劉通 曾華鵬 劉偉
摘 要:工業(yè)網(wǎng)絡技術是智能制造的重要支撐,為加強專業(yè)技術人才培養(yǎng),基于物聯(lián)網(wǎng)架構研制工業(yè)網(wǎng)絡實訓平臺。該平臺采用標準的物聯(lián)網(wǎng)三層架構設計,應用層包括基于ProcessHub開發(fā)的服務器和基于Workbench開發(fā)的工業(yè)PAD客戶端,網(wǎng)絡層基于工業(yè)網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡協(xié)議轉換模塊通信,感知層結合PLC、變頻器、步進電機、傳感器、控制器等技術,真實再現(xiàn)工業(yè)自動生產(chǎn)線中的分揀過程和水箱溫度/液位控制。實踐表明,結合霍蘭德職業(yè)性向和CDIO教學理念,采用項目化的教學方法配套開發(fā)實訓例程,可有效提高了學生的工程實踐能力和就業(yè)競爭力。
關鍵詞:工業(yè)網(wǎng)絡;物聯(lián)網(wǎng);PLC;職業(yè)性向;CDIO;工程實踐;智能制造
中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:2095-1302(2020)01-0-03
0 引 言
智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術,是“中國制造2025”的主攻方向[1]。而工業(yè)控制網(wǎng)絡是計算機技術、通信技術與自動控制技術深度融合的產(chǎn)物,是實現(xiàn)智能制造的重要支撐,其主要包括現(xiàn)場總線技術和工業(yè)以太網(wǎng)技術[2-3]。隨著工業(yè)制造、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展[4],工業(yè)控制網(wǎng)絡從原來的現(xiàn)場層延伸到網(wǎng)絡層和應用層。
為了適應技術發(fā)展需要,培養(yǎng)具有較強的工業(yè)網(wǎng)絡實踐能力,能夠解決工程實際問題的自動化專業(yè)人才是當前高職教育和應用型本科教育的緊迫任務[5]。實訓課程是組織教學的一個重要環(huán)節(jié)[6],依托于實訓室建設和實訓設備配套。為了讓學生掌握最前沿的技術,真正實現(xiàn)學以致用,提高就業(yè)競爭力,本文模擬工業(yè)自動化生產(chǎn)現(xiàn)場典型控制類型,基于物聯(lián)網(wǎng)架構進行了本系統(tǒng)的研制,并結合霍蘭德職業(yè)性向理論和CDIO教學模式,配套開發(fā)相關實訓例程。
1 系統(tǒng)整體設計
本系統(tǒng)采用標準的物聯(lián)網(wǎng)三層架構,分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。鑒于西門子公司的PROFINET和PROFIBUS是目前市場上應用廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術,且其PLC產(chǎn)品可靠性高、編程靈活、組網(wǎng)通信功能強[7-8],因此本系統(tǒng)選用西門子PLC作為感知層的控制核心。為模擬工業(yè)自動化典型控制類型,感知層包括運動控制和過程控制兩個子系統(tǒng)。網(wǎng)絡層基于工業(yè)網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡協(xié)議轉換模塊,實現(xiàn)感知層與應用層的數(shù)據(jù)互通。應用層包括基于ProcessHub開發(fā)的服務器和基于Workbench開發(fā)的PAD客戶端,客戶端通過無線網(wǎng)絡連接服務器。本平臺可將PLC采集數(shù)據(jù)同步傳遞至服務器和PAD客戶端,實現(xiàn)實時監(jiān)測,也可通過HMI開發(fā),實現(xiàn)自上而下的控制。系統(tǒng)架構如圖1所示。
圖1中運動控制子系統(tǒng)包括西門子S7-1200 PLC,Spider67智能分布式I/O,傳感器和分揀機構等。光電傳感器分為3種類型共4組(1組電感、1組光電和2組漫反射傳感器)。3種類型傳感器可對應識別金屬、玻璃、塑料材質的物料,基于PROFINET通信的Spider67采集傳感器數(shù)據(jù)傳遞至PLC,通過PLC編程控制分揀機構動作。分揀機構包括4組氣動裝置和2組皮帶,氣動裝置通過伸縮實現(xiàn)物料推送、分揀,步進電機通過調節(jié)轉速、方向傳動皮帶,實現(xiàn)物料傳送。
過程控制子系統(tǒng)包括S7-300PLC、溫度傳感器、壓力變送器、G120變頻器等。以S7-300PLC為控制核心,基于PROFIBUS通信,采集壓力變送器和溫度傳感器數(shù)據(jù),經(jīng)與PLC程序設定液位值和溫度值比較,控制閥門和G120變頻器拖動水泵實現(xiàn)液位控制;基于PLC的PID軟件模塊,控制加熱棒電路通斷,實現(xiàn)溫度自動控制。工業(yè)網(wǎng)絡實訓平臺實物圖如圖2所示。
2 實訓例程設計
結合系統(tǒng)整體架構,按照自下至上、先局部后整體的思路,循序漸進設計以下實訓例程。其中,第一、二個例程面向感知層,突出PLC數(shù)據(jù)采集和控制功能的實現(xiàn)。第三、四個例程,圍繞系統(tǒng)通信和應用層HMI設計,突出整個系統(tǒng)通信和應用層監(jiān)控功能實現(xiàn)。最后2個綜合性的實訓例程圍繞個子系統(tǒng),設計自動分揀系統(tǒng)和PID過程控制系統(tǒng)實訓例程,是對前4個例程的綜合,將在第3部分結合教學方法闡述。
2.1 數(shù)據(jù)采集功能的組態(tài)
