基于工業4.0的電工實訓裝置智能化應用研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.043

摘 要 在工業4.0背景下，通過對電氣自動化、工業過程自動化、智能控制等專業技術技能進行分析，從智能化角度構建基于工業4.0物聯網技術的電工實訓平臺，實訓平臺達到“寬基礎、活模塊”的應用目的，為學校高技能人才的培養奠定基礎。

關鍵詞 工業4.0；電工實訓裝置；物聯網；實訓教學

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0043-05

0 引言

繼德國2013年提出工業4.0之后，我國于2015年

出臺《中國制造2025》，全面推進實施制造強國戰略。這是我國實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領，強調加快推動新一代信息技術與制造技術融合發展，把智能制造作為“兩化”深度融合的主攻方向，著力發展智能裝備和智能產品，詮釋了“未來智造”理念，對于正在積極探索和推進智能制造控制技術的職業院校而言，具有重要的指導意義。

中國產業信息網的數據顯示，隨著國家對智能制造的大力支持，我國智能制造行業保持著較快的增長速度，2017年智能制造產業產值規模將近

15 000億元，2018年智能制造產業產值規模將近17 480億元，2019年智能制造產業產值規模將近21 082億元，行業增長空間巨大。隨著智能制造產業產值規模逐年加大，對人才的需求也逐年增加。

高職高專是培養高素質技能型人才的搖籃，而實訓教學是培養實用型、技能型人才的關鍵，是職業類院校實施教學的重要平臺和抓手。電工實訓教學是高職電類專業實踐性教學的重要環節之一，可以培養學生的職業素養和實際操作能力、應用能力以及團結合作意識，促進學生的能力與工作崗位銜接，是高等職業院校落實“把培養學生動手能力、實踐能力和可持續發展能力放在突出地位，促進學生技能的培養”這一重要精神的載體。

本文以可編程控制器實訓室為研究對象，從實訓室的功能需求分析出發，結合傳感檢測技術、智能控制技術、網絡傳輸技術，傳動控制技術，實現電工實訓裝置的智能化研究應用。電工實訓主要是滿足多學科、多課程的交叉融合，達到“寬基礎，活模塊”的設計目標，項目開發時考慮單一課程核心技術技能培養的同時，找準課程之間的交叉融合點，開發綜合性實訓項目，加快推進高端技能人才的培養。

1 電工實訓裝置現狀

PLC電工實訓裝置是電氣自動化、工業過程自動化、智能控制技術等專業的重要實訓平臺，著重訓練可編程控制器的安裝、調試能力。目前企業生產的電工實訓裝置主要有兩種，一種是沒有真實控制對象的實訓設備，一種是有真實控制對象的實訓設備，這兩種設備各有優缺點，綜合而言，均存在一些不足之處。

1.1 理論和實踐結合度不足

沒有實際控制對象的實訓開發項目比較靈活，不受限于工藝流程或機械結構；缺點是脫離實際的生產環節，學生的鍛煉體驗不足，實訓教學過程停留在對教學模型的理論分析和研究上，不利于培養學生的實踐動手能力，學生走上工作崗位后需較長時間適應。

1.2 控制對象不靈活，實訓內容固化

有實際控制對象的實訓項目開發不靈活，工藝流程和機械設備固化，不利于學生創新提升。在以往的實訓教學過程中，針對實訓設備對象研究比較多，由于都是實體存在，沒有靈活性，從而導致學生在實訓過程中思路單一、不能創新，很難做到因材施教和差異化教學，同時削弱了學生的學習興趣。

1.3 技能單一，很難打破學科之間的技術壁壘

在實訓中由于受設備的限制，技能訓練時多數時候是單一技能的訓練，學科之間技術的融會貫通不僅需要解決技術上的問題，也要解決實訓設備的問題，從理論研究到實踐應用往往需要很多硬件支持。近些年由于技術發展迅猛，產品迭代升級速度加快，許多職業院校的實訓設備的更新速度跟不上技術的發展，導致高端技能型人才培養進程緩慢。

在學生實訓過程中如何推進以崗位需求為導向、學生成長為中心，滿足產業發展和快速更新的需求，助力高技能人才培養？職業院校人才培養亟待構建“寬基礎，活模塊”的實訓平臺。

2 教學需求分析

目前電工實訓裝置數量較多，有關智能化的研究，比如針對樓宇智能化、網絡智能化的電工實訓設備，針對工業控制的智能化設備，等等，技術相對成熟，但在突破行業限制、多技術相互深度融合等方面仍然有許多亟待解決的問題。比如三相異步電動機，如何將電機的速度控制和位置檢測精確做到統一，是各行業電機控制技術領域的一個難題。保證電動機平穩、可靠運行是各行業電動機控制領域的關鍵因素之一。現有智能化電工設備存在下面一些不足：

