《西門子杯中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽論文：小型生產(chǎn)線設(shè)備的自動(dòng)化與信息化開(kāi)發(fā)》2900字

西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽論文：小型生產(chǎn)線設(shè)備的自動(dòng)化與信息化開(kāi)發(fā)目錄第一章 項(xiàng)目要求、方案設(shè)計(jì)依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 31.1 項(xiàng)目要求 31.2 方案設(shè)計(jì)依據(jù) 3第二章 系統(tǒng)分析 42.1 甲方需求分析 42.2 對(duì)象特性分析 42.3 系統(tǒng)安全分析 42.3.1 程序互鎖 42.3.2 工位之間模式切換與聯(lián)動(dòng)安全 42.3.3 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全 4第三章 控制系統(tǒng)選型與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì) 43.1 設(shè)備選型 43.2 工業(yè)云平臺(tái)設(shè)計(jì) 53.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 9第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 94.1 控制邏輯設(shè)計(jì) 9第五章 人機(jī)交互設(shè)計(jì)與實(shí)施 115.1 系統(tǒng)安裝及調(diào)試 115.2 HMI設(shè)計(jì) 115.2.1 系統(tǒng)登錄界面 115.2.2 主畫面 125.2.3 故障報(bào)警記錄 135.3 常見(jiàn)故障分析及排查 145.3.1 PLC內(nèi)部程序錯(cuò)誤 145.3.2 執(zhí)行元件故障 145.3.3 端子接線接觸不良 14第六章 綠色生產(chǎn)指標(biāo) 15項(xiàng)目要求、方案設(shè)計(jì)依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目要求小型生產(chǎn)線設(shè)備的自動(dòng)化與信息化開(kāi)發(fā)。方案設(shè)計(jì)依據(jù)小型生產(chǎn)線設(shè)備及工藝描述文檔。系統(tǒng)分析甲方需求分析根據(jù)完整的生產(chǎn)線工藝流程，完成相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線信息化。該生產(chǎn)線一共由六個(gè)工作站組成，且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠上傳至工業(yè)云。對(duì)象特性分析生產(chǎn)線一共由六個(gè)工作站組成，分別是主件供料站、次品分揀站、旋轉(zhuǎn)工作站、方向調(diào)整站、產(chǎn)品組裝站和產(chǎn)品分揀站。加工順序是從第一個(gè)站一直到最后一個(gè)站，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中包含了氣爪、氣缸、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。系統(tǒng)安全分析程序互鎖用程序?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行元件互鎖，如氣爪夾緊和氣爪松開(kāi)互鎖，電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)互鎖，單步運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行還有回零這3種模式之間設(shè)置互鎖。工位之間模式切換與聯(lián)動(dòng)安全當(dāng)某個(gè)站進(jìn)入急停模式或故障時(shí)，其它站將全部停止自動(dòng)模式進(jìn)入等待階段，只有當(dāng)錯(cuò)誤消除后生產(chǎn)線六個(gè)站才能重新進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式?？刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)安全伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)模式逐漸被數(shù)字化、智能化所取代，工控設(shè)備也因此遭受著越來(lái)越多的攻擊，并且攻擊形式日漸多元，攻擊手段更加復(fù)雜，工控系統(tǒng)漏洞呈現(xiàn)連年高發(fā)態(tài)勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)選型與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)備選型參考工藝技術(shù)文檔，該生產(chǎn)線的六個(gè)工作站一共有131個(gè)IO點(diǎn)，同時(shí)還有1路模擬量輸入，另外還需要對(duì)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。