基于CPS的远程实验室框架

第12章 信息物理系统集成平台作为 自动化工程中通用远程实验室的框 架

12.1 引言

远程实验室在全球范围内的教育领域中被广泛使用，同时也应用于工程和技术培训。然而，研究表明，远程实验室通常是复杂的专有系统，需要高昂的开发成本，而这些成本几乎无法通过商业用途收回（Seiler 2013年）。其原因包括：
- 缺乏可重复性和互操作性。
- 外部方的可用性受限。
- 接口和组件缺乏标准。

远程实验室的开发工作几乎完全集中在大学和技术大学，而企业投资微乎其微，这导致了各种不同的远程实验室结构被临时搭建，这些结构往往仅服务于开发的技术大学的特定利益。

没有足够高的企业参与水平，远程实验室的标准化就无法合理预期取得可持续进展。

一种新方法旨在通过使用网络技术领域的新方法来至少提高外部各方的可重复性和可用性，例如引入用于实验室功能的Web服务（Caminero 等人 2014）或采用混搭应用、小 gadgets 和OpenSocial 小部件等技术（Tawfik 等人2014）。但同样地，在实际中仍未考虑工业标准。成果再次表现为非常特定部分且复杂的基于网页的解决方案，外部各方难以复制。这些解决方案仍局限于学术开发者领域。对于新的特定部分LaaS（作为服务的实验室）接口的标准化也因分布有限以及缺乏企业/工业支持而被忽视。

如果从自动化技术领域的角度来看待这一问题，实际情况是：在自动化技术中的实践性实验任务大多是在普通工业系统上进行的，即用于特定行业生产自动化的系统。这些系统作为实验室设备直接使用，或以组件形式（有时也经过修改）使用。这同样影响到相应的控制与操作软件，这些软件也必须具有兼容性（例如 WinCC、 LabView、 WebFactory）。原则上，这些系统特别是过程控制（SCADA）和操作（HMI）系统，也可以用于调用远程实验室。目前，大多数此类系统已支持通过互联网进行远程访问，并包含调用远程实验室所需的全部要素（如可视化、网络摄像头、过程数据访问、文本字段等）。然而，以下因素目前阻碍了它们在教学用远程实验室中的应用：
- 许可费用高昂，且远程客户端数量有限。
- 无法为匿名用户（学习者）提供访问和管理功能。
- 迄今为止，只有少数系统提供无限制的网页功能。

因此，特定部分和专有远程实验室已在自动化技术领域以高昂的成本开发出来，但它们的应用范围有限，如上所述。这方面的示例可参见 Langmann（2011年）和Coquard etal.（2008年）。

12.2 动机

自2012年以来，生产自动化领域引入了诸如工业4.0（国家科学与工程院 2013）、工业互联系统（Evans和Annunziata 2012）以及信息物理生产系统（CPPS）（VDI/VDE‐GMA2013）等新范式，这为自动化技术在远程实验室中直接利用基于网页的新技术和网络化工业技术提供了越来越好的机会，并且无需为教育用途进行大规模修改。实现这一点的一个基本前提是基于信息物理系统的自动化系统的未来结构，如图 12.1所示。

根据VDI/VDE‐GMA（2013），信息物理系统是指通过开放的、部分全球性的信息网络将真实的（物理的）对象和过程与信息处理（虚拟的）对象和过程相连接，并始终保持相互连接的系统。例如，配备了本地智能并通过 IP网络实现全球联网的自动化设备，可被视为信息物理系统组件。在另一种变体中，这些信息物理系统组件还可依据工业4.0参考架构模型（RAMI）（Hankel 2016）被构建成工业4.0（I40）组件。Langmann和 Rojas‐Pena（2016）给出了将PLC控制作为I40组件的一个示例。

如果从图 12.1的角度来看待与自动化相关的远程实验室，并且此类远程实验室同时构建了作为信息物理系统的远程实验室服务和设备组件，那么我们也可以如图 12.1所示，使用基于CPPS的自动化系统来搭建远程实验室。

然而目前仍存在一个问题：图12.1所示的新型自动化结构是面向未来的愿景。目前市场上尚无实现基于信息物理系统的自动化和服务导向型自动化的可应用系统。图12.2所示的情况是基于使用行业标准应用系统来构建远程实验室。

