《智能工廠集成技術(shù)》教學(xué)大綱

《智能工廠集成技術(shù)》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：01150631課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時：48學(xué)時（其中：理論40學(xué)時，實驗8學(xué)時）先修課程：智能制造工程導(dǎo)論、智能生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真等后續(xù)課程：智能制造創(chuàng)新能力訓(xùn)練、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等適用專業(yè)：智能制造工程開課單位：機械工程學(xué)院 一、課程說明《智能工廠集成技術(shù)》是智能制造工程專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)選修課。本課程主要針對機械制造業(yè)智能工廠的不同設(shè)備、技術(shù)、功能間系統(tǒng)縱向集成問題，討論如何把現(xiàn)場層、控制層、車間管理層有機整合在一起，包括智能工廠集成技術(shù)的基本理論、集成方法和關(guān)鍵集成技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握智能工廠集成的基本概念與理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)集成方法，系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與接口技術(shù)等內(nèi)容，提高學(xué)生在智能工廠實施過程中的系統(tǒng)集成能力以及企業(yè)組織、技術(shù)、流程、模式、數(shù)據(jù)的調(diào)研和分析能力。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：理解智能工廠集成的基本概念、理論基礎(chǔ)；掌握智能工廠集成的體系架構(gòu)，常用數(shù)據(jù)通信方式，硬件設(shè)備間、軟件系統(tǒng)間，以及軟硬件間的集成方法，了解工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全與信息安全的概念，初步具備智能工廠中執(zhí)行與監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)分析能力。課程目標(biāo)2：掌握智能工廠集成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等數(shù)據(jù)通信技術(shù)，OPC及OPCUA等工業(yè)控制數(shù)據(jù)交換標(biāo)準與接口技術(shù)，SCADA系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟，初步具備工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)分析和設(shè)計能力，能夠?qū)Σ煌桨高M行對比分析，得到合理集成方案。融入思政元素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，增強學(xué)生的歷史使命感。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《智能工廠集成技術(shù)》課程教學(xué)目標(biāo)對智能制造工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度1.工程知識1.4能夠?qū)I(yè)知識用于智能制造相關(guān)復(fù)雜工程問題解決方案的比較、綜合和交流。課程目標(biāo)1：理解智能工廠集成的基本概念、理論基礎(chǔ)；掌握智能工廠集成的體系架構(gòu)，常用數(shù)據(jù)通信方式，硬件設(shè)備間、軟件系統(tǒng)間，以及軟硬件間的集成方法，了解工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全與信息安全的概念，初步具備智能工廠中執(zhí)行與監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)及組成分析能力。M2.問題分析2.3能夠根據(jù)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和機械工程科學(xué)的基本原理，并結(jié)合文獻研究，比較不同的解決方案，以獲得有效結(jié)論。課程目標(biāo)2：掌握智能工廠集成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等數(shù)據(jù)通信技術(shù)，OPC及OPCUA等工業(yè)控制數(shù)據(jù)交換標(biāo)準與接口技術(shù)，SCADA系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟，初步具備工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)分析和設(shè)計能力，能夠?qū)Σ煌桨高M行對比分析，得到合理集成方案。融入思政元素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，增強學(xué)生的歷史使命感。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗對應(yīng)的課程目標(biāo)1.智能工廠集成概論1.1智能工廠內(nèi)涵1.2系統(tǒng)集成的基本概念、目的與作用1.3制造系統(tǒng)集成的三個維度教學(xué)要求：理解智能工廠的內(nèi)涵；了解制造系統(tǒng)集成的目的和作用；掌握制造系統(tǒng)集成的三維度方法。重點：智能工廠的內(nèi)涵。難點：橫向集成、縱向集成和端到端集成的含義。2012.智能工廠系統(tǒng)集成分析2.1智能工廠系統(tǒng)架構(gòu)2.2智能工廠建設(shè)內(nèi)容2.3智能設(shè)備及通訊2.3開放互聯(lián)協(xié)議與關(guān)鍵技術(shù)教學(xué)要求：理解并掌握智能工廠五層系統(tǒng)架構(gòu)劃分方法與功能；熟悉智能工廠建設(shè)內(nèi)容；理解智能設(shè)備開放互聯(lián)協(xié)議，了解智能工廠集成的關(guān)鍵技術(shù)。重點：智能工廠五層系統(tǒng)架構(gòu)劃分方法。難點：理解開放互聯(lián)協(xié)議與關(guān)鍵技術(shù)。4013.智能工廠系統(tǒng)集成方法3.1系統(tǒng)集成需求分析與理論基礎(chǔ)3.2子系統(tǒng)并行集成法3.3OPC系統(tǒng)集成法3.4數(shù)字孿生集成法教學(xué)要求：了解智能工廠常見信息流類型與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需求；理解多維集成空間的表示，集成系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示，基于知識的決策系統(tǒng)等集成理論基礎(chǔ)；掌握子系統(tǒng)并行集成法，OPC系統(tǒng)集成法和數(shù)字孿生集成法。