霍蘭德理論視域下基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺

劉通 曾華鵬 劉偉

摘 要：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是智能制造的重要支撐，為加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)研制工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用層包括基于ProcessHub開發(fā)的服務(wù)器和基于Workbench開發(fā)的工業(yè)PAD客戶端，網(wǎng)絡(luò)層基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊通信，感知層結(jié)合PLC、變頻器、步進(jìn)電機(jī)、傳感器、控制器等技術(shù)，真實(shí)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(shí)踐表明，結(jié)合霍蘭德職業(yè)性向和CDIO教學(xué)理念，采用項(xiàng)目化的教學(xué)方法配套開發(fā)實(shí)訓(xùn)例程，可有效提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和就業(yè)競爭力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)網(wǎng)絡(luò);物聯(lián)網(wǎng);PLC;職業(yè)性向;CDIO;工程實(shí)踐;智能制造

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)，是“中國制造2025”的主攻方向[1]。而工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與自動控制技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要支撐，其主要包括現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[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(luò)從原來的現(xiàn)場層延伸到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

為了適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需要，培養(yǎng)具有較強(qiáng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐能力，能夠解決工程實(shí)際問題的自動化專業(yè)人才是當(dāng)前高職教育和應(yīng)用型本科教育的緊迫任務(wù)[5]。實(shí)訓(xùn)課程是組織教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[6]，依托于實(shí)訓(xùn)室建設(shè)和實(shí)訓(xùn)設(shè)備配套。為了讓學(xué)生掌握最前沿的技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)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(gòu)進(jìn)行了本系統(tǒng)的研制，并結(jié)合霍蘭德職業(yè)性向理論和CDIO教學(xué)模式，配套開發(fā)相關(guān)實(shí)訓(xùn)例程。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。鑒于西門子公司的PROFINET和PROFIBUS是目前市場上應(yīng)用廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，且其PLC產(chǎn)品可靠性高、編程靈活、組網(wǎng)通信功能強(qiáng)[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(yùn)動控制和過程控制兩個(gè)子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)感知層與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)互通。應(yīng)用層包括基于ProcessHub開發(fā)的服務(wù)器和基于Workbench開發(fā)的PAD客戶端，客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器。本平臺可將PLC采集數(shù)據(jù)同步傳遞至服務(wù)器和PAD客戶端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可通過HMI開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自上而下的控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1中運(yùn)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(jī)構(gòu)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(yīng)識別金屬、玻璃、塑料材質(zhì)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(jī)構(gòu)動作。分揀機(jī)構(gòu)包括4組氣動裝置和2組皮帶，氣動裝置通過伸縮實(shí)現(xiàn)物料推送、分揀，步進(jìn)電機(jī)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、方向傳動皮帶，實(shí)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(shè)定液位值和溫度值比較，控制閥門和G120變頻器拖動水泵實(shí)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(shí)現(xiàn)溫度自動控制。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)物圖如圖2所示。

2 實(shí)訓(xùn)例程設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)整體架構(gòu)，按照自下至上、先局部后整體的思路，循序漸進(jìn)設(shè)計(jì)以下實(shí)訓(xùn)例程。其中，第一、二個(gè)例程面向感知層，突出PLC數(shù)據(jù)采集和控制功能的實(shí)現(xiàn)。第三、四個(gè)例程，圍繞系統(tǒng)通信和應(yīng)用層HMI設(shè)計(jì)，突出整個(gè)系統(tǒng)通信和應(yīng)用層監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)。最后2個(gè)綜合性的實(shí)訓(xùn)例程圍繞個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自動分揀系統(tǒng)和PID過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)例程，是對前4個(gè)例程的綜合，將在第3部分結(jié)合教學(xué)方法闡述。

2.1 數(shù)據(jù)采集功能的組態(tài)

對運(yùn)動控制子系統(tǒng)，需要用到的實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要包括S7-1200PLC、Spider67、光電傳感器和已安裝博途軟件的計(jì)算機(jī)。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(jì)算機(jī)。本實(shí)訓(xùn)以博途軟件為平臺，重點(diǎn)學(xué)習(xí)硬件插入與配置、地址設(shè)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(diào)試。為驗(yàn)證實(shí)訓(xùn)效果，可先提供服務(wù)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(yùn)動控制子系統(tǒng)需要用到的實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要包括S7-1200PLC、Spider67、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（分揀機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)）。過程控制子系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要包括S7-300PLC、G120變頻器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（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(chǔ)上，定義全局變量、編寫邏輯程序，實(shí)現(xiàn)氣動裝置伸縮、皮帶傳動速度與方向，以及對關(guān)聯(lián)加熱棒、閥門和水泵電路的繼電器實(shí)施控制。

2.3 PLC端和服務(wù)器端的通信組態(tài)

本實(shí)訓(xùn)的目的是讓學(xué)生掌握使用工業(yè)APP快速生成套件，實(shí)現(xiàn)PLC與服務(wù)器端之間通信的操作方法。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括Workbench組態(tài)軟件，重點(diǎn)要掌握定義ProcessHub服務(wù)器地址，對應(yīng)PLC程序全局變量終端地址在虛擬變量中設(shè)定相匹配的通信點(diǎn)，以及導(dǎo)出ProcessHub工程。另外，要掌握啟動ProcessHub服務(wù)、啟動Open SMC獲取PLC數(shù)據(jù)的方法。

2.4 安卓客戶端和服務(wù)器端之間的通信組態(tài)

本實(shí)訓(xùn)的目的是讓學(xué)生掌握組態(tài)安卓APP和服務(wù)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(guān)組件，關(guān)聯(lián)變量、操作賦值、動畫演示等設(shè)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(guān)聯(lián)，導(dǎo)出安卓APP工程。

3 綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

自動分揀系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)例程和PID過程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)例程是以項(xiàng)目為驅(qū)動，基于霍蘭德職業(yè)性向理論對學(xué)生分組分崗，基于CDIO教學(xué)模式規(guī)范項(xiàng)目開發(fā)和實(shí)訓(xùn)流程。

首先，采用分組分崗的方式設(shè)置項(xiàng)目工程師、應(yīng)用工程師和現(xiàn)場工程師3類崗位，各個(gè)工作崗位與霍蘭德理論6種典型職業(yè)性向關(guān)聯(lián)見表1所列。通過輪崗實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生加強(qiáng)對自我職業(yè)性向認(rèn)知，為下一步職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，提供科學(xué)指導(dǎo)與借鑒。實(shí)訓(xùn)流程如圖3所示，分為C，D，I，O四個(gè)階段。C為構(gòu)思，主要是理解、確認(rèn)和量化項(xiàng)目需求。以自動分揀系統(tǒng)為例，項(xiàng)目需求主要包括物料的材質(zhì)、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(shí)現(xiàn)手自動控制等。D為設(shè)計(jì)，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(shí)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(shè)計(jì)等，客戶端界面示意如圖4所示。O為運(yùn)行維護(hù)，主要為系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

本實(shí)訓(xùn)平臺綜合物聯(lián)網(wǎng)、PLC和工業(yè)總線等技術(shù)研制，真實(shí)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(gòu)平臺，其克服了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備宏觀性不強(qiáng)的問題。平臺所選設(shè)備具有通用性、代表性和先進(jìn)性，基于CDIO和職業(yè)性向教學(xué)理念，以工作過程為導(dǎo)向的項(xiàng)目教學(xué)法，配套開發(fā)實(shí)訓(xùn)教學(xué)例程，經(jīng)教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，有效提高學(xué)生理論水平和工程實(shí)踐能力，為學(xué)生實(shí)習(xí)定崗、就業(yè)選崗打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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