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SBZD-01A工業4.0技術應用系統

一、設備概述

工業4.0技術應用系統"工業 4.0"（"第四次工業革命")，也稱為"智能制造"，是對信息物理融合的詮釋，完成了感知、通信、執行、決策的全過程，包括了資源要素、互聯互通、系統集成、信息融合和新興業態5大類，引導企業利用數字化、網絡化、智能化技術向模式創新發展。通過引入信息和通信技術（ICT），以不同方式收集、共享和使用生產數據信息，實現產品和服務的多樣化和個性化，縮短生產過程的響應時間，減少生產時間和降低成本，從而不斷提高工業生產力。

（圖片僅供參考、以實際配置為準）

該系統緊緊圍繞"工業4.0"最新技術發展趨勢，融合"互聯網+"、"智能傳感器"、"PLC控制技術"、"智能機電設備"、"物流技術"、"IT技術及安全"等先進技術，可以使學員學習并掌握工業4.0最新知識與技能。

工業4.0技術應用系統硬件平臺包括底盒供料站、書簽供料站、盒蓋裝配站、倉儲站，軟件平臺由MES生產制造執行系統與數字孿生系統組成。系統可完成書簽的個性化定制，學習并掌握工業4.0專業技能。

使用本系統學員可學習掌握以下技能：

1)傳感器檢測技術：包括工業自動化常用的光纖傳感器、光電傳感器、電感傳感器等。學員在該設備上可以認識了解各傳感器，掌握各傳感器的使用方法。

2)電氣控制系統：電氣部分圖紙按照工業標準進行設計，學員在該設備上可以學習電路原理分析、PLC各I/O地址查對和設備電路分析方法。

3)電機驅動技術：包括伺服電機、步進電機、交流電機及驅動器等，學員在該設備上可以認識了解、掌握各電機的使用方法。

4)西門子PLC技術：學員在該設備上可以練習PLC的接線、編程、調試。

5)RFID技術：RFID的安裝與調試。

6)物聯網技術：工業互聯網感知層設備安裝與測試、物聯網網絡傳輸層連接與配置、工業互聯網應用層部署、工業互聯網協同制造系統聯調。

7)組態技術：學員在該設備上可以練習西門子組態軟件的編程，以及組態軟件與PLC通訊。

8)系統維護和故障檢測技術：該部分重點介紹機電一體化設備日常維護的內容和方法以及常見故障分析、排除方法。

9）MES技術及應用：用戶通過MES系統下單，下單同時選擇需求信息（需求信息以多選項形式提供，用戶可選擇不同顏色的書簽），訂單信息通過MES系統下達給制造生產線進行生產。

10）物流技術:不僅有轉運、搬運、裝配，倉儲技術，還有識別、數據傳輸跟蹤等技術。

11）IT技術:主要有網絡規劃、網絡布線、防火墻、VPN、網關、路由器設置等。

12）信息安全：主要兩個局域網互連，配置好網絡防火墻，網關提供過濾和安全功能。

設備工作流程：

1)底盒供料站：客戶下單，MES下達生產任務，底盒供料模塊推出相應顏色的底盒至托盤。并通過RFID把產品信息寫入到芯片。

2)書簽供料站：托盤到達書簽供料站后，相對應的擋停機構動作，托盤準確停止在程序設定的工位，由搬運模塊把書簽搬運到底盒槽內。并通過RFID更新產品信息。擋停機構復位，托盤進入下一工作站。

3)盒蓋裝配站：托盤到達盒蓋裝配站后，相對應的擋停機構動作，托盤準確停止在程序設定的工位，盒蓋供料模塊推出相應顏色的盒蓋至中轉臺，由搬運裝配模塊把盒蓋搬運到底盒上面完成裝配。并通過RFID更新產品信息。擋停機構復位，托盤進入下一工作站。

4)成品入庫：托盤到達倉儲站后，相對應的擋停機構動作，托盤準確停止在程序設定的工位，由機械手把成品盒搬運到MES指定的倉位，完成成品入庫流程。并通過RFID更新產品信息。

