一种用于智能制造实训沙盘的控制系统的制作方法

本发明涉及一种实训沙盘，尤其涉及一种用于智能制造实训沙盘的控制系统。

背景技术：

1、当前高校的通信、智能制造以及物联网等现代信息专业中，设置诸多智能硬件、智能场景开发应用等面向真实企业生产流程的课程，且均为理论授课与实训练习相结合的理实一体化的授课形式。对于此类型课程的实训模块，当前基本采用的是实验箱或离线沙盘的形式。

2、试验箱整体为可开合的箱式设计，有立式和卧式两种不同的形态，外观材质有金属、塑料等类型。箱子中内置多种传感器、网关和集成设备等硬件，部分实验箱会配置led小尺寸显示屏。对于部分硬件设备会配置对应的调测软件，安装在电脑后通过串口或usb与硬件连接。这种现有的实验箱缺点在于：首先，实验箱由孤立的传感器与网关进行简单组合，不具备完整的场景，各个设备之间没有基于场景需求的联动，没有办法与真实的工业制造流程匹配，实验内容与实际使用情况脱节严重；其次，实验箱只涵盖了课程的一小部分内容，无论是设备的种类、智能硬件嵌入式开发到上云通信的流程都存在严重的内容和关键环节缺，无法满足学生的实训需求。

3、沙盘一般用于模拟某个场景的工艺流程设计，包含多种智能硬件、开发板和控制器等设备，一般为金属喷漆外观，且部分沙盘会配备固定的显示器和灯光增强感官效果。目前的离线沙盘普通通过统一的集中控制软件进行设备控制，其缺点在于：不具备联网能力，即使有少部分联网的方案，一般也采用私有协议，没有办法与通用的云平台如阿里云和腾讯云等物联网平台对接，无法通过通用物联网平台进行控制和数字孪生操作；部分沙盘由于追求与真实的一致性，占地面积很大，学生实训时极为不便；此外，离线沙盘的设备多为教学级硬件，与真实的场景中使用的差别很大，学生使用这种离线沙盘进行实训的效果不够好。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是需要提供一种用于智能制造实训沙盘的控制系统，旨在既能够满足专业实训需求，又能够实现与通用的云平台进行对接，可以通过物联网平台进行控制和数字孪生操作，便于针对专业领域的学生进行智能制造实训教学。

2、对此，本发明提供一种用于智能制造实训沙盘的控制系统，包括以下步骤：

3、步骤s1，对每个子系统进行运行模式控制，所述运行模式包括本地离线模式和线上云模式，子系统根据选择的运行模式分别跳转至本地离线模式工作过程或线上云模式工作过程；

4、步骤s2，建立所述智能制造实训沙盘的智能终端设备和云平台之间的通信，通过mqtt子节点、coap子节点和http子节点建立所述智能终端设备和数据处理中心之间的连接，并通过所述数据处理中心将数据保存到不同的数据库之中，实现数据展示和应用调用，所述数据库包括rabbitmq信息队列数据库、redis数据库、mysql数据库、mongodb数据库和loki时序日志数据库；

5、步骤s3，通过数字孪生系统对作业信息进行同步，并实时监控所述智能终端设备的状态；

6、步骤s4，通过云平台创建数字设备实例，根据所述数字设备实例关联所述智能终端设备，进行在线控制。

7、本发明的进一步改进在于，所述步骤s1的本地离线模式工作过程包括以下子步骤：

8、步骤a1，通过嵌入式开发进行本地策略的设计，所述智能终端设备上电，并通过串口烧录所述本地策略至所述智能终端设备与本地总控；

9、步骤a2，agv智能小车通过wifi连接至5g终端设备，再通过5g终端设备连接至所述本地总控，其他的智能终端设备通过网线连接至所述本地总控；

10、步骤a3，根据运行方式的选择开始执行本地策略，当选择的运行方式为独立运行时，通过所述本地总控下发智能终端设备所对应的单独运行指令，并等待所述智能终端设备执行所述单独运行指令；当选择的运行方式为整机策略时，通过所述本地总控拆解整机策略，并根据控制时序将拆解后的整机策略单独下发至对应智能终端设备，等待各个智能终端设备完成整机策略。

11、本发明的进一步改进在于，所述步骤s1的线上云模式工作过程包括以下子步骤：

12、步骤b1，通过嵌入式开发完成单个智能终端设备支持的上报属性、指令动作以及联网认证，在智能终端设备上电后烧录至对应的智能终端设备；所述智能终端设备包括agv智能小车、机器人、智能料仓和智能上料传送设备；

13、步骤b2，agv智能小车和机器人通过5g模组联网并连接至云平台，智能料仓和智能上料传送设备通过wifi模组联网并连接至云平台，在云平台中对联网成功的智能终端设备进行在线显示；

14、步骤b3，所述智能终端设备进行工况上报，并根据云平台下发的指令执行相应的操作，当选择的运行方式为独立运行时，通过所述云平台创建设备属性与服务指令，并等待所述智能终端设备执行所述服务指令；当选择的运行方式为整机策略时，通过所述云平台创建多个智能终端设备的集成策略，在云平台中启动并根据控制时序下发策略开始指令至对应智能终端设备，等待各个智能终端设备完成集成策略。