到目前为止，自动化技术中的应用系统特性与远程实验室的全球联网（互联网连接）需求之间一直存在巨大差距。然而，随着基于信息物理系统（CPS）的新一代应用系统的出现，这一差距正在缩小，行业标准应用系统越来越多地可用于构建教学型远程实验室。目前，首批支持CPS和面向服务的自动化的、具备应用条件的系统正在推向市场或已准备就绪。这类系统当前主要表现为平台和门户，被称为物联网（IoT）平台或工业物联网（IIoT）

物联网）平台。这些平台已经具备了构建远程实验室所必需的基本特性：
- 使用网络技术进行一致的实施，并无缝集成到网络世界中。
- 功能系统的开发在网页浏览器中进行，无需额外的软件或插件。
- 部分功能已经可以作为服务使用。

使用这些系统构建远程实验室，新的远程实验室也可称为工业4.0远程实验室。

12.3 技术现状

在本文的引言部分，我们已经探讨了远程实验室领域的通用部分技术现状。特别是，需要考察物联网领域的现有解决方案在构建自动化技术远程实验室中的适用性。表12.1 列出了一些目前可用的物联网系统，这些系统在技术上可用于创建远程实验室。

物联网平台	配和置可操作性	设备连接/集成	第三方
ThingWorx	详细说明，培训 必需	可能，但复杂	是，通过 ThingWorx 市场
Bolt IoT	面向复杂, 开发者	仅通过特殊的 Bolt Card	是，通过 HTML 和 JavaScript
Carriots	详细说明，培训 必需	可能，但通过以下方式复杂 REST API	是的，通过特殊API
Ayla	详细说明，培训 必需	仅通过特殊“设计 kit”	No
所有内容 IoT	复杂的， 编程 必需	可能，通过树莓派	是的，通过SDK
Grove 流	详细说明，培训 必需	可能，通过树莓派	是的，通过特殊API
博世工业物联网	到目前为止仅产品公告（截至：2016年10月）	到目前为止仅产品公告（截至：2016年10月）	到目前为止仅产品公告（截至：2016年10月）
Zatar	详细说明，培训 通过 必需	可能，通过专用工具 kit	是，通过 REST API

•将带有自动化接口（例如 OPC、Modbus）的设备进行集成非常复杂，甚至根本无法实现。
•现有服务（功能）不足以满足自动化需求。扩展自有服务十分复杂或无法实现。
•所有系统均按照云计算模型收费，即需支付月费和/或按使用量计费的服务费用。这对公共教育机构而言既困难又昂贵。
•这些平台仅由提供商自行运营，不支持用户搭建和操作自己的平台。

如表12.1所示，所测试的系统也并非面向培训目的，而是面向工业应用。截至目前，在现有技术中尚未描述将此类物联网平台用于建立用于教育的远程实验室。

其中一个例外是物联网平台 IoTool（2016）。该系统也被称为智能手机作为物联网网关，面向学术培训与教学，可用于各种传感器应用的远程实验的设计与运行。然而，这是一个具有非开放设备接口的专有系统，其自身功能系统的配置及整个系统的使用成本相对较高。IoTool 也无法通过用户自己的的服务或功能进行扩展。

然而，在2011年至2014年期间，创建了一个基于Web的平台原型，该平台能够将全球分布的服务以及全球分布的信息物理系统组件（设备组件）集成到一个功能系统中。这是在研发项目“架构与接口”框架内完成

Web导向自动化系统（WOAS）”，并有十家公司参与（Langmann和 Meyer 2013年）。在此过程中，该功能系统是用于技术过程自动化的系统还是远程实验室并不重要。所开发的平台称为工业物联网平台WOAS（简称 WOAS门户），其工作原理本质上是一个CPS集成平台，从而作为生成新的用户特定功能系统的框架（Langmann和Jacques 2016年）。WOAS门户可供教育用途免费使用。应要求，教育机构可获得管理员访问权限（可配置新的远程实验室）以及用户访问权限（可使用新的远程实验室）。此外，教育机构也可选择自行运营其WOAS门户。该门户可通过软件容器轻松迁移。

