李 智 鄧開明

(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430205；2.寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵信息化部 湖北 鄂州：436000)

2019年3月，教育部、財(cái)政部印發(fā)了《關(guān)于實(shí)施中國(guó)特色高水平高職學(xué)校和專業(yè)建設(shè)計(jì)劃的意見》(以下簡(jiǎn)稱“雙高計(jì)劃”)，明確提出要強(qiáng)力推進(jìn)產(chǎn)教融合、校企合作，聚焦高端產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)高端，重點(diǎn)支持一批優(yōu)質(zhì)高職學(xué)校和專業(yè)群率先發(fā)展，引領(lǐng)職業(yè)教育服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略、融入?yún)^(qū)域發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)[1]。在此背景下，武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院與西門子公司深度合作，為機(jī)械工程學(xué)院新開設(shè)的專業(yè)——智能控制技術(shù)專業(yè)量身定制了小型實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線，該實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線既能訓(xùn)練學(xué)生的操作技能，又能滿足學(xué)生的創(chuàng)新拓展能力提高，為培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才提供了硬件支撐。

1 生產(chǎn)線的系統(tǒng)組成

基于西門子工業(yè)4.0的小型實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線是由武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院和西門子公司結(jié)合智能控制技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)合作開發(fā)的新型實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。它由信息管理系統(tǒng)與生產(chǎn)制造裝置兩部分組成：信息管理系統(tǒng)主要包含一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站及自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)；生產(chǎn)制造裝置由供料站(第1站)、加工站(第2站)、工業(yè)機(jī)器人裝配站(第3站)和物流及倉(cāng)儲(chǔ)站(第4站)四個(gè)工作站組成。詳見圖1。

圖1 工業(yè)4.0小型實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線

這條智能生產(chǎn)線是通過采用一套能自動(dòng)進(jìn)行加工、檢測(cè)、裝卸運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器設(shè)備，組成高度連續(xù)、完全智能化的生產(chǎn)線[2]。第1、2站是基本工作站，包含有市面上常見的各類工業(yè)傳感器、氣缸(直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))，以及直流電機(jī)、電磁閥等用于自動(dòng)化生產(chǎn)的檢測(cè)、控制和執(zhí)行單元，這兩站可用于基本的邏輯控制教學(xué)；第三站是工業(yè)機(jī)器人裝配站，此站配有德國(guó)庫(kù)卡公司的六自由度工業(yè)機(jī)器人，用于完成機(jī)械裝配動(dòng)作；第四站是物料及倉(cāng)儲(chǔ)站，主要特點(diǎn)是應(yīng)用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)RFID和視覺檢測(cè)識(shí)別技術(shù)CCD進(jìn)行產(chǎn)品識(shí)別，并通過多路徑組合將加工件送達(dá)至立體倉(cāng)庫(kù)的指定位置。第3、4站較為集中地體現(xiàn)了智能控制技術(shù)專業(yè)在智能制造方面的綜合應(yīng)用，也是教學(xué)中開展重難點(diǎn)實(shí)訓(xùn)課題的平臺(tái)。為了便于教學(xué)，這條生產(chǎn)線將實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的典型環(huán)節(jié)分解設(shè)計(jì)成四個(gè)工作站，每個(gè)工作站既可以單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試，也可以將多個(gè)工作站自由組合使用。這條生產(chǎn)線將各分散的學(xué)習(xí)要素集中起來(lái)，組成一個(gè)能夠讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)、構(gòu)建和調(diào)試，也能讓老師參與研發(fā)、設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)的系統(tǒng)。它為學(xué)生提供了一種嶄新的綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，使他們能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)、構(gòu)建各種較大規(guī)模的智能生產(chǎn)系統(tǒng)模型[3]。

