引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵載體,是中國(guó)制造2025、互聯(lián)網(wǎng)＋協(xié)同制造戰(zhàn)略布局的重要內(nèi)容。近年來(lái),用人單位對(duì)于畢業(yè)生的實(shí)踐能力要求越來(lái)越高,希望畢業(yè)生有較好的專(zhuān)業(yè)技能,因此職業(yè)院校也逐步開(kāi)設(shè)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè),用于培養(yǎng)具有初步工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技能的學(xué)生,這是國(guó)家發(fā)展的需要,也是工程類(lèi)職業(yè)技能培養(yǎng)的任務(wù)。

1現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),邊緣層OT端設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)化接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),但接入的設(shè)備種類(lèi)較為單一,往往通過(guò)一些傳感器來(lái)模擬信號(hào)或采用仿真信號(hào)來(lái)體現(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源,而且整個(gè)系統(tǒng)中工業(yè)通信協(xié)議也較為簡(jiǎn)單,一般同一種控制器只采用一種工業(yè)通信協(xié)議與工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)采集。在信號(hào)采集方面,現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用傳感器模擬或仿真信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,覆蓋面窄,無(wú)法體現(xiàn)典型工業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)出的場(chǎng)景,且缺少真實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源;此外,只用一種工業(yè)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和考核中局限性較大,學(xué)員無(wú)法在同一種設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多協(xié)議、多途徑的數(shù)據(jù)采集,導(dǎo)致教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和考核效果不佳?；谏鲜鰡?wèn)題,本文提出了一種新型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及層級(jí)關(guān)系

如圖1所示,基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)原理搭建了一套典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),自下而上分別是執(zhí)行單元、控制單元、工業(yè)網(wǎng)關(guān)單元、云基礎(chǔ)設(shè)置、平臺(tái)層和應(yīng)用層,每一層相對(duì)獨(dú)立,又層層關(guān)聯(lián),每一層的連接關(guān)系如下:

(1)執(zhí)行單元覆蓋了工業(yè)上常用的傳感單元、執(zhí)行單元以及能耗監(jiān)測(cè)單元,如智能傳感器、工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)等,是設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)載體和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的對(duì)象。

(2)控制單元含有數(shù)控系統(tǒng)、可編程控制器(PLC)以及人機(jī)界面控制單元,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程的邏輯控制。

(3)工業(yè)網(wǎng)關(guān)單元包含CNC工業(yè)網(wǎng)關(guān)、PLC工業(yè)網(wǎng)關(guān)和OPC網(wǎng)關(guān),可將控制單元的不同類(lèi)型工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)化為MOTT協(xié)議,再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)、wi-Fi、4G、5G方式,將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。

(4)云基礎(chǔ)設(shè)置主要為云端服務(wù)器,包含服務(wù)器的處理器、存儲(chǔ)、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)以及其基本的計(jì)算資源,以便于部署和運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn),采用云端服務(wù)器具有配置靈活性、擴(kuò)展性強(qiáng)和一次性投入成本低等優(yōu)點(diǎn)。

(5)平臺(tái)層基于康尼智聯(lián)云平臺(tái)搭建的云平臺(tái),提供應(yīng)用全開(kāi)放API服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)、機(jī)理模型與算法服務(wù)、容器化服務(wù)、微服務(wù)和海量數(shù)據(jù)接入等核心組件,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)云端業(yè)務(wù)應(yīng)用App的運(yùn)行支撐服務(wù)。

(6)應(yīng)用層提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備接入、數(shù)據(jù)接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模等服務(wù),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、能源管理、設(shè)備地圖、在線考核等功能,幫助用戶(hù)快速學(xué)習(xí)了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),方便教學(xué)。

3系統(tǒng)組成及工藝流程

系統(tǒng)以汽車(chē)零部件皮帶惰輪的加工裝配為教學(xué)案例,通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)上云、組態(tài)設(shè)計(jì)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用。

3.1系統(tǒng)組成

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由原材料庫(kù)單元、CNC加工單元、零件輸送單元、SCARA機(jī)器人單元、裝配及檢測(cè)單元、成品庫(kù)單元、系統(tǒng)氣源及電氣總控單元、數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)控制單元、工業(yè)云平臺(tái)等組成,如圖2所示。

3.1.1執(zhí)行單元

原材料庫(kù)單元作為汽車(chē)零件裝配工藝過(guò)程中的物料存儲(chǔ)模塊,采用工業(yè)鋁型材搭建,主要由基體平臺(tái)、垂直料筒、氣動(dòng)頂料裝置及光電檢測(cè)傳感器等組成。

零件輸送單元主要由傳輸分揀機(jī)構(gòu)、加熱老化機(jī)構(gòu)等組成,可模擬工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中工件傳輸、分揀、加熱老化等過(guò)程。

傳輸分揀機(jī)構(gòu)主要由變頻器驅(qū)動(dòng)的傳輸線、物料檢測(cè)傳感器(電感傳感器、顏色傳感器、光電傳感器)、自動(dòng)擺臂分揀裝置、分揀料槽等組成,可以完成工件傳輸,并可根據(jù)實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容對(duì)工件的材質(zhì)、顏色種類(lèi)進(jìn)行判別,完成自動(dòng)分揀工作。