15、本发明的进一步改进在于，所述步骤s2中，通过mqtt子节点建立所述智能终端设备和数据处理中心之间的连接过程包括以下子步骤：

16、步骤c1，填写发布类型topic, 在设备详情页的发布类型列表找到上报数据的发布类型topic，并进行数据上报；

17、步骤c2，填写以json格式进行数据传输的payload脚本，构造上报数据，所述上报数据的数据格式为:/扩展参数/${产品密钥}/${智能终端设备名称}/上报数据的方法名称；

18、步骤c3，解析并发送上报数据，在上报数据的时候，请求时钟同步，并等待时钟同步响应。

19、本发明的进一步改进在于，所述步骤s2中，通过coap子节点建立所述智能终端设备和数据处理中心之间的连接过程包括以下子步骤：

20、步骤d1，通过认证请求指令进行认证请求；

21、步骤d2，通过上报数据请求指令进行数据上报。

22、本发明的进一步改进在于，所述步骤s2中，通过http子节点建立所述智能终端设备和数据处理中心之间的连接过程包括以下子步骤：

23、步骤e1，通过认证请求指令进行认证请求；

24、步骤e2，通过上报数据请求指令进行数据上报。

25、本实施例所述步骤s2包括以下子步骤：

26、步骤s201，实时采集所述智能制造实训沙盘的智能终端设备的设备数据，并根据所述智能终端设备的设备数据产生真实场景数据；

27、步骤s202，针对所述智能终端设备所支持的连接协议，将真实场景数据上传到对应协议子节点的接入点；

28、步骤s203，将不同协议子节点的接入点数据处理成统一格式后，传送至所述数据处理中心；

29、步骤s204，通过所述数据处理中心将数据保存到不同数据库之中，将实时数据流存储至所述rabbitmq信息队列数据库中，将实时数据快照存储至所述redis数据库中，将告警、在线和空中下载ota状态存储至所述mysql数据库中，将历史数据存储至所述mongodb数据库中，将日志数据存储至所述loki时序日志数据库中，以实现数据的展示和应用调用；

30、步骤s205，云平台和调用的应用将数据展示给用户，并通过用户与云平台或应用之间的交互将数据下发给所述智能终端设备。

31、本发明的进一步改进在于，所述步骤s3包括以下子步骤：

32、步骤s301，通过网络检测确定与云平台正常通信的智能终端设备；

33、步骤s302，通过拖放界面显示的组件，在云平台设计数字孪生体组件；

34、步骤s303，将所述数字孪生体组件与各个智能终端设备的工况及其所支持的指令进行关联，输出关联数据的计算结果；

35、步骤s304，保存关联数据及其计算结果，并进行发布，当智能终端设备为显示类设备时，进行设备工况的上报，并实时刷新所述数字孪生体组件之中的图表；当智能终端设备为控制类设备时，通过按钮开关组件下发控制指令，等待智能终端设备响应和执行所述控制指令。

36、本发明的进一步改进在于，所述步骤s4包括以下子步骤：

37、步骤s401，抓取历史实例，提取历史实例中，智能终端设备的运行模式、通信连接方式、控制时序以及设备状态；

38、步骤s402，将历史示例进行编号和关键词设置，并将编号、关键词、智能终端设备的运行模式、通信连接方式、控制时序以及设备状态进行对应的匹配和关联，获取历史示例关联表；

39、步骤s403，根据自定义输入的数字设备数据查询所述历史示例关联表，通过调取的数据创建数字设备实例，并根据所述数字设备实例关联所述智能终端设备，进行在线控制；

40、步骤s404，实时检测所述智能终端设备的工况，并将当前的智能终端设备的工况与所述历史实例进行比对，当比对结果为不匹配时，发出告警信号。

41、本发明的进一步改进在于，所述智能制造实训沙盘的子系统包括自动上料子系统、称重子系统、传送子系统、agv运输子系统、视觉检测子系统、六轴机械臂子系统、仓储子系统、5g无线通信模块和5g终端设备，所述自动上料子系统通过所述称重子系统连接至所述传送子系统，所述传送子系统通过所述agv运输子系统连接至所述六轴机械臂子系统，所述视觉检测子系统设置于所述传送子系统和六轴机械臂子系统之间，所述仓储子系统设置于所述六轴机械臂子系统旁；所述自动上料子系统和传送子系统通过wifi连接至所述5g终端设备，再通过所述5g终端设备连接至云平台；所述agv运输子系统和六轴机械臂子系统通过5g无线通信模块连接至原平台，并通过网线、wifi或5g终端设备连接至本地总控，所述自动上料子系统通过网线连接至本地总控。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：每个子系统均包括本地离线模式和线上云模式，子系统可以先根据选择的运行模式分别跳转至本地离线模式工作过程或线上云模式工作过程；然后，通过步骤s2建立所述智能制造实训沙盘的智能终端设备和云平台之间的通信，通过mqtt子节点、coap子节点和http子节点建立所述智能终端设备和数据处理中心之间的连接，并通过所述数据处理中心将数据保存到不同的数据库之中，以实现数据展示和应用调用；接着，可以通过数字孪生系统对作业信息进行同步，并实时监控所述智能终端设备的状态；最后，通过云平台创建数字设备实例，进而可以根据所述数字设备实例关联所述智能终端设备，进行在线控制。因此，本发明不仅仅能够满足专业实训需求，具备了完整的实训场景，各个智能终端设备之间可以进行联动控制，实训内容与实际使用情况基本一致；并且，还能够实现与通用的云平台进行对接，可以通过物联网平台进行控制和数字孪生操作，便于针对专业领域的学生进行真实的智能制造实训教学。