10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.043

摘 要 在工業(yè)4.0背景下，通過對(duì)電氣自動(dòng)化、工業(yè)過程自動(dòng)化、智能控制等專業(yè)技術(shù)技能進(jìn)行分析，從智能化角度構(gòu)建基于工業(yè)4.0物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電工實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)達(dá)到“寬基礎(chǔ)、活模塊”的應(yīng)用目的，為學(xué)校高技能人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 工業(yè)4.0；電工實(shí)訓(xùn)裝置；物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）05-0043-05

0 引言

繼德國(guó)2013年提出工業(yè)4.0之后，我國(guó)于2015年

出臺(tái)《中國(guó)制造2025》，全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。這是我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)，強(qiáng)調(diào)加快推動(dòng)新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為“兩化”深度融合的主攻方向，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，詮釋了“未來智造”理念，對(duì)于正在積極探索和推進(jìn)智能制造控制技術(shù)的職業(yè)院校而言，具有重要的指導(dǎo)意義。

中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，隨著國(guó)家對(duì)智能制造的大力支持，我國(guó)智能制造行業(yè)保持著較快的增長(zhǎng)速度，2017年智能制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將近

15 000億元，2018年智能制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將近17 480億元，2019年智能制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將近21 082億元，行業(yè)增長(zhǎng)空間巨大。隨著智能制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模逐年加大，對(duì)人才的需求也逐年增加。

高職高專是培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才的搖籃，而實(shí)訓(xùn)教學(xué)是培養(yǎng)實(shí)用型、技能型人才的關(guān)鍵，是職業(yè)類院校實(shí)施教學(xué)的重要平臺(tái)和抓手。電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)是高職電類專業(yè)實(shí)踐性教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，可以培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和實(shí)際操作能力、應(yīng)用能力以及團(tuán)結(jié)合作意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的能力與工作崗位銜接，是高等職業(yè)院校落實(shí)“把培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和可持續(xù)發(fā)展能力放在突出地位，促進(jìn)學(xué)生技能的培養(yǎng)”這一重要精神的載體。

本文以可編程控制器實(shí)訓(xùn)室為研究對(duì)象，從實(shí)訓(xùn)室的功能需求分析出發(fā)，結(jié)合傳感檢測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，傳動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電工實(shí)訓(xùn)裝置的智能化研究應(yīng)用。電工實(shí)訓(xùn)主要是滿足多學(xué)科、多課程的交叉融合，達(dá)到“寬基礎(chǔ)，活模塊”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，項(xiàng)目開發(fā)時(shí)考慮單一課程核心技術(shù)技能培養(yǎng)的同時(shí)，找準(zhǔn)課程之間的交叉融合點(diǎn)，開發(fā)綜合性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，加快推進(jìn)高端技能人才的培養(yǎng)。

1 電工實(shí)訓(xùn)裝置現(xiàn)狀

PLC電工實(shí)訓(xùn)裝置是電氣自動(dòng)化、工業(yè)過程自動(dòng)化、智能控制技術(shù)等專業(yè)的重要實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，著重訓(xùn)練可編程控制器的安裝、調(diào)試能力。目前企業(yè)生產(chǎn)的電工實(shí)訓(xùn)裝置主要有兩種，一種是沒有真實(shí)控制對(duì)象的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，一種是有真實(shí)控制對(duì)象的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，這兩種設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合而言，均存在一些不足之處。

1.1 理論和實(shí)踐結(jié)合度不足

沒有實(shí)際控制對(duì)象的實(shí)訓(xùn)開發(fā)項(xiàng)目比較靈活，不受限于工藝流程或機(jī)械結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是脫離實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，學(xué)生的鍛煉體驗(yàn)不足，實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程停留在對(duì)教學(xué)模型的理論分析和研究上，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，學(xué)生走上工作崗位后需較長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)。