本文将阐述利用WOAS门户作为创建用于自动化技术培训的用户特定的远程实验室的框架，并通过三个示例进行说明。

12.4 概念

对于基于信息物理系统的自动化，自动化设备（控制器、传感器、执行器等）在添加相应的接口到IP网络后，可被视为信息物理系统组件。因此（ Langmann 2014a, b），这形成了如图 12.3所示的不同自动化设备（AD）的信息物理系统结构。虚拟设备（VD）将实际设备映射到虚拟世界中，作为信息物理系统组件与分布在网络中的服务之间的接口。

虚拟设备用于通过基于事件的通道，以统一的方式将自动化设备的过程数据映射为适合网页或互联网的对象，并在网页浏览器中提供。通过集成的协议或设备网关，任何工业接口（OPC、Modbus TCP等）都可以在IP网络中提供。对于虚拟设备与自动化设备之间的数据传输，一个

开发了一种简单且实用的WOAS设备协议，该协议通过HTTP利用JSON（ JavaScript对象表示法）作为过程数据传输的数据格式。

协议或设备网关可以描述如下：
- WOAS协议网关（WPG）实现了将WOAS设备协议转换为与真实自动化设备通信所需的工业协议。WPG可以作为虚拟设备中的直接组件，以 JavaScript协议转换器的形式存在，也可以在外部硬件（工业计算机、嵌入式服务器）上实施。
- WOAS设备网关（WDG）是允许实施一个或多个 WPG的外部硬件。如果使用工业计算机，其他必需的设备/协议驱动程序（例如OPC服务器）也可以安装在WDG上。

区分了三种类型的虚拟设备，以适应不同的设备条件和工业协议，它们在集成到WOAS门户的方式上尤其不同：
- 虚拟设备类型1：这些虚拟设备已作为插件在WOAS服务器中实现（内部虚拟设备），并直接将内核调用转换为所需设备协议的信息。如果自动化设备已经具备合适的IP接口（例如OPC UA）或内部协议网关，则此种方式具有优势。
- 虚拟设备类型2：虚拟设备包含一个独立的JavaScript协议网关，用于将WOAS协议命令转换为所需的工业协议/设备接口。
- 虚拟设备类型3：虚拟设备与外部设备网关进行通信，通常通过WebSocket与虚拟设备连接，并通过该网关交换WOAS设备协议消息。也可使用其他协议进行通信。

图 12.3展示了自动化设备通过WOAS门户中各种虚拟设备类型进行连接的不同类型。虚拟设备与协议网关或设备网关共同为作为信息物理系统接口的自动化/实验室设备形成一个web连接器。由于实验室设备也适用于自动化技术远程实验室，因此信息物理系统组件也可以完全相同地用于远程实验室，如图 12.3 所示。

各种自动化功能，例如HMI元素、实时趋势和云分布式网络摄像头服务，已在WOAS项目中作为自动化服务开发完成（图12.1）。这些服务也可直接用于远程实验室。此外，如果需要特定部分的远程实验室服务（例如远程桌面服务），则可根据WOAS开发指南，毫无问题地将其集成到工业物联网平台WOAS中。杜塞尔多夫自动化能力中心（2014a, b）详细描述了开发新虚拟设备的WOAS指南以及新服务的相关内容。因此，创建一个新的远程实验室包括以下步骤： 在实验室设备中安装合适的Web连接器，以使其与信息物理系统兼容。

表12.2 自动化服务类型

服务 type	网页浏览器	输入/输出	功能	示例
类型1	No	输入 OR (输入 和输出)	实算施法的实施	处测量，值数据 归档，序列 控制
类型2	Yes	输入	过可程视数化据	实时趋势，
类型3	Yes	输出或 （输出和输入）	操作 过程数据	滑块、开关、键盘
类型4	Yes	输入和输出	操作和 过可程视数化据	人机界面，报警处理
类型5	Yes	–	评估 历史数据	趋势分析，报警

在

过程数据

分析

• 检查WOAS门户中提供的服务是否足以满足远程实验室的需求。如果需要补充服务，则必须使用网络技术新开发这些服务，保存在任意服务器上，并集成到平台的服务目录中。
• 在WOAS门户中配置远程实验室时考虑教育原则。此处的配置完全在网页浏览器中进行。

对于简单远程实验和远程实验室，无需额外的特定软件开发。只需在浏览器中配置新的远程实验室即可。

开发工具包随附示例和相应文档，可用于开发新服务，例如用户特定的远程实验室。通过将新服务复制到WOAS门户的服务目录中，即可轻松实现新服务与系统的集成（类似于通过新增模块来扩展Moodle学习管理系统）。

