未来工业自动化与控制教学

智能工厂自动化

面向工业 4.0 时代的智能工厂带来全联网设施，可以实现自动化、大规模的定制生产。制造业亟需掌握背后复杂技术的专业人员。各大公司要求高校毕业生不仅要思想开放，而且应熟悉未来职业生涯中可能会遇到的技术环境。

若想寻找满足这些要求的工程师，德国达姆施塔特将是一个不错的选择。这座城市是给我们的日常生活带来众多改变的产品和技术的发源地，例如，时钟收音机、亚克力玻璃、第一瓶酶基洗涤剂和显示器中使用的液晶。这里是技术大学也是以高等教育实践方法而闻名的达姆施塔特应用科技大学 (h_da) 的所在地。其课程涵盖了工程科学、数学、信息科学、计算机科学、管理、社会科学和社工以及建筑、媒体和设计。电气工程专业的一门国际硕士课程仅用英文授课。

“我们的电气工程和信息技术系目前经营着一家装配工厂，能够在真正的工厂中真实重现自动化过程，”h_da 自动化和控制技术教授 Ing Stephan Simons 博士指出，“这家小型智能工厂是工业 4.0 示范厂，也是一个研究和教辅平台，支持跨学科的学生社团学习如何设计、提交、操作和维护未来使用物联网的生产设施。”这些学生就读于各个学院，包括电气和机械工程、工业工程和管理、光学技术和图像处理。

尽管只有 50 平方米的空间（538 平方英尺），但全自动的电磁继电器装配线配备了生产工厂里需要的一切。它提供了一个含 44 个存储隔间的高托盘储物架，用于存放要通过智能穿梭机在 20 米 (65’ 7”) 轨道系统上运输的组件、成品和材料。一个 6 轴工业机器人负责完成实际装配，然后继电器会通过自动的光学和电气测试以及称重，完成终检。

工厂的各个功能组件分别由可编程逻辑控制器 (PLC)、运动控制器和专用机器人控制器加以控制。通过使用 OPC UA 协议，它们与在大学私有云和公共云中运行的企业资源规划 (ERP) 和制造执行 (MES) 系统进行通信。

The smart factory assembles several varieties of electromagnetic relays in one-off quantities as demanded to fulfill orders in a cloud-based ERP system. Both components and finished products are transported through the line using intelligent shuttles equipped with RFID chips. Photo: M. Wittmer

从使用数字化双胞胎技术开始

当西蒙斯 (Simons) 开始着手规划智能工厂时，他深入了解了 Siemens PLM Software 的 Tecnomatix® 解决方案产品组合。Tecnomatix 是由帮助实现制造业数字化的多个数字化制造解决方案组成的综合产品组合。通过使用 Tecnomatix 机器人技术和自动化编程解决方案，工程师可以设计和仿真利用机器人与离线自动化技术的操作并为这类操作编写程序。利用整合的仿真能力，可以连接虚拟 PLC 或真实环境中的实际 PLC 来测试并优化控制、自动化、材料运输和整个操作。

西蒙斯教授在启动智能工厂项目之初利用的就是 Tecnomatix Process Simulate 解决方案，因为他打算利用该软件的功能连接真实的 PLC 以实现虚拟调试。随后，他在智能工厂中又进一步使用了 Tecnomatix 产品组合中的 Plant Simulation 解决方案，因为该产品具有材料流和能耗的三维仿真功能。

“我知道，在未来，行业要想保持竞争力，生产线的仿真和虚拟调试将发挥至关重要的作用，”西蒙斯表示，“虽然每个学生只在工作岗位上实习一个学期，但我们通过使用 Tecnomatix 为装配线构建数字化双胞胎并执行虚拟调试，我们的工厂在短短两年内就已实现正常运营。”

The fully automated assembly line features a high-bay storage rack and material transport using intelligent shuttles as well as a 6-axis industrial robot for assembly and several test stations. The stations are controlled by PLCs also taking care of functional safety that communicate via OPC UA. Image: P. Abé

