基于物聯(lián)網(wǎng)的煙草工廠 智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用

孫方照，張琪，張剛，王金忠，門博

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青州卷煙廠，山東 濰坊 262500）

隨著我國網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的極大發(fā)展和廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物品與物品之間的信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋較廣，涉及自動(dòng)化、通信、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，多見于工業(yè)生產(chǎn)與制造，例如傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及信息處理技術(shù)等。通過以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息領(lǐng)域高新技術(shù)來改造傳統(tǒng)制造業(yè)，是我國制造業(yè)升級(jí)發(fā)展的迫切需求和核心方向，也是實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”偉大愿景的必由之路。

物聯(lián)網(wǎng)在不斷的發(fā)展與融入工業(yè)生產(chǎn)制造的過程中，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)工藝流程的優(yōu)化，提高工作效率，推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)制造向智能工業(yè)制造的方向發(fā)展，另一方面也給當(dāng)前的生產(chǎn)制造型企業(yè)提出了專業(yè)技術(shù)應(yīng)用和人才隊(duì)伍培養(yǎng)建設(shè)的新挑戰(zhàn)。因此，本文作者將以自身青州卷煙廠的實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)歷，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的煙草工廠能源動(dòng)力處智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用方案，為提高車間員工電氣控制專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用能力，推動(dòng)車間電氣控制向“智能電控”方向發(fā)展做出了一次創(chuàng)新型實(shí)踐。

1 概述

1.1 現(xiàn)狀分析

在全行業(yè)推行物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的融合應(yīng)用與創(chuàng)新改革背景下，青州卷煙廠也積極推進(jìn)工控領(lǐng)域的智能電氣集控系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。在動(dòng)力車間目前的智能化電氣集控系統(tǒng)有除塵系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等協(xié)同工作，對(duì)生產(chǎn)過程保障起到重大作用。但由于整體成型電控系統(tǒng)無法給予職工實(shí)驗(yàn)性操作的機(jī)會(huì)，對(duì)于智能電控的學(xué)習(xí)還僅停留在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，尤其是在面對(duì)電控故障時(shí)，實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)不足，如何針對(duì)性的展開關(guān)于智能電控的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，是車間亟待解決的重要問題。

1.2 需求分析

1.2.1 提高車間員工電氣控制故障排除能力

根據(jù)動(dòng)力車間以往的電氣類故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2019～2021年所有的電氣類故障中，控制故障分別占比為46.60%、54.60%、61.60%。電氣控制故障量長期處于高位，且有逐年遞增趨勢(shì)。另外，電氣控制又是智能化電氣控制的核心，是關(guān)乎動(dòng)力車間乃至整個(gè)青州卷煙廠能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。因此，提升車間員工電氣控制故障排除能力是智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的首要功能。通過智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，車間員工可以在日常的模擬狀態(tài)下掌握電氣控制故障的排除方法，以提高實(shí)際故障處理的工作效率。

1.2.2 提高車間員工集控系統(tǒng)的程序編寫與改進(jìn)能力

隨著“智能化”電氣控制系統(tǒng)的逐步完善，將會(huì)有更多的電氣控制系統(tǒng)加入到車間的生產(chǎn)制造中，而電氣控制系統(tǒng)則需要對(duì)其運(yùn)行程序進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)后才能確定其兼容性和適用性。但是由于大部分電氣集控系統(tǒng)多為成套完備系統(tǒng)。由于缺少前端仿真模擬，無法直接在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行程序方面的改進(jìn)使用。因此，智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要具備編程仿真功能，用以電氣集控系統(tǒng)控制程序改進(jìn)前的模擬或新程序的開發(fā)。通過智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠降低程序改進(jìn)的失誤率，加快新程序的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程。