为了将自动化功能作为服务使用，它们在WOAS系统中根据各自所需的过程数据被划分为五种服务对象类型（表12.2）。与传统的Web服务不同，WOAS门户中的自动化服务可以在服务器端、客户端或混合运行版本中使用。客户端技术（例如混搭应用）可以与服务器端技术（Web服务）相结合。

统一且实用的接口为第三方设备和服务在WOAS门户中的简单扩展和集成奠定了基础，这些接口对设备和服务均免费开放，因此可由第三方使用

双方。这两个接口（设备、服务）非常相似，均基于面向对象的JavaScript调用接口、 基于事件的数据处理以及用于传输过程数据的通道概念（Langmann和Meyer 2013年）。

12.5 实施

下面将更详细地描述使用工业物联网平台WOAS实现远程实验室的过程。通过三个示例揭示并展示了当前可用平台的功能。

12.5.1 工业物联网平台WOAS

工业物联网平台WOAS（WOAS门户）是一个支持客户端且基于角色的网页门户，可用于将服务和设备相互连接（Langmann 和 Meyer 2013年）。该平台的实施采用HTML5、Java、JavaScript（JS）、PHP 和 MySQL 数据库实现。核心组件之间的数据传输通过 WebSocket（WS）和 JSON 进行。为此使用了可免费获得的 jWebsocket 服务器以及额外开发的插件。远程实验室通过配置过程使用 WOAS创建器（=编辑模式下的 WOAS 门户）创建。

图12.4的左侧区域包含用于用户特定工作区/视图的导航器；中间区域显示创建器的工作区；右侧部分包含服务的参数设置菜单。底部区域包含用于服务和虚拟设备的附加选项卡。远程实验室在平台中以 WORKSPACE 形式表示，包含数量可变的 VIEWs（网站）。

所见即所得（WYSIWYG）的人体工程学原则已被应用于操作创建器。配置窗口中没有复杂的菜单栏和难以理解的图标，仅根据可见上下文显示少数控制元素。

WOAS门户是公开的，可在 http://woas.ccad.eu 下使用。根据杜塞尔多夫自动化能力中心（2014b）所述，在平台的用户手册中可找到用于配置（例如新建远程实验室）的公共管理员访问权限（guest admin）。目前，可以无需额外 effort 即可配置任何远程实验室。这些远程实验室使用由CCAD（ http://www.ccad.de）提供的系统（模型车装配系统、带转台的加工站）作为实验设备（Langmann 和 Jacques 2016）。在WOAS门户中，用户以不同的角色进行操作：
- Company：管理员和用户可以在WOAS门户中为客户（例如大学）定义。管理员拥有相应的权限

通过创建器配置客户特定的功能系统（例如远程实验室）。企业用户（例如学生）可通过其网页浏览器访问并使用这些远程实验室。
- 发布者：在WOAS门户中，发布者有权将新的自动化服务集成到服务目录中。
- 制造商：制造商有权将新的设备类别集成到门户中，并在创建器中描述通用设备部分。

WOAS门户中的角色可以进行精细调整。例如，特定部分的服务可以专门分配给相应的公司。因此，第三方开发的服务和设备只能提供给特定的用户组。公共教育机构可以通过工业物联网平台WOAS的主页（ http://woas.ccad.eu）免费申请公司的账户。

通常，教育机构也可以自行托管WOAS门户用于培训目的。WOAS门户在HTML5和WebSocket技术上的统一实施以及“响应式”设计，使得整个系统独立于客户端计算机。移动设备（智能手机、平板电脑）的网页浏览器也可以作为WOAS门户中远程实验室的运行/编辑环境。然而，由于在特定情况下，WOAS远程实验室以“富”客户端形式运行，因此需要客户端具备相应的CPU性能水平，而移动设备并不总是满足这一要求。

表12.3 用于将带工业接口的实验室设备连接到WOAS门户的可用Web连接器（FBD – 功能块 图）

接工业口	实施	通信	图12.3）	参考值）
OPC DA	JS/Java	WS	3	80 毫秒
Modbus TCP	JS/PHP	WS	3	200 毫秒
IEC 61131	JS/FBD	WS	2	40 毫秒
瓦频陶率尔 转换器 (propri‐ etary)	JS/Java	WS	1	250 毫秒

