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工业4.0综合实训系统的设计方案及功能构思

发布时间: 2022-11-08 来源: 管理员

工业4.0综合实训系统的设计方案及功能构思

一、设备总体构思：

要求该系统紧紧围绕“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”、“数字孪生仿真”、“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。实训任务包括安装和调试，故障诊断和排除，PLC编程、HMI制作、MES 应用

与WEB 开发、能源管理与监测、网络安全设置和项目设计。

通过各工作单元的灵活组合可以完成不同的培训主题，构建全部生产过程来反映

实际的工业4.0技术应用系统。

二、设备组成

系统设备至少含有以下工作站及部件:

1.底盒供料站

主要组成: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。

主要功能:(1)完成物料出库供料;(2)物料库存储状态检测;(3)托盘到位状

态检测:(4)托盘ID检测:(5)气缸位置检测。

2.书签供料站

主要组成: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。

主要功能:(1)完成物料出库供料;(2)物料库存储状态检测;(3)托盘到位状

态检测;(4)托盘ID检测;(5)气缸位置检测。

3.盒盖装配站

主要组成: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。

主要功能:(1)完成物料出库供料;(2)物料库存储状态检测;(3)托盘到位状

态检测;(4)托盘ID检测;(5)气缸位置检测:(6)完成半成品装配。

4.仓储站

主要组成: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。

主要功能:(1)完成物料入库;(2)物料仓存储状态检测;(3)托盘到位状态检

测;(4)托盘ID检测;(5)气缸位置检测;

5.能源管理模块(附相关功能界面截图)

主要组成:电源管理模块、气源管理模块。

主要功能:实时监测设备电压、电流、瞬时功率、累计电能、瞬时气流量、累计气流

量等并把数据上传到MES系统。

6.电控及通讯系统

主要组成:4套1200系列PLC(技术参数:SIMATICS7-1200，CPU1214)电源开关、

I/0转接模块等。

主要功能:

(1) 分别控制各单元执行机构动作，如步进电机、变频电机、气缸电磁阀、指示灯等:

(2)采集各命令信号及传感器信号状态作为逻辑判断依据，如按钮、光电开关、磁性开关等;

(3)各PLC间通讯搭建控制系统，如profinet、s7等通讯协议。

7.网络技术模块

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，令更适合在工业、能源物联网

相关分布式监测进行应用。

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)CortexA8800MHz(TIAM3352)

4)256MBDDR3LRAM

5)2xMicro-SD插槽(内置1GBSDimage卡)

6)1xUSB2.0

7)2x10/100MB 以太网接口

8)4xRS-232/485独立串口

9)RTLinuxV3.12

10)支持壁挂式及DIN导轨式安装，方便灵活

8.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。

9.静音空气压缩机:工作电源AC220V±10%50Hz、电动机输出:0.75kw、配电机压缩

机、容器容量:24L、额定输出气压0.7Mpa、噪声等级:约66dB。

I0.RFID 电源管理系统

要求采用高频的RFID，工作频率为13.56MHz，能够通过RFID的RS485通讯方式来刷

卡进行整体设备的电源管理控制，同时会有相应的提示音和 LED指示灯

RFID除了通过RS485通讯刷卡进行电源管理之外，还要求具有以下功能;

(1)OLED液晶显示读卡信息。默认显示RFID卡的卡号和数据和错误指令，也可以通

过软件设置实际需要显示的信息，可根据错误指令能够快速的定位错误原因;

(2)RFID在不同的状态下会有相对应的声音提示，可以根据提示音来判断RFID读写

器的当前状态。

(3)数据校验。RFID写入数据应能够通过两种方式进行校验:

1)通过OLED显示屏对比写入数据和读取数据的一致性;

2)通过校验指令进行判断;

(4)参数设置和功能测试。可通过自带软件对设备进行参数设置和读写功能测试。

(5)通信方式。RFID读写器要求支持IS0-15693协议，提供ModBus TCP或ModBus RTU

两种标准的通信协议。

要求投标现场以图片或视频的形式演示满足上述招标要求的RFID模块

11.配置相应的编程软件。

(1)PLC编程软件:TIA博途是全集成自动化软件TIAportal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，能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

要求提供符合上述要求的PLC编程软件功能界面截图

(2)MES 应用软件: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。

(3)WEB开发软件:网页开发，订单管理和信息展示。

要求提供符合上述要求的MES 各功能界面截图

(4)仿真软件:

1)该软件能够支持机械、电气、自动化多学科协同并行的设计方法，可集成上游和下

游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件/自动化工程，使这些学

科能够同时工作，专注于包括机械部件、传感器、驱动器、PLC程序设计和运动控制

的设计。该平台可实现创新性的设计技术，帮助自动化设备设计人员满足日益提高的

要求，不断提高自动化设备的生产效率、缩短设计周期。

2)产品建模:提供草图设计、各种曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体旋转实体、

沿导轨扫掠、尺寸驱动、定义、编辑变量及其表达式、非参数化模型后参数化等工具。

3)自由曲面建模:高级曲面建模工具，实体和曲面建模技术融合在一起，提供生成、

编辑和评估复杂曲面的强大功能。

4)高级装配:增加产品级大装配设计的特殊功能:可以灵活过滤装配结构的数据调

用控制;高速大装配着色:大装配干涉检查功能。

5)基于物理场引擎运算:仿真技术基于物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际

物理行为引入虚拟环境，可运行已定义好的驱动器物理场，包括位置、方向、目标和

速度等，并提供多种工具，指定时间、位置和操作顺序。仿真技术易于使用，借助优

化的现实环境建模，可迅速定义机械概念和所需的机械行为。

6)支持多种3D模型格式:同时能够读取Solidworks，Pro/ECatia等不同三维设计

软件的数据格式，支持导入Step、X_t和IGES等中性数据格式，将不同来源的三维

数据模型导入。

7)MCD支持机电一体化协作式工程设计方式，机械、电气、自动化设计验证工作在同

一平台中协作完成，可以模拟真实设备自动控制流程。

8)部件属性设定

重力属性设置:重力大小和重力方向。

设置部件的阻尼参数:线性阻尼，角度阻尼。

动摩擦:动摩擦因数(或动摩擦系数)是彼此接触的物体做相对运动时摩擦力和

正压力之间的比值。

静摩擦:静摩擦是一个物体在另一个物体表面上具有相对运动趋势时，但并没有

发生相对运动时，所受到的阻碍物体相对运动趋势的力。

滚动摩擦:滚动摩擦(rollingfriction)一物体在另一物体表面作无滑动的滚

动或有滚动的趋势时，由于两物体在接触部分受压发生形变而产生的对滚动的阻碍作

用，叫“滚动摩擦”。它的实质是静摩擦力。

恢复:材料吸收能量或反射能力的系数，影响碰撞的弹性

9)传感器:具备多种传感器种类如:碰撞传感器、距离传感器、位置传感器、倾角传

感器、加速传感器、通用传感器、限位开关、继电器等。

10)碰撞体设计，可设置碰撞体不同材料之间的碰撞效果。

11)支持其他多种模型运动副、约束、耦合副、液压缸，液压阀，气缸，气动阀、位

置控制、速度控制以及凸轮仿真的凸轮曲线图等功能进行参数设置实现控制仿真。

12)可配合PLC编程仿真PID控制。

13)支持多种外部通讯协议，如:OPCDA/UA、SHM、Matlab、P1cSim、TCP、UDPProfinet

等。可实现外部数据变量批量导入，实现外部控制变量快速映射关联，方便快捷。

要求投标现场(或U盘提供)提供符合上述要求的软件功能演示视频资料或软件宣

传片。

(5)工业4.0技术应用系统虚拟模型

1)工业4.0技术应用系统虚拟模型由底盒供料站、书签供料站、盒盖装配站、仓储

单元站。

2)各虚拟单元能够直接接受真实PLC程序控制，系统接收到信号状态数据后驱动 3D

模型运行，并且系统运行中仿真机构对应的传感器状态等信息能够输出到PLC及其它

自动化控制系统的输入端。

3) 各虚拟单元应含有以下机构及功能:略

虚拟模型工作流程:

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盘。并通过RFID把产品信息写入到芯片。

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。

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。

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。

要求投标现场利用工业4.0技术应用系统3D虚拟模型逐条演示上述工作流程。(或

投标文件附相对应以上功能的3D虚拟模型工作流程截图)

12、造物云

(1)设备整体由边缘计算网关和云平台组成，云平台支持个性定制和私有化部署。

(2)边缘计算网关技术参数:

1)CPU:ARMCortex-A7800MHz

2)内存:512MDDR3

3)存储:4GeMMC

4)以太网:2路10M/100M自适应

5)串口:2路(485/232/422三合一)

6)CAN端口:1路2.0

7)I0端口:2路光电隔离DI，2路继电器隔离DO

8)SD卡:支持MicroSD

9)通讯方式:4G全网通

10)最大采集点数:根据需求订制，不同型号点数不同，标准配置1000点

要求投标文件附相对应3D效果图或实物图片

(3)云平台组成和功能:主要由前台系统、后台系统、移动监控端组成，可以完

成生产可视化、设备状态可视化、设备状态管理可视化、维保过程数字化、维保经验

数字化和人员管理数字化等功能。

(4)移动监控端:通过移动端APP进行设备的实时监控、预报警提醒和现场组态等

(5)招标设备要求:

1)接口丰富，支持以太网、串口、CAN口、10口等设备接入及以太网、2G/3G/4G全网通网络接入;

2)兼容多种工业协议，支持99%以上PLC及绝大多数工业设备接入:

3)8GB本地存储+SD卡支待，支持本地数据缓存及离线应用;

4)三合一串口，支持RS485/RS232/RS422三种电气接口:

5)支持边缘计算，在物联网边缘节点实现数据优化、实时响应、敏捷连接、模型分析等业务，有效分担云端计算资源支持多台设备同时接入:

6)无需客户端，支持按需连接的远程上传、下载，有效节省网络流量:

7)支持多种远程控制模式(无密码/有密码/禁用)，同时具备物理远程控制开关，键开关远程控制功能;

8)支持多种标准的VPN(PPTP/L2TP/IPSec/OpenVPN);

9)支持DC9~36V宽压输入，适应多种复杂工业现场:

10)支持多链接井发数据采集:

11)支持4G流量详情分析及流量控制;

12)支持网络自恢复;

13)强大的云端软件中心支持，可根据实际应用场景安装对应的固件、应用等

14)支持网关远程管理;

15)支持网关健康自诊断，快捷检测网关故障;

16)联动控制:用于两台设备之间联动时设置，两台设备之间互相通讯正常，模式分

为映射和等于两种;

17)系统管理:系统管理下分4个模块，用户管理、角色管理、操作日志、系统设置，

用户管理包含5个功能，检索、新增、修改、删除、绑定设备，角色管理包含5个功

能，检索、新增、修改、删除、绑定菜单，操作日志是录系统操作日志，可通过时间

段查询操作日志，设置系统名称、公司名称、公司地址、联系电话、公司简介、大数

据中心、LOGO管理后台、LOGO、系统图标、用户头像:

18)故障管理:可以对变量进行相关参数值的设定，从而实现一个故障报警的目的，

报警模式有触发模式、界限模式和对比模式可用，故障类型有预警和报警功能:

19)维保中心:通过历史故障可以查询指定时间段内故障，根据设备特点制定保养计划，设定触发条件和阈值，当达到触发条件时，会发出保养通知，可以转工单处理，

在工单管理里，可以进行派单、接单、查看进度、转知识库等操作。

要求投标文件附相对应云平台功能界面截图及云平台截图

三、招标设备技术参数

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2100mm*2100mm*1780mm(LxWxH)

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、设备完成基本实训项目

至少包含下列实训项目

1.PLC与RFID的MOUDLEBUS 通信:

2.PLC 与PLC 之间的Profinet 通信;

3.MES 与 PLC之间的通信;

4.HMI 及步进的应用;

5.总线通信技术的应用

6.工业自动化网路的应用;

7.PLC 技术的应用;

8.电机驱动技术的应用;

9.运动控制系统的应用:

10.数字化3D模型搭建与布局:

11.PLC虚拟调试:

12.3D数字化产线布局;

13.机电一体化协同仿真:机械干涉，机构运动学验证，机构动力学验证:

14.MES 系统的应用;

15.RFID 应用技术;

16.网络安全技术:网络规划、网络布线、防火墙、网关设置等;

17.物流技术;

18.物联网技术;

19.WEB 开发及应用技术;

20.造物云平台物联网网关安装与应用;

21.造物云平台物联网网关配置与应用;

22.造物云平台物联网云平台管理与维护;

23.造物云平台物联网云平台的设备或产线组态设计;

24.造物云平台物联网云平系统二次开发。