二、設備特點

1.器件選型：平臺所用到的主要器件均選自國際、國內知名品牌，其技術先進、市場占用率高。

2.標準性：平臺設計時按照國家機械、電氣設備相關安全標準與規范進行研發與測試。

3.模塊化設計：符合教學規律與學生認知規律，師生可根據教學、比賽需求，選擇不同的模塊組合進行練習。

4.個性化定制：客戶可通過工業互聯網云平臺或APP進行個性化訂單下發，選擇需要的產品種類及產品外觀（盒蓋體、書簽顏色）

5.環形布局：設備整體采用環形輸送帶形式布置，輸送帶上布置4件托盤，托盤作為物料運輸載體可循環使用。通過四個接近開關排列組合及托盤特定的結構設計，可實現對15種托盤特征的識別。

6.現場總線：現場控制設備具有通訊功能，構成工廠底層控制網絡，設備間具有互可操作性和互換性。自動控制設備與系統接入信息網絡，提供更為靈活的系統集成，數據處理方式。

7.工業4.0智能制造技術：信息和通信技術應用到生產制造過程，實踐應用工業互聯網技術，實現系統信息的數字化和數據共享。實踐應用數據加密、防火墻設置、權限控制等技術，保護生產網絡、辦公網絡、計算機系統的安全，免遭未經授權的修改、破壞或泄露，并滿足緊急數據處理需求。選擇和應用傳感器技術、自動識別技術（RFID射頻識別等）、PLC技術、MES與數據處理，優化了生產系統的流程、參數，提高效率、降低成本，獲取設備操作的參數、監控設備運行狀態，實現預測性智能維護。

三、技術參數

1.工作電源：AC220V±10%，50Hz，

2.額定功率：2kW

3.占地尺寸：整體布局尺寸：約2100*2100*1780mm(L×W×H )

4.工作環境：溫度5℃－+40℃，相對濕度<85％（25℃）

5.安全防護：具有短路、過載、聲光報警燈、急停多重保護

6.PLC：西門子系列

四、可完成項目

模塊A：硬件組裝與調試

1、設計需求分析

2、機械裝配

3、電氣接線

3、Modbus RTU通訊組態

4、HMI畫面組態

模塊B：PLC和HMI編程

1、傳感器信號調整

2、步進運動組態

3、伺服運動組態

4、HMI畫面組態

5、PLC程序編寫

模塊C：單站機構仿真

1、HMI畫面設計、組態

2、PLC程序設計

3、通訊網絡搭建

4、機電概念設計

5、信號映射

6、虛擬調試

模塊D:組網和開發WEB應用程序

1、網關配置

2、IP設置

3、網絡組建

4、軟件開發

5、看板界面搭建

模塊E：工業4.0聯調

1、整體信號處理

2、PLC之間的數據交互

3、PLC于MES之間的數據交互

4、整體流程的調試

五、設備組成及功能描述

5.1 底盒供料站

組成：由臺體、環形輸送線輸送帶、底盒供料模塊、氣缸電磁閥組件、PLC、觸摸屏、RFID組件、擋停機構、氣缸、電磁閥組、氣源處理元件、傳感器組件、工業互聯網與網絡安全等構成。

工作流程：MES下訂單，程序啟動，設備運行；托盤沿環形輸送帶循環運行使用，當托盤到達MES訂單中指定的相對應工位（MES訂單指定底盒顏色），傳感器檢測到托盤，特定顏色底盒倉位相對應的擋停機構動作，托盤準確停止，供料模塊向托盤內裝載MES指定顏色底盒。底盒裝載完成，擋停機構復位，托盤繼續沿環形輸送線運行，到達RFID讀寫位置，擋停機構動作，托盤準確停止在RFID讀寫位置，寫入產品信息。擋停機構復位，托盤繼續沿環形輸送線運行，進入下一工位。

通過四個接近開關排列組合及托盤特定的結構設計，實現對托盤特征識別。

主要技術參數:

