SBZD-01A工业4.0技术应用系统

一、设备概述

工业4.0技术应用系统"工业 4.0"（"第四次工业革命")，也称为"智能制造"，是对信息物理融合的诠释，完成了感知、通信、执行、决策的全过程，包括了资源要素、互联互通、系统集成、信息融合和新兴业态5大类，引导企业利用数字化、网络化、智能化技术向模式创新发展。通过引入信息和通信技术（ICT），以不同方式收集、共享和使用生产数据信息，实现产品和服务的多样化和个性化，缩短生产过程的响应时间，减少生产时间和降低成本，从而不断提高工业生产力。

（图片仅供参考、以实际配置为准）

该系统紧紧围绕"工业4.0"最新技术发展趋势，融合"互联网+"、"智能传感器"、"PLC控制技术"、"智能机电设备"、"物流技术"、"IT技术及安全"等先进技术，可以使学员学习并掌握工业4.0最新知识与技能。

工业4.0技术应用系统硬件平台包括底盒供料站、书签供料站、盒盖装配站、仓储站，软件平台由MES生产制造执行系统与数字孪生系统组成。系统可完成书签的个性化定制，学习并掌握工业4.0专业技能。

使用本系统学员可学习掌握以下技能：

1)传感器检测技术：包括工业自动化常用的光纤传感器、光电传感器、电感传感器等。学员在该设备上可以认识了解各传感器，掌握各传感器的使用方法。

2)电气控制系统：电气部分图纸按照工业标准进行设计，学员在该设备上可以学习电路原理分析、PLC各I/O地址查对和设备电路分析方法。

3)电机驱动技术：包括伺服电机、步进电机、交流电机及驱动器等，学员在该设备上可以认识了解、掌握各电机的使用方法。

4)西门子PLC技术：学员在该设备上可以练习PLC的接线、编程、调试。

5)RFID技术：RFID的安装与调试。

6)物联网技术：工业互联网感知层设备安装与测试、物联网网络传输层连接与配置、工业互联网应用层部署、工业互联网协同制造系统联调。

7)组态技术：学员在该设备上可以练习西门子组态软件的编程，以及组态软件与PLC通讯。

8)系统维护和故障检测技术：该部分重点介绍机电一体化设备日常维护的内容和方法以及常见故障分析、排除方法。

9）MES技术及应用：用户通过MES系统下单，下单同时选择需求信息（需求信息以多选项形式提供，用户可选择不同颜色的书签），订单信息通过MES系统下达给制造生产线进行生产。

10）物流技术:不仅有转运、搬运、装配，仓储技术，还有识别、数据传输跟踪等技术。

11）IT技术:主要有网络规划、网络布线、防火墙、VPN、网关、路由器设置等。

12）信息安全：主要两个局域网互连，配置好网络防火墙，网关提供过滤和安全功能。

设备工作流程：

1)底盒供料站：客户下单，MES下达生产任务，底盒供料模块推出相应颜色的底盒至托盘。并通过RFID把产品信息写入到芯片。

2)书签供料站：托盘到达书签供料站后，相对应的挡停机构动作，托盘准确停止在程序设定的工位，由搬运模块把书签搬运到底盒槽内。并通过RFID更新产品信息。挡停机构复位，托盘进入下一工作站。

3)盒盖装配站：托盘到达盒盖装配站后，相对应的挡停机构动作，托盘准确停止在程序设定的工位，盒盖供料模块推出相应颜色的盒盖至中转台，由搬运装配模块把盒盖搬运到底盒上面完成装配。并通过RFID更新产品信息。挡停机构复位，托盘进入下一工作站。

4)成品入库：托盘到达仓储站后，相对应的挡停机构动作，托盘准确停止在程序设定的工位，由机械手把成品盒搬运到MES指定的仓位，完成成品入库流程。并通过RFID更新产品信息。

二、设备特点

1.器件选型：平台所用到的主要器件均选自国际、国内知名品牌，其技术先进、市场占用率高。

2.标准性：平台设计时按照国家机械、电气设备相关安全标准与规范进行研发与测试。

3.模块化设计：符合教学规律与学生认知规律，师生可根据教学、比赛需求，选择不同的模块组合进行练习。

4.个性化定制：客户可通过工业互联网云平台或APP进行个性化订单下发，选择需要的产品种类及产品外观（盒盖体、书签颜色）

5.环形布局：设备整体采用环形输送带形式布置，输送带上布置4件托盘，托盘作为物料运输载体可循环使用。通过四个接近开关排列组合及托盘特定的结构设计，可实现对15种托盘特征的识别。