类型（见

响应时间（测量

12.5.2 实验室设备作为CPS组件

为了将带有工业接口的实验室设备作为信息物理系统组件连接到网页，目前可使用不同的Web连接器（表12.3）。第三方可通过这些Web连接器轻松地将其实验室设备集成到WOAS门户中。有关Web连接器安装的信息可在相应的文档中找到。关于每台设备访问时间响应的详细信息见表 12.3 ，详见 Langmann（2014a, b）。

大多数用作实验室设备的自动化设备已经具有OPC和/或Modbus TCP接口。因此，将这些设备集成到WOAS门户中并用于远程实验室特别容易。仅需两个步骤：
- 在安装了相关OPC服务器的本地个人计算机上安装Web连接器软件。对于 Modbus TCP，可在嵌入式设备（例如使用Linux的设备）上进行安装。
- 指定一个公共IP地址以访问Web连接器。

创建远程实验室的所有后续工作都涉及在WOAS门户中进行配置。为了集成新的工业接口或第三方的专有通信协议，已通过两个特殊的虚拟设备类实现了对WOAS门户的访问。12.4展示了这两个VD类的主要特性。

根据 Node‐RED（2016年），Node‐RED 的所有节点都可以通过相应的流程集成到 WOAS门户。这使得可以通过图形化配置的 Node‐RED 流程快速创建新的设备协议，作为协议网关。迄今为止，已使用专有设备协议测试了 Modbus TCP 流程以及用于 I/O 设备（带数字和模拟输入）设备连接的流程。

表12.4 用于将任何设备协议集成到WOAS门户的可用虚拟设备类

VD类	Web 协议	通信	T（y见pe图 12.3）	描述
用于VD的 Node‐RED	WOAS设备 协议	WS	3	使用Node‐RED 作为一种通用的 协议网关
MQTT虚拟设备	MQTT	WS	3	支持从WOAS门户访问 从WOAS 门户到任何 MQTT 代理

MQTT虚拟设备允许将来自MQTT代理的任何数据用于WOAS应用。然而，相应的设备（实验设备）必须将其过程数据发布到MQTT代理中。目前这尚无统一标准，但随着物联网的普及，已有合适的网关可用于将设备数据发布到MQTT代理中。一些首批I/O模块（例如WISE‐5231）已具备原生 MQTT访问功能。

为了在远程实验中使用智能手机传感器，可从WOAS门户主页（资源部分）下载一个应用程序，该应用程序可将选定传感器的测量值实时发布到任何MQTT代理上。因此，可以利用智能手机传感器轻松快速地实现面向技术和物理培训的远程实验（Langmann和Ferfers2014）。原则上，可使用支持各种协议的设备来搭建远程实验室。

第12章 信息物理系统集成平台作为 自动化工程中通用远程实验室的框 架（续）

12.6 远程实验室服务

工业物联网平台WOAS采用服务范式来实现所需的功能（Langmann和 Jacques 2016年）。所需的服务接口通过数据模型和服务调用接口实现了良好的结构化和清晰性，使得第三方提供商能够提供更多的服务。从系统配置人员的角度来看，一个服务始终包含两个描述部分：
- 通用部分：此部分由服务提供商（发布者）定义。包括服务名称、版本、IP地址和描述等信息。
- 特定部分：此部分由用户在远程实验室的配置过程中定义。包括可视化参数和过程数据分配等信息。

目前，WOAS门户提供了50项服务用于远程实验室的配置。表12.5说明了其中的一些示例。

服务名称	描述
16段显示器	用于以7段形式显示数值的显示元素 指示器
饼图	以饼图形式显示最多5个过程数据
LED	使用可参数化图像的数字显示元件，用于 可视化1/0
角位仪表	用于显示模拟过程数据的测量仪器
模拟显示	带报警信息的过程数据动态文本显示
条形图	模拟过程值的条形图显示
表格显示	以表格形式动态显示过程数据，并具有交互性 可写过程数据的输入
开关	使用可参数化图像的带反馈开关 开关位置的可视化
滑块	用于输入模拟过程值的滑动控制
Knob	用于输入模拟过程值的旋转旋钮
旋转开关	用于最多8个数字和/或模拟过程的切换开关 data
HTML编辑器	用于集成HTML元素（文本、图像、表格）的HTML编辑器 等）整合到WOAS视图中