1.2 控制對(duì)象不靈活，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容固化

有實(shí)際控制對(duì)象的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)不靈活，工藝流程和機(jī)械設(shè)備固化，不利于學(xué)生創(chuàng)新提升。在以往的實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，針對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備對(duì)象研究比較多，由于都是實(shí)體存在，沒有靈活性，從而導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中思路單一、不能創(chuàng)新，很難做到因材施教和差異化教學(xué)，同時(shí)削弱了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.3 技能單一，很難打破學(xué)科之間的技術(shù)壁壘

在實(shí)訓(xùn)中由于受設(shè)備的限制，技能訓(xùn)練時(shí)多數(shù)時(shí)候是單一技能的訓(xùn)練，學(xué)科之間技術(shù)的融會(huì)貫通不僅需要解決技術(shù)上的問題，也要解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備的問題，從理論研究到實(shí)踐應(yīng)用往往需要很多硬件支持。近些年由于技術(shù)發(fā)展迅猛，產(chǎn)品迭代升級(jí)速度加快，許多職業(yè)院校的實(shí)訓(xùn)設(shè)備的更新速度跟不上技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致高端技能型人才培養(yǎng)進(jìn)程緩慢。

在學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程中如何推進(jìn)以崗位需求為導(dǎo)向、學(xué)生成長(zhǎng)為中心，滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和快速更新的需求，助力高技能人才培養(yǎng)？職業(yè)院校人才培養(yǎng)亟待構(gòu)建“寬基礎(chǔ)，活模塊”的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

2 教學(xué)需求分析

目前電工實(shí)訓(xùn)裝置數(shù)量較多，有關(guān)智能化的研究，比如針對(duì)樓宇智能化、網(wǎng)絡(luò)智能化的電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備，針對(duì)工業(yè)控制的智能化設(shè)備，等等，技術(shù)相對(duì)成熟，但在突破行業(yè)限制、多技術(shù)相互深度融合等方面仍然有許多亟待解決的問題。比如三相異步電動(dòng)機(jī)，如何將電機(jī)的速度控制和位置檢測(cè)精確做到統(tǒng)一，是各行業(yè)電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)難題。保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)、可靠運(yùn)行是各行業(yè)電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)有智能化電工設(shè)備存在下面一些不足：

1）僅針對(duì)某一行業(yè)或某種特殊的特種設(shè)備來考慮，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在開發(fā)時(shí)就具有局限性，難以拓寬學(xué)生的眼界和知識(shí)面；

2）實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目針對(duì)的學(xué)科單一，有些只能滿足基礎(chǔ)電工的智能化實(shí)訓(xùn)，有些只能滿足網(wǎng)絡(luò)的智能化實(shí)訓(xùn)，有些只能滿足電動(dòng)機(jī)調(diào)速的智能化實(shí)訓(xùn)，很難打破學(xué)科之間的壁壘；

3）課程與課程之間的融合度不夠，同一臺(tái)設(shè)備不能滿足多門課程之間的交叉融合。

本文針對(duì)現(xiàn)有智能化電工實(shí)訓(xùn)裝置存在的不足進(jìn)行研究，提出設(shè)備的硬件選型是工業(yè)4.0背景下電工實(shí)訓(xùn)裝置的智能化應(yīng)用研究，順應(yīng)職業(yè)教育人才培養(yǎng)和發(fā)展趨勢(shì)，在技能和素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ)上拓寬實(shí)訓(xùn)設(shè)備應(yīng)用范圍，采取“寬基礎(chǔ)，活模塊”發(fā)展趨勢(shì)的設(shè)計(jì)思路，并配套開發(fā)相關(guān)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，解決現(xiàn)有智能化實(shí)訓(xùn)設(shè)備的不足。在工業(yè)4.0背景下，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的能力：

1）基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，且涉及的范圍比較寬；

2）多項(xiàng)技術(shù)的融會(huì)貫通；

3）知識(shí)的創(chuàng)新性應(yīng)用；

4）與產(chǎn)業(yè)要求對(duì)接。

3 電工實(shí)訓(xùn)裝置的智能化設(shè)計(jì)

