工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為國內(nèi)外先進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要內(nèi)容和關(guān)鍵載體,是中國制造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,用人單位對于畢業(yè)生的實踐能力要求越來越高,希望畢業(yè)生有較好的專業(yè)技能,因此職業(yè)院校也逐步開設(shè)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(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,這是國家發(fā)展的需要,也是工程類職業(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)實訓(xùn)系統(tǒng),邊緣層OT端設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)化接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),但接入的設(shè)備種類較為單一,往往通過一些傳感器來模擬信號或采用仿真信號來體現(xiàn)數(shù)據(jù)來源,而且整個系統(tǒng)中工業(yè)通信協(xié)議也較為簡單,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)行通信以實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)采集。在信號采集方面,現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用傳感器模擬或仿真信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,覆蓋面窄,無法體現(xiàn)典型工業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)出的場景,且缺少真實數(shù)據(jù)來源;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)、實驗實訓(xùn)和考核中局限性較大,學(xué)員無法在同一種設(shè)備上實現(xiàn)多協(xié)議、多途徑的數(shù)據(jù)采集,導(dǎo)致教學(xué)、實驗實訓(xùn)和考核效果不佳?；谏鲜鰡栴},本文提出了一種新型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計原理及層級關(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、平臺層和應(yīng)用層,每一層相對獨立,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)測單元,如智能傳感器、工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)等,是設(shè)備運行的基礎(chǔ)載體和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的對象。

(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型工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)化為MOTT協(xié)議,再經(jīng)過以太網(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、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)以及其基本的計算資源,以便于部署和運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序來實現(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。

(5)平臺層基于康尼智聯(lián)云平臺搭建的云平臺,提供應(yīng)用全開放API服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(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,用于實現(xiàn)對云端業(yè)務(wù)應(yīng)用App的運行支撐服務(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、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模等服務(wù),可實現(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)以汽車零部件皮帶惰輪的加工裝配為教學(xué)案例,通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)上云、組態(tài)設(shè)計等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用。

3.1系統(tǒng)組成

實訓(xùn)系統(tǒng)主要由原材料庫單元、CNC加工單元、零件輸送單元、SCARA機(jī)器人單元、裝配及檢測單元、成品庫單元、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)云平臺等組成,如圖2所示。

3.1.1執(zhí)行單元

原材料庫單元作為汽車零件裝配工藝過程中的物料存儲模塊,采用工業(yè)鋁型材搭建,主要由基體平臺、垂直料筒、氣動頂料裝置及光電檢測傳感器等組成。

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)場中工件傳輸、分揀、加熱老化等過程。

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

SCARA機(jī)器人單元采用四軸SCARA機(jī)器人對物料進(jìn)行搬運,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。

裝配及檢測單元主要裝配工裝和檢測工裝,其中裝配工裝從線邊庫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。檢測工裝由基礎(chǔ)型材臺架和機(jī)器視覺檢測機(jī)構(gòu)組成,可以對裝配后的工件通過機(jī)器視覺進(jìn)行質(zhì)量檢測。

成品庫單元主要由庫框架、成品庫位、檢測傳感器等組成,共具有6個成品庫位,每個庫位都安裝有物料檢測傳感器對成品物料進(jìn)行有無檢測,系統(tǒng)具有庫位管理功能。

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)、工作臺等組成。平臺采用真實的數(shù)控系統(tǒng),通過開發(fā)存儲器里的系統(tǒng)程序來實現(xiàn)控制邏輯,實現(xiàn)數(shù)控功能,并通過接口與外圍設(shè)備進(jìn)行連接。

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

3.1.3工業(yè)云平臺

云平臺集成了物聯(lián)云、教學(xué)云、開發(fā)云、考核云等不同功能模塊,通過將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與教育實踐相結(jié)合,打造目前教育市場上一體化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺,實現(xiàn)教學(xué)實訓(xùn)設(shè)備管理、運行監(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,傳輸線上的檢測開關(guān)檢測到惰輪輪體后將惰輪輪體向前輸送。運行到檢測區(qū)后開始對惰輪輪體進(jìn)行檢測,根據(jù)不同材質(zhì)的檢測結(jié)果進(jìn)行分揀。

隨后,加熱區(qū)開始對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,等待運動控制單元抓取。

運動控制單元將惰輪輪體抓取至CNC單元,對惰輪輪體進(jìn)行模擬加工,CNC單元模擬加工完成后再由運動控制單元將惰輪輪體取出放至緩存工位,再由SCARA機(jī)器人搬運至裝配位,隨后將線邊庫的軸承取過來,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,檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配檢測,檢測合格的工件由SCARA機(jī)器人搬運至成品庫單元,檢測不合格的工件搬運至不合格產(chǎn)品收集工位。

4實現(xiàn)效果

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計、測試和驗證,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)實訓(xùn)系統(tǒng)樣機(jī)

通過工業(yè)云平臺與設(shè)備硬件結(jié)合,學(xué)生能夠在云端實現(xiàn)對設(shè)備的在線狀態(tài)、運行情況、數(shù)據(jù)報表、能耗使用、地理信息、維護(hù)保養(yǎng)日志等進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與運維,通過該系統(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

本文所述新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)綜合運用了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)機(jī)器人、PLC控制、CNC、智能傳感器、運動控制等多種技術(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)對科學(xué)實驗及教學(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作用。