輸入電源：單相三線  AC220V±10％ ，50HZ。

輸出電源：直流穩壓電源：24V，5A

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

工作氣壓：0.35-0.6MPa

安全保護功能：急停按鈕、短路及過載等。

5.1.1底盒供料模塊

底盒供料模塊是儲存、供應盒底的機構。藍、紅、黃三種顏色的底盒分別放置于相應料倉內。

5.2 書簽供料站

組成：由臺體、環形輸送線輸送帶、搬運機構、書簽倉儲、PLC、RFID組件、擋停機構、傳感器組件、真空吸盤組件、氣缸、電磁閥組、工業互聯網與網絡安全等構成。

工作流程：托盤沿環形輸送線運行，當托盤到達書簽供料工位，傳感器檢測到托盤，擋停機構動作，托盤準確停止，兩軸搬運機構末端執行機構氣動吸盤吸取書簽倉儲內MES指定顏色的書簽，然后將書簽轉運至托盤內。書簽裝載完成，RFID寫入產品信息。然后，擋停機構復位，托盤繼續沿環形輸送線運行，進入下一工位。

主要技術參數

輸入電源：單相三線  AC220V±10％，50Hz

輸出電源：直流穩壓電源：24V

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

工作氣壓：0.35-0.6MPa

安全保護功能：急停按鈕、短路及過載等。

5.2.1搬運機構模塊

兩軸搬運機構模塊由X軸、Z軸、真空吸盤組件組成。兩軸搬運機構實現吸取、搬運書簽功能。X軸由步進電機、同步帶傳動、直線導軌組件、連接件組成，Z軸主要由雙軸氣缸、調速閥、檢測傳感器組成。真空吸盤由吸盤、真空發生器、氣動接頭、氣源組成。

5.2.2書簽倉儲模塊

書簽倉儲模塊內放置三種顏色書簽。

5.3 盒蓋裝配站

組成：由臺體、環形輸送線輸送帶、盒蓋倉儲機構、搬運裝配機構、PLC、RFID組件、擋停機構、傳感器組件、真空吸盤組件、氣缸、電磁閥組、工業互聯網與網絡安全等構成。

工作流程：托盤沿環形輸送線運行，當托盤到達盒蓋供料工位，傳感器檢測到托盤，擋停機構動作，托盤準確停止，盒蓋倉儲機構轉運MES指定顏色的盒蓋至中轉平臺，兩軸搬運裝配機構末端執行機構氣動吸盤吸取盒蓋倉儲內中轉平臺的盒蓋，然后兩軸搬運機構運行，將盒蓋與托盤內的盒底裝配成一體。盒蓋裝配完成，RFID寫入產品信息。然后，擋停機構復位，托盤繼續沿環形輸送線運行，進入下一工位。

主要技術參數

輸入電源：單相三線  AC220V±10％，50Hz

輸出電源：DC24V

工作氣壓：0.35-0.6MPa

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

安全保護功能：急停按鈕、短路及過載等。

5.3.1盒蓋倉儲模塊

盒蓋倉儲模塊是儲存盒蓋、推送盒蓋至中轉平臺的裝置。三種顏色的盒蓋分別放置于對應顏色的料筒內。三個料筒共用一個中轉臺，盒蓋推出后暫存于中轉臺上。

5.3.2盒蓋裝配模塊

盒蓋裝配模塊由X軸、Z軸、真空吸盤組件組成。盒蓋裝配機構實現吸取、搬運裝配盒蓋功能。X軸由雙軸氣缸、調速閥、檢測傳感器組成，Z軸由雙軸氣缸、調速閥、檢測傳感器組成。真空吸盤由吸盤、真空發生器、氣動接頭、氣源組成。

5.4 倉儲站

組成: 由臺體、環形輸送線輸送帶、上下料機械手、滑道倉儲、PLC、RFID組件、擋停機構、傳感器組件、真空吸盤組件、氣缸、電磁閥組、工業互聯網與網絡安全等構成。

工作流程：托盤沿環形輸送線運行，當托盤到達書簽盒入庫工位，傳感器檢測到托盤，擋停機構動作，托盤準確停止，上下料機械手末端真空吸盤組件運動至書簽盒停止位置，末端執行機構氣動吸盤抓取書簽盒，然后上下料機械手將書簽盒轉運到MES指令指定的滑道倉儲貨位。滑道倉儲內布置有光纖傳感器，當檢測到滑道倉儲內進料位置有書簽盒時，上下料機械手停機等待，直至具備入庫條件。書簽入庫完成，RFID寫入產品信息。然后，擋停機構復位，托盤繼續沿環形輸送線運行，進入啟始工位，循環使用。