2 生產(chǎn)線各站功能

2.1 供料站

供料站的設(shè)計(jì)是為了培養(yǎng)學(xué)生在傳感檢測(cè)、液壓氣動(dòng)以及PLC控制三個(gè)方面的綜合應(yīng)用能力。供料站的主要檢測(cè)設(shè)備是色標(biāo)傳感器，用于檢測(cè)產(chǎn)品主件的顏色是白色或黑色。氣動(dòng)執(zhí)行裝置主要有推料氣缸和氣爪。供料站負(fù)責(zé)原材料供應(yīng)，是物料在倉(cāng)儲(chǔ)和生產(chǎn)過程中流轉(zhuǎn)的中間環(huán)節(jié)，并保證了生產(chǎn)過程的連續(xù)性。PLC通過現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后驅(qū)動(dòng)氣缸、氣爪、傳送帶和電機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)供料站的具體功能：按照定制化訂單需求將放在料倉(cāng)中的待加工工件自動(dòng)取出，并根據(jù)不同的工件類型進(jìn)行分揀；將符合后續(xù)單元需要的工件通過三工位旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂送到下一個(gè)工作單元，同時(shí)將不符合要求的工件送到分揀工位；對(duì)于上游加工完畢的成品工件，通過一個(gè)具有三自由度兩軸絲杠驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將其碼放到指定的倉(cāng)儲(chǔ)位置。詳見圖2。

圖2 供料站工藝流程圖

2.2 加工站

在自動(dòng)化生產(chǎn)中，通過一定工序和方式將原材料、半成品轉(zhuǎn)化為目標(biāo)需求的過程統(tǒng)稱為加工。加工站的設(shè)計(jì)是在學(xué)生具備傳感檢測(cè)、液壓氣動(dòng)以及PLC控制三個(gè)方面的綜合應(yīng)用能力基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于較為復(fù)雜的工藝流程控制方面的處理能力。此加工站模擬的是工件在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上依次完成進(jìn)料、檢測(cè)、鉆孔和分撥等過程。加工站工藝流程為：入料處接近傳感器檢測(cè)有料后，吸盤搬運(yùn)柱料至轉(zhuǎn)盤工位上；轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)60°，柱料進(jìn)入轉(zhuǎn)盤2#工位，高度傳感器測(cè)量柱料高度是否正常；檢測(cè)完成后轉(zhuǎn)盤再旋轉(zhuǎn)60°，柱料進(jìn)入轉(zhuǎn)盤3#工位，鉆頭對(duì)柱料進(jìn)行模擬鉆孔操作；完成鉆孔后轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)60°，柱料進(jìn)入轉(zhuǎn)盤4#工位，撥盤將柱料右撥至右側(cè)輸送帶；右側(cè)輸送帶將柱料輸送至后側(cè)輸送帶；后側(cè)輸送帶將柱料輸送至排料裝置處。至此，單流程控制結(jié)束，再進(jìn)入選擇性分支流程控制：若柱料高度正常則通過，否則被排料裝置排于廢品盒；正常柱料通過后到達(dá)后側(cè)吸盤搬運(yùn)點(diǎn)被阻擋攔下；吸盤將柱料搬運(yùn)至托盤1#工位；加工站控制流程結(jié)束。詳見圖3。

圖3 加工站工藝流程圖

2.3 工業(yè)機(jī)器人裝配站

工業(yè)機(jī)器人裝配站主要根據(jù)實(shí)際機(jī)械裝配的需求，使用機(jī)械手靈活地選擇配件倉(cāng)庫(kù)中的零部件，并在相應(yīng)的裝配站進(jìn)行定制化的裝配工作。工業(yè)機(jī)器人作為工業(yè)4.0時(shí)代下的重要智能設(shè)備在這一工作站得到了充分應(yīng)用。通過裝配站的實(shí)操訓(xùn)練，學(xué)生不僅能掌握工業(yè)機(jī)器人示教編程還能熟練地使用控制設(shè)備PLC與機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交互，完成復(fù)雜的控制功能。詳見圖4

