集料盒溯源信息并上传上位机。分拣与装箱：工业机器人根据检测信息对检测后料瓶进行分拣；合格料瓶装箱入库，不合格料瓶拆解，废液收集至废液箱。仓储出入库：立体仓库按生产需求完成料盒入库堆垛或产品出库。

（四）整线工艺路线

空瓶上料→主辅输送带输送→定量灌装→液位判定→进料输送→加盖拧盖→检测与射频标记→溯源信息写入→二层检测分拣→瓶盖回流→机器人分拣装箱→料盒输送与RFID识别→立体仓库入库→按需出库。全过程由PLC完成逻辑与运动控制，由边缘网关完成数据上送，由上位机与数字孪生平台完成监视、调度与回溯，形成完整的"实物—数据—模型"闭环。

四、配套软件平台

（一）工业自动化设计软件

支持UG、SolidEdge、Pro/E、SOLIDWORKS、Inventor等主流3D原生和通用文件的导入，支持与SolidEdge商业版软件文件格式的互通，并可对数据进行直接编辑进行设计变更；可导出各环节所需的3D及2D数据，支持与主流的PLM/PDM系统集成，3D数据应用于产品全生命周期。同步建模技术无需刻意创建草图即可修改模型。PLC仿真技术支持构建3D虚拟环境，可通过采集卡采集PLC的输入输出信号。装配体设计支持自底向上或自顶向下的装配体建模方式。工程图创建支持根据3D模型自动创建并更新工程图，快速创建标准视图和派生视图，提供尺寸控制和添加注释等工具，可快速创建包含全部细节的工程图。结构仿真分析内置有限元分析（FEA）工具，支持在3D环境中通过数字方式验证零件设计。动画和运动仿真支持对模型输入运动参数，以获得运动过程中各状态的受力情况。

（二）工业互联网数据采集软件

网关配置工具支持工程管理和在线设备两大功能。数据采集软件支持定义设备模型、注册设备、设备接入、创建数据通道、数据分析功能，支持Modbus、OPC-UA、OPC-DA、SNMP、S7、MQTT、ODBC等通用工业协议接入。可视化设计软件支持连接常用的数据库，快速制作各种数据展示看板，可添加多种数据源并支持开发第三方的数据服务接口。工业互联网低代码APP开发平台支持低代码编程开发，可将硬件设备、API和在线服务链接在一起。云服务支持AWS、Azure、LwM2M、Proud Smart、Simple MQTT、Custom MQTT、T-System、WebAccess、WISE-PaaS/DataHub、DeviceOn/BI、阿里云、百度天工。

（三）数字孪生软件

数字孪生软件支持真实还原工业互联网集成应用实训设备的现实物理生产线，并模拟生产过程。支持读取Solidworks、Pro/E、Catia三维设计软件的数据格式，支持导入Step、X_t和IGES中性数据格式。支持机电一体化协作式工程设计方式，机械、电气、自动化设计验证工作可在同一平台中协作完成；可模拟真实设备自动控制流程，配合PLC编程仿真PID控制；支持OPC DA/UA、SHM、Matlab、PlcSim、TCP、UDP、Profinet等外部通讯协议；可实现外部数据变量批量导入与外部控制变量快速映射关联，支撑"先虚拟调试、后实物联动"的教学与开发模式。

五、主要技术参数汇总表

下表按部件归类汇总设备的关键技术参数，逐项说明见第二章。

六、随机文件与技术支持

随设备提供完整的工程与教学文件：（1）包含工业互联网集成应用实训设备整套设备的机械设计图纸、电气原理图、电气接线图、气动原理图图纸；（2）提供工业互联网集成应用实训设备操作手册、实验指导书。上述文件与设备同步交付，可直接用于设备验收、日常维护、课程备课与实训组织。

技术支持方面，设备支持按工艺要求调整灌装参数与分拣策略，支持PLC程序、机器人程序、数据通道与看板模板的二次开发；软件平台提供协议扩展与第三方数据服务接口，可与院校现有实训平台、教学管理系统及实验室管理系统对接。