主要技術參數

輸入電源：單相三線  AC220V±10％，50Hz

工作環境：溫度5℃－+40℃，相對濕度<85％（25℃），無水珠凝結海拔<4000m

輸出電源：DC24V

工作氣壓：0.35-0.6MPa

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

5.4.1上下料機械手模塊

上下料機械手模塊由X軸、Z軸、真空吸盤組件組成。上下料機械手實現吸取、搬運書簽盒入庫功能。X軸由伺服電機、同步帶傳動、直線導軌組件、滑板、連接件、原點傳感器組成，Z軸選用電動滑臺，主要由絲桿步進電機、滑板、直線導軌、原點傳感器組成。真空吸盤由吸盤、真空發生器、氣動接頭、電磁閥組等組成。

5.4.2滑道倉儲模塊

滑道倉儲模塊用于存儲不同顏色的書簽盒。滑道倉儲由流利條、倉儲本體、光纖傳感器組成。

5.5 能源管理模塊

能源管理模塊主要由電源管理模塊和氣源管理模塊組成。

電源管理模塊采用單相導軌電表，可以實現對系統電量的采集和顯示，采集的數據也可通過通訊傳輸給PLC。

圖 4.12 電源管理模塊

氣源管理模塊實現氣源流量的檢測，測定流量0-200L/min，可顯示瞬時流量和累計流量。帶有RS485接口，最大支持工作壓力0.8MPa顯示分辨率0.1L/min，具有報警功能。

圖 4.13 氣源管理模塊

5.6網絡技術

ECU-1251基于RISC架構的智能無線工業網關。具備開放且穩健的平臺設計，支持以太網有線通訊及WIFI/3G/GPRS/4G無線通訊方式，兼容多種工業標準通訊協議Modbus 及IEC-60870，并且可與WebAccess上層軟件有效整合，令ECU-1251更適合在工業、能源物聯網相關分布式監測進行應用。

防火墻/NAT：防火墻策略控制不同信任區之間的網絡流量，而網絡地址轉換 (NAT) 則是保護內部局域網，免受來自外部主機的未授權活動。

VPN：虛擬專用網絡 (VPN) 為用戶通過公共互聯網訪問專用網絡時，提供安全通信隧道。VPN 使用 IPsec（IP 安全）server 或 client 模式加密和認證網

絡層的 IP 數據包，以確保機密性和發送方身份認證。

1)透過Mini-PCIe接口支持GPRS, 3G, 4G, Wi-Fi接入(板載SIM卡插槽)

2)多協議支持 (Taglink軟件): Modbus/RTU, Modbus/TCP, IEC-60870/104, DL_645

3)Cortex A8 800MHz (TI AM3352)

4)256MB DDR3L RAM

5) 2 x Micro-SD 插槽 (內置1GB SD image卡)

6) 1 x USB 2.0

7) 2 x 10/100MB 以太網接口

8) 4x RS-232/485 獨立串口

9)RT Linux V3.12

10)支持壁掛式及DIN導軌式安裝，方便靈活

5.7電控及通訊系統

電氣控制系統共4套，分別安裝于各站。主要由PLC模塊、觸摸屏、開關電源、變頻器、遠程I/O模塊、斷路器、接線端子排、IO轉接模塊、工業交換機等組成。

5.7.1電源

電源：輸入電源，電源規格為AC單相220V；直流電源采用DC24V 開關電源；電控系統設有動力插座，用于各模塊的供電。

電氣控制箱用于安裝集中電控系統，包括輸入輸出電源、PLC及擴展模塊、伺服驅動器、空氣開關、接線模塊等。

5.7.2 PLC及擴展模塊

底盒供料站,書簽供料站，盒蓋裝配站，倉儲站采用西門子PLC S7-1200系列，CPU數字輸入14/輸出10，100 KB工作存儲器; 24VDC電源.板載DI14×24VDC漏型/原型DQ10 x24VDC和AI2 :板載6個高速計數器和4路脈沖輸出；信號板擴展板載I/O，多達3個用于串行通信的通信模塊，多達8個用于I/O擴展的信號模塊: 0.04ms/1000條指令； PROFINET接口，用于編程、HMI以及PLC間數據通信。

