基于物联网的烟草工厂 智能化电气实验平台的构建与应用

孙方照，张琪，张刚，王金忠，门博

（山东中烟工业有限责任公司青州卷烟厂，山东 潍坊 262500）

随着我国网络信息技术的极大发展和广泛应用，物联网作为互联网基础上的延伸和扩展已经实现了物品与物品之间的信息交换和通信。物联网技术涵盖较广，涉及自动化、通信、计算机等多个领域，多见于工业生产与制造，例如传感器技术、网络通信技术以及信息处理技术等。通过以物联网为代表的信息领域高新技术来改造传统制造业，是我国制造业升级发展的迫切需求和核心方向，也是实现“中国制造2025”伟大愿景的必由之路。

物联网在不断的发展与融入工业生产制造的过程中，一方面能够实现工艺流程的优化，提高工作效率，推动传统工业制造向智能工业制造的方向发展，另一方面也给当前的生产制造型企业提出了专业技术应用和人才队伍培养建设的新挑战。因此，本文作者将以自身青州卷烟厂的实际项目经历，提出基于物联网的烟草工厂能源动力处智能化电气实验平台的构建和应用方案，为提高车间员工电气控制专业技术的应用能力，推动车间电气控制向“智能电控”方向发展做出了一次创新型实践。

1 概述

1.1 现状分析

在全行业推行物联网、人工智能、云计算等新技术的融合应用与创新改革背景下，青州卷烟厂也积极推进工控领域的智能电气集控系统的开发和应用。在动力车间目前的智能化电气集控系统有除尘系统、空调系统、空压系统、给排水系统等协同工作，对生产过程保障起到重大作用。但由于整体成型电控系统无法给予职工实验性操作的机会，对于智能电控的学习还仅停留在理论学习的基础上，尤其是在面对电控故障时，实战经验不足，如何针对性的展开关于智能电控的学习与实验，是车间亟待解决的重要问题。

1.2 需求分析

1.2.1 提高车间员工电气控制故障排除能力

根据动力车间以往的电气类故障的统计数据发现，2019～2021年所有的电气类故障中，控制故障分别占比为46.60%、54.60%、61.60%。电气控制故障量长期处于高位，且有逐年递增趋势。另外，电气控制又是智能化电气控制的核心，是关乎动力车间乃至整个青州卷烟厂能否正常运转的关键。因此，提升车间员工电气控制故障排除能力是智能化电气实验平台的首要功能。通过智能化电气实验平台，车间员工可以在日常的模拟状态下掌握电气控制故障的排除方法，以提高实际故障处理的工作效率。

1.2.2 提高车间员工集控系统的程序编写与改进能力

随着“智能化”电气控制系统的逐步完善，将会有更多的电气控制系统加入到车间的生产制造中，而电气控制系统则需要对其运行程序进行调整和改进后才能确定其兼容性和适用性。但是由于大部分电气集控系统多为成套完备系统。由于缺少前端仿真模拟，无法直接在实际生产中进行程序方面的改进使用。因此，智能化电气实验平台需要具备编程仿真功能，用以电气集控系统控制程序改进前的模拟或新程序的开发。通过智能化电气实验平台，能够降低程序改进的失误率，加快新程序的开发和应用进程。

1.2.3 提供车间员工在线学习的新渠道

车间在全面推进智能化控制的进程中对车间员工提出了专业化应用技术的掌握要求即车间员工需要花时间进行新技术的学习与培训。就当前的学习方式主要有2种：一是学习纸质版；二是学习电子版，主要通过U盘、微信、QQ等5种方式传输、保存，而后学习。但二种方式都具有文件可能损坏、丢失、查找速度慢、无法碎片化学习等缺点。因此，智能化电气实验平台需要提供在线学习功能，为车间员工开辟新的学习渠道，提升车间员工对知识技巧的掌握速度，有利于车间电气专业人才的队伍建设。

综上所述，可以采用物联网技术结合当前车间电气集成控制系统的实际应用情况，构建起智能化电气实验平台，以实现提高车间员工专业技术操作水平、组建学习型人才队伍的目标。

2 智能化电气实验平台的设计与构建

2.1 总体框架

通过“SWOT”分析我们发现智能化电气实验平台的搭建应充分发挥青年职工能力强、积极性高的特点，让广大青年职工参与其中，但同时也应对于面临的器件昂贵有必要的措施，而平台的建立则是要惠及更广大职工，用以缩小“劣势”。团队成员利用卡诺模型对功能需求进行进一步分析。将“1+3+2”与三大功能需求“基本需求”“期望需求”“兴奋需求”进行有机结合并根据5W1H制定方案对策表。

