基于云平臺的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)系統(tǒng)

孟慶波 紀(jì)汝杰 司付興 趙健

（1.海爾數(shù)字科技（南京）有限公司 山東省青島市 266100 2.青島工程職業(yè)學(xué)院 山東省青島市 266000）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及的維度和知識面非常廣泛，有網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三大體系，可分網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)接、標(biāo)識解析、邊緣計算、平臺與數(shù)據(jù)、工業(yè)APP、安全、應(yīng)用、運營八個領(lǐng)域。職業(yè)院校在教學(xué)培訓(xùn)中，提升學(xué)生專業(yè)認(rèn)知能力是關(guān)鍵，結(jié)合已有案例分析，大型綜合產(chǎn)線雖全面直觀，但造價成本高，占地面積大且受數(shù)量限制不便于教學(xué)培訓(xùn)，不能滿足學(xué)員充分演練及人機(jī)互動性好的需求。因此，開發(fā)一種造價低、實用性強(qiáng)、體積小、模塊化及融合工控場景的實訓(xùn)產(chǎn)品具有非常重要的意義。

針對這種狀況，我們開發(fā)了基于云平臺的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)系統(tǒng)，可完成職業(yè)院校工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動化、機(jī)電等相關(guān)專業(yè)課程的實驗實訓(xùn)。為學(xué)生提供了一個典型的體驗環(huán)境，使其對學(xué)過的單科知識，在實訓(xùn)中得到全面的認(rèn)識和鞏固，達(dá)到對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)認(rèn)知和綜合應(yīng)用快速入門的效果。

1 系統(tǒng)組成及工藝原理

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)系統(tǒng)可實現(xiàn)三軸孔明鎖的全流程自動生產(chǎn)過程，具體包含下單、原料出庫、原料檢測、裝配、成品檢測、個性化定制、成品入庫等七個工序。系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、毛胚料盤、理料盤、伺服驅(qū)動模組及托盤機(jī)構(gòu)、檢測相機(jī)、成品料盤、激光打標(biāo)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、云平臺等組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

具體生產(chǎn)工藝如下：

（1）原料入庫：人工將不同顏色和槽口的孔明鎖原料放置在毛胚料盤，有藍(lán)、金、紅三種顏色，按標(biāo)注位置擺放；

（2）MES下單：訂單信息包含流水號、數(shù)量、各原料顏色和用戶簽名等；

（3）原料出庫：機(jī)器人依次從毛胚料盤取三根原材料至理料盤；

（4）原料檢測：機(jī)器人從理料盤取第1根料至伺服模組托盤，移動到相機(jī)位置進(jìn)行尺寸檢測，之后依次完成第2、3根料的取料、檢測過程；

（5）成品裝配：機(jī)器人依次從伺服模組托盤上取原料，在裝配工裝上完成三軸孔明鎖的裝配。

（6）成品檢測：機(jī)器人將裝配好的孔明鎖從裝配工裝移到伺服模組托盤，并移動到相機(jī)位置進(jìn)行間隙及缺漏件檢測；

（7）成品打標(biāo)：機(jī)器人將檢測合格的成品從模組托盤移到激光打標(biāo)工位，進(jìn)行個性化打標(biāo)；

（8）成品交付：機(jī)器人從打標(biāo)工位取定制化的成品，交付到成品庫位。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及控制硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用云、管、端的三級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，內(nèi)含IOT和工控兩種場景，可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)場景及網(wǎng)絡(luò)多樣化的需求。

圖1：系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

架構(gòu)最上層為云平臺，可匯聚分析各實訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在云端迭代優(yōu)化機(jī)理模型并下發(fā)，進(jìn)行信息監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)、質(zhì)量提升、故障調(diào)試，從而建設(shè)大數(shù)據(jù)采集、查詢、共享的應(yīng)用場景。中間層為上位計算機(jī)和IOT智能網(wǎng)關(guān)，用于訂單下發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等，同時可基于云端模型，進(jìn)行實時分析，邊緣計算、AI決策等；底層是以PLC為核心的控制端，通過Profinet、Modbus等現(xiàn)場總線連接各智能模塊和器件，實現(xiàn)具體的動作控制，并實時提供生產(chǎn)和設(shè)備數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

云平臺是基于企業(yè)內(nèi)部多年工業(yè)制造與經(jīng)營管理實踐，形成的適合于大型行業(yè)接入、可靠、穩(wěn)定的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，輕松管理百萬級設(shè)備、可方便快捷處理復(fù)雜數(shù)據(jù)。

智能網(wǎng)關(guān)采用通用導(dǎo)軌式安裝，支持多種通訊協(xié)議，直接采集智能儀表和PLC的數(shù)據(jù)。

PLC選用西門子CPU 1511系列，采用遠(yuǎn)程IO模式，選用ET200SP接口模塊，PLC為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)系統(tǒng)的底層控制核心。