5.7.3 操作面板

作為工作站的操作面板，含電源開關，啟動、停止、復位、手自動和急停按鈕。

4.7.4 觸摸屏

SIMATIC HMI KTP700 基本版

SIMATIC HMI，KTP700 基本版， 精簡面板， 按鍵式/觸摸式操作， 7" TFT 顯示屏，65536 顏色， PROFINET 接口， 可項目組態的最低版本 WinCC Basic V13/ STEP 7 Basic V13

5.8 氣動系統

圖 4.17 空壓機

4.8.1空壓機

配置空壓機1套，用于工作站氣動執行系統的供氣。

主要參數如下：

額定壓力：0.6Mpa；

流量：0.1m?/min；

儲氣罐容量：24L；

壓縮機電源及功率：220V/50Hz,0.75Kw。

4.8.2調壓過濾器

由空氣過濾器（分水濾氣器）和減壓閥（調壓閥）組成。其中減壓閥主要作用是穩定氣源的壓力，使氣源達到恒定狀態，降低氣源氣壓突然變化對閥門和執行器等硬件帶來的損傷。

圖 4.18 調壓過濾器

5.9 軟件

5.9.1 PLC編程軟件

TIA博途是全集成自動化軟件TIA portal的簡稱，是西門子工業自動化集團發布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務。借助該全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。

TIA博途軟件(TIA Portal V16）是西門子新一代框架軟件，西門子控制、監控軟件集成在此軟件中。TIA博途軟件具有相同的數據庫和平臺，各個設備間可實現數據共享，而用戶不用做任何額外工作。TIA博途軟件S7-1200、S7-1500、S7-300、S7-400PLC的編程軟件，同時也可以對WinAC以及ET200智能分布式I/O站進行編程。TIA博途軟件打破原有STEP7軟件循規蹈矩的編程方式，借鑒了數千名資深工程師的編程要求和建議，集成了現代化辦公軟件的功能，并配以類似設備原貌圖形化的組態方式，使用戶能夠靈活、輕松、快速地完成自動化控制設計任務。

集成了現代化辦公軟件的功能，并配以類似設備原貌圖形化的組態方式，使用戶能夠靈活、輕松、快速地完成自動化控制設計任務。

5.9.2 MES系統

本單元協調整體系統的動作流程，同時反饋系統的工作狀態。包含系統設置、基礎管理、網絡訂單管理，生產管理，設備管理、倉儲管理模塊。

1)系統設置：可進行用戶管理、角色管理、菜單管理、按鈕管理、數據字典、日志管理的設置。

2)用戶管理模塊：可進行用戶信息編輯，包含新建或刪除用戶、設置名稱、密碼、權限等。

3)訂單管理模塊：接收來自網絡的訂單，同時調度訂單次序，允許插單。

4)設備管理模塊：可進行設備類型、維護等方面信息的管理。

5)倉儲管理模塊：接收來自下層反饋的倉庫信息，進行倉儲類型、倉位狀態等管理。

5.10 其他

1）工件托盤

本生產線配套4套工件托盤，托盤主要由塑料及鋁合金件組成，托盤安裝有RFID芯片，通過螺栓安裝于固定板。

2）工具包

工具含有內六角扳手、一字螺絲刀、十字螺絲刀等。

3）物料

本系統配套包裝盒紅、黃、藍各5套及15個書簽工件。

4）網絡

本系統配套網線及無線通訊模塊，配合工業交換機等搭建成完整的網絡建設。

六、工業4.0技術應用系統主要配置表單