故選擇S7-1214DC/DC/DC作為生產(chǎn)線的主控制器，另外加上3塊SM1223數(shù)字量輸入/輸出模塊，以及2塊SM1221數(shù)字量輸入模塊。CPU1214DC/DC/DC集成了以太網(wǎng)接口、14個(gè)數(shù)字量輸入、10個(gè)數(shù)字量輸出、2路模擬量輸入以及4路高速脈沖輸出，另外還可拓展8個(gè)用于I/O拓展的信號(hào)模塊。SM1223可拓展16個(gè)數(shù)字量輸入和16個(gè)數(shù)字量輸出，SM1221可拓展16個(gè)數(shù)字量輸入。此方案能夠滿足本次設(shè)計(jì)的需求，而且還留有一些裕量，也方便以后線路的更改或者拓展。圖SEQ圖\*ARABIC1PLC硬件組態(tài)圖SEQ圖\*ARABIC2產(chǎn)線與PLC輸入輸出端子接線工業(yè)云平臺(tái)設(shè)計(jì)將生產(chǎn)線的輸入輸出信號(hào)連接到PLC，PLC與IOT2050中通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，在IOT2050中運(yùn)行node-red，通過(guò)node-red平臺(tái)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)可以把生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)及本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，如圖3所示。在云平臺(tái)中可以對(duì)生產(chǎn)線的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，如圖5所示。在移動(dòng)端也可以遠(yuǎn)程查詢生產(chǎn)線的主要數(shù)據(jù)，如圖7所示。圖SEQ圖\*ARABIC3node-red程序圖SEQ圖\*ARABIC4網(wǎng)頁(yè)端查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC5云平臺(tái)查詢數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC6本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存產(chǎn)線數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC7移動(dòng)端遠(yuǎn)程查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線6個(gè)站用一個(gè)S7-1200控制器實(shí)現(xiàn)控制，另外用一臺(tái)裝有TIA博途的PC機(jī)通過(guò)profinet以太網(wǎng)和控制器通信，PC機(jī)作為上位操作監(jiān)控站運(yùn)行WinccRTAdvanced軟件監(jiān)控生產(chǎn)線系統(tǒng)每個(gè)站的運(yùn)行狀況。IOT2050網(wǎng)關(guān)和S7-1200控制器連接將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器中。圖SEQ圖\*ARABIC8PLC與WinccRTAdvanced組態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)每次上電啟動(dòng)時(shí)，先要執(zhí)行一次初始化，將所有元件復(fù)位到原位后才能進(jìn)行后續(xù)的動(dòng)作。整條生產(chǎn)線有自動(dòng)和單步兩種模式，每個(gè)站可單獨(dú)調(diào)試，在自動(dòng)模式中，系統(tǒng)會(huì)循環(huán)完成整個(gè)工藝流程，單步模式中，每按下一次單步運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)會(huì)按工藝流程執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)生產(chǎn)線處于自動(dòng)運(yùn)行中，如果某個(gè)動(dòng)作在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未完成，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，生產(chǎn)線進(jìn)入急停設(shè)備，只有報(bào)警信號(hào)消除后才會(huì)重新運(yùn)行。IOT2050網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通信，通過(guò)node-red平臺(tái)使用MQTT協(xié)議，將生產(chǎn)線產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器當(dāng)中，在云服務(wù)器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后在網(wǎng)頁(yè)上便可查詢，在遠(yuǎn)程端也可瀏覽監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。