3.1 硬件組成

本智能化電工實(shí)訓(xùn)裝置主要由電源模塊、傳感檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控分析模塊、交流驅(qū)動(dòng)模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、可編程控制模塊組成，選型時(shí)主要考慮現(xiàn)行的主流產(chǎn)品，模塊采用掛件式，方便不同的學(xué)科教學(xué)時(shí)組合調(diào)整。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1）執(zhí)行層。執(zhí)行層由接觸器及三相交流異步電動(dòng)機(jī)、變頻器及其變頻電機(jī)、伺服器驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)和傳感器構(gòu)成。主要功能一：接控制層發(fā)出的控制指令，控制執(zhí)行層設(shè)備按照控制層要求運(yùn)行。主要功能二：將執(zhí)行層的設(shè)備運(yùn)行情況、任務(wù)執(zhí)行情況及故障錯(cuò)誤信息回傳給控制層系統(tǒng)。

2）控制層?？刂茖邮钦麄€(gè)集成化分揀管理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵一層，具有承上啟下的作用。一方面接受上層管理系統(tǒng)的任務(wù)和信息，生成電控系統(tǒng)能夠識(shí)別的指令并下發(fā)給執(zhí)行層；另一方面接收?qǐng)?zhí)行層回傳的設(shè)備狀態(tài)、完成情況、錯(cuò)誤日志等反饋信息，并將這些信息上傳到管理層。

3）管理層。管理層主要分為基于觸摸屏的管理系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的上位機(jī)管理系統(tǒng)，該層與互聯(lián)網(wǎng)建立信號(hào)接口，讀取設(shè)備正常運(yùn)行所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息。同時(shí)，該層與控制層建立信號(hào)接口，傳遞處理后的任務(wù)信息，保障設(shè)備按照系統(tǒng)控制要求運(yùn)行。該層向下與控制層建立信號(hào)接口，傳遞分揀任務(wù)數(shù)據(jù)，由控制層將任務(wù)以電控命令的形式下達(dá)執(zhí)行層的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并能接受和處理來自控制層回傳的數(shù)據(jù)。

從底層到控制層、再到管理層的設(shè)備構(gòu)成實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件部分，設(shè)備涉及電工的基礎(chǔ)知識(shí)、可編程控制器技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、控制電機(jī)技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、上位管理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)“寬基礎(chǔ)”的要求；突破課程與課程之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和技術(shù)的融通，滿足工業(yè)4.0背景下學(xué)生培養(yǎng)的要求，具備“寬基礎(chǔ)”的職業(yè)素養(yǎng)。

3.2 軟件組成

執(zhí)行層的軟件主要由變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試軟件和基于數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的三維建模軟件構(gòu)成；控制層的軟件主要由可編程控制器編程軟件構(gòu)成；管理層的軟件主要由上位機(jī)組態(tài)軟件和觸摸屏軟件構(gòu)成。軟件大多是常規(guī)的平臺(tái)開發(fā)，而基于數(shù)字孿生技術(shù)的三維建模軟件技術(shù)構(gòu)成系統(tǒng)的“活模塊”部分，針對(duì)不同專業(yè)開發(fā)具有真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)、單一設(shè)備、復(fù)雜設(shè)備以及典型生產(chǎn)工藝生產(chǎn)線，滿足不同專業(yè)、不同層次的教學(xué)需要，讓實(shí)訓(xùn)設(shè)備的教學(xué)不局限于對(duì)某一特殊設(shè)備或特殊工藝生產(chǎn)線的固化學(xué)習(xí)。結(jié)合硬件執(zhí)行電機(jī)、傳感器、控制系統(tǒng)、上位檢測(cè)管理系統(tǒng)，既可以進(jìn)行硬件的練習(xí)，還可以進(jìn)行軟件的練習(xí)，同時(shí)還能通過“活模塊”方式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。軟件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