1）僅針對某一行業或某種特殊的特種設備來考慮，實訓項目在開發時就具有局限性，難以拓寬學生的眼界和知識面；

2）實訓項目針對的學科單一，有些只能滿足基礎電工的智能化實訓，有些只能滿足網絡的智能化實訓，有些只能滿足電動機調速的智能化實訓，很難打破學科之間的壁壘；

3）課程與課程之間的融合度不夠，同一臺設備不能滿足多門課程之間的交叉融合。

本文針對現有智能化電工實訓裝置存在的不足進行研究，提出設備的硬件選型是工業4.0背景下電工實訓裝置的智能化應用研究，順應職業教育人才培養和發展趨勢，在技能和素養培養的基礎上拓寬實訓設備應用范圍，采取“寬基礎，活模塊”發展趨勢的設計思路，并配套開發相關實訓項目，解決現有智能化實訓設備的不足。在工業4.0背景下，重點從以下幾個方面培養學生的能力：

1）基礎知識扎實，且涉及的范圍比較寬；

2）多項技術的融會貫通；

3）知識的創新性應用；

4）與產業要求對接。

3 電工實訓裝置的智能化設計

3.1 硬件組成

本智能化電工實訓裝置主要由電源模塊、傳感檢測模塊、數據采集監控分析模塊、交流驅動模塊、伺服驅動模塊、步進驅動模塊、網絡通信模塊、可編程控制模塊組成，選型時主要考慮現行的主流產品，模塊采用掛件式，方便不同的學科教學時組合調整。硬件系統框圖如圖1所示。

1）執行層。執行層由接觸器及三相交流異步電動機、變頻器及其變頻電機、伺服器驅動器及伺服電機、步進驅動器及步進電機和傳感器構成。主要功能一：接控制層發出的控制指令，控制執行層設備按照控制層要求運行。主要功能二：將執行層的設備運行情況、任務執行情況及故障錯誤信息回傳給控制層系統。

2）控制層。控制層是整個集成化分揀管理信息系統的關鍵一層，具有承上啟下的作用。一方面接受上層管理系統的任務和信息，生成電控系統能夠識別的指令并下發給執行層；另一方面接收執行層回傳的設備狀態、完成情況、錯誤日志等反饋信息，并將這些信息上傳到管理層。

3）管理層。管理層主要分為基于觸摸屏的管理系統和基于計算機基礎的上位機管理系統，該層與互聯網建立信號接口，讀取設備正常運行所需要的基礎數據和運行信息。同時，該層與控制層建立信號接口，傳遞處理后的任務信息，保障設備按照系統控制要求運行。該層向下與控制層建立信號接口，傳遞分揀任務數據，由控制層將任務以電控命令的形式下達執行層的各執行機構，并能接受和處理來自控制層回傳的數據。

從底層到控制層、再到管理層的設備構成實訓平臺的硬件部分，設備涉及電工的基礎知識、可編程控制器技術、變頻調速技術、控制電機技術、傳感檢測技術、網絡通信技術、上位管理技術等，實現設備對“寬基礎”的要求；突破課程與課程之間的壁壘，實現技術和技術的融通，滿足工業4.0背景下學生培養的要求，具備“寬基礎”的職業素養。

3.2 軟件組成

執行層的軟件主要由變頻器、伺服驅動器、步進驅動器的調試軟件和基于數據孿生技術的三維建模軟件構成；控制層的軟件主要由可編程控制器編程軟件構成；管理層的軟件主要由上位機組態軟件和觸摸屏軟件構成。軟件大多是常規的平臺開發，而基于數字孿生技術的三維建模軟件技術構成系統的“活模塊”部分，針對不同專業開發具有真實生產場景的簡單機構、單一設備、復雜設備以及典型生產工藝生產線，滿足不同專業、不同層次的教學需要，讓實訓設備的教學不局限于對某一特殊設備或特殊工藝生產線的固化學習。結合硬件執行電機、傳感器、控制系統、上位檢測管理系統，既可以進行硬件的練習，還可以進行軟件的練習，同時還能通過“活模塊”方式，激發學生的創新思維。軟件系統框圖如圖2所示。

