網絡驅動型離散制造生產演示線在教學中的應用

任科成 向 忠

（浙江理工大學 浙江·杭州 310018）

0 引言

機械電子工程專業是對工程實踐能力要求很高的綜合型跨專業學科，豐富的實踐經驗是學生職業發展的重要基奠，所以在課程群體系建設中需要理論與實踐結合，不但要重視學生的理論基礎，更要鍛煉動手實踐能力，將理論用于實踐，在實踐中鞏固知識，才能提高學生的綜合能力[1]。而在人才培養方案設計方面，雖然已將機械、電子、控制、信息、計算機、人工智能、管理等諸多理論體系進行了高度融合與集成，但在實驗與實踐環節卻缺少相應的平臺支撐，如已有裝置多為單臺套離散型設備，各平臺間缺少耦聯關系；缺少面向工業自動化與智能化所需的軟件平臺等，無法滿足我國制造業發展的人才培養需求。

據此，本項目將通過對現有設備的改造，最終形成一套網絡驅動型離散制造生產演示線。該演示線可根據網絡定制化參數，模擬驅動工件的按需上料、檢測、輸送、加工、裝配、分揀、存儲等，并能對生產工藝參數進行自動查詢與管理。從學科知識點來看，該系統覆蓋了機械、氣壓傳動、傳感器、電機控制、計算機軟件開發、PLC、人機界面開發等軟硬件知識，可極大的加深學生對工業生產中機電系統所發揮作用的認知，提升其對專業知識的興趣度；同時，還可全面提升學生的綜合素質與能力，增強其在項目開發中的團隊協作精神，為培養高素質綜合性人才奠定基礎。

1 課程建設內容

本示范線面向培養符合我國機械制造業向數字化、信息化、智能化方向發展所亟須的高綜合素質素養機械類人才為主要目標，以典型的離散型機加工示范系統為抓手，從典型機電控制系統開發、多機互聯互通系統開發和Web端生產管理系統開發三方面入手，把傳統的“信息孤島”型演示系統，提升為信息互聯、數據共享、管理網絡化的生產線，主要建設內容包括：

1.1 基于PLC的機電控制系統開發

PLC技術利用可編程序的存儲器，從而實現邏輯運算、順序控制、定時、計數等功能，從而用于生產過程中的自動控制和監控的目的。PLC具有體積小，功能強大的特點，尤為重要的是PLC具有在線修改功能，從而能夠利用電腦和軟件實現對機械設備的控制，同時在線修改功能的存在，使其的靈活性和可靠性提升了。

以典型離散加工系統中的上料、裝配、分揀、倉儲工藝為研究對象，在對現有設備機械構件等進行自動化改進以及對各工位之間的物流方式進行有效的自動化銜接基礎上，以PLC為各工藝段的核心處理單元，針對性的開發控制系統，實現對機械加工生產過程中模、數信號的輸入輸出，并采用相應的控制算法實現對電機、氣缸等執行件的控制，滿足機械加工工所需的動作時序要求，實現對工件的自動化處理和輸送。

1.2 基于串行通訊協議的多機互聯互通系統開發

為實現各加工工序段裝備之間的設備互聯、生產信息共享，提出基于Modbus通訊協議和RS485串行總線技術的多機通訊方法，并給出多機通訊系統的硬件電路圖、軟件設計方案，開發相應的控制系統，實現對生產工藝參數和實時數據的采集與存儲等；提出基于RS232串行總線技術的人機交互系統設計方案，開發相應的人機交互平臺，實現在上位計算機對現場生產工藝參數和實時數據的設定、操作、監控等功能，提高系統的集成度。

1.3 基于.Net框架的生產管理網絡端應用程序開發

為實現對生產裝備的遠程監控、訪問和操作等，提出基于.Net框架的生產管理系統網絡端應用程序開發方法，并給出基于Ethernet/IP通訊協議的數據訪問規范、開發相應的客戶端應用程序，實現生產基礎數據維護、生產計劃維護、原料和成品管理、績效統計、故障監測等功能。

2 教學模塊及案例

2.1 上料單元

經改進后的上料機構主要由推料氣缸、磁性開關、料筒檢測開關、傳送帶、三相異步電機和料到檢測開關等構件組成。該單元采用雙料倉進行待加工工件的儲存，可根據系統設定模式進行智能送料。送料時，由氣動推料器向外推出最底層物料，料桶光電檢測開關監控料倉狀態是否有料并反饋給控制系統，用于對系統狀態的判定。待加工工件被推出后將到達傳送帶，傳送帶的速度采用變頻電機進行控制，送料速度工藝曲線程序可控。在輸送帶末端安裝有光電漫反射型檢測開關，是作為工位之間操作銜接的重要信號，當程序檢測到有物料信號時，停止電機并發送送料完成指令，下一工位可對工件進行抓取。在改進后的上料機構中，各執行元件上均安裝磁感應接近開關，向系統提供各執行元件的操作狀態信號，用于生產節拍控制。