服务接口，可以作为WOAS概念中的一项服务来实现。以下将详细描述远程实验室所需的一些更为复杂的服务。

12.6.1 网络摄像头

网络摄像头服务实现了从视频服务器传输视频流的功能，采用HTML5视频流技术。客户端无需安装特殊的视频播放器，任何支持HTML5视频流的服务器均可作为视频服务器使用，例如在树莓派上实现的视频服务器（JSMPG2016）。通过使用HTML5流媒体技术，WOAS视图中的视频图像可以轻松地与其他动态服务（如不同的显示组件）叠加，因此利用WOAS门户非常容易配置增强现实应用程序。示例见图12.5。

12.6.2 实时绘图器

绘图服务（图12.6）允许同时实时显示最多三个过程数据。该服务可通过多种方式参数化，从而可针对相应的测量信号进行最佳适配。可停止实时信号显示，以便更精确地查看和打印特定信号范围。

12.6.3 远程桌面

在远程实验室中，通常需要在实验室现场完全远程访问个人计算机的编程系统。为此可以使用远程桌面服务。这是一种VNC服务，类似于网络摄像头，通过WebSocket使用HTML流，因此也不需要特殊的播放器。该服务使用 NoVNC（2016年），这是一种基于HTML5的远程桌面网页客户端，可通过WebSocket与远程VNC服务器通信。

12.6.4 SVG动画

SVG动画服务可用于使用动态过程数据对任何SVG图形进行动画处理。目前提供八个通道，可用于更改SVG图形中过程数据元素（节点）的可见性、平移、缩放和颜色。此外，SVG图形节点还可以用作交互式输入元件，例如按钮。

12.6.5 大数据存储

大数据存储服务（图 12.7）允许将WOAS应用的过程数据存储在谷歌云中。用户需要拥有相应的谷歌项目账户。通过该服务，过程数据可以近乎无限地长期存储。该服务使用块通道，可实时存储任意VD实例的全部过程数据。目前可使用OPC DA的Web连接器实现此功能（见表 12.3）。

12.6.6 大数据分析

通过大数据存储服务存储的数据可由大数据分析服务进行评估。该服务使用谷歌图表来显示分析结果。除了八个预定义的分析算法外，用户还可以自由配置自己的分析查询。图12.8展示了75名学生在2015/2016年冬季学期期间对远程实验室主要使用时间的一个示例评估。整个学期中系统的所有过程数据变更均被记录下来。

12.6.7 聊天

通过聊天服务，所有已登录用户都可以在WOAS门户中相互交流。这对于设置包含协作学习任务的远程实验室尤其有用。图12.9展示了一个在自动化系统中通过WOAS门户进行远程协作学习的示例（另见下面的示例III）。

12.7 应用示例

在使用WOAS门户进行远程实验室和远程实验的建立与运行时，可将两种类型——开放远程实验室和固定远程实验室——区分如下：

Open Remote Lab ：WOAS门户作为一个开放的工具环境，供学生进行功能系统的配置。作为学习环境，这类似于一个可自由访问的传统实验室工作场所。学生拥有创建所需功能系统的所有可能性。学习任务在相应的教学学习文档中进行描述。导师通过远程协作工具或面对面咨询，在学生进行系统远程操作时提供指导。对于开放远程实验室的学习任务，学生需要以“管理员”身份访问WOAS门户，以及通过网关连接到网络世界的适当实际系统作为CPS组件。自动化技术的典型学习任务示例包括用户界面（人机界面）的开发与测试。

固定远程实验室 ：WOAS门户中的远程实验室呈现为一个预设教学学习环境，学生需要在此环境中通过远程方式在实际系统上完成预定任务。在此场景中，学生仅需以“用户”身份登录WOAS门户即可。

通常，设置一个固定远程实验室环境需要较高的开发工作量和相应的专业知识，这意味着教师不会自行创建和修改此类远程实验室。然而，当使用 WOAS门户作为远程实验室创建的框架时，教师可以在相对较短的时间内自行配置远程实验室，并能够短时间内对其进行调整和修改。为此，他需要以“管理员”身份登录系统。与开放远程实验室相同，所需的实物技术设备和装置通过网关作为信息物理系统组件连接到互联网。