3.3 數據傳輸

工業4.0基于信息物理融合系統（Cyber Physi-

cal System，簡稱CPS）實現生產過程、設備互聯，主要分為I/O連接、網絡連接、總線連接等幾大部分。電工實訓設備的網絡拓撲圖如圖3所示，以物聯網系統互聯為基礎，構成實訓平臺的數據傳輸環節。執行層主要由CAN總線和Profibus-DP總線構成，承擔執行層和控制層的數據傳輸。部分儀表數據除了采用傳統的物理傳輸方式以外，通過邊緣技術將信號與控制層進行傳輸。控制層和管理層之間主要采用標準TCP/IP+以太網作為連接介質的Profinet工業以太網的形式進行數據傳輸，構成集數據采集、數據處理、數據傳輸、數據分析為一體的綜合數據傳輸系統。

4 實訓項目的開發

實訓平臺搭建完成后，進行實踐教學的主要載體是實訓項目。針對不同的課程設置及與之相對應的實訓項目，本實訓平臺主要進行基礎應用、綜合應用、數據處理三個方面的項目設置。從基本技能的掌握到課程之間知識的融合使用，再到基于物聯網技術的數據收集處理，學生在該平臺上實現從基礎到深入的學習，最后與工業4.0的物聯網技術對接。通過與工廠工程師的對接，確定表1所示實訓項目。

5 教學應用效果

實訓平臺和PLC、通信與網絡、電機調速實訓課程緊密結合，為電氣自動化技術、工業過程控制技術、智能控制技術以及電力系統自動化技術、供用電技術等電類專業開設的實訓課程提供硬件設備，同時為校內技能競賽、云南省技能大賽提供硬件設備。通過教學實踐，證明有以下教學效果。

5.1 拓寬技能基礎

通過單一課程實訓項目的再次融合開發，打破課程之間的技術界限，針對不同專業需求進行專業基礎拓展學習，實現“寬基礎”的教學目標。

5.2 靈活設置實訓模塊

通過在上位機中融入數字孿生技術，實訓項目不再受限于實訓設備，可以通過三維模型的仿真技術融入不同層次的生產場景，智能靈活，充分調動學生學習興趣，培養學生的創新精神與協作精神。

5.3 融入物聯網技術

在工業4.0背景下，物聯網技術作為控制領域的新型技術，通過智能網關連接設備層和網絡層，不但能實現遠程訪問設備的相關數據，也能對現場設備進行遠程維護，新技術的應用有利于學生更好更快地對接工作崗位。

6 結束語

在傳統電工實訓裝置基礎上，對硬件和軟件進行深入研究，最終基于工業4.0背景拓展物聯網技術的實訓要求。隨著課程改革、實訓項目開發的不斷深入和完善，通過理實交替、理實一體等教學模式，再結合線上線下混合式教學，有效促進學生實踐能力、創新能力的培養。教學中物聯網技術的應用，利用手機APP遠程訪問控制系統激發學生的學習興趣，且符合工業4.0背景下的控制技術發展趨勢，具有一定的實用性、先進性。

參考文獻

[1] 張明文，王璐歡，高文婷.工業互聯網智能網關技術

應用初級教程（西門子）[M].哈爾濱：哈爾濱工業大

學出版社，2020.

[2] 周建桂，汪紅.基于工業4.0的智能制造生產線實訓

平臺建設探索[J].南方農機，2021（5）：91-93.

[3] 張鑫，李國斌，高亞非，等.基于伺服電機部件加工

的智能制造生產線設計[J].制造技術與機床，

2021（8）：197-202.

[4] 吳躍飛.智能制造工業4.0時代下電氣控制與PLC應

用技術課程教學方法與實踐改革探索[J].學周刊，

2021（25）：7-8.

[5] 馬創.淺談寬基礎活模塊的課程模式的設計[J].廣

東蠶業，2018（10）：82，84.

[6] 劉春賢，安麗紅.港口集裝箱擺渡系統智能化實訓裝

置的開發與應用[J].職業，2019（22）：100-101.

[7] 陳安，胡兆勇，梁遠博，等.電工電子智能實訓平臺

的設計和應用[J].中國現代教育裝備，2021（7）：77-

79，83.

*項目來源：云南省教育廳科學研究基金項目“工業4.0視角下電工實訓裝置的智能化應用研究”（編號：2021J0987）。

作者：粟小琴，昆明工業職業技術學院，電氣工程高級工程師，研究方向為自動化產線設計與調試、智能制造實訓基地建設；丁娛樂，昆明工業職業技術學院電氣學院副院長，副教授，研究方向為智能儀器儀表安裝與調試、智能制造實訓基地建設（650302）；劉衛標，云南昆鋼重型裝備制造集團技術總監，正高級工程師，研究方向為智能制造裝備、智能生產線設計與調試（650501）。