《智能工厂集成技术》教学大纲

《智能工厂集成技术》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：01150631课程性质：专业选修课学分：3学分学时：48学时（其中：理论40学时，实验8学时）先修课程：智能制造工程导论、智能生产系统建模与仿真等后续课程：智能制造创新能力训练、生产实习、毕业设计等适用专业：智能制造工程开课单位：机械工程学院 一、课程说明《智能工厂集成技术》是智能制造工程专业本科学生的专业选修课。本课程主要针对机械制造业智能工厂的不同设备、技术、功能间系统纵向集成问题，讨论如何把现场层、控制层、车间管理层有机整合在一起，包括智能工厂集成技术的基本理论、集成方法和关键集成技术。通过本课程的学习，使学生掌握智能工厂集成的基本概念与理论基础，系统集成方法，系统集成的数据通信技术，智能控制技术、数据交换与接口技术等内容，提高学生在智能工厂实施过程中的系统集成能力以及企业组织、技术、流程、模式、数据的调研和分析能力。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：理解智能工厂集成的基本概念、理论基础；掌握智能工厂集成的体系架构，常用数据通信方式，硬件设备间、软件系统间，以及软硬件间的集成方法，了解工业控制系统功能安全与信息安全的概念，初步具备智能工厂中执行与监控系统体系架构分析能力。课程目标2：掌握智能工厂集成的工业网络、现场总线等数据通信技术，OPC及OPCUA等工业控制数据交换标准与接口技术，SCADA系统设计与开发步骤，初步具备工业监控系统分析和设计能力，能够对不同方案进行对比分析，得到合理集成方案。融入思政元素，激发学生的学习动力，增强学生的历史使命感。三、课程目标与毕业要求《智能工厂集成技术》课程教学目标对智能制造工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.4能够将专业知识用于智能制造相关复杂工程问题解决方案的比较、综合和交流。课程目标1：理解智能工厂集成的基本概念、理论基础；掌握智能工厂集成的体系架构，常用数据通信方式，硬件设备间、软件系统间，以及软硬件间的集成方法，了解工业控制系统功能安全与信息安全的概念，初步具备智能工厂中执行与监控系统体系架构及组成分析能力。M2.问题分析2.3能够根据数学、自然科学和机械工程科学的基本原理，并结合文献研究，比较不同的解决方案，以获得有效结论。课程目标2：掌握智能工厂集成的工业网络、现场总线等数据通信技术，OPC及OPCUA等工业控制数据交换标准与接口技术，SCADA系统设计与开发步骤，初步具备工业监控系统分析和设计能力，能够对不同方案进行对比分析，得到合理集成方案。融入思政元素，激发学生的学习动力，增强学生的历史使命感。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验对应的课程目标1.智能工厂集成概论1.1智能工厂内涵1.2系统集成的基本概念、目的与作用1.3制造系统集成的三个维度教学要求：理解智能工厂的内涵；了解制造系统集成的目的和作用；掌握制造系统集成的三维度方法。重点：智能工厂的内涵。难点：横向集成、纵向集成和端到端集成的含义。2012.智能工厂系统集成分析2.1智能工厂系统架构2.2智能工厂建设内容2.3智能设备及通讯2.3开放互联协议与关键技术教学要求：理解并掌握智能工厂五层系统架构划分方法与功能；熟悉智能工厂建设内容；理解智能设备开放互联协议，了解智能工厂集成的关键技术。重点：智能工厂五层系统架构划分方法。难点：理解开放互联协议与关键技术。4013.智能工厂系统集成方法3.1系统集成需求分析与理论基础3.2子系统并行集成法3.3OPC系统集成法3.4数字孪生集成法教学要求：了解智能工厂常见信息流类型与数据转换需求；理解多维集成空间的表示，集成系统的神经网络表示，基于知识的决策系统等集成理论基础；掌握子系统并行集成法，OPC系统集成法和数字孪生集成法。重点：子系统并行集成法，OPC系统集成法和数字孪生集成法。难点：数字孪生集成法。2014.系统集成的数据通信技术5.1数据通信概述5.2通用串行通信5.3现场总线技术5.4SCADA系统中的网络技术5.5工业以太网教学要求：了解系统常用的数据传输方式和传输介质；掌握Modbus串行通信协议；掌握现场总线的概念，了解CAN、Profibus等常见现场总线种类与特点；熟悉TCP/IP协议标准；了解工业以太网概念，初步掌握组网技术。重点：掌握Modbus串行通信协议；工业以太网概念与组网方法。难点：工业以太网概念与组网方法。10625.I/O接口与数据采集5.1I/O接口概述5.2I/O接口模块5.3基于PC的数据采集5.4基于PLC的数据采集教学要求：理解I/O接口概念及功能；掌握模拟量、数字量I/O接口模块功能；熟悉基于PC的数据采集方法；掌握基于PLC的数据采集方法。重点：模拟量、数量I/O接口模块功能。难点：数据采集中的I/O控制方式。6226.工业控制组态软件6.1组态软件的功能需求6.2组态软件系统构成6.3用组态软件开发SCADA系统上位机人机界面6.4控制策略与PID算法教学要求：了解组态软件的功能需求；熟悉组态软件系统构成；掌握用组态软件进行人机界面开发方法；了解组态软件控制策略，理解并掌握PID控制器参数整定方法。重点：用组态软件进行人机界面开发方法；PID控制方法。难点：理解并掌握PID控制器参数整定方法。4027.工业控制实时数据交换标准7.1OPC接口及数据访问方法7.2动态数据交换（DDE）接口技术7.3ODBC接口技术教学要求：掌握OPC接口及开发应、API网关的设计开发、动态数据交换（DDE）接口技术等数据交换与接口技术；了解ODBC接口技术。重点：OPC接口及开发应用；API网关的设计开发。难点：动态数据交换（DDE）接口技术。4028.工业控制系统功能安全与信息安全8.1功能安全与安全仪表系统8.2工业控制系统信息安全8.3工业控制系统安全防护教学要求：了解工业控制系统功能安全与安全仪表系统的概念；了解工业控制系统信息安全的概念，理解工业控制系统体系结构及其脆弱性；熟悉工业控制系统安全防护措施。重点：熟悉工业控制系统安全防护措施。