以下三个来自杜塞尔多夫应用技术大学的应用示例旨在说明如何利用工业物联网平台WOAS进行开放和固定远程实验室的设计与运行。

12.7.1 示例 I：基于旋转台的固定远程实验

该示例使用带有旋转台的加工与测试站（图12.10）（Langmann和 Jacques 2016年）。在实验中，要求学生操作位置控制的旋转台，记录并评估角速度和加速度，以及确定测试工位中加工模块的位置。

通过作为信息物理系统接口的Web连接器进行Modbus TCP的过程数据访问，如图 12.10所示。图 12.11显示了在网页浏览器中的远程实验。

在网站上，学生可以使用以下远程实验室服务：
- 旋转台的视频图像。
- 双通道实时绘图仪。该绘图仪可将显示的值保存到客户端个人计算机上。
- 用于设定角速度的旋转旋钮。
- 用于设定位置目标值的滑动控制。

该示例可通过WOAS门户的访客访问公开获取，并可用于例如“驱动技术”课程中。

12.7.2 示例II：基于夹持器手臂的固定远程实验

在一项关于气动技术的实验室测试中，学生需要测量由单作用气动阀控制的夹持器手臂的运动时间，然后提出优化该阀门调节的建议。图12.11显示了需要进行测量的夹持器手臂（图12.12）。

教师现在希望集成一个固定式远程实验。以下为前提条件：
装配站通过OPC网关作为信息物理系统组件连接到互联网，所有传感器和执行器均可访问。已安装网络摄像头。教师以“管理员”身份访问WOAS门户。

在满足这些前提条件的情况下，教师可以在WOAS门户中快速配置远程实验。一项评估表明，熟悉使用WOAS门户的教师大约可在12分钟内创建此远程实验。图12.13显示了WOAS门户中远程实验室的界面。

这表明，当使用WOAS门户作为框架时，可以快速且轻松地设置和使用远程实验室。即使是现有的远程实验室，教师也可以快速修改并根据变化的学习情况进行调整。

12.7.3 示例III：装配站的开放远程实验室

本示例的目标是在“人机通信”课程（自动化技术专业本科第五学期）中将 WOAS门户用作开放远程实验室。在项目任务框架内，学生必须为模型车装配线的工位配置并测试操作面板。图12.14展示了该装配线。每个学习小组为2–5号工位实现一个用于测试和程序操作的操作面板。

对实际系统的工作完全通过相应的访问方式在WOAS门户上远程进行。每个项目组由四名学生组成，他们共同使用一个“管理员”登录账户。在 WOAS门户中规定，最多允许四名管理员同时使用该登录账户（但在不同的工作站上）。

完整装配过程的操作只能通过项目组内学生在远程工作期间的紧密合作来解决。为此，使用了上述聊天服务。每个冬季学期，约有75名学生成功完成该学习任务。例如，图12.15展示了2015/2016年冬季学期一个项目组的成果。

到目前为止，针对所描述的学习任务还没有系统的教学评估。但是，由于上述课程“人机通信”中的考试内容是远程实验室中项目工作的实施和文档编写，因此考试成绩也代表了一种实用评估。学生的平均成绩非常高（ 96分最高分中达到86分），并且通过与学生的多次讨论也得知，他们非常愿意在该远程实验室中进行学习和工作。

12.8 优势与问题

使用工业物联网平台WOAS生成远程实验室具有一系列优势，特别是能够快速建立用户特定的远程实验室以及全球多用户远程实验室系统。这些优势包括：
- 如果远程实验室站点已通过兼容WOAS的Web连接器集成到IP网络中，则特定部分的远程实验室可以在最短时间（几小时）内完成配置和操作，无需特殊知识，仅需使用网页浏览器即可。
- 来自教育机构在网络上提供的远程实验室系统，全球任何用户都可以配置自己的远程实验室，并向自己的学生开放使用。
- WOAS门户已为支付系统做好准备，未来可通过微支付系统对各项服务进行计费。
- 所需的新远程实验室功能，只要被编译为WOAS服务，便可无障碍地集成到 WOAS门户中，从而快速提供给其他用户。这包括此前不可用的针对设备接口的新Web连接器。
- WOAS门户采用HTML5和CSS3开发，具有响应式设计，可在所有浏览器、操作系统和显示尺寸上运行。若仅使用那些不需要浏览器中安装特殊插件（如Java小程序）的服务，则可非常方便地为移动客户端（智能手机、平板电脑等）配置远程实验室。

