基于物聯(lián)網(wǎng)的煙草工廠 智能化電氣實驗平臺的構(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)上的延伸和擴展已經(jīng)實現(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，涉及自動化、通信、計算機等多個領(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)升級發(fā)展的迫切需求和核心方向，也是實現(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際項目經(jīng)歷，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的煙草工廠能源動力處智能化電氣實驗平臺的構(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)無法給予職工實驗性操作的機會，對于智能電控的學(xué)習(xí)還僅停留在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，尤其是在面對電控故障時，實戰(zhàn)經(jīng)驗不足，如何針對性的展開關(guān)于智能電控的學(xué)習(xí)與實驗，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)動力車間以往的電氣類故障的統(tǒng)計數(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。另外，電氣控制又是智能化電氣控制的核心，是關(guān)乎動力車間乃至整個青州卷煙廠能否正常運轉(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驗平臺的首要功能。通過智能化電氣實驗平臺，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)的程序編寫與改進能力

隨著“智能化”電氣控制系統(tǒng)的逐步完善，將會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)則需要對其運行程序進行調(diào)整和改進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，無法直接在實際生產(chǎn)中進行程序方面的改進使用。因此，智能化電氣實驗平臺需要具備編程仿真功能，用以電氣集控系統(tǒng)控制程序改進前的模擬或新程序的開發(fā)。通過智能化電氣實驗平臺，能夠降低程序改進的失誤率，加快新程序的開發(fā)和應(yīng)用進程。

1.2.3 提供車間員工在線學(xué)習(xí)的新渠道

車間在全面推進智能化控制的進程中對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間進行新技術(shù)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)。就當前的學(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。因此，智能化電氣實驗平臺需要提供在線學(xué)習(xí)功能，為車間員工開辟新的學(xué)習(xí)渠道，提升車間員工對知識技巧的掌握速度，有利于車間電氣專業(yè)人才的隊伍建設(shè)。

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

2 智能化電氣實驗平臺的設(shè)計與構(gòu)建

2.1 總體框架

通過“SWOT”分析我們發(fā)現(xiàn)智能化電氣實驗平臺的搭建應(yīng)充分發(fā)揮青年職工能力強、積極性高的特點，讓廣大青年職工參與其中，但同時也應(yīng)對于面臨的器件昂貴有必要的措施，而平臺的建立則是要惠及更廣大職工，用以縮小“劣勢”。團隊成員利用卡諾模型對功能需求進行進一步分析。將“1+3+2”與三大功能需求“基本需求”“期望需求”“興奮需求”進行有機結(jié)合并根據(jù)5W1H制定方案對策表。

圖2

基于物聯(lián)網(wǎng)智能化電氣實驗平臺針對3個不同的需求，設(shè)置為3個不同的功能板塊，如圖1所示。整體的實驗平臺由硬件設(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驗平臺服務(wù)器的電腦主機；也包含在電氣故障排除實驗中的實驗器材。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 智能實驗平臺總體框架圖

2.2 具體功能

2.2.1 電控排故練習(xí)模塊

由于智能化電氣實驗平臺控制的“完整性”和“先進性”，車間員工們在平臺上就可以模擬各種實際的電控故障并加以排出，最大程度上模擬真實發(fā)生的電控類故障，而與此同時平臺還兼?zhèn)淞四M其他電氣類故障（接觸器、電機等），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

在對電氣集成控制設(shè)備進行改進之前，先將編制好的程序放在智能化電氣實驗平臺上進行仿真，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。待平臺編程仿真模擬通過后，在加入到實際電控系統(tǒng)中進行試驗運行。

2.2.3 自主在線學(xué)習(xí)模塊

對于車間員工們實時在線學(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，相對于內(nèi)部邏輯，在“在線學(xué)習(xí)功能”中，我們更關(guān)注程序的功能實現(xiàn)，所以采用“黑盒測試”法來實驗。在最終在內(nèi)部架構(gòu)已經(jīng)完善的基礎(chǔ)上，直接在程序端口進行“登錄、查詢、瀏覽、下載”等功能的測試，檢查功能方面的實現(xiàn)性及可靠性。車間智能電氣實驗網(wǎng)絡(luò)云平臺網(wǎng)站地址：http://192.168.6.248:8080/dongli/Login.jsp，廠內(nèi)員工可自行注冊帳號學(xué)習(xí)相關(guān)智能化電氣知識，共計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)的智能電氣實驗平臺涉及多種物聯(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)的目前運行情況，將智能電氣實驗平臺分為六大部分，分別為軟件系統(tǒng)、人機界面、網(wǎng)絡(luò)通訊、開關(guān)控制、模擬數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)。

另外，整個電氣實驗平臺同時需要硬件設(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

由于智能化電氣實驗平臺控制的“完整性”和“先進性”，職工們在平臺上就可以模擬各種實際的電控故障并加以排出，最大程度上模擬真實發(fā)生的電控類故障，而與此同時平臺還兼?zhèn)淞四M其他電氣類故障（接觸器、電機等），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。以上準備完成后，將根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計中規(guī)劃的不同的智能化電氣控制方式，利用AUTOCAD繪制出智能電氣實驗平臺的電氣原理圖、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

在對電控設(shè)備進行改進之前，先將編制好的程序放在智能化電氣實驗平臺上進行仿真，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。待平臺編程仿真模擬通過后，再加入到實際電控系統(tǒng)中進行試驗運行。

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）平臺輔助員工實現(xiàn)電氣集成控制系統(tǒng)程序的編寫與改進。此功能主要在計算機服務(wù)器端實現(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 行 設(shè) 計。在B/S架構(gòu)下，自主學(xué)習(xí)平臺分為前端應(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)的存儲與調(diào)用。

3 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化電氣實驗平臺構(gòu)建能夠切實滿足當前車間的需求，也是青州卷煙廠扎實推進“打造專業(yè)電氣人才隊伍，全面推進智能化控制”工作的重要舉措。物聯(lián)網(wǎng)的智能化電氣實驗平臺能夠從實際出發(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，編寫了實驗指導(dǎo)書，制作了視頻教程，同時，編輯了大量智能化電控案列供職工們學(xué)習(xí)、練習(xí)，為推動青州卷煙廠朝著“智能電控”的方向邁進提供了新的思路。