工業互聯網技術教學實訓系統設計與應用

劉蔚釗 張中輝 王新

（南京康尼電氣技術有限公司，江蘇南京 210038）

0 引言

工業互聯網技術作為國內外先進制造業轉型升級的重要內容和關鍵載體，是中國制造2025、互聯網+協同制造戰略布局的重要內容[1]。近年來，用人單位對于畢業生的實踐能力要求越來越高，希望畢業生有較好的專業技能，因此職業院校也逐步開設了工業互聯網相關專業，用于培養具有初步工業互聯網技術技能的學生，這是國家發展的需要，也是工程類職業技能培養的任務。

1 現有工業互聯網教學實訓系統應用現狀

現有的工業互聯網教學實訓系統，邊緣層OT端設備的數據經過協議轉化接入工業互聯網，但接入的設備種類較為單一，往往通過一些傳感器來模擬信號或采用仿真信號來體現數據來源，而且整個系統中工業通信協議也較為簡單，一般同一種控制器只采用一種工業通信協議與工業網關進行通信以實現云端數據采集。在信號采集方面，現有系統一般采用傳感器模擬或仿真信號實現數據采集，覆蓋面窄，無法體現典型工業數據產出的場景，且缺少真實數據來源；此外，只用一種工業協議進行數據采集，在教學、實驗實訓和考核中局限性較大，學員無法在同一種設備上實現多協議、多途徑的數據采集，導致教學、實驗實訓和考核效果不佳?；谏鲜鰡栴}，本文提出了一種新型的工業互聯網教學實訓系統。

2 系統設計原理及層級關系

如圖1所示，基于工業互聯網架構原理搭建了一套典型的工業互聯網架構，自下而上分別是執行單元、控制單元、工業網關單元、云基礎設置、平臺層和應用層，每一層相對獨立，又層層關聯，每一層的連接關系如下：

圖1 工業互聯網教學實訓系統架構

（1）執行單元覆蓋了工業上常用的傳感單元、執行單元以及能耗監測單元，如智能傳感器、工業機器人、視覺系統等，是設備運行的基礎載體和數據采集監控的對象。

（2）控制單元含有數控系統、可編程控制器（PLC）以及人機界面控制單元，從而實現系統流程的邏輯控制。

（3）工業網關單元包含CNC工業網關、PLC工業網關和OPC網關，可將控制單元的不同類型工業協議轉化為MQTT協議，再經過以太網、Wi-Fi、4G、5G方式，將數據上傳至云服務器。

（4）云基礎設置主要為云端服務器，包含服務器的處理器、存儲、內存、網絡以及其基本的計算資源，以便于部署和運行操作系統和應用程序來實現，采用云端服務器具有配置靈活性、擴展性強和一次性投入成本低等優點。

（5）平臺層基于康尼智聯云平臺搭建的云平臺，提供應用全開放API服務、數據存儲服務、機理模型與算法服務、容器化服務、微服務和海量數據接入等核心組件，用于實現對云端業務應用App的運行支撐服務[2]。

（6）應用層提供遠程監控、設備接入、數據接入、設備管理、數據存儲、數據分析、數據建模等服務，可實現遠程監控、能源管理、設備地圖、在線考核等功能，幫助用戶快速學習了解工業互聯網架構，方便教學[3]。

3 系統組成及工藝流程

系統以汽車零部件皮帶惰輪的加工裝配為教學案例，通過工業互聯網系統平臺實現工業現場數據采集、監控管理、數據上云、組態設計等工業互聯網云應用。

3.1 系統組成

實訓系統主要由原材料庫單元、CNC加工單元、零件輸送單元、SCARA機器人單元、裝配及檢測單元、成品庫單元、系統氣源及電氣總控單元、數據采集及網絡控制單元、工業云平臺等組成，如圖2所示。

圖2 工業互聯網教學實訓系統效果圖

3.1.1 執行單元

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構、加熱老化機構等組成，可模擬工業生產現場中工件傳輸、分揀、加熱老化等過程。

傳輸分揀機構主要由變頻器驅動的傳輸線、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，并可根據實訓的內容對工件的材質、顏色種類進行判別，完成自動分揀工作。

SCARA機器人單元采用四軸SCARA機器人對物料進行搬運，其具體參數如下：臂展400 mm，Z軸行程170 mm，額定負載1 kg，重復定位精度0.01 mm。

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孔，并用裝配工裝進行按壓，由此完成惰輪輪體與軸承的裝配工作。檢測工裝由基礎型材臺架和機器視覺檢測機構組成，可以對裝配后的工件通過機器視覺進行質量檢測。

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行有無檢測，系統具有庫位管理功能。

3.1.2 控制單元

控制系統的核心PLC采用了西門子1200系列可編程控制器，該控制器集成了PROFINET、MODBUS TCP、OPC接口用于編程、通信。

CNC單元主要由CNC數控系統、工作臺等組成。平臺采用真實的數控系統，通過開發存儲器里的系統程序來實現控制邏輯，實現數控功能，并通過接口與外圍設備進行連接。

人機界面不僅能夠將本地數據進行可視化展示與操作，還能通過配備FLink物聯網模塊，立即升級為物聯網人機界面，享受完整的工業物聯網云平臺服務。

3.1.3 工業云平臺

云平臺集成了物聯云、教學云、開發云、考核云等不同功能模塊，通過將工業互聯網技術與教育實踐相結合，打造目前教育市場上一體化的工業互聯網云平臺，實現教學實訓設備管理、運行監控以及遠程維護，使得人、機、物、料、環等數據互聯互通，進而滿足“工業互聯網技術”學習、應用、維護、技術開發、考核等方向的需求[4]。

3.2 工藝流程

從圖3的系統工藝流程上看，原材料單元的出料機構將惰輪輪體推出至零件傳送單元上，傳輸線上的檢測開關檢測到惰輪輪體后將惰輪輪體向前輸送。運行到檢測區后開始對惰輪輪體進行檢測，根據不同材質的檢測結果進行分揀。

圖3 工藝流程圖

隨后，加熱區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，安裝到惰輪輪體內孔，并按壓到位，完成裝配工作。

裝配完成后，檢測機構進行裝配檢測，檢測合格的工件由SCARA機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品收集工位。

4 實現效果

工業互聯網教學實訓系統經設計、測試和驗證，取得了較好的效果，其樣機如圖4所示。

圖4 工業互聯網教學實訓系統樣機

通過工業云平臺與設備硬件結合，學生能夠在云端實現對設備的在線狀態、運行情況、數據報表、能耗使用、地理信息、維護保養日志等進行遠程管理與運維，通過該系統能夠快速地掌握工業互聯網基本架構和使用方法，如圖5所示。

圖5 工業互聯網教學實訓系統云平臺效果

5 結語

本文所述新型工業互聯網教學實訓系統綜合運用了工業互聯網、云計算、工業機器人、PLC控制、CNC、智能傳感器、運動控制等多種技術，能夠服務于各種不同層次和技術水平的在校學生、企業員工，提高工業互聯網應用技術水平。因此，該系統對科學實驗及教學人才的培養模式和內涵建設、培養質量的提高都起到了積極的推動作用。