1.2.3 提供車間員工在線學(xué)習(xí)的新渠道

車間在全面推進(jìn)智能化控制的進(jìn)程中對(duì)車間員工提出了專業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的掌握要求即車間員工需要花時(shí)間進(jìn)行新技術(shù)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)。就當(dāng)前的學(xué)習(xí)方式主要有2種：一是學(xué)習(xí)紙質(zhì)版；二是學(xué)習(xí)電子版，主要通過U盤、微信、QQ等5種方式傳輸、保存，而后學(xué)習(xí)。但二種方式都具有文件可能損壞、丟失、查找速度慢、無法碎片化學(xué)習(xí)等缺點(diǎn)。因此，智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要提供在線學(xué)習(xí)功能，為車間員工開辟新的學(xué)習(xí)渠道，提升車間員工對(duì)知識(shí)技巧的掌握速度，有利于車間電氣專業(yè)人才的隊(duì)伍建設(shè)。

綜上所述，可以采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合當(dāng)前車間電氣集成控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，構(gòu)建起智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)提高車間員工專業(yè)技術(shù)操作水平、組建學(xué)習(xí)型人才隊(duì)伍的目標(biāo)。

2 智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

2.1 總體框架

通過“SWOT”分析我們發(fā)現(xiàn)智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建應(yīng)充分發(fā)揮青年職工能力強(qiáng)、積極性高的特點(diǎn)，讓廣大青年職工參與其中，但同時(shí)也應(yīng)對(duì)于面臨的器件昂貴有必要的措施，而平臺(tái)的建立則是要惠及更廣大職工，用以縮小“劣勢(shì)”。團(tuán)隊(duì)成員利用卡諾模型對(duì)功能需求進(jìn)行進(jìn)一步分析。將“1+3+2”與三大功能需求“基本需求”“期望需求”“興奮需求”進(jìn)行有機(jī)結(jié)合并根據(jù)5W1H制定方案對(duì)策表。

圖2

基于物聯(lián)網(wǎng)智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)3個(gè)不同的需求，設(shè)置為3個(gè)不同的功能板塊，如圖1所示。整體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由硬件設(shè)備和軟件設(shè)備組成。其中，硬件設(shè)備包括作為智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)器的電腦主機(jī)；也包含在電氣故障排除實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)器材。另外，軟件系統(tǒng)包括電氣集成控制系統(tǒng)、PLC編程控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)等。

圖1

圖3 智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體框架圖

2.2 具體功能

2.2.1 電控排故練習(xí)模塊

由于智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制的“完整性”和“先進(jìn)性”，車間員工們?cè)谄脚_(tái)上就可以模擬各種實(shí)際的電控故障并加以排出，最大程度上模擬真實(shí)發(fā)生的電控類故障，而與此同時(shí)平臺(tái)還兼?zhèn)淞四M其他電氣類故障（接觸器、電機(jī)等），綜合來提升職工電氣排故能力。

2.2.2 編程仿真訓(xùn)練模塊

在對(duì)電氣集成控制設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)之前，先將編制好的程序放在智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真，通過各種傳感器、變送器、接觸器等的配合，查找邏輯程序和電氣接線兩方面中可能存在的問題，并加以改正。待平臺(tái)編程仿真模擬通過后，在加入到實(shí)際電控系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。

2.2.3 自主在線學(xué)習(xí)模塊

對(duì)于車間員工們實(shí)時(shí)在線學(xué)習(xí)的需求，構(gòu)建了智能電氣網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)云平臺(tái)，相對(duì)于內(nèi)部邏輯，在“在線學(xué)習(xí)功能”中，我們更關(guān)注程序的功能實(shí)現(xiàn)，所以采用“黑盒測(cè)試”法來實(shí)驗(yàn)。在最終在內(nèi)部架構(gòu)已經(jīng)完善的基礎(chǔ)上，直接在程序端口進(jìn)行“登錄、查詢、瀏覽、下載”等功能的測(cè)試，檢查功能方面的實(shí)現(xiàn)性及可靠性。車間智能電氣實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)網(wǎng)站地址：http://192.168.6.248:8080/dongli/Login.jsp，廠內(nèi)員工可自行注冊(cè)帳號(hào)學(xué)習(xí)相關(guān)智能化電氣知識(shí)，共計(jì)10.87G海量學(xué)習(xí)資料，且在不斷更新增加中。

