江吉祥

摘 要：分揀生產(chǎn)線在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是目前國內(nèi)的一些分揀設(shè)備存在精度不高、智能化水平低、人機交互體驗差等問題。如果能夠借鑒電氣裝置、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等大賽的成果和理念進行智能化升級改造，就可以在技術(shù)層面給這些設(shè)備帶來質(zhì)的飛躍。本文以交流調(diào)速輸送機的改造為例，對人機交互式智能分揀生產(chǎn)線進行研究。

關(guān)鍵詞：實訓(xùn)設(shè)備 人機交互 分揀生產(chǎn)線

一、社會背景和市場現(xiàn)狀

黨的二十大報告指出，統(tǒng)籌職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育協(xié)同創(chuàng)新，推進職普融通、產(chǎn)教融合、科教融匯，優(yōu)化職業(yè)教育類型定位。這是國家在以往實踐基礎(chǔ)上又一項創(chuàng)造性的頂層設(shè)計，是實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略一體化的重要契合點，也是開辟努力發(fā)展新領(lǐng)域、新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能、新優(yōu)勢的重要突破口。

隨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的深入推進和新舊動能轉(zhuǎn)換，中國正從制造大國向制造強國邁進，工業(yè)領(lǐng)域也進入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的轉(zhuǎn)型發(fā)展期，許多勞動密集型行業(yè)正逐漸被智能化的自動生產(chǎn)線所替代。

職業(yè)教育身處產(chǎn)業(yè)第一線，既要為破解“卡脖子”問題培養(yǎng)更多高素質(zhì)高技能人才，又要在促進創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈精準(zhǔn)對接中成為科技成果轉(zhuǎn)化的“紐帶”，在服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮有力支撐作用。

根據(jù)市場調(diào)查，分揀傳送設(shè)備涉及多個行業(yè)、多個領(lǐng)域，在食品包裝、機械制造、汽車零部件、物流包裝等制造類企業(yè)中應(yīng)用尤其廣泛。當(dāng)下生產(chǎn)線設(shè)備大體上分為兩類。

一類為由精度較差的普通交流電機加調(diào)速器組合而成的低端產(chǎn)品。這對于很多企業(yè)來說，根本無法滿足精細作業(yè)、無人值守、遠程操作等要求。

另一類為成本較高、依附于大型設(shè)備的高端產(chǎn)品，需配套使用，無法獨立運行。而且人機交互功能差，無法實現(xiàn)智能化、模塊化的工業(yè)互聯(lián)要求。

職業(yè)院校承擔(dān)著為國家培養(yǎng)高技能人才的重任，各種適用又實用的生產(chǎn)線實訓(xùn)設(shè)備在教育教學(xué)中作用重大?？赡壳爸悄芊謷a(chǎn)線相關(guān)的教學(xué)設(shè)備很少，雖然有少量原理演示性質(zhì)的模型設(shè)備，但直接貼近一線生產(chǎn)、能夠進行人機交互的智能化、網(wǎng)絡(luò)化分揀設(shè)備仍是市場空白。

二、生產(chǎn)線升級改造的研究

筆者在對青島地區(qū)30多家制造類企業(yè)及山東10所職業(yè)院校工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群（電氣、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)）進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場現(xiàn)狀和職業(yè)院校工學(xué)一體化教學(xué)的需求，選取了工業(yè)制造應(yīng)用最為廣泛的“交流調(diào)速輸送機”作為研究對象，融入世界技能大賽電氣裝置賽項和中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大賽的技術(shù)成果，實現(xiàn)功能上的優(yōu)化升級。

（一）交流調(diào)速輸送機存在的問題

當(dāng)前生產(chǎn)用的交流調(diào)速輸送機主要由傳送帶和交流調(diào)速器組成，可以進行簡單的速度調(diào)節(jié)，但無法精準(zhǔn)調(diào)速，也無法實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。如果生產(chǎn)線上還需要進行物料分揀、人機交互、遠程控制、無人值守等，該設(shè)備在功能和性能上根本無法滿足上述要求。

（二）智能化改造思路

針對上述問題，并結(jié)合當(dāng)下主流的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和前沿交互技術(shù)，筆者認為可從以下幾方面著手進行改造，即將普通“交流調(diào)速輸送機”升級為“人機交互式智能分揀生產(chǎn)線”。