6.现场总线：现场控制设备具有通讯功能，构成工厂底层控制网络，设备间具有互可操作性和互换性。自动控制设备与系统接入信息网络，提供更为灵活的系统集成，数据处理方式。

7.工业4.0智能制造技术：信息和通信技术应用到生产制造过程，实践应用工业互联网技术，实现系统信息的数字化和数据共享。实践应用数据加密、防火墙设置、权限控制等技术，保护生产网络、办公网络、计算机系统的安全，免遭未经授权的修改、破坏或泄露，并满足紧急数据处理需求。选择和应用传感器技术、自动识别技术（RFID射频识别等）、PLC技术、MES与数据处理，优化了生产系统的流程、参数，提高效率、降低成本，获取设备操作的参数、监控设备运行状态，实现预测性智能维护。

三、技术参数

1.工作电源：AC220V±10%，50Hz，

2.额定功率：2kW

3.占地尺寸：整体布局尺寸：约2100*2100*1780mm(L×W×H )

4.工作环境：温度5℃－+40℃，相对湿度<85％（25℃）

5.安全防护：具有短路、过载、声光报警灯、急停多重保护

6.PLC：西门子系列

四、可完成项目

模块A：硬件组装与调试

1、设计需求分析

2、机械装配

3、电气接线

3、Modbus RTU通讯组态

4、HMI画面组态

模块B：PLC和HMI编程

1、传感器信号调整

2、步进运动组态

3、伺服运动组态

4、HMI画面组态

5、PLC程序编写

模块C：单站机构仿真

1、HMI画面设计、组态

2、PLC程序设计

3、通讯网络搭建

4、机电概念设计

5、信号映射

6、虚拟调试

模块D:组网和开发WEB应用程序

1、网关配置

2、IP设置

3、网络组建

4、软件开发

5、看板界面搭建

模块E：工业4.0联调

1、整体信号处理

2、PLC之间的数据交互

3、PLC于MES之间的数据交互

4、整体流程的调试

五、设备组成及功能描述

5.1 底盒供料站

组成：由台体、环形输送线输送带、底盒供料模块、气缸电磁阀组件、PLC、触摸屏、RFID组件、挡停机构、气缸、电磁阀组、气源处理元件、传感器组件、工业互联网与网络安全等构成。

工作流程：MES下订单，程序启动，设备运行；托盘沿环形输送带循环运行使用，当托盘到达MES订单中指定的相对应工位（MES订单指定底盒颜色），传感器检测到托盘，特定颜色底盒仓位相对应的挡停机构动作，托盘准确停止，供料模块向托盘内装载MES指定颜色底盒。底盒装载完成，挡停机构复位，托盘继续沿环形输送线运行，到达RFID读写位置，挡停机构动作，托盘准确停止在RFID读写位置，写入产品信息。挡停机构复位，托盘继续沿环形输送线运行，进入下一工位。

通过四个接近开关排列组合及托盘特定的结构设计，实现对托盘特征识别。

主要技术参数:

输入电源：单相三线  AC220V±10％ ，50HZ。

输出电源：直流稳压电源：24V，5A

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

工作气压：0.35-0.6MPa

安全保护功能：急停按钮、短路及过载等。

5.1.1底盒供料模块

底盒供料模块是储存、供应盒底的机构。蓝、红、黄三种颜色的底盒分别放置于相应料仓内。

5.2 书签供料站

组成：由台体、环形输送线输送带、搬运机构、书签仓储、PLC、RFID组件、挡停机构、传感器组件、真空吸盘组件、气缸、电磁阀组、工业互联网与网络安全等构成。

工作流程：托盘沿环形输送线运行，当托盘到达书签供料工位，传感器检测到托盘，挡停机构动作，托盘准确停止，两轴搬运机构末端执行机构气动吸盘吸取书签仓储内MES指定颜色的书签，然后将书签转运至托盘内。书签装载完成，RFID写入产品信息。然后，挡停机构复位，托盘继续沿环形输送线运行，进入下一工位。

主要技术参数

输入电源：单相三线  AC220V±10％，50Hz

输出电源：直流稳压电源：24V

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

工作气压：0.35-0.6MPa

安全保护功能：急停按钮、短路及过载等。

5.2.1搬运机构模块

两轴搬运机构模块由X轴、Z轴、真空吸盘组件组成。两轴搬运机构实现吸取、搬运书签功能。X轴由步进电机、同步带传动、直线导轨组件、连接件组成，Z轴主要由双轴气缸、调速阀、检测传感器组成。真空吸盘由吸盘、真空发生器、气动接头、气源组成。

5.2.2书签仓储模块

书签仓储模块内放置三种颜色书签。

5.3 盒盖装配站

组成：由台体、环形输送线输送带、盒盖仓储机构、搬运装配机构、PLC、RFID组件、挡停机构、传感器组件、真空吸盘组件、气缸、电磁阀组、工业互联网与网络安全等构成。