2.2 裝配與搬運單元

經改進后的裝配與搬運單元主要由橫移機械手、四工位加工轉盤和提升裝配機構組成。橫移機械手可向各個工作單元輸送工件，由同步帶及同步帶輪、多自由度搬運機械手、伺服電機、電磁閥組和定位開關等組件組成。可將物料從一點精確的搬運到另一點，傳送采用PLC脈沖控制。四工位加工轉盤主要由工件識別傳感器、旋轉加工轉盤、模擬加工裝置組成，可將工件進行加工后運送到準確位置再進行模擬鉆孔、料蓋裝配等動作。提升裝配用于橫向搬運和裝配工件蓋，長行程無桿氣缸、真空吸盤可將工件蓋從蓋倉內準確的搬運到工位槽內，帶限位停止功能。

對該系統的動作設計如下：開機后，機械手先執行回原點操作。當到達原點位置后，若系統檢測到上站有工件在等待夾取時，機械手先提升到一定高度移動到工件所在地點伸出手爪，伸出到位后下降并夾緊工件；手爪夾緊到位后，開始上升使物料離開工作位，然后開始向轉盤方向移動，并縮回機械手爪，同時旋轉氣缸開始旋轉以及定中位氣缸伸出，待機械手移動到工件轉盤加工位置時停止移到，向轉盤加工位放入工件，手爪抬起等待加工、裝配完畢后再將工件從轉盤加工位取出，機械手繼續右移、定中位氣缸復位、右轉、伸出手臂，把工件放置到下一個站點，再自動回位到原點等待下次抓取信號。

對提升裝配機構而言，在接收到裝配物料到達信號后，無桿氣缸移動到可搬運物料位置，提升氣缸向下運動，真空吸盤開始吸住料蓋，當觸發到吸盤處的限位開關時，提升氣缸向上運動，到位后無桿氣缸向左運動將料蓋裝入工件中，隨即復位無桿氣缸進入下次裝配動作。在改進后的搬運與裝配單元中，各執行元件上均安裝磁感應接近開關，向系統提供各執行元件的操作狀態信號，用于生產節拍控制。

2.3 物料分揀與機械手搬運單元

經改進后的分揀與機械手搬運單元主要由物料分揀機構和旋轉機械手機構組成。在物料分揀機構中采用光纖傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器及磁性開關等感應開關。可對物料的顏色、材料進行分揀。旋轉機械手為一個四自由度機械手，觸發機械手底部的旋轉氣缸，可進行180度任意方向旋轉；驅動步進電機可以使機械手上下、前后任意的移動，以及氣動手爪抓/放等功能。該模塊采用活動安裝底板，可任意組裝使用也可單一實驗控制使用。該分揀系統主要完成對各個經過傳送帶上的物料進行（如：材料、顏色）進行檢測，計數、檢測不同物料發送不同信號至PLC內部。當物料通過傳送帶運送時，對工物料進行分揀。

對該系統的動作設計如下：系統初次上電后，自動復位到初始位置等待物料到達，檢測到物料到達后，機械手向前、向下運動將物料抓起，經底部旋轉氣缸向右旋轉后，機械手再次向前、向下運動，待到達下一站接料臺位置處放下物料，待下站發出接收到物料信號后，機械手復位進入下一次抓料動作。在改進后的搬運與裝配單元中，各執行元件上均安裝磁感應接近開關，向系統提供各執行元件的操作狀態信號，用于生產節拍控制。

2.4 倉儲機械手單元

改進后倉儲機械手單元主要由送料機械手和立體倉庫組成。送料機械手是向各個豎直工作單元輸送工件，模塊由送料臺、步進電機、螺紋絲桿、電磁閥組和定位開關等組件組成。可將物料從零點精確的搬運到豎直的存儲位。傳送采用的是PLC脈沖控制。對該系統而言，其需要根據所接受到的工藝參數，完成對工件進行智能分類、智能儲料、取料等操作。同時，還應包括一些基礎功能，如系統上電后的自動復位；當滑臺處的光電開關感應到有物料時，步進電機將運動到指定的料口處，氣動推料氣缸得電后，使物料進入倉庫內。當倉庫料滿時，能夠給出相應的倉滿交互信號燈。