1.精確調(diào)速和定位功能

在這一功能的改造上，可以為設(shè)備增加可編程邏輯控制器和伺服電機，編寫運動控制程序，通過成熟穩(wěn)定的PLC控制技術(shù)，可以非常容易地實現(xiàn)對傳送帶的精確調(diào)速和定位。

2.物料屬性分揀功能

物料的屬性檢測離不開高精度的傳感器，可以在傳送帶的兩側(cè)和上方增設(shè)各類溫度傳感器、金屬傳感器、顏色傳感器等，將檢測到的信號傳送給PLC，從而通過程序驅(qū)動生產(chǎn)線的運行，實現(xiàn)對物料的溫度、材質(zhì)、顏色等屬性的分揀功能。

3.人機交互功能

人機交互功能在技術(shù)上是一個創(chuàng)新點也是一個難點，除了要有人機交互的硬件條件外，對語音和畫面的處理和數(shù)據(jù)傳輸也是亟待解決的問題。目前比較容易實現(xiàn)的就是增加HMI人機界面，通過屏幕在工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)操作人員與設(shè)備之間的交互。實際上還有一條非常靈活的途徑，就是借助于已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域開始嶄露頭角的智能手機，通過易微聯(lián)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺連接設(shè)備的控制器，再由控制器作為PLC的數(shù)字量輸入設(shè)備，從而實現(xiàn)手機App控制和監(jiān)視設(shè)備的運行，還可以通過設(shè)備組網(wǎng)的方式將易微聯(lián)等平臺搭接到智能手機的語音平臺、實現(xiàn)跨平臺連接，從而實現(xiàn)人機的語音交互功能。

4.遠程監(jiān)視和無人值守功能

遠程監(jiān)視和無人值守一直是工業(yè)領(lǐng)域研發(fā)的重頭戲，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的今天，這些功能的開發(fā)也變得更加易于實現(xiàn)。目前最優(yōu)的途徑就是利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，依托5G網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備和平臺之間的互聯(lián)，隨時隨地進行遠程監(jiān)控。如果再匹配工業(yè)機器人，即可實現(xiàn)無人值守功能。

5.智能照明功能

產(chǎn)業(yè)節(jié)能和綠色發(fā)展已經(jīng)是全球共識。因此，在照明系統(tǒng)上可以考慮通過國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈比較完善的智能燈控系統(tǒng)進行智慧照明，輕松實現(xiàn)物料對光色、光線強弱的要求，而且節(jié)能高效。

6.控制方式的多樣化

為了滿足多種生產(chǎn)需求，靈活多樣的控制方式也是必不可少的。為此，可以在設(shè)備上增加物理控制按鍵、在HMI中設(shè)計虛擬按鍵，還可通過高頻無線遙控模塊實現(xiàn)中距離遙控功能，由此降低對操作人員的身體條件要求，甚至可以給殘疾人員提供一定的就業(yè)崗位。

（三）“人機交互式智能分揀生產(chǎn)線”改造后的功能組成

設(shè)備根據(jù)上述思路改造完成后，可以實現(xiàn)生產(chǎn)上的自動化、智能化分揀，甚至可以做到24小時無人值守工作。在設(shè)備運行期間，可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭實時在手機App上遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，并與現(xiàn)場工作人員實時進行語音交流。在設(shè)備停用期間，可以作為安全監(jiān)控使用。當(dāng)有人在禁用設(shè)備期間進入監(jiān)控范圍時，移動偵測功能啟動，立即向手機推送消息，同時攝像頭會發(fā)出警報。

綜上所述，整條智能生產(chǎn)線主要包含了以下幾項重要組成部分。

1.主控制系統(tǒng)

以PLC為核心；有語音、手機App、HMI人機交互界面等多種靈活控制方式；通過修改PLC程序可自由改變設(shè)備傳送分揀功能。

2.傳感器系統(tǒng)

對物料的溫度、材質(zhì)、顏色等不同屬性進行智能化分揀，并通過相應(yīng)的指示燈或者蜂鳴器進行警示。

3.智能照明系統(tǒng)