之前公开的WOAS门户是一个原型，因此其功能尚未优化。仍然存在各种漏洞，但这些问题正在逐步被消除。

典型的远程实验室用户管理的缺失代表了一个更大的问题。迄今为止，远程实验室还没有预约系统，因此目前也无法对学生在远程实验室中的工作成果进行用户特定的评估。由于WOAS门户是作为通用CPS集成平台开发的，并未考虑特定远程实验室的需求，因此平台在结构上也未提供相应的功能。

表12.6 客户端计算机上操作WOAS门户中“演示面板”工作区的CPU负载

客户端计算机	CPU负载 [%]
英特尔酷睿 i7‐3770 中央处理器 @ 3 ,千兆赫, 64位 Windows 7, 8 GB内存, Windows性能指数5.6，（个人计算机）	15 …20
英特尔酷睿 i5‐4300U 中央处理器 @ 1,9 千兆赫, 64位Windows 8, 4GB内存,(Surface平板电脑)	35…40
速龙 3千兆赫，32位Windows 7，4GB内存，Windows性能 指数 4,1，（个人计算机）	55 …65

WOAS门户中的远程实验室是一个“富”客户端应用程序，无论需要使用的动态过程数据量和服务的复杂性如何，都需要客户端计算机具备相应的处理能力。因此，较新的客户端PC和平板电脑几乎不会有任何问题，但较旧的PC可能由于JavaScript程序执行过慢而无法使用。

表 12.6展示了在WOAS门户的访客访问中运行“演示面板”工作区时，客户端（浏览器 =谷歌Chrome）所需的处理能力，其中18个过程数据集以约50毫秒的更新速率进行处理（图形动态可视化）。

12.9 总结与未来工作

作为CPS集成平台，工业物联网平台WOAS支持完全基于浏览器的配置和操作功能系统，该系统由作为CPS组件的技术设备和系统以及相关服务组成。该平台最初为自动化技术应用而开发，也可用于配置和操作通过互联网访问技术设备和系统的应用程序作为远程实验和远程实验室。技术设备的类型通常无关紧要，唯一要求是该设备作为信息物理系统组件连接并可被互联网访问。

作为一个支持多用户且基于角色的平台，WOAS门户允许多个不同的用户设计和操作各种远程实验室。一旦设备池在互联网上可用，它就可以被不同的远程实验室和不同的学生使用。

通过WOAS门户，既可以构建具有预定义教学结构的固定远程实验室，也可以构建开放远程实验室，作为可灵活使用的经典实验工作站的对应方案。

到目前为止，工业物联网平台WOAS仅用于自动化工程中的远程实验室创建。但总体而言，该系统可开放作为所有技术学科远程实验室的通用框架。在这种情况下，可能需要根据特定应用通过一些新服务和新虚拟设备对系统进行扩展。

工业物联网平台WOAS可根据可用的研发资源，通过以下步骤进行更新和扩展：
- 对整个平台进行修订，以修复漏洞并完善缺失的功能（例如在创建新设备实例时的自动刷新）。
- 通过实施准备好的清算系统，实现服务使用精细终止，从而扩展平台。
- 完成针对第三方用户友好集成新服务的计划功能（目前新服务仍需通过文件传输协议上传至WOAS服务器）。
- 编译新服务，例如用于IEC 61131控制程序的运行时机器、报警管理、在Google地图上的过程数据、用于过程数据的Twitter发布服务（这些服务目前已部分测试）。
- 开发用于工业接口的额外Web连接器，特别是针对OPC UA的连接器。
- 进一步利用Node‐RED作为通用网关，并开发更多流程用于远程实验室中。

根据CCAD的可用资源以及可能的合作伙伴和相关方，工业物联网平台 WOAS的一个实例将专门用于学习目的。该平台中的服务和虚拟设备类旨在作为开源项目的一部分发布在互联网上。第三方可以修改这些模块/组件，并为WOAS学习门户开发新服务和设备访问。

此外，应制定一份清单，列出网络中的教育机构提供的技术设施/设备，这些设施/设备可通过WOAS应用使用（创建WOAS设备池）。