HMI選用西門子精簡KTP1200系列，作為人機(jī)交互窗口，實現(xiàn)系統(tǒng)操作及信息監(jiān)控的功能。

機(jī)器人選用ABB小型多用途的IRB 1200-5/0.9型，集成以太網(wǎng)接口，工作范圍寬廣,可滿足物料搬運和上下料環(huán)節(jié)對柔性、節(jié)拍、易用性及緊湊性的各項要求。

伺服選用西門子V90系列，用于孔明鎖原料和成品在機(jī)器人裝配和視覺檢測時的定位，采用絕對位置控制模式，根據(jù)相機(jī)的視野，定義了原點、取放料位、裝配位、第1/2/3根料檢測位、成品檢測位等7個位置。

工業(yè)相機(jī)采用?？低昅V-Q6000系列，主要用于檢測孔明鎖原料尺寸和成品裝配效果，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比并反饋檢測結(jié)果，同時可反饋所測量的詳細(xì)尺寸數(shù)據(jù)。

其他低壓電氣如開關(guān)電源、燈鈕、斷路器、中間繼電器、端子等都選用工業(yè)通用的知名品牌。

圖2：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖3：云平臺信息展示圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)包含云平臺及上位機(jī)程序、觸摸屏程序、PLC程序和機(jī)器人程序，分別采用面向?qū)ο蟮母呒壵Z言Vue和Java、博圖V16軟件和RobotStudio軟件編寫。

3.1 云平臺及上位機(jī)管理程序設(shè)計

云平臺展示信息如圖3所示。

圖4：PLC控制流程圖

云端可選擇不同編號的實訓(xùn)系統(tǒng)，展示其上傳的各類信息，并進(jìn)行統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)存儲及遠(yuǎn)程控制。云端數(shù)據(jù)由智能網(wǎng)關(guān)提供，有兩種采集方式，一是直接采集溫濕度表、電能表等現(xiàn)場智能儀表；二是采集PLC內(nèi)的信息，如系統(tǒng)狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人位姿等。

在現(xiàn)場上位機(jī)下單頁面，用戶可進(jìn)行產(chǎn)品的個性化定制，如原料顏色、簽名、生肖圖片等，以及對訂單的檢索、下發(fā)、插單、刪除等管理。在監(jiān)控頁面，用戶可實時監(jiān)控當(dāng)前訂單信息、庫位狀態(tài)、關(guān)鍵設(shè)備的運行數(shù)據(jù)等。

3.2 觸摸屏程序設(shè)計

觸摸屏并不直接參與底層設(shè)備的動作控制，其程序具有如下功能：

設(shè)備及工藝參數(shù)設(shè)定功能，如伺服驅(qū)動模組的速度、位置，氣缸報警延時等。

生產(chǎn)監(jiān)控功能，形象化的人機(jī)畫面設(shè)計可使操作人員實時全面監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。

生產(chǎn)報警功能，如器件報警、狀態(tài)報警等，以便進(jìn)行故障診斷，提高系統(tǒng)可維護(hù)性。

3.3 PLC程序設(shè)計

PLC程序是控制系統(tǒng)執(zhí)行部分的主體，在上位機(jī)軟件和現(xiàn)場硬件之間起著承上啟下的作用，將生產(chǎn)層工藝轉(zhuǎn)換為設(shè)備層工藝，實現(xiàn)具體的操作和動作控制。

根據(jù)實訓(xùn)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝和控制方案，PLC程序設(shè)計采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化原則，適用于不同品牌程控器，極大減輕程序設(shè)計的工作量。

PLC控制流程如圖4所示。

3.4 機(jī)器人程序設(shè)計

機(jī)器人是系統(tǒng)執(zhí)行物料搬運、裝配的核心部件，與主控PLC之間為Profinet網(wǎng)絡(luò)通訊。在自動模式下，機(jī)器人程序以任務(wù)號加多參數(shù)的方式定義具體的工作流程，如原料出庫至理料盤、原料移至伺服模組托盤、三軸孔明鎖裝配、成品打標(biāo)入庫、成品NG處理、原料NG補(bǔ)料等。手動模式下，通過在示教器上的操作執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

機(jī)器人為PLC提供其設(shè)備狀態(tài)、關(guān)節(jié)位姿數(shù)據(jù)和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果等信息，并接收PLC的控制指令，如主控急停、夾爪的開合等。此外，機(jī)器人程序設(shè)計重點考慮了安全環(huán)節(jié)，如緊急停止、快速停止，超范圍保護(hù)等，結(jié)合硬件設(shè)計，確保實訓(xùn)過程中安全的全面覆蓋。

4 結(jié)束語

基于云平臺的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)系統(tǒng)自研制成功后，已在多所職業(yè)院校進(jìn)行教學(xué)使用，并且有大學(xué)生技術(shù)技能大賽上的實踐，取得較好效果，為職業(yè)教育在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)理論實踐互融的需求提供了有力的實訓(xùn)保障。