图2

基于物联网智能化电气实验平台针对3个不同的需求，设置为3个不同的功能板块，如图1所示。整体的实验平台由硬件设备和软件设备组成。其中，硬件设备包括作为智能化电气实验平台服务器的电脑主机；也包含在电气故障排除实验中的实验器材。另外，软件系统包括电气集成控制系统、PLC编程控制系统、人机交互系统、网络与数据通信系统以及自主学习系统等。

图1

图3 智能实验平台总体框架图

2.2 具体功能

2.2.1 电控排故练习模块

由于智能化电气实验平台控制的“完整性”和“先进性”，车间员工们在平台上就可以模拟各种实际的电控故障并加以排出，最大程度上模拟真实发生的电控类故障，而与此同时平台还兼备了模拟其他电气类故障（接触器、电机等），综合来提升职工电气排故能力。

2.2.2 编程仿真训练模块

在对电气集成控制设备进行改进之前，先将编制好的程序放在智能化电气实验平台上进行仿真，通过各种传感器、变送器、接触器等的配合，查找逻辑程序和电气接线两方面中可能存在的问题，并加以改正。待平台编程仿真模拟通过后，在加入到实际电控系统中进行试验运行。

2.2.3 自主在线学习模块

对于车间员工们实时在线学习的需求，构建了智能电气网络学习云平台，相对于内部逻辑，在“在线学习功能”中，我们更关注程序的功能实现，所以采用“黑盒测试”法来实验。在最终在内部架构已经完善的基础上，直接在程序端口进行“登录、查询、浏览、下载”等功能的测试，检查功能方面的实现性及可靠性。车间智能电气实验网络云平台网站地址：http://192.168.6.248:8080/dongli/Login.jsp，厂内员工可自行注册帐号学习相关智能化电气知识，共计10.87G海量学习资料，且在不断更新增加中。

2.3 技术支持

基于物联网技术的智能电气实验平台涉及多种物联网技术，例如传感器技术、网络通信技术以及信息处理技术。根据车间电气控制集成系统的目前运行情况，将智能电气实验平台分为六大部分，分别为软件系统、人机界面、网络通讯、开关控制、模拟数据、控制系统。

另外，整个电气实验平台同时需要硬件设备和软件系统的支持。其中，硬件设备与零部件可以动力车间备件库提供、日常更换旧电气元件、日常采购以及自行制作等方式完成筹备。而软件系统则通过网络下载安装于电脑服务器中。

图4

图5

2.3.1 电控排故练习模块

由于智能化电气实验平台控制的“完整性”和“先进性”，职工们在平台上就可以模拟各种实际的电控故障并加以排出，最大程度上模拟真实发生的电控类故障，而与此同时平台还兼备了模拟其他电气类故障（接触器、电机等），综合来提升职工电气排故能力。

所需硬件设备有：电脑服务器、开关、继电器、PLC s7-300、变频器、光纤、触摸操作屏、以及各类传感器。软件系统有：STEP 7、IFIX、wincc。人机界面有：西门子MP-377、西门子TP-1200、西门子Panels PC-677。网络通讯需要：Modbus-TCP、TCPIP、Profibus。以上准备完成后，将根据系统总体设计中规划的不同的智能化电气控制方式，利用AUTOCAD绘制出智能电气实验平台的电气原理图、接线图，以及具体的I/O分配表。并按图完成电控排故练习模块的组装与调适。

2.3.2 编程仿真训练模块

在对电控设备进行改进之前，先将编制好的程序放在智能化电气实验平台上进行仿真，通过各种传感器、变送器、接触器等的配合，查找逻辑程序和电气接线两方面中可能存在的问题，并加以改正。待平台编程仿真模拟通过后，再加入到实际电控系统中进行试验运行。

在此功能模块下，硬件设备需要PLC传感器和变频器。软件系统需要有智能I/O模块和TIA（博途）平台辅助员工实现电气集成控制系统程序的编写与改进。此功能主要在计算机服务器端实现操作。

2.3.3 自主在线学习模块

采 用B/S架 构，以MVC模 式 进 行 设 计。在B/S架构下，自主学习平台分为前端应用界面、中间业务控制服务器以及后台数据库服务器。前端采用JSP+JavaScript+CSS+jQuery+Ajax等技术开发，主要采用Java语言，操作系统要求Windows7及以上。中间业务控制服务器才用Web Project工程，配置TOMCAT服务器。后端数据库服务器采用Oracle 数据库完成数据的存储与调用。

3 结语

基于物联网的智能化电气实验平台构建能够切实满足当前车间的需求，也是青州卷烟厂扎实推进“打造专业电气人才队伍，全面推进智能化控制”工作的重要举措。物联网的智能化电气实验平台能够从实际出发提高车间员工的专业技术水平，提升自我学习能力，践行了“数字化”“智能化”的创新发展理念，编写了实验指导书，制作了视频教程，同时，编辑了大量智能化电控案列供职工们学习、练习，为推动青州卷烟厂朝着“智能电控”的方向迈进提供了新的思路。