圖4 工業(yè)機(jī)器人裝配站工藝流程圖

2.4 物流及倉(cāng)儲(chǔ)站

物流及倉(cāng)儲(chǔ)站主要借助RFID技術(shù)識(shí)別不同的入庫(kù)物料信息，并通過多路徑的物流輸送方式，將需要入庫(kù)的物料送到指定的入庫(kù)位置，最后通過堆垛機(jī)將物料放入立體倉(cāng)庫(kù)中。取料時(shí)動(dòng)作則相反。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在各生產(chǎn)工位的實(shí)時(shí)跟蹤和管理，在每個(gè)工作站都配有RFID的讀寫系統(tǒng)，將單個(gè)產(chǎn)品的物料信息、加工信息等都進(jìn)行統(tǒng)一記錄和管理。同時(shí)，為了更加真實(shí)地模擬工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀，在倉(cāng)儲(chǔ)入口還配有1套CCD視覺檢測(cè)系統(tǒng)，用于條形碼和二維碼的識(shí)別。物流及倉(cāng)儲(chǔ)站的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)了智能生產(chǎn)線中信息流的相關(guān)技術(shù)。通過這一站的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以了解當(dāng)前流行的無(wú)線射頻技術(shù)、視覺識(shí)別技術(shù)的工作原理以及如何通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物料信息的讀寫。詳見圖5。

圖5 物流及倉(cāng)儲(chǔ)站工藝流程圖

這條生產(chǎn)線按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，完全符合相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，具有漏電保護(hù)、短路保護(hù)、急停保護(hù)、限位保護(hù)等多種保護(hù)功能，能確保設(shè)備在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，這條生產(chǎn)線還具有開放接口，可在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增添其他檢測(cè)、裝配、配貨等功能模塊，全面兼容標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)設(shè)備并能輕松進(jìn)行集成。這為教學(xué)內(nèi)容在廣度和深度上的擴(kuò)展和延伸提供了保障。此外，這條生產(chǎn)線將光、機(jī)、電、氣與信息管理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高度集成，包含光電傳感器、色標(biāo)傳感器、磁性傳感器、扭矩傳感器等多種類型傳感器，工業(yè)堆垛機(jī)設(shè)備、立體化倉(cāng)庫(kù)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器視覺、RFID物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、觸摸屏、PLC技術(shù)、變頻技術(shù)、伺服電機(jī)等各類技術(shù)，而且各個(gè)工作站具有模塊化特點(diǎn)，各工作站之間可以自由匹配，能滿足不同層次的教學(xué)需求。

3 信息管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)線其自動(dòng)化主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過程的自動(dòng)運(yùn)行，其技術(shù)核心是依靠控制器PLC中預(yù)先編寫的控制程序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算并利用運(yùn)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。而工業(yè)4.0時(shí)代的自動(dòng)化則強(qiáng)調(diào)的是通過信息流對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行管控。信息管理系統(tǒng)能夠與PLC進(jìn)行通訊，使得整個(gè)生產(chǎn)和管理過程不僅是傳統(tǒng)意義上的自動(dòng)化生產(chǎn)而更具有工業(yè)4.0的特點(diǎn)。這條基于西門子工業(yè)4.0的小型實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線的信息管理系統(tǒng)要包含一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)站及自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)，其中網(wǎng)站能夠?yàn)橄M(fèi)者與企業(yè)人員兩種用戶角色提供產(chǎn)品定制、自動(dòng)排產(chǎn)、訂單管理、生產(chǎn)進(jìn)度查詢等功能；自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)能夠根據(jù)訂單自動(dòng)安排產(chǎn)品的生產(chǎn)順序。

3.1 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)個(gè)性化

同一條生產(chǎn)線可以根據(jù)需求生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，這是智能生產(chǎn)與自動(dòng)生產(chǎn)最大的不同。為了體現(xiàn)產(chǎn)品定制的特點(diǎn)，這條生產(chǎn)線模擬一個(gè)裝配件的生產(chǎn)加工過程。裝配件由主件和配件構(gòu)成，主、配件均有不同的顏色可以選擇。用戶可以通過手機(jī)在產(chǎn)品定制頁(yè)面中進(jìn)行顏色配置和數(shù)量設(shè)定等訂單操作，以滿足客戶個(gè)性化的定制需求。產(chǎn)品定制化頁(yè)面如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品定制化頁(yè)面