SCARA機(jī)器人單元采用四軸SCARA機(jī)器人對(duì)物料進(jìn)行搬運(yùn),其具體參數(shù)如下:臂展400mm,Z軸行程170mm,額定負(fù)載1kg,重復(fù)定位精度0.01mm。

裝配及檢測(cè)單元主要裝配工裝和檢測(cè)工裝,其中裝配工裝從線邊庫(kù)抓取軸承放置在裝配工位的惰輪輪體內(nèi)孔,并用裝配工裝進(jìn)行按壓,由此完成惰輪輪體與軸承的裝配工作。檢測(cè)工裝由基礎(chǔ)型材臺(tái)架和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成,可以對(duì)裝配后的工件通過(guò)機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

成品庫(kù)單元主要由庫(kù)框架、成品庫(kù)位、檢測(cè)傳感器等組成,共具有6個(gè)成品庫(kù)位,每個(gè)庫(kù)位都安裝有物料檢測(cè)傳感器對(duì)成品物料進(jìn)行有無(wú)檢測(cè),系統(tǒng)具有庫(kù)位管理功能。

3.1.2控制單元

控制系統(tǒng)的核心PLC采用了西門(mén)子1200系列可編程控制器,該控制器集成了PROFINET、MODBUSTCP、OPC接口用于編程、通信。

CNC單元主要由CNC數(shù)控系統(tǒng)、工作臺(tái)等組成。平臺(tái)采用真實(shí)的數(shù)控系統(tǒng),通過(guò)開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)器里的系統(tǒng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯,實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能,并通過(guò)接口與外圍設(shè)備進(jìn)行連接。

人機(jī)界面不僅能夠?qū)⒈镜財(cái)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示與操作,還能通過(guò)配備FLink物聯(lián)網(wǎng)模塊,立即升級(jí)為物聯(lián)網(wǎng)人機(jī)界面,享受完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)。

3.1.3工業(yè)云平臺(tái)

云平臺(tái)集成了物聯(lián)云、教學(xué)云、開(kāi)發(fā)云、考核云等不同功能模塊,通過(guò)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與教育實(shí)踐相結(jié)合,打造目前教育市場(chǎng)上一體化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理、運(yùn)行監(jiān)控以及遠(yuǎn)程維護(hù),使得人、機(jī)、物、料、環(huán)等數(shù)據(jù)互聯(lián)互通,進(jìn)而滿(mǎn)足"工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)"學(xué)習(xí)、應(yīng)用、維護(hù)、技術(shù)開(kāi)發(fā)、考核等方向的需求。

3.2工藝流程

從圖3的系統(tǒng)工藝流程上看,原材料單元的出料機(jī)構(gòu)將惰輪輪體推出至零件傳送單元上,傳輸線上的檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到惰輪輪體后將惰輪輪體向前輸送。運(yùn)行到檢測(cè)區(qū)后開(kāi)始對(duì)惰輪輪體進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)不同材質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分揀。

隨后,加熱區(qū)開(kāi)始對(duì)留在傳輸線上的惰輪輪體加熱,加熱完成后,惰輪輪體繼續(xù)隨傳輸帶移動(dòng),等待運(yùn)動(dòng)控制單元抓取。

運(yùn)動(dòng)控制單元將惰輪輪體抓取至CNC單元,對(duì)惰輪輪體進(jìn)行模擬加工,CNC單元模擬加工完成后再由運(yùn)動(dòng)控制單元將惰輪輪體取出放至緩存工位,再由SCARA機(jī)器人搬運(yùn)至裝配位,隨后將線邊庫(kù)的軸承取過(guò)來(lái),安裝到惰輪輪體內(nèi)孔,并按壓到位,完成裝配工作。

裝配完成后,檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配檢測(cè),檢測(cè)合格的工件由SCARA機(jī)器人搬運(yùn)至成品庫(kù)單元,檢測(cè)不合格的工件搬運(yùn)至不合格產(chǎn)品收集工位。

4實(shí)現(xiàn)效果

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證,取得了較好的效果,其樣機(jī)如圖4所示。

圖4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)樣機(jī)

通過(guò)工業(yè)云平臺(tái)與設(shè)備硬件結(jié)合,學(xué)生能夠在云端實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的在線狀態(tài)、運(yùn)行情況、數(shù)據(jù)報(bào)表、能耗使用、地理信息、維護(hù)保養(yǎng)日志等進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與運(yùn)維,通過(guò)該系統(tǒng)能夠快速地掌握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)和使用方法,如圖5所示。

5結(jié)語(yǔ)

本文所述新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)綜合運(yùn)用了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、工業(yè)機(jī)器人、PLC控制、CNC、智能傳感器、運(yùn)動(dòng)控制等多種技術(shù),能夠服務(wù)于各種不同層次和技術(shù)水平的在校學(xué)生、企業(yè)員工,提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)水平。因此,該系統(tǒng)對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)人才的培養(yǎng)模式和內(nèi)涵建設(shè)、培養(yǎng)質(zhì)量的提高都起到了積極的推動(dòng)作用。