2.3 技術(shù)支持

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及信息處理技術(shù)。根據(jù)車間電氣控制集成系統(tǒng)的目前運(yùn)行情況，將智能電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為六大部分，分別為軟件系統(tǒng)、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通訊、開關(guān)控制、模擬數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)。

另外，整個(gè)電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)需要硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的支持。其中，硬件設(shè)備與零部件可以動(dòng)力車間備件庫提供、日常更換舊電氣元件、日常采購以及自行制作等方式完成籌備。而軟件系統(tǒng)則通過網(wǎng)絡(luò)下載安裝于電腦服務(wù)器中。

圖4

圖5

2.3.1 電控排故練習(xí)模塊

由于智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制的“完整性”和“先進(jìn)性”，職工們?cè)谄脚_(tái)上就可以模擬各種實(shí)際的電控故障并加以排出，最大程度上模擬真實(shí)發(fā)生的電控類故障，而與此同時(shí)平臺(tái)還兼?zhèn)淞四M其他電氣類故障（接觸器、電機(jī)等），綜合來提升職工電氣排故能力。

所需硬件設(shè)備有：電腦服務(wù)器、開關(guān)、繼電器、PLC s7-300、變頻器、光纖、觸摸操作屏、以及各類傳感器。軟件系統(tǒng)有：STEP 7、IFIX、wincc。人機(jī)界面有：西門子MP-377、西門子TP-1200、西門子Panels PC-677。網(wǎng)絡(luò)通訊需要：Modbus-TCP、TCPIP、Profibus。以上準(zhǔn)備完成后，將根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中規(guī)劃的不同的智能化電氣控制方式，利用AUTOCAD繪制出智能電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電氣原理圖、接線圖，以及具體的I/O分配表。并按圖完成電控排故練習(xí)模塊的組裝與調(diào)適。

2.3.2 編程仿真訓(xùn)練模塊

在對(duì)電控設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)之前，先將編制好的程序放在智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真，通過各種傳感器、變送器、接觸器等的配合，查找邏輯程序和電氣接線兩方面中可能存在的問題，并加以改正。待平臺(tái)編程仿真模擬通過后，再加入到實(shí)際電控系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。

在此功能模塊下，硬件設(shè)備需要PLC傳感器和變頻器。軟件系統(tǒng)需要有智能I/O模塊和TIA（博途）平臺(tái)輔助員工實(shí)現(xiàn)電氣集成控制系統(tǒng)程序的編寫與改進(jìn)。此功能主要在計(jì)算機(jī)服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)操作。

2.3.3 自主在線學(xué)習(xí)模塊

采 用B/S架 構(gòu)，以MVC模 式 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì)。在B/S架構(gòu)下，自主學(xué)習(xí)平臺(tái)分為前端應(yīng)用界面、中間業(yè)務(wù)控制服務(wù)器以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。前端采用JSP+JavaScript+CSS+jQuery+Ajax等技術(shù)開發(fā)，主要采用Java語言，操作系統(tǒng)要求Windows7及以上。中間業(yè)務(wù)控制服務(wù)器才用Web Project工程，配置TOMCAT服務(wù)器。后端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Oracle 數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用。

3 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建能夠切實(shí)滿足當(dāng)前車間的需求，也是青州卷煙廠扎實(shí)推進(jìn)“打造專業(yè)電氣人才隊(duì)伍，全面推進(jìn)智能化控制”工作的重要舉措。物聯(lián)網(wǎng)的智能化電氣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠從實(shí)際出發(fā)提高車間員工的專業(yè)技術(shù)水平，提升自我學(xué)習(xí)能力，踐行了“數(shù)字化”“智能化”的創(chuàng)新發(fā)展理念，編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，制作了視頻教程，同時(shí)，編輯了大量智能化電控案列供職工們學(xué)習(xí)、練習(xí)，為推動(dòng)青州卷煙廠朝著“智能電控”的方向邁進(jìn)提供了新的思路。