3.2 生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化

排產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)訂單進(jìn)行智能排產(chǎn)。它能夠通過生產(chǎn)線上的各個(gè)工作站中的RFID讀寫器讀取RFID電子標(biāo)簽中的信息，以便能夠?qū)崟r(shí)獲得生產(chǎn)線上每個(gè)產(chǎn)品當(dāng)前處于的位置，自動(dòng)判斷下一個(gè)產(chǎn)品部件進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)機(jī)并給供料站發(fā)出指令開始下一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)能夠接收到產(chǎn)品部件及成品質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)部件或成品質(zhì)量不合格，能夠自動(dòng)重新排產(chǎn)。信息系統(tǒng)與各個(gè)工作站的相互配合實(shí)現(xiàn)了混線柔性生產(chǎn)。各工作站PLC根據(jù)讀取的電子標(biāo)簽中的產(chǎn)品定制化信息，與信息系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)過程相關(guān)的信息交換，完成針對(duì)每個(gè)產(chǎn)品的個(gè)性化生產(chǎn)操作，實(shí)現(xiàn)一條生產(chǎn)線上能同時(shí)存在多種產(chǎn)品的加工和裝配操作。

3.3 生產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化

通過二維碼、機(jī)器視覺、RFID及多種類型的傳感器，信息系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息，能夠在同一個(gè)界面下查看自動(dòng)排產(chǎn)的各個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)(產(chǎn)品自動(dòng)排產(chǎn)結(jié)果監(jiān)視頁(yè)面如圖7所示)。企業(yè)訂單管理功能則能夠查看提交的所有訂單的信息，包括訂單編號(hào)、下單時(shí)間、產(chǎn)品數(shù)量、生產(chǎn)開始時(shí)間等信息(如圖8所示)，并且針對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品還可以查詢其當(dāng)前所處的生產(chǎn)操作并以3D動(dòng)畫顯示出來(lái)(如圖9所示)。消費(fèi)者角色訂單進(jìn)度查看功能則是通過輸入訂單編號(hào)和選擇相應(yīng)的產(chǎn)品編號(hào)，可以查看每一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)以及各工序的完成和執(zhí)行狀態(tài)(如圖10所示)。對(duì)于正在執(zhí)行的工序，能夠以3D的形式展示當(dāng)前工序的工藝生產(chǎn)過程。