工作流程：托盘沿环形输送线运行，当托盘到达盒盖供料工位，传感器检测到托盘，挡停机构动作，托盘准确停止，盒盖仓储机构转运MES指定颜色的盒盖至中转平台，两轴搬运装配机构末端执行机构气动吸盘吸取盒盖仓储内中转平台的盒盖，然后两轴搬运机构运行，将盒盖与托盘内的盒底装配成一体。盒盖装配完成，RFID写入产品信息。然后，挡停机构复位，托盘继续沿环形输送线运行，进入下一工位。

主要技术参数

输入电源：单相三线  AC220V±10％，50Hz

输出电源：DC24V

工作气压：0.35-0.6MPa

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

安全保护功能：急停按钮、短路及过载等。

5.3.1盒盖仓储模块

盒盖仓储模块是储存盒盖、推送盒盖至中转平台的装置。三种颜色的盒盖分别放置于对应颜色的料筒内。三个料筒共用一个中转台，盒盖推出后暂存于中转台上。

5.3.2盒盖装配模块

盒盖装配模块由X轴、Z轴、真空吸盘组件组成。盒盖装配机构实现吸取、搬运装配盒盖功能。X轴由双轴气缸、调速阀、检测传感器组成，Z轴由双轴气缸、调速阀、检测传感器组成。真空吸盘由吸盘、真空发生器、气动接头、气源组成。

5.4 仓储站

组成: 由台体、环形输送线输送带、上下料机械手、滑道仓储、PLC、RFID组件、挡停机构、传感器组件、真空吸盘组件、气缸、电磁阀组、工业互联网与网络安全等构成。

工作流程：托盘沿环形输送线运行，当托盘到达书签盒入库工位，传感器检测到托盘，挡停机构动作，托盘准确停止，上下料机械手末端真空吸盘组件运动至书签盒停止位置，末端执行机构气动吸盘抓取书签盒，然后上下料机械手将书签盒转运到MES指令指定的滑道仓储货位。滑道仓储内布置有光纤传感器，当检测到滑道仓储内进料位置有书签盒时，上下料机械手停机等待，直至具备入库条件。书签入库完成，RFID写入产品信息。然后，挡停机构复位，托盘继续沿环形输送线运行，进入启始工位，循环使用。

主要技术参数

输入电源：单相三线  AC220V±10％，50Hz

工作环境：温度5℃－+40℃，相对湿度<85％（25℃），无水珠凝结海拔<4000m

输出电源：DC24V

工作气压：0.35-0.6MPa

外形尺寸：1100（600）×750×1780mm (L×W×H)

5.4.1上下料机械手模块

上下料机械手模块由X轴、Z轴、真空吸盘组件组成。上下料机械手实现吸取、搬运书签盒入库功能。X轴由伺服电机、同步带传动、直线导轨组件、滑板、连接件、原点传感器组成，Z轴选用电动滑台，主要由丝杆步进电机、滑板、直线导轨、原点传感器组成。真空吸盘由吸盘、真空发生器、气动接头、电磁阀组等组成。

5.4.2滑道仓储模块

滑道仓储模块用于存储不同颜色的书签盒。滑道仓储由流利条、仓储本体、光纤传感器组成。

5.5 能源管理模块

能源管理模块主要由电源管理模块和气源管理模块组成。

电源管理模块采用单相导轨电表，可以实现对系统电量的采集和显示，采集的数据也可通过通讯传输给PLC。

图 4.12 电源管理模块

气源管理模块实现气源流量的检测，测定流量0-200L/min，可显示瞬时流量和累计流量。带有RS485接口，最大支持工作压力0.8MPa显示分辨率0.1L/min，具有报警功能。

图 4.13 气源管理模块

5.6网络技术

ECU-1251基于RISC架构的智能无线工业网关。具备开放且稳健的平台设计，支持以太网有线通讯及WIFI/3G/GPRS/4G无线通讯方式，兼容多种工业标准通讯协议Modbus 及IEC-60870，并且可与WebAccess上层软件有效整合，令ECU-1251更适合在工业、能源物联网相关分布式监测进行应用。

防火墙/NAT：防火墙策略控制不同信任区之间的网络流量，而网络地址转换 (NAT) 则是保护内部局域网，免受来自外部主机的未授权活动。

VPN：虚拟专用网络 (VPN) 为用户通过公共互联网访问专用网络时，提供安全通信隧道。VPN 使用 IPsec（IP 安全）server 或 client 模式加密和认证网