在改進后的倉儲單元中，各執行元件上均安裝磁感應接近開關，向系統提供各執行元件的操作狀態信號，用于生產節拍控制。

2.5 基于串行通訊協議的多機互聯互通系統

通過上述分析可知，整個離散加工模擬系統由四個分站組合而成，每一個分站又由不同的模塊組成。當一個較為復雜的系統組成以后，為了各個模塊之間的動作協調有序，在站與站之間采用RS-485網絡通訊。RS-485是串行通訊方式，在物理層雙方使用相同的通訊速率和通訊數據格式（即數據位和停止位長度、奇偶校驗或地址數據傳輸，由串口線路控制寄存器的值決定），在應用層一般采用命令+應答方式，上位機發送命令報文，下位機收到后發出相應的應答報文進行響應，每一種命令報文對應著一種應答報文，其報文格式與標準Modbus協議的類似，采用的報文格式為：開始段+地址碼+功能碼+數據段+校驗碼+結束段。

RS-485網絡通訊把整個系統融為一體。在該系統中將第一個單元作為主站，而將其他站作為從站，由主站實現與人機交互系統、從站和網絡端的數據交互等功能。

對于現場人機交互系統而言，采用基于RS232串行總線技術的設計方案，RS232通信是在計算機系統中最為基礎的一個接口配置，其主要是利用標準化的接口實現數據傳輸功能。人機界面采用直接訪問PLC存儲空間或中間存儲模塊等方式對主站內存進行讀寫操作，相應的指令經主站解析后下達到各從站，控制相應部件的動作。

2.6 基于.Net框架的Web端生產管理系統設計及開發

為實現采用WEB端系統實現生產基礎數據維護、生產計劃維護、原料和成品管理、績效統計、故障監測等功能，本項目將詳細闡述基于.NET框架的軟件開發管理系統的思路和流程，并對項目組老師的實際開發經驗進行總結，向學生著重論述軟件開發環節中過程管理的重要性和對過程管理所需要的數據和重點步驟作進行分析。其次，對實現管理系統開發所需的.NET架構、數據庫設計和Java-Script等技術進行介紹，并根據管理系統的需求和特點制定合適的技術路線，形成模塊化開發設計方法，在單獨實現生產基礎數據維護、生產計劃維護、原料和成品管理、績效統計、故障監測模塊開發的基礎上進行系統集成。最后，在.NET平臺框架下，結合智能化/數字化制造車間的生產管理特點，形成基于軟件復用技術的B／S模式分層體系結構和分布式Web服務技術的企業應用底層數據集成方法，實現生產管理系統與在線生成設備之間的無縫集成，解決制造企業生產管理的“信息孤島”和數據整合問題。

3 解決的關鍵教學問題

針對機械電子工程專業目前存在的專業知識面覆蓋廣、而能將各學科知識進行有效串聯的實驗與實踐平臺缺失的現狀，圍繞該網絡驅動型離散制造生產演示線，教學組還搜集和整理各種教學資源，制作了與之相配套的教案。針對特別難以理解的部分，錄制了相應的教學視屏，幫助學生掌握相關基礎知識；開發了相應的教學演示案例，控制系統按照所設計的流程完成加工操作；形成“約束式”和“開放式”兩類實踐課題，用于訓練學生從“設計性實踐”向“創造性實踐”的飛躍。通過該示范線教學，解決了以下關鍵教學問題：

（1）以PLC為核心控制器，對現有機電設備進行自動化改造，通過將機、電、軟件等的有效結合，加深學生對機電一體化的認知與理解；

（2）以串行通訊協議為抓手，以生產可視化為目標，實現對各離散裝備的互聯互通組網，達到設備互聯、信息共享的目的，為學生灌輸數字化車間構建所必需的專業知識；

（3）以Ethernet/IP通訊協議為基礎，構建生產制造遠程管理網絡系統，提升學生對生產信息化和智能化的認知。

（4）通過系統集成化設計和模塊化分解開發，全面提升學生的綜合素質與能力，增強其在項目開發中的團隊協作精神，為培養高素質綜合性人才奠定基礎。

4 結語

本課程中融入了機電液一體化技術，它是一種集機械、電氣、液壓、氣動、伺服、檢測傳感及控制等技術于一體，又不斷通過學科交叉、技術融合與創新，使其自身得到持續、快速發展，是多技術融合與集成且面向應用的綜合性學科技術。近年來，國內外工程機械產品以機電液一體化綜合技術為發展方向，開展了大量研究，具體有與各種工程機械相匹配的軟、硬件系統，使工程機械向智能化、信息化、網絡化方向快速發展，科技含量得到顯著提升，機械行業發展迅猛。因此，隨著技術的不斷發展，對掌握機電液一體化綜合技術的技能型人才的需求量逐步增多，加快人才的培養顯得至關重要。

本課程的成果可根據網絡定制化參數，模擬驅動典型離散機加工過程中工件的按需上料、檢測、輸送、加工、裝配、分揀、存儲等，并能對生產工藝參數進行自動查詢與管理。該成果的實施可極大的加深學生對工業生產中機電系統所發揮作用的認知，提升其對專業知識的興趣度；還可全面提升學生的綜合素質與能力，增強其在項目開發中的團隊協作精神，具有創新性。