圖7 產(chǎn)品自動(dòng)排產(chǎn)結(jié)果監(jiān)視頁(yè)面

圖8 企業(yè)人員訂單管理主頁(yè)面

圖9 訂單中產(chǎn)品所處生產(chǎn)操作狀態(tài)查詢頁(yè)面

圖10 消費(fèi)者進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度查詢

4 生產(chǎn)線在教學(xué)中的應(yīng)用

這條實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線不僅能滿足常規(guī)教學(xué)需求，在學(xué)科前沿性方面的教學(xué)應(yīng)用更是一般教學(xué)設(shè)備所無(wú)法比擬的。這條生產(chǎn)線具有典型工業(yè)4.0特點(diǎn)，學(xué)生在操作過程中能充分理解和掌握智能生產(chǎn)是如何實(shí)現(xiàn)客戶個(gè)性化產(chǎn)品的定制需求：首先排產(chǎn)系統(tǒng)接到生產(chǎn)訂單后能夠自動(dòng)排產(chǎn)，其次各個(gè)工作站通過讀取裝載于產(chǎn)品中的RFID電子標(biāo)簽獲得產(chǎn)品的定制化信息，自動(dòng)選取正確的部件進(jìn)行生產(chǎn)加工、裝配操作；當(dāng)發(fā)現(xiàn)有瑕疵的產(chǎn)品時(shí)能夠自動(dòng)重新排產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)滿足不斷變化的產(chǎn)品需求，并能實(shí)現(xiàn)多個(gè)類型產(chǎn)品在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)。同時(shí),智能生產(chǎn)線的核心是利用信息流實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)與管理：通過二維碼、機(jī)器視覺及RFID技術(shù)存儲(chǔ)及讀取所有部件的特征信息，輔助定制化生產(chǎn)過程中部件選取及生產(chǎn)追蹤；通過安裝在庫(kù)位中的傳感器，現(xiàn)場(chǎng)控制器能夠?qū)崟r(shí)獲取部件倉(cāng)庫(kù)與成品倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)存狀態(tài)；自動(dòng)排產(chǎn)及實(shí)時(shí)查看排產(chǎn)的各個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度；包括面向消費(fèi)者角色和企業(yè)人員角色的訂單跟蹤與管理。最后，學(xué)生借助這條生產(chǎn)線的小型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組態(tài)、參數(shù)設(shè)置，掌握具有工廠管理層、車間監(jiān)控層及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的企業(yè)完整網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法以及管理信息、生產(chǎn)制造信息集成的技術(shù)。

目前，這條生產(chǎn)線已在智能控制技術(shù)專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的《智能設(shè)備安裝與調(diào)試》課程教學(xué)中應(yīng)用?；谝验_設(shè)的課程體系和生產(chǎn)線自身的特點(diǎn)，《智能設(shè)備安裝與調(diào)試》課程安排在第五學(xué)期開課，共72課時(shí)，并采用理實(shí)一體化的教學(xué)模式。課程共設(shè)置了數(shù)十個(gè)難度遞增的教學(xué)任務(wù)，其教學(xué)內(nèi)容包括從不同工作站的基本功能調(diào)試到四站聯(lián)調(diào)，從PLC程序編寫到基于工業(yè)4.0的訂單式智能生產(chǎn)和生產(chǎn)管控系統(tǒng)操作。這條生產(chǎn)線的應(yīng)用使得《智能設(shè)備安裝與調(diào)試》這門課程教學(xué)效果有了明顯提高。圍繞這條生產(chǎn)線組建的教師團(tuán)隊(duì)不斷開發(fā)教學(xué)資源、深化教學(xué)改革，并引入企業(yè)考核評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生的技能掌握情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過師生的共同努力，不僅提升了教師的教學(xué)水平和專業(yè)素質(zhì)，也大幅提高了學(xué)生的技能和創(chuàng)新能力。2019年《智能設(shè)備安裝與調(diào)試》這門課程獲得了武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院“一師一課”稱號(hào)。2020年，我院學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生“西門子” 杯挑戰(zhàn)賽中獲得了“運(yùn)動(dòng)控制”和“工業(yè)網(wǎng)絡(luò)”兩個(gè)賽項(xiàng)的一等獎(jiǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

在“雙高計(jì)劃”實(shí)施的時(shí)代背景下，職業(yè)院校獲得了難得的發(fā)展契機(jī)。基于西門子工業(yè)4.0的小型實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線是我校和西門子公司開展校企合作、共同研發(fā)的新型實(shí)訓(xùn)設(shè)備。這種實(shí)訓(xùn)設(shè)備可以將基礎(chǔ)教學(xué)與學(xué)科前沿緊密結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容也可以依據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)靈活設(shè)置。實(shí)踐證明，該設(shè)備的應(yīng)用使得教學(xué)效果得到了較大的提升。同時(shí)，新設(shè)備的綜合應(yīng)用、貼合實(shí)際的教學(xué)任務(wù)制定以及企業(yè)考核評(píng)價(jià)體系的引入都對(duì)教師專業(yè)素質(zhì)的提高起到了促進(jìn)作用。我們將以這條生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，不斷加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的研發(fā)力度,并以實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)線為平臺(tái)建設(shè)西門子先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)合示范實(shí)訓(xùn)中心。該中心建設(shè)完成后，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)高等院校相關(guān)專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展起到顯著的促進(jìn)作用。