络层的 IP 数据包，以确保机密性和发送方身份认证。

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

2)多协议支持 (Taglink软件): 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 (内置1GB SD image卡)

6) 1 x USB 2.0

7) 2 x 10/100MB 以太网接口

8) 4x RS-232/485 独立串口

9)RT Linux V3.12

10)支持壁挂式及DIN导轨式安装，方便灵活

5.7电控及通讯系统

电气控制系统共4套，分别安装于各站。主要由PLC模块、触摸屏、开关电源、变频器、远程I/O模块、断路器、接线端子排、IO转接模块、工业交换机等组成。

5.7.1电源

电源：输入电源，电源规格为AC单相220V；直流电源采用DC24V 开关电源；电控系统设有动力插座，用于各模块的供电。

电气控制箱用于安装集中电控系统，包括输入输出电源、PLC及扩展模块、伺服驱动器、空气开关、接线模块等。

5.7.2 PLC及扩展模块

底盒供料站,书签供料站，盒盖装配站，仓储站采用西门子PLC S7-1200系列，CPU数字输入14/输出10，100 KB工作存储器; 24VDC电源.板载DI14×24VDC漏型/原型DQ10 x24VDC和AI2 :板载6个高速计数器和4路脉冲输出；信号板扩展板载I/O，多达3个用于串行通信的通信模块，多达8个用于I/O扩展的信号模块: 0.04ms/1000条指令； PROFINET接口，用于编程、HMI以及PLC间数据通信。

5.7.3 操作面板

作为工作站的操作面板，含电源开关，启动、停止、复位、手自动和急停按钮。

4.7.4 触摸屏

SIMATIC HMI KTP700 基本版

SIMATIC HMI，KTP700 基本版， 精简面板， 按键式/触摸式操作， 7" TFT 显示屏，65536 颜色， PROFINET 接口， 可项目组态的最低版本 WinCC Basic V13/ STEP 7 Basic V13

5.8 气动系统

图 4.17 空压机

4.8.1空压机

配置空压机1套，用于工作站气动执行系统的供气。

主要参数如下：

额定压力：0.6Mpa；

流量：0.1m?/min；

储气罐容量：24L；

压缩机电源及功率：220V/50Hz,0.75Kw。

4.8.2调压过滤器

由空气过滤器（分水滤气器）和减压阀（调压阀）组成。其中减压阀主要作用是稳定气源的压力，使气源达到恒定状态，降低气源气压突然变化对阀门和执行器等硬件带来的损伤。

图 4.18 调压过滤器

5.9 软件

5.9.1 PLC编程软件

TIA博途是全集成自动化软件TIA portal的简称，是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件。它是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务。借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

TIA博途软件(TIA Portal V16）是西门子新一代框架软件，西门子控制、监控软件集成在此软件中。TIA博途软件具有相同的数据库和平台，各个设备间可实现数据共享，而用户不用做任何额外工作。TIA博途软件S7-1200、S7-1500、S7-300、S7-400PLC的编程软件，同时也可以对WinAC以及ET200智能分布式I/O站进行编程。TIA博途软件打破原有STEP7软件循规蹈矩的编程方式，借鉴了数千名资深工程师的编程要求和建议，集成了现代化办公软件的功能，并配以类似设备原貌图形化的组态方式，使用户能够灵活、轻松、快速地完成自动化控制设计任务。

集成了现代化办公软件的功能，并配以类似设备原貌图形化的组态方式，使用户能够灵活、轻松、快速地完成自动化控制设计任务。

5.9.2 MES系统

本单元协调整体系统的动作流程，同时反馈系统的工作状态。包含系统设置、基础管理、网络订单管理，生产管理，设备管理、仓储管理模块。

1)系统设置：可进行用户管理、角色管理、菜单管理、按钮管理、数据字典、日志管理的设置。

2)用户管理模块：可进行用户信息编辑，包含新建或删除用户、设置名称、密码、权限等。

3)订单管理模块：接收来自网络的订单，同时调度订单次序，允许插单。

4)设备管理模块：可进行设备类型、维护等方面信息的管理。

5)仓储管理模块：接收来自下层反馈的仓库信息，进行仓储类型、仓位状态等管理。

5.10 其他

1）工件托盘

本生产线配套4套工件托盘，托盘主要由塑料及铝合金件组成，托盘安装有RFID芯片，通过螺栓安装于固定板。

2）工具包

工具含有内六角扳手、一字螺丝刀、十字螺丝刀等。

3）物料

本系统配套包装盒红、黄、蓝各5套及15个书签工件。

4）网络

本系统配套网线及无线通讯模块，配合工业交换机等搭建成完整的网络建设。

六、工业4.0技术应用系统主要配置表单