系统性的实践方法

智能装配线的主要目的是教会学生如何以问题为导向使用新技术。他们需要学习如何创建综合全面的系统，在此过程中熟悉自己专业之外的知识。信息技术 (IT) 和工业自动化不再是独立学科，二者紧密相连。没有任何一个软件能够处理产品制造的所有方面，它们需要应用和组合各种专业系统。

“我们的艰巨任务是培养行业需要的人才 — 已充分准备好、随时可以开始实际项目并能适应未来需求的专业人才，”西蒙斯表示，“行业内各个部门之间依然存在壁垒，这需要既懂专业知识又充满激情动力的人来打破。”

h_da 之所以不同于其他技术大学，原因就在于它采用了一种更实用的方法。为了保证符合行业的现实要求，智能装配线仅使用了市场上现有的工业技术。西蒙斯表示：“我们选择 Siemens 系统，可以说是自动化与数字化兼得。”“与任何其他供应商相比，它们的自动化和 IT 融合更成功。”

虚拟与现实世界的融合

对于计算机辅助设计 (CAD)，h_da 学生使用的是 NX™ 软件。他们使用通用的 JT™ 数据格式将创建的模型导出到 Tecnomatix 和其他软件系统。从 2016 年开始，学生一直使用 NX 中的 Mechatronics Concept Designer™（机电一体化概念设计解决方案）软件。这个软件方便学生从机械、电气和自动化等功能模型开始，采用多学科的系统工程方法完成机器设计。机电一体化概念设计解决方案具有易于使用的基于物理的交互式仿真功能，可以在构建产品之前用来验证产品功能。其开放式接口支持与其他工具连接，以便使用 Tecnomatix 执行不同规模的虚拟调试。

Tecnomatix 可以用来对传送带和机器人等复杂系统进行仿真，而机电一体化概念设计解决方案特别适用于临界运动学中物理行为的系统工程和仿真。为了积累该软件的使用经验，学生刚开始时可以使用该软件设计和仿真一个小型传送系统。

“Tecnomatix 和机电一体化概念设计解决方案还帮助我们教会了学生如何选择正确的软件来完成任务，”西蒙斯表示，“有一组学生尝试对继电器装配线中的穿梭机进行仿真，但失败了。这是因为制造商只提供了简化的三维模型，该模型并没有充分反映穿梭机的物理属性。”

For physics-based design and simulation, Darmstadt University of Applied Sciences is also using the Mechatronics Concept Designer

Darmstadt University of Applied Sciences students used Tecnomatix Process Simulate to create a digital twin of the smart factory for virtual commissioning

For final inspection, the relays pass automated optical and electrical tests as well as weighing. Photo: M. Wittmer

学习如何处理不断出现的变化

在第六学期，不同专业的学生由两至六人分为一组，共同处理自动化问题。截至 2018 年上半年，290 名学生已围绕达姆施塔特智能装配线及其相关组件构建多个项目。这将一直不停地重新设计，以尽可能地接近您可能面临的真实工业生活。

故障继电器将运输到手动返工站，在那里，工人可利用三维动画并按照增强现实眼镜中显示的分步说明更正错误。学生使用 OPC UA 客户端时戴上了眼镜，可与周边系统连接以更正错误。

其实，在该产品推出之前，h_da 就已开始使用 MindSphere，这是西门子推出的一款基于云的开放式物联网操作系统。除了分析能量数据，它还可用于机器学习应用程序，可以检测工厂运行中出现的异常。

近期，h_da 开始使用面向产品生命周期管理的 Teamcenter® 软件，计划用它进行内部工作流程和审批流程控制。h_da 还计划将它与同样来自 Siemens PLM Software 的面向电气和自动化工程的 Automation Designer 软件一起使用。该大学将在 NX 内部署此软件，它以开放式图形集成平台为基础，可以提供更完整的多学科开发环境。

每次有人（几乎无一例外都是该教授）从重要工业贸易展览会上的西门子展台返回并展示新业务案例的想法时，都会提出新技术与现有工厂整合的问题。西蒙斯总结说：“具备为此类问题找到正确答案的能力，这正是业界对电气工程师提出的要求。”

Relays that have failed final inspection are transported to a manual rework station where workers correcting the fault are supported by a 3D animation and step-by-step instructions displayed in augmented reality glasses