基于工業4.0的智能制造生產線實訓平臺建設探索*

周建桂，汪 紅

（蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

德國“工業4.0”是由德國政府在2013年漢諾威工業博覽會首次提出，是新時代科技創新向智能化發展的戰略規劃，是繼工業1.0的蒸汽時代、工業2.0的電氣化時代和工業3.0的信息化時代之后的又一新的智能化時代。它是基于物聯信息系統(Cyber—Physical System簡稱CPS)實現生產過程供應、制造和銷售信息的數據化和智能化，最終達到快速、高效、智能、個性化的產品供應[1-2]。

“中國制造2025”是李克強總理在兩會報告中首次提出，是黨中央、國務院總攬國內外發展形勢，站在提高我國的國際競爭力、增強綜合國力和保障國家安全的戰略高度上做出的重要的戰略部署，其核心是加快推進中國制造創新發展，實現中國制造向中國創造的轉型。顯然，實施“中國制造2025”重大戰略勢必對人才提出了全新和更高的要求，亟需建立面向生產實際的創新實踐教學環境[3-5]。

高校是培養和儲備人才的搖籃，職業教育作為與制造企業聯系緊密的一種教育模式，蘭州石化職業技術學院準確把握服務好“中國制造2025”，決定將基于德國工業4.0開發的智能制造生產線實訓平臺融入課堂教學，加快推進高端崗位的智能制造創新應用人才的培養[6-8]。

1 智能制造生產線實訓平臺系統組成

為了服務“中國制造2025”和滿足智能制造高端產業對人才的需求，蘭州石化職業技術學院充分吸取了德國“工業4.0”的精華所在，搭建了能夠滿足集工業機器人和智能制造生產設備于一體的智能制造生產線實踐平臺。平臺的硬件系統是由一臺數控車床工作站、一臺數控加工中心工作站、三臺6軸搬運機器人、一套翻轉臺機構、一套智能倉儲單元、一臺AGV智能運輸單元、一臺激光打標機、一套上＼下料臺、一臺質量抽檢臺及控制系統構成，如圖1所示。智能制造生產線實訓平臺的不同單元處理不同的工藝過程，其中，智能倉儲單元包括毛坯庫和成品庫，是存儲待加工毛坯工件和加工成品工件；上料單元主要完成的是對指定待加工工件（教學為不銹鋼工件或實際生產為不銹鋼工件）的供料；下料單元完成對加工完成工件的下料出廠；數控加工中心單元則是完成工件表面處理、鉆孔等；AGV運輸單元主要完成物料在每個站點的配送與運輸成品入庫，具備自動運輸和工位定位功能；激光打標機主要完成對成品工件的加工時間標記，可進行產品追溯；機器人配合其他單元完成搬運工作。這幾個的單元相互配合，共同組成了集生產、管理與售后等多環節為一體的智能制造生產線。

圖1 智能制造生產線實訓平臺系統組成圖

1.1 智能制造生產線實訓平臺運行架構介紹

該智能制造生產線實訓平臺系統由柔性自動化系統、物聯及信息管理系統組成。柔性自動化系統通過將數控車工作站、加工中心工作站和智能立體庫通過工業機器人和AGV輸送系統建立起完整的智能生產線；設備物聯及信息管理系統是由生產制造信息管理系統（Manufacturing Execution System，簡稱MES系統）、分布式數控（Distributed Numerical Control，簡稱DNC）系統、基礎數據管理系統以及智能制造管控系統組成，信息管理系統可將待生產的數據發送至自動化生產現場，也可將生產現場的數據信息和設備狀態實時采集到信息管控系統中，并對加工現場實現實時管控。在加工過程中，通過PLC控制技術與傳感器檢測技術實現智能制造生產線節工藝節拍控制以及加工數據實時采集、識別和監控，使生產過程數據實現全智能化，同時整合了云平臺，加大了信息互聯技術在設備智能制造中的應用。在整個互聯互通的生產系統中，也可進行人機交互功能，實現智能制造生產管理的透明化和可視化。系統架構圖如圖2所示。

圖2 智能制造生產線實訓平臺系統架構圖

1.2 生產線平臺工藝技術說明

該智能制造生產線實訓平臺綜合應用了現代實際生產中先進的各種實用技術和知識點，以生產制造信息管理系統MES為核心，融合智能生產設備、激光器、工業機器人、AGV智能運輸、智能立體倉庫、視覺識別等多種先進智能設備，充分發揮工業4.0智能工廠生產管理調度經驗，結合數字化制造技術，緊貼企業應用前沿，建設集教學、實際生產為一體的數字化智能制造生產車間。智能制造生產線實訓平臺涵蓋的技術框圖如圖3所示，工藝過程具體包括以下技術：智能制造管理系統、PLC編程技術、機器人應用技術、網絡通訊技術、電氣控制技術、機器視覺技術、氣動應用技術、傳感器檢測技術、驅動控制技術、工業以太網通訊、先進的控制技術等。

圖3 智能制造生產線實訓平臺涵蓋的技術框圖

1.3 智能制造生產線的信息模塊建設

系統接受訂單可通過兩種方式實現，一種是本地輸入計劃清單，并下達任務清單，這種方式適用于現場操作人員，另一種是通過網絡發布任務清單，也就是采用B/S架構，即客戶通過PC端的網頁編輯加工類型、發布人和發布時間等信息，并提交任務清單，接受任務清單計劃可在分控臺或者移動設備接受任務清單計劃。

2 智能制造生產線實訓平臺系統設計的優點

整條生產線的每個單元都依照現代工業智能制造過程特點進行方案設計，不僅具有工業智能制造靈活定制、下單、批量化生產的特色，而且在教學上，這四個工作站單元中的每一個單元都具有自己獨特的教學內容特點。通過將這四個工作站根據教學需求進行任意組合，既可能夠滿足初學者的教學需求，也可能夠滿足高級教育者和工程師的技能提升，是一款適用于面向很廣教學對象的實用型教學設備。

3 結束語

蘭州石化職業技術學院智能制造生產線實訓平臺融合了工業智能制造的基本特征，以MES系統為核心的智能制造生產線可完成訂單管理、加工進度管理、物料運輸管理、數據采集、物料庫存信息管理、質量檢測管理和設備利用率管理等任務，并采用工業自動化主流控制器PLC。智能制造生產線實訓平臺采用了模塊化的結構設計，可加工碳鋼和不銹鋼工件，具有靈活應用性，更加貼近實際生產加工過程，一方面培養了學生的創新思維和學習主動性，另一方面加快學校產學同步的快速發展。