調(diào)光調(diào)色，以適應(yīng)不同產(chǎn)品生產(chǎn)時對亮度和色彩的需要，踐行國家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念。

4.智能監(jiān)控系統(tǒng)

連接5G網(wǎng)絡(luò)，實時遠程監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守，發(fā)生緊急狀況可通過遠程語音、視頻交流進行指揮、調(diào)度。

（四）特色和創(chuàng)新

人機交互式智能分揀生產(chǎn)線一方面可以滿足現(xiàn)代企業(yè)自動化生產(chǎn)的要求，另一方面可以結(jié)合職業(yè)院校教學(xué)和對外培訓(xùn)的需求，對接電工基礎(chǔ)、電力拖動控制線路技能訓(xùn)練、電機技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門機電類專業(yè)核心課程，融合PLC運動控制、步進驅(qū)動、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多項主流的控制技術(shù)，融入5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供良好的實訓(xùn)平臺。

這些特點和創(chuàng)新點，可歸納總結(jié)為以下幾個方面。

第一，創(chuàng)新性地融入5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能。人機交互式智能分揀生產(chǎn)線創(chuàng)造性地加入智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能，使得設(shè)備緊跟工業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)，功能更加強大，可以實現(xiàn)人機交互、遠程控制、無人值守，人機操作更加便利，填補了市場空白。

第二，通用接口的平臺，用途更加靈活多變。以PLC為核心、以5G網(wǎng)絡(luò)為通信途徑的開放式綜合性控制系統(tǒng)，融合多門學(xué)科，既適合學(xué)校開展教學(xué)和培訓(xùn)，又能滿足企業(yè)對分揀生產(chǎn)線智能化的需求。

第三，獨立模塊化設(shè)計，個性化量身定制。人機交互式智能分揀生產(chǎn)線的設(shè)備組成實現(xiàn)了模塊化，各功能模塊相互獨立?？舍槍Σ煌男枨?，靈活增減模塊，做到了功能上的個性化量身定制，降低了設(shè)備使用成本。

（五）設(shè)備改造升級的實用價值

1.滿足企業(yè)對智能化生產(chǎn)的需求

通過PLC編程實現(xiàn)功能上的靈活調(diào)整；通過精密電機實現(xiàn)對傳送的精確調(diào)速和定位；通過各類傳感器，實現(xiàn)對物料的溫度、材質(zhì)、顏色、壓力等不同屬性的分揀；通過5G網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備實現(xiàn)語音、畫面的人機交互和遠程控制。

2.滿足職業(yè)院校對智能化生產(chǎn)線實訓(xùn)設(shè)備的需求

融合多學(xué)科知識，設(shè)備中的各個模塊對應(yīng)多門電氣和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的核心課程，適合作為電氣自動化、機電一體化等專業(yè)的教學(xué)設(shè)備使用。

3.滿足電工工種的職業(yè)技能等級認定培訓(xùn)的需求

人機交互式智能分揀生產(chǎn)線設(shè)備的安裝、編程、調(diào)試過程恰好對應(yīng)電工國家職業(yè)技能認定的初級、中級、高級、技師各個階段的培訓(xùn)內(nèi)容，因此可以直接作為培訓(xùn)設(shè)備使用。

如果個別行業(yè)對培訓(xùn)的內(nèi)容有特殊要求，可對這個開放式的設(shè)備平臺稍加改動，即可適配所需。

三、改進方向

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更迭，硬件設(shè)備的淘汰升級加速，并且結(jié)構(gòu)功能越復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，不確定的因素也越多，如果能夠利用軟件對整個工廠和生產(chǎn)線進行模擬仿真，企業(yè)投產(chǎn)后出現(xiàn)損失的概率會大大度降低。當(dāng)下數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用如火如荼，擁有非常廣闊的發(fā)展空間。這項技術(shù)的精髓就在于用軟件仿真整套硬件設(shè)備，甚至是一個完整的工廠。有了這項技術(shù)的加持，就可以對生產(chǎn)線的功能進行進一步提升和完善，一方面減小了對硬件設(shè)備的依賴，降低了使用成本，另一方面在企業(yè)投產(chǎn)前就可以對問題進行預(yù)判，從而降低生產(chǎn)風(fēng)險。

（作者單位：青島市技師學(xué)院）