工業(yè)4.0基于信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physi-

cal System，簡(jiǎn)稱CPS）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程、設(shè)備互聯(lián)，主要分為I/O連接、網(wǎng)絡(luò)連接、總線連接等幾大部分。電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示，以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)為基礎(chǔ)，構(gòu)成實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)。執(zhí)行層主要由CAN總線和Profibus-DP總線構(gòu)成，承擔(dān)執(zhí)行層和控制層的數(shù)據(jù)傳輸。部分儀表數(shù)據(jù)除了采用傳統(tǒng)的物理傳輸方式以外，通過邊緣技術(shù)將信號(hào)與控制層進(jìn)行傳輸?？刂茖雍凸芾韺又g主要采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP+以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)的Profinet工業(yè)以太網(wǎng)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析為一體的綜合數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建完成后，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的主要載體是實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。針對(duì)不同的課程設(shè)置及與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要進(jìn)行基礎(chǔ)應(yīng)用、綜合應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面的項(xiàng)目設(shè)置。從基本技能的掌握到課程之間知識(shí)的融合使用，再到基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)收集處理，學(xué)生在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)到深入的學(xué)習(xí)，最后與工業(yè)4.0的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接。通過與工廠工程師的對(duì)接，確定表1所示實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

5 教學(xué)應(yīng)用效果

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和PLC、通信與網(wǎng)絡(luò)、電機(jī)調(diào)速實(shí)訓(xùn)課程緊密結(jié)合，為電氣自動(dòng)化技術(shù)、工業(yè)過程控制技術(shù)、智能控制技術(shù)以及電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)、供用電技術(shù)等電類專業(yè)開設(shè)的實(shí)訓(xùn)課程提供硬件設(shè)備，同時(shí)為校內(nèi)技能競(jìng)賽、云南省技能大賽提供硬件設(shè)備。通過教學(xué)實(shí)踐，證明有以下教學(xué)效果。

5.1 拓寬技能基礎(chǔ)

通過單一課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的再次融合開發(fā)，打破課程之間的技術(shù)界限，針對(duì)不同專業(yè)需求進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)拓展學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)“寬基礎(chǔ)”的教學(xué)目標(biāo)。

5.2 靈活設(shè)置實(shí)訓(xùn)模塊

通過在上位機(jī)中融入數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不再受限于實(shí)訓(xùn)設(shè)備，可以通過三維模型的仿真技術(shù)融入不同層次的生產(chǎn)場(chǎng)景，智能靈活，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與協(xié)作精神。

5.3 融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在工業(yè)4.0背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為控制領(lǐng)域的新型技術(shù)，通過智能網(wǎng)關(guān)連接設(shè)備層和網(wǎng)絡(luò)層，不但能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，也能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，新技術(shù)的應(yīng)用有利于學(xué)生更好更快地對(duì)接工作崗位。

6 結(jié)束語

在傳統(tǒng)電工實(shí)訓(xùn)裝置基礎(chǔ)上，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行深入研究，最終基于工業(yè)4.0背景拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)要求。隨著課程改革、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)的不斷深入和完善，通過理實(shí)交替、理實(shí)一體等教學(xué)模式，再結(jié)合線上線下混合式教學(xué)，有效促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，利用手機(jī)APP遠(yuǎn)程訪問控制系統(tǒng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，且符合工業(yè)4.0背景下的控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，具有一定的實(shí)用性、先進(jìn)性。

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79，83.

*項(xiàng)目來源：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目“工業(yè)4.0視角下電工實(shí)訓(xùn)裝置的智能化應(yīng)用研究”（編號(hào)：2021J0987）。

作者：粟小琴，昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電氣工程高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化產(chǎn)線設(shè)計(jì)與調(diào)試、智能制造實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)；丁娛樂，昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院副院長(zhǎng)，副教授，研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表安裝與調(diào)試、智能制造實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)（650302）；劉衛(wèi)標(biāo)，云南昆鋼重型裝備制造集團(tuán)技術(shù)總監(jiān)，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄苤圃煅b備、智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與調(diào)試（650501）。