對運動控制子系統(tǒng),需要用到的實訓設備主要包括S7-1200PLC、Spider67、光電傳感器和已安裝博途軟件的計算機。對過程控制子系統(tǒng)主要包括S7-300PLC、溫度壓力傳感器和已安裝博途軟件的計算機。本實訓以博途軟件為平臺,重點學習硬件插入與配置、地址設定、組態(tài)連接、PLC全局變量定義、邏輯程序編寫、程序下載和調試。為驗證實訓效果,可先提供服務器、PAD客戶端程序及HMI界面,以便直觀顯示采集數(shù)據(jù)。
2.2 控制功能的組態(tài)
運動控制子系統(tǒng)需要用到的實訓設備主要包括S7-1200PLC、Spider67、執(zhí)行機構(分揀機構和步進電機)。過程控制子系統(tǒng)實訓設備主要包括S7-300PLC、G120變頻器和執(zhí)行機構(控制加熱棒、閥門和水泵電路通斷的繼電器)。在掌握博途軟件操作基礎上,定義全局變量、編寫邏輯程序,實現(xiàn)氣動裝置伸縮、皮帶傳動速度與方向,以及對關聯(lián)加熱棒、閥門和水泵電路的繼電器實施控制。
2.3 PLC端和服務器端的通信組態(tài)
本實訓的目的是讓學生掌握使用工業(yè)APP快速生成套件,實現(xiàn)PLC與服務器端之間通信的操作方法。學習內容主要包括Workbench組態(tài)軟件,重點要掌握定義ProcessHub服務器地址,對應PLC程序全局變量終端地址在虛擬變量中設定相匹配的通信點,以及導出ProcessHub工程。另外,要掌握啟動ProcessHub服務、啟動Open SMC獲取PLC數(shù)據(jù)的方法。
2.4 安卓客戶端和服務器端之間的通信組態(tài)
本實訓的目的是讓學生掌握組態(tài)安卓APP和服務器端之間通信的方法。基于Workbench可視化的頁面開發(fā)模塊,通過拖拽、組合相關組件,關聯(lián)變量、操作賦值、動畫演示等設置,開發(fā)HMI界面。另外,要掌握如何使用JDK程序生成android.keystore文件,并用Workbench軟件與之關聯(lián),導出安卓APP工程。
3 綜合實訓項目教學實施
自動分揀系統(tǒng)實訓例程和PID過程控制系統(tǒng)實訓例程是以項目為驅動,基于霍蘭德職業(yè)性向理論對學生分組分崗,基于CDIO教學模式規(guī)范項目開發(fā)和實訓流程。
首先,采用分組分崗的方式設置項目工程師、應用工程師和現(xiàn)場工程師3類崗位,各個工作崗位與霍蘭德理論6種典型職業(yè)性向關聯(lián)見表1所列。通過輪崗實訓,使學生加強對自我職業(yè)性向認知,為下一步職業(yè)發(fā)展規(guī)劃,提供科學指導與借鑒。實訓流程如圖3所示,分為C,D,I,O四個階段。C為構思,主要是理解、確認和量化項目需求。以自動分揀系統(tǒng)為例,項目需求主要包括物料的材質、傳感器的種類及數(shù)量、氣動裝置的數(shù)量、傳感器的檢測距離、傳送帶的速度和方向以及在客戶端界面實現(xiàn)手自動控制等。D為設計,針對需求提出若干種方案。例如以S7-300PLC或以S7-1200PLC為控制核心,根據(jù)概念選擇工具,并選擇最優(yōu)方案。I為實施,主要為系統(tǒng)硬件連接、PLC端軟件組態(tài)和梯形圖編程、系統(tǒng)通信連接、安卓客戶端界面設計等,客戶端界面示意如圖4所示。O為運行維護,主要為系統(tǒng)調試與驗證。
4 結 語
本實訓平臺綜合物聯(lián)網(wǎng)、PLC和工業(yè)總線等技術研制,真實再現(xiàn)工業(yè)自動生產(chǎn)線中的分揀過程和水箱溫度/液位控制,是一套完整的物聯(lián)網(wǎng)架構平臺,其克服了傳統(tǒng)實訓教學設備宏觀性不強的問題。平臺所選設備具有通用性、代表性和先進性,基于CDIO和職業(yè)性向教學理念,以工作過程為導向的項目教學法,配套開發(fā)實訓教學例程,經(jīng)教學實踐檢驗,有效提高學生理論水平和工程實踐能力,為學生實習定崗、就業(yè)選崗打下堅實基礎。
參 考 文 獻
[1]周濟.智能制造:“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程,2015,26(17):2273-2284.
[2]俞益飛,李澤明.工業(yè)控制網(wǎng)絡實訓裝置設計與實現(xiàn)[J].通訊世界,2016(2):136.
[3]李倩.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的工廠網(wǎng)絡通信技術[J].信息與電腦(理論版),2016(14):145-146.
[4]高巍.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展[J].中興通訊技術,2016,22(5):21-25.
[5]謝彤.基于以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的自動化實訓系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2009.
[6]周麗婕.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校實訓教學管理系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2014,4(10):90-92.
[7]張學輝.基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡實訓系統(tǒng)設計[J].自動化儀表,2017,38(3):41-43.
[8]沈燦鋼,孫曉明.西門子全集成工業(yè)網(wǎng)絡實訓室設計與實現(xiàn)[J].實驗技術與管理,2015,32(2):170-172.
[9]邵澤華.物聯(lián)網(wǎng)結構的探索與研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2015,5(11):46-53.
[10]劉杰,戈軍,沈微微,等.公安物聯(lián)網(wǎng)體系架構的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術,2017,40(24):82-85.