圖SEQ圖\*ARABIC9生產(chǎn)工藝流程圖人機(jī)交互設(shè)計(jì)與實(shí)施系統(tǒng)安裝及調(diào)試將PLC、信號(hào)拓展模塊、IOT2050、開(kāi)關(guān)電源等安裝在導(dǎo)軌上，然后將各個(gè)工作站的輸入、輸出信號(hào)線按照?qǐng)D2的連接方式連接到PLC的輸入、輸出端子上，傳感器信號(hào)線的屏蔽層應(yīng)單端可靠接地，并盡量與動(dòng)力電纜分開(kāi)敷設(shè)，接線完成后并檢查接線是否正確。確保接線無(wú)誤后，啟動(dòng)電源送電，并把程序下載進(jìn)PLC中。之后開(kāi)始手動(dòng)調(diào)試各個(gè)工作站的功能，確保整個(gè)工藝流程不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，如有錯(cuò)誤，及時(shí)修改程序。調(diào)試時(shí)，第一步應(yīng)先測(cè)試6個(gè)站的回零模式是否達(dá)標(biāo)，第二步測(cè)試單步模式是否達(dá)標(biāo)，最后測(cè)試自動(dòng)運(yùn)行模式是否達(dá)標(biāo)。其中模式切換功能只有在系統(tǒng)急停按鈕按下后才能進(jìn)行模式切換，切換好以后在把系統(tǒng)急停按鈕釋放。HMI設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄界面登錄界面是用來(lái)管理用戶的模塊，在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)需要修改部分變量的參數(shù)值，如系統(tǒng)的配方等。為了系統(tǒng)的生產(chǎn)和數(shù)據(jù)安全，這部分權(quán)限只能由指定的人來(lái)修改，普通用戶是無(wú)法訪問(wèn)的。在本系統(tǒng)中，用戶管理模塊對(duì)不同的用戶進(jìn)行管理，并設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限來(lái)保證系統(tǒng)的安全。如圖10所示，是用戶登錄窗口，需要輸入正確的用戶名和密碼才能進(jìn)入人機(jī)界面的主畫面。圖SEQ圖\*ARABIC10登陸界面主畫面當(dāng)用戶輸入正確的用戶名和密碼后，就能進(jìn)入主畫面當(dāng)中，依次點(diǎn)擊不同的按鈕可以訪問(wèn)相應(yīng)的功能，如圖11所示。點(diǎn)擊主件供料站，系統(tǒng)會(huì)切換到主件供料站的監(jiān)控畫面。在主件供料站監(jiān)控畫面中可以監(jiān)測(cè)主件供料站輸入輸出信號(hào)，方便了解主件供料站的運(yùn)行狀,如圖12所示。圖SEQ圖\*ARABIC11主畫面圖SEQ圖\*ARABIC12主件供料站監(jiān)控畫面故障報(bào)警記錄故障報(bào)警界面主要用來(lái)采集系統(tǒng)出現(xiàn)的故障信息，這些故障信息是預(yù)先在TIA博途上組態(tài)好的，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤或者故障，報(bào)警畫面就會(huì)提示生產(chǎn)操作人員并將報(bào)警信息采集儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中，畫面中還能查看到報(bào)警時(shí)間、報(bào)警時(shí)間登錄的用戶等信息，便于生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的維護(hù)。如圖13所示，為報(bào)警故障記錄的人機(jī)界面。圖SEQ圖\*ARABIC13故障報(bào)警記錄常見(jiàn)故障分析及排查PLC內(nèi)部程序錯(cuò)誤一般出現(xiàn)此類錯(cuò)誤可通過(guò)TIA博途的在線診斷功能，在診斷緩沖區(qū)閱讀有關(guān)事件的詳細(xì)信息，然后查詢PLC手冊(cè)來(lái)獲得各條目的更多信息以及可能的原因。執(zhí)行元件故障繼電器、接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件的質(zhì)量，是影響控制系統(tǒng)可靠性的重要因素。常見(jiàn)的故障有線圈短路、機(jī)械故障造成觸點(diǎn)不動(dòng)或接觸不良。對(duì)于此類故障最好直接更換相應(yīng)的元器件。端子接線接觸不良這種故障一般在PLC工作比較長(zhǎng)的時(shí)間后因?yàn)樵O(shè)備磨損老化而出現(xiàn)。由于控制系統(tǒng)配線的缺陷或者使用中的震動(dòng)加劇及機(jī)械壽命等原因，線材或元器件接線端子比較容易產(chǎn)生松動(dòng)而造成接觸不良，排除這類故障的方法是使用萬(wàn)用表進(jìn)行判斷斷點(diǎn)和維修。綠色生產(chǎn)指標(biāo)PLC是用現(xiàn)代先進(jìn)的