难点：理解工业控制系统与IT系统信息安全的不同2029.SCADA系统设计与应用案例分析9.1SCADA系统设计原则9.2SCADA系统设计与开发步骤9.3典型集成系统案例分析教学要求：了解SCADA系统设计原则；熟悉SCADA系统设计与开发步骤；初步具备工业监控系统分析、设计能力。重点：熟悉SCADA系统设计与开发步骤。难点：初步具备工业监控系统分析能力。422合计38102.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.Modbus数据通信与分析实验内容：在MThings软件中进行Modbus-RTU、Modbus-ASCII和Modbus-TCP三种传输模式数据通信仿真，并进行报文分析，观察对应网络链接收发端数据。实验要求：理解Modbus协议的查询与回应模式，了解Modbus的三种传输模式；掌握Modbus消息帧格式，能够进行报文分析与报文设计。222.TCP/IP网络协议分析实验内容：IP协议分析与IPV4数据结构分析；TCP工作原理与数据结构分析。实验要求：通过实验，学习和掌握TCP/IP协议分析的方法及其相关工具的使用；熟练掌握TCP/IP体系结构；学会使用网络分析工具；网络层、传输层和应用层有关协议分析。223.局域网组建与配置实验内容：掌握局域网的安装、配置、测试和使用，并熟悉局域网的常见设备和传输介质；掌握IP地址的基本配置和识别。实验要求：了解局域网的相关基本知识；掌握局域网的安装、配置和组成，以及连通性测试及网络工具软件的使用；224.基于PC的数据采集实验内容：使用PC机对设备振动、噪声进行数据采集和存储。实验要求：了解基于PC的数据采集系统构成；掌握A/D采集仪的通道、触发、采样频率等配置方法。225.混合搅拌SCADA系统组态仿真实验内容：建立嵌入式组态液体混合搅拌控制工程实验要求：掌握定时器的使用，如何实现搅拌功能，了解运行策略如何进行调试，掌握加热器的图元如何实现加热效果，掌握MCGS组态软件和PLC的通信调试，掌握实时数据库中数据与PLC参量的统一设置，掌握模拟仿真转换为PLC控制时，工程修改的方法。22合计10五、教学方法及手段本课程充分利用现代信息技术，让学生充分运用学习通、中国大学MOOC等智慧教学工具，给教学方法的改革提供保证，培养课前及课后自主学习的能力，并效拓展了教学时空，有利于实现变教师为主为师生、生生互动研讨式的教学模式，有利于开展启发式、参与式、讨论式教学。在实验教学环节中，借助工业组态软件、嵌入式设备、PLC实验台等设备，通过启发式教学、讨论式教学培养学生智能工厂系统集成领域的基本理论、基本知识和基本应用。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.教材：（1）王华忠．《工业控制系统及应用——SCADA系统篇》．电子工业出版社，2021.04．2.参考书：（1）胡成飞．《智能制造体系构建：面向中国制造2025的实施路线》．机械工业出版社．2017.06．（2）范君艳．《智能制造技术概论》．华中科技大学出版社．2019.04．（3）谭建荣．《智能制造：关键技术与企业应用》．机械工业出版社．2017.05．（4）张映峰．《智能物联制造系统与决策》．机械工业出版社．2018.09．（5）杜明芳．《智能建筑系统集成》（第二版）．中国建筑工业出版社．2021.09．3.期刊：（1）EnvironmentalResearch[J].ISSN0013-9351.AcademicPressInc.（2）Energies[J].ISSN1996-1073.MDPI(Basel,Switzerland).（3）中国机电工业[J].ISSN1002-977X.中国机械工业联合会.（4）中国机械工程[J].ISSN1004-132X.中国机械工程学会.（5）中国管理信息化[J].ISSN1673-0194.吉林科学技术出版社有限责任公司.4.网络资源：（1）智能工厂全面解读．/report/2015intelligent/2015intelligent.html（2）工业互联网．/n973401/n5993937/index.html七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分；（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√64实验20（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩；（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√1010平时作业20（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩；（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√128期末测试50（1）期末测试总分100分，以成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩；（2）主要考核智能工厂集成的基本概念与理论基础，系统集成方法，系统集成的数据通信技术，智能控制技术、数据交换与接口技术等内容。√√2525合计：100分5347考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、平时作业、期末测试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：本课程成绩由过程性考核成绩组成。其中：课堂表现10%、实验20%、平时作业20%、期末测试50%。过程性考核成绩为100分。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现10笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，上课不记笔记，偶尔参与教学活动。上课不认真，上课不记笔记，不参与教学活动。平时作业20作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80