霍兰德理论视域下基于物联网架构的工业网络实训平台

来源：博源学术分类：科技论文发布时间：2020-03-10

　　摘要：工业网络技术是智能制造的重要支撑，为加强专业技术人才培养，基于物联网架构研制工业网络实训平台。该平台采用标准的物联网三层架构设计，应用层包括基于ProcessHub开发的服务器和基于Workbench开发的工业PAD客户端，网络层基于工业网络交换机、网络协议转换模块通信，感知层结合PLC、变频器、步进电机、传感器、控制器等技术，真实再现工业自动生产线中的分拣过程和水箱温度/液位控制。实践表明，结合霍兰德职业性向和CDIO教学理念，采用项目化的教学方法配套开发实训例程，可有效提高了学生的工程实践能力和就业竞争力。

　　关键词：工业网络;物联网;PLC;职业性向;CDIO;工程实践;智能制造

　　中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-0-03

　　《物联网学报》（季刊）创刊于2017年，以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面贯彻党的教育方针和“双百方针”，理论联系实际，开展教育科学研究和学科基础理论研究，交流科技成果，促进学院教学、科研工作的发展，为教育改革和社会主义现代化建设做出贡献。

　　0 引言

　　智能制造是新一轮工业革命的核心技术，是“中国制造2025”的主攻方向[1]。而工业控制网络是计算机技术、通信技术与自动控制技术深度融合的产物，是实现智能制造的重要支撑，其主要包括现场总线技术和工业以太网技术[2-3]。随着工业制造、互联网、物联网的融合发展[4]，工业控制网络从原来的现场层延伸到网络层和应用层。

　　为了适应技术发展需要，培养具有较强的工业网络实践能力，能够解决工程实际问题的自动化专业人才是当前高职教育和应用型本科教育的紧迫任务[5]。实训课程是组织教学的一个重要环节[6]，依托于实训室建设和实训设备配套。为了让学生掌握最前沿的技术，真正实现学以致用，提高就业竞争力，本文模拟工业自动化生产现场典型控制类型，基于物联网架构进行了本系统的研制，并结合霍兰德职业性向理论和CDIO教学模式，配套开发相关实训例程。

　　1 系统整体设计

　　本系统采用标准的物联网三层架构，分为感知层、网络层和应用层。鉴于西门子公司的PROFINET和PROFIBUS是目前市场上应用广泛的工业以太网和现场总线技术，且其PLC产品可靠性高、编程灵活、组网通信功能强[7-8]，因此本系统选用西门子PLC作为感知层的控制核心。为模拟工业自动化典型控制类型，感知层包括运动控制和过程控制两个子系统。网络层基于工业网络交换机、网络协议转换模块，实现感知层与应用层的数据互通。应用层包括基于ProcessHub开发的服务器和基于Workbench开发的PAD客户端，客户端通过无线网络连接服务器。本平台可将PLC采集数据同步传递至服务器和PAD客户端，实现实时监测，也可通过HMI开发，实现自上而下的控制。系统架构如图1所示。

　　图1中运动控制子系统包括西门子S7-1200 PLC，Spider67智能分布式I/O，传感器和分拣机构等。光电传感器分为3种类型共4组（1组电感、1组光电和2组漫反射传感器）。3种类型传感器可对应识别金属、玻璃、塑料材质的物料，基于PROFINET通信的Spider67采集传感器数据传递至PLC，通过PLC编程控制分拣机构动作。分拣机构包括4组气动装置和2组皮带，气动装置通过伸缩实现物料推送、分拣，步进电机通过调节转速、方向传动皮带，实现物料传送。

　　过程控制子系统包括S7-300PLC、温度传感器、压力变送器、G120变频器等。以S7-300PLC为控制核心，基于PROFIBUS通信，采集压力变送器和温度传感器数据，经与PLC程序设定液位值和温度值比较，控制阀门和G120变频器拖动水泵实现液位控制;基于PLC的PID软件模块，控制加热棒电路通断，实现温度自动控制。工业网络实训平台实物图如图2所示。

　　2 实训例程设计

　　结合系统整体架构，按照自下至上、先局部后整体的思路，循序渐进设计以下实训例程。其中，第一、二个例程面向感知层，突出PLC数据采集和控制功能的实现。第三、四个例程，围绕系统通信和应用层HMI设计，突出整个系统通信和应用层监控功能实现。最后2个综合性的实训例程围绕个子系统，设计自动分拣系统和PID过程控制系统实训例程，是对前4个例程的综合，将在第3部分结合教学方法阐述。

