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

西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽論文：小型生產(chǎn)線設(shè)備的自動化與信息化開發(fā)目錄第一章 項目要求、方案設(shè)計依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 31.1 項目要求 31.2 方案設(shè)計依據(jù) 3第二章 系統(tǒng)分析 42.1 甲方需求分析 42.2 對象特性分析 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 43.1 設(shè)備選型 43.2 工業(yè)云平臺設(shè)計 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 94.1 控制邏輯設(shè)計 9第五章 人機交互設(shè)計與實施 115.1 系統(tǒng)安裝及調(diào)試 115.2 HMI設(shè)計 115.2.1 系統(tǒng)登錄界面 115.2.2 主畫面 125.2.3 故障報警記錄 135.3 常見故障分析及排查 145.3.1 PLC內(nèi)部程序錯誤 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項目要求、方案設(shè)計依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)項目要求小型生產(chǎn)線設(shè)備的自動化與信息化開發(fā)。方案設(shè)計依據(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)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計以及實現(xiàn)產(chǎn)線信息化。該生產(chǎn)線一共由六個工作站組成，且工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠上傳至工業(yè)云。對象特性分析生產(chǎn)線一共由六個工作站組成，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站一直到最后一個站，執(zhí)行機構(gòu)中包含了氣爪、氣缸、直流電機和步進電機等。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互鎖，電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)互鎖，單步運行、自動運行還有回零這3種模式之間設(shè)置互鎖。工位之間模式切換與聯(lián)動安全當(dāng)某個站進入急停模式或故障時，其它站將全部停止自動模式進入等待階段，只有當(dāng)錯誤消除后生產(chǎn)線六個站才能重新進入自動運行模式?？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?？刂葡到y(tǒng)選型與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計設(shè)備選型參考工藝技術(shù)文檔，該生產(chǎn)線的六個工作站一共有131個IO點，同時還有1路模擬量輸入，另外還需要對3個步進電機進行控制。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個數(shù)字量輸入、10個數(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個用于I/O拓展的信號模塊。SM1223可拓展16個數(shù)字量輸入和16個數(shù)字量輸出，SM1221可拓展16個數(shù)字量輸入。此方案能夠滿足本次設(shè)計的需求，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)云平臺設(shè)計將生產(chǎn)線的輸入輸出信號連接到PLC，PLC與IOT2050中通過以太網(wǎng)進行連接，在IOT2050中運行node-red，通過node-red平臺相應(yīng)的節(jié)點可以把生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到云平臺及本地數(shù)據(jù)庫中，如圖3所示。在云平臺中可以對生產(chǎn)線的主要數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，如圖5所示。在移動端也可以遠程查詢生產(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)頁端查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC5云平臺查詢數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC6本地數(shù)據(jù)庫儲存產(chǎn)線數(shù)據(jù)圖SEQ圖\*ARABIC7移動端遠程查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線6個站用一個S7-1200控制器實現(xiàn)控制，另外用一臺裝有TIA博途的PC機通過profinet以太網(wǎng)和控制器通信，PC機作為上位操作監(jiān)控站運行WinccRTAdvanced軟件監(jiān)控生產(chǎn)線系統(tǒng)每個站的運行狀況。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)計控制邏輯設(shè)計系統(tǒng)每次上電啟動時，先要執(zhí)行一次初始化，將所有元件復(fù)位到原位后才能進行后續(xù)的動作。整條生產(chǎn)線有自動和單步兩種模式，每個站可單獨調(diào)試，在自動模式中，系統(tǒng)會循環(huán)完成整個工藝流程，單步模式中，每按下一次單步運行按鈕，系統(tǒng)會按工藝流程執(zhí)行一個動作。當(dāng)生產(chǎn)線處于自動運行中，如果某個動作在規(guī)定時間內(nèi)未完成，系統(tǒng)便會發(fā)出報警信號，生產(chǎn)線進入急停設(shè)備，只有報警信號消除后才會重新運行。IOT2050網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)與PLC進行通信，通過node-red平臺使用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)器中對數(shù)據(jù)進行處理，最后在網(wǎng)頁上便可查詢，在遠程端也可瀏覽監(jiān)控生產(chǎn)線的運行狀態(tài)。圖SEQ圖\*ARABIC9生產(chǎn)工藝流程圖人機交互設(shè)計與實施系統(tǒng)安裝及調(diào)試將PLC、信號拓展模塊、IOT2050、開關(guān)電源等安裝在導(dǎo)軌上，然后將各個工作站的輸入、輸出信號線按照圖2的連接方式連接到PLC的輸入、輸出端子上，傳感器信號線的屏蔽層應(yīng)單端可靠接地，并盡量與動力電纜分開敷設(shè)，接線完成后并檢查接線是否正確。確保接線無誤后，啟動電源送電，并把程序下載進PLC中。之后開始手動調(diào)試各個工作站的功能，確保整個工藝流程不會產(chǎn)生錯誤，如有錯誤，及時修改程序。調(diào)試時，第一步應(yīng)先測試6個站的回零模式是否達標(biāo)，第二步測試單步模式是否達標(biāo)，最后測試自動運行模式是否達標(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)計系統(tǒng)登錄界面登錄界面是用來管理用戶的模塊，在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，可能會出現(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修改，普通用戶是無法訪問的。在本系統(tǒng)中，用戶管理模塊對不同的用戶進行管理，并設(shè)置不同的訪問權(quán)限來保證系統(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入人機界面的主畫面。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，就能進入主畫面當(dāng)中，依次點擊不同的按鈕可以訪問相應(yīng)的功能，如圖11所示。點擊主件供料站，系統(tǒng)會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)測主件供料站輸入輸出信號，方便了解主件供料站的運行狀,如圖12所示。圖SEQ圖\*ARABIC11主畫面圖SEQ圖\*ARABIC12主件供料站監(jiān)控畫面故障報警記錄故障報警界面主要用來采集系統(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)運行過程中出現(xiàn)了錯誤或者故障，報警畫面就會提示生產(chǎn)操作人員并將報警信息采集儲存在系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中，畫面中還能查看到報警時間、報警時間登錄的用戶等信息，便于生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的維護。如圖13所示，為報警故障記錄的人機界面。圖SEQ圖\*ARABIC13故障報警記錄常見故障分析及排查PLC內(nèi)部程序錯誤一般出現(xiàn)此類錯誤可通過TIA博途的在線診斷功能，在診斷緩沖區(qū)閱讀有關(guān)事件的詳細信息，然后查詢PLC手冊來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。常見的故障有線圈短路、機械故障造成觸點不動或接觸不良。對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工作比較長的時間后因為設(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加劇及機械壽命等原因，線材或元器件接線端子比較容易產(chǎn)生松動而造成接觸不良，排除這類故障的方法是使用萬用表進行判斷斷點和維修。綠色生產(chǎn)指標(biāo)PLC是用現(xiàn)代先進的