重點：子系統(tǒng)并行集成法，OPC系統(tǒng)集成法和數(shù)字孿生集成法。難點：數(shù)字孿生集成法。2014.系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)通信技術(shù)5.1數(shù)據(jù)通信概述5.2通用串行通信5.3現(xiàn)場總線技術(shù)5.4SCADA系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)5.5工業(yè)以太網(wǎng)教學(xué)要求：了解系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)傳輸方式和傳輸介質(zhì)；掌握Modbus串行通信協(xié)議；掌握現(xiàn)場總線的概念，了解CAN、Profibus等常見現(xiàn)場總線種類與特點；熟悉TCP/IP協(xié)議標(biāo)準；了解工業(yè)以太網(wǎng)概念，初步掌握組網(wǎng)技術(shù)。重點：掌握Modbus串行通信協(xié)議；工業(yè)以太網(wǎng)概念與組網(wǎng)方法。難點：工業(yè)以太網(wǎng)概念與組網(wǎng)方法。10625.I/O接口與數(shù)據(jù)采集5.1I/O接口概述5.2I/O接口模塊5.3基于PC的數(shù)據(jù)采集5.4基于PLC的數(shù)據(jù)采集教學(xué)要求：理解I/O接口概念及功能；掌握模擬量、數(shù)字量I/O接口模塊功能；熟悉基于PC的數(shù)據(jù)采集方法；掌握基于PLC的數(shù)據(jù)采集方法。重點：模擬量、數(shù)量I/O接口模塊功能。難點：數(shù)據(jù)采集中的I/O控制方式。6226.工業(yè)控制組態(tài)軟件6.1組態(tài)軟件的功能需求6.2組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)成6.3用組態(tài)軟件開發(fā)SCADA系統(tǒng)上位機人機界面6.4控制策略與PID算法教學(xué)要求：了解組態(tài)軟件的功能需求；熟悉組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)成；掌握用組態(tài)軟件進行人機界面開發(fā)方法；了解組態(tài)軟件控制策略，理解并掌握PID控制器參數(shù)整定方法。重點：用組態(tài)軟件進行人機界面開發(fā)方法；PID控制方法。難點：理解并掌握PID控制器參數(shù)整定方法。4027.工業(yè)控制實時數(shù)據(jù)交換標(biāo)準7.1OPC接口及數(shù)據(jù)訪問方法7.2動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）接口技術(shù)7.3ODBC接口技術(shù)教學(xué)要求：掌握OPC接口及開發(fā)應(yīng)、API網(wǎng)關(guān)的設(shè)計開發(fā)、動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）接口技術(shù)等數(shù)據(jù)交換與接口技術(shù)；了解ODBC接口技術(shù)。重點：OPC接口及開發(fā)應(yīng)用；API網(wǎng)關(guān)的設(shè)計開發(fā)。難點：動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）接口技術(shù)。4028.工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全與信息安全8.1功能安全與安全儀表系統(tǒng)8.2工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全8.3工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護教學(xué)要求：了解工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全與安全儀表系統(tǒng)的概念；了解工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全的概念，理解工業(yè)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其脆弱性；熟悉工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護措施。重點：熟悉工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護措施。難點：理解工業(yè)控制系統(tǒng)與IT系統(tǒng)信息安全的不同2029.SCADA系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用案例分析9.1SCADA系統(tǒng)設(shè)計原則9.2SCADA系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟9.3典型集成系統(tǒng)案例分析教學(xué)要求：了解SCADA系統(tǒng)設(shè)計原則；熟悉SCADA系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟；初步具備工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)分析、設(shè)計能力。重點：熟悉SCADA系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟。難點：初步具備工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)分析能力。422合計38102.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.Modbus數(shù)據(jù)通信與分析實驗內(nèi)容：在MThings軟件中進行Modbus-RTU、Modbus-ASCII和Modbus-TCP三種傳輸模式數(shù)據(jù)通信仿真，并進行報文分析，觀察對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)鏈接收發(fā)端數(shù)據(jù)。實驗要求：理解Modbus協(xié)議的查詢與回應(yīng)模式，了解Modbus的三種傳輸模式；掌握Modbus消息幀格式，能夠進行報文分析與報文設(shè)計。222.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析實驗內(nèi)容：IP協(xié)議分析與IPV4數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析；TCP工作原理與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析。實驗要求：通過實驗，學(xué)習(xí)和掌握TCP/IP協(xié)議分析的方法及其相關(guān)工具的使用；熟練掌握TCP/IP體系結(jié)構(gòu)；學(xué)會使用網(wǎng)絡(luò)分析工具；網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層有關(guān)協(xié)議分析。223.局域網(wǎng)組建與配置實驗內(nèi)容：掌握局域網(wǎng)的安裝、配置、測試和使用，并熟悉局域網(wǎng)的常見設(shè)備和傳輸介質(zhì)；掌握IP地址的基本配置和識別。