　　2.1 数据采集功能的组态

　　对运动控制子系统，需要用到的实训设备主要包括S7-1200PLC、Spider67、光电传感器和已安装博途软件的计算机。对过程控制子系统主要包括S7-300PLC、温度压力传感器和已安装博途软件的计算机。本实训以博途软件为平台，重点学习硬件插入与配置、地址设定、组态连接、PLC全局变量定义、逻辑程序编写、程序下载和调试。为验证实训效果，可先提供服务器、PAD客户端程序及HMI界面，以便直观显示采集数据。

　　2.2 控制功能的组态

　　运动控制子系统需要用到的实训设备主要包括S7-1200PLC、Spider67、执行机构（分拣机构和步进电机）。过程控制子系统实训设备主要包括S7-300PLC、G120變频器和执行机构（控制加热棒、阀门和水泵电路通断的继电器）。在掌握博途软件操作基础上，定义全局变量、编写逻辑程序，实现气动装置伸缩、皮带传动速度与方向，以及对关联加热棒、阀门和水泵电路的继电器实施控制。

　　2.3 PLC端和服务器端的通信组态

　　本实训的目的是让学生掌握使用工业APP快速生成套件，实现PLC与服务器端之间通信的操作方法。学习内容主要包括Workbench组态软件，重点要掌握定义ProcessHub服务器地址，对应PLC程序全局变量终端地址在虚拟变量中设定相匹配的通信点，以及导出ProcessHub工程。另外，要掌握启动ProcessHub服务、启动Open SMC获取PLC数据的方法。

　　2.4 安卓客户端和服务器端之间的通信组态

　　本实训的目的是让学生掌握组态安卓APP和服务器端之间通信的方法。基于Workbench可视化的页面开发模块，通过拖拽、组合相关组件，关联变量、操作赋值、动画演示等设置，开发HMI界面。另外，要掌握如何使用JDK程序生成android.keystore文件，并用Workbench软件与之关联，导出安卓APP工程。

　　3 综合实训项目教学实施

　　自动分拣系统实训例程和PID过程控制系统实训例程是以项目为驱动，基于霍兰德职业性向理论对学生分组分岗，基于CDIO教学模式规范项目开发和实训流程。

　　首先，采用分组分岗的方式设置项目工程师、应用工程师和现场工程师3类岗位，各个工作岗位与霍兰德理论6种典型职业性向关联见表1所列。通过轮岗实训，使学生加强对自我职业性向认知，为下一步职业发展规划，提供科学指导与借鉴。实训流程如图3所示，分为C，D，I，O四个阶段。C为构思，主要是理解、确认和量化项目需求。以自动分拣系统为例，项目需求主要包括物料的材质、传感器的种类及数量、气动装置的数量、传感器的检测距离、传送带的速度和方向以及在客户端界面实现手自动控制等。D为设计，针对需求提出若干种方案。例如以S7-300PLC或以S7-1200PLC为控制核心，根据概念选择工具，并选择最优方案。I为实施，主要为系统硬件连接、PLC端软件组态和梯形图编程、系统通信连接、安卓客户端界面设计等，客户端界面示意如图4所示。O为运行维护，主要为系统调试与验证。

　　4 結语

　　本实训平台综合物联网、PLC和工业总线等技术研制，真实再现工业自动生产线中的分拣过程和水箱温度/液位控制，是一套完整的物联网架构平台，其克服了传统实训教学设备宏观性不强的问题。平台所选设备具有通用性、代表性和先进性，基于CDIO和职业性向教学理念，以工作过程为导向的项目教学法，配套开发实训教学例程，经教学实践检验，有效提高学生理论水平和工程实践能力，为学生实习定岗、就业选岗打下坚实基础。

　　参考文献

　　[1]周济.智能制造：“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

　　[2]俞益飞，李泽明.工业控制网络实训装置设计与实现[J].通讯世界，2016（2）：136.

　　[3]李倩.工业互联网发展中的工厂网络通信技术[J].信息与电脑（理论版），2016（14）：145-146.

　　[4]高巍.工业互联网推动工厂网络与互联网融合发展[J].中兴通讯技术，2016，22（5）：21-25.

　　[5]谢彤.基于以太网与现场总线的自动化实训系统研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2009.

　　[6]周丽婕.基于物联网的高校实训教学管理系统设计[J].物联网技术，2014，4（10）：90-92.

　　[7]张学辉.基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计[J].自动化仪表，2017，38（3）：41-43.

　　[8]沈灿钢，孙晓明.西门子全集成工业网络实训室设计与实现[J].实验技术与管理，2015，32（2）：170-172.

　　[9]邵泽华.物联网结构的探索与研究[J].物联网技术，2015，5（11）：46-53.

　　[10]刘杰，戈军，沈微微，等.公安物联网体系架构的设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（24）：82-85.

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