實驗要求：了解局域網(wǎng)的相關(guān)基本知識；掌握局域網(wǎng)的安裝、配置和組成，以及連通性測試及網(wǎng)絡(luò)工具軟件的使用；224.基于PC的數(shù)據(jù)采集實驗內(nèi)容：使用PC機對設(shè)備振動、噪聲進行數(shù)據(jù)采集和存儲。實驗要求：了解基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成；掌握A/D采集儀的通道、觸發(fā)、采樣頻率等配置方法。225.混合攪拌SCADA系統(tǒng)組態(tài)仿真實驗內(nèi)容：建立嵌入式組態(tài)液體混合攪拌控制工程實驗要求：掌握定時器的使用，如何實現(xiàn)攪拌功能，了解運行策略如何進行調(diào)試，掌握加熱器的圖元如何實現(xiàn)加熱效果，掌握MCGS組態(tài)軟件和PLC的通信調(diào)試，掌握實時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)與PLC參量的統(tǒng)一設(shè)置，掌握模擬仿真轉(zhuǎn)換為PLC控制時，工程修改的方法。22合計10五、教學(xué)方法及手段本課程充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，讓學(xué)生充分運用學(xué)習(xí)通、中國大學(xué)MOOC等智慧教學(xué)工具，給教學(xué)方法的改革提供保證，培養(yǎng)課前及課后自主學(xué)習(xí)的能力，并效拓展了教學(xué)時空，有利于實現(xiàn)變教師為主為師生、生生互動研討式的教學(xué)模式，有利于開展啟發(fā)式、參與式、討論式教學(xué)。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，借助工業(yè)組態(tài)軟件、嵌入式設(shè)備、PLC實驗臺等設(shè)備，通過啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生智能工廠系統(tǒng)集成領(lǐng)域的基本理論、基本知識和基本應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在實驗前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實驗有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認真閱讀實驗指導(dǎo)書；在實驗中要嚴格遵守實驗紀律，按操作規(guī)程使用儀器；實驗結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源1.教材：（1）王華忠．《工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用——SCADA系統(tǒng)篇》．電子工業(yè)出版社，2021.04．2.參考書：（1）胡成飛．《智能制造體系構(gòu)建：面向中國制造2025的實施路線》．機械工業(yè)出版社．2017.06．（2）范君艷．《智能制造技術(shù)概論》．華中科技大學(xué)出版社．2019.04．（3）譚建榮．《智能制造：關(guān)鍵技術(shù)與企業(yè)應(yīng)用》．機械工業(yè)出版社．2017.05．（4）張映峰．《智能物聯(lián)制造系統(tǒng)與決策》．機械工業(yè)出版社．2018.09．（5）杜明芳．《智能建筑系統(tǒng)集成》（第二版）．中國建筑工業(yè)出版社．2021.09．3.期刊：（1）EnvironmentalResearch[J].ISSN0013-9351.AcademicPressInc.（2）Energies[J].ISSN1996-1073.MDPI(Basel,Switzerland).（3）中國機電工業(yè)[J].ISSN1002-977X.中國機械工業(yè)聯(lián)合會.（4）中國機械工程[J].ISSN1004-132X.中國機械工程學(xué)會.（5）中國管理信息化[J].ISSN1673-0194.吉林科學(xué)技術(shù)出版社有限責(zé)任公司.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）智能工廠全面解讀．/report/2015intelligent/2015intelligent.html（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)．/n973401/n5993937/index.html七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標(biāo)12過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分；（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?4實驗20（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√1010平時作業(yè)20（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績；（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?28期末測試50（1）期末測試總分100分，以成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績；（2）主要考核智能工廠集成的基本概念與理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)集成方法，系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與接口技術(shù)等內(nèi)容?！獭?525合計：100分5347考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、平時作業(yè)、期末測試等方式對學(xué)生進行考核評價。考核基本要求：本課程成績由過程性考核成績組成。其中：課堂表現(xiàn)10%、實驗20%、平時作業(yè)20%、期末測試50%。過程性考核成績?yōu)?00分。2.過程性考核成績的標(biāo)準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標(biāo)準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標(biāo)準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)10筆記完整，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。筆記完整，認真參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于80%。筆記不完整，偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于70%。上課不認真，上課不記筆記，偶爾參與教學(xué)活動。上課不認真，上課不記筆記，不參與教學(xué)活動。平時作業(yè)20作業(yè)完整，思路清晰，準確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準確率大于80