工業4.0智能制造技術控制實訓臺

第一章：建設背景
工業4.0智能制造技術控制實訓臺是隨著中國版"工業4.0"《中國制造2025》的出臺，基于信息物理系統的智能裝備、基于工業機器人的智能工廠等智能制造正在引領制造方式的變革。而制造業乃國民經濟之主體，是立國之本、興國之器、強國之基。打造具有國際競爭力的制造業，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。
國家推進制造過程智能化，在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間，加快人機智能交互、工業機器人、智能物流管理、增材制造等技術和裝備在生產過程中的應用，促進制造工藝的仿真優化、數字化控制、狀態信息實時監測和自適應控制。
為了適應國家對高端智能制造設備所需要的高技能人才的培養，上海茂育科教設備有限公司經多方調研及深度校企合作研發出系列工業機器人應用與維護專業實訓考核系統設備。該系統符合"四個定位"：即職業技能競賽的定位；技能培訓與鑒定的定位；做一體化教學改革的定位；符合高技能人才培訓基地的定位。并符合國家對"關于進一步深化中等職業教育教學改革的若干意見"的文件精神，緊緊圍繞以國家職業標準為依據，以綜合職業能力培養為目標，以典型工作任務為載體，以學生為中心，根據典型工作任務和工作過程，設計新的課程體系和內容，按照工作過程的順序和學生自主學習的要求進行教學設計和安排教學活動，實現理論教學與實踐教學融通合一，能力培養與工作崗位對接合一，使實習與頂崗工作學做合一，最終培養學生的技術能力、方法能力和社會能力。
基于目前對專業的全新建設，結合現有基礎和未來發展思路與目標，茂育公司在本次規劃貴校工業機器人系列實訓基地和實訓裝備建設方面，將全面結合學校開設的專業，以滿足教學實訓，考核鑒定為基礎，重點突出功能，把握建設檔次，體現技術水平，力求實現適度超前的規劃原則。

第二章：建設目標
結合學院當前和未來的發展規劃目標，本次規劃設計的工業機器人技能技能工作室能達到以下目標：
--具備能夠滿足各專業教學實訓的基本技能、綜合技能、創新技能，以及中級、高級、技師、高級技師的職業資格和人才培養的需求。
--具備能夠滿足現代先進技術并緊密結合先進制造業技術發展的新工藝、新知識、新技能、新任務的需求。
--具備能夠滿足緊缺人才培訓，高技能人才培訓，農村勞動力轉移培訓，退役士兵培訓，職業能力轉換培訓等綜合培訓、鑒定的需求。
--具備能夠滿足國家骨干師資培訓，一體化教學師資培訓及其他雙師型師資培訓等綜合性師資培訓的需求。
--具備能夠滿足開展教學研討，開展技能競賽，開展學術交流，開展課程改革等等需要的多功能綜合性基地的需求。
規劃設計的一體化機電專業、電氣和自動化專業、工業自動化專業實訓基地的實訓裝備,本著實用性，實操性，職業性，綜合性為出發點，其技術優勢如下：
技術的先進性整套方案體現出現代制造業領域中所包含的PLC控制技術、網絡通信技術等先進控制理念及管理系統。
技術的前瞻性本套方案在基于現代控制理念的基礎上，突出體現現代制造業前沿科技的應知點及應會點，如工業機器人控制技術，智能監控技術等。
技術的綜合性集成了光、機、電、氣、液、網絡通信、數字控制等綜合技術的應用，完全覆蓋現有機電專業教學大綱及流行教材的訓練內容。
技術的職業性方案所涉及的訓練內容，在滿足機電專業教學的前提下，結合相關工種的國家職業標準，既能進行培訓練習又能用于鑒定考核。
技術的可操作性訓練載體體現高起點、高科技、高技能的特點，該套方案配備了完整系統的解決措施，具備配套的課程體系、教學大綱、訓練教材及長期穩定的師資培訓計劃。
技術的兼容性該方案的技術來源于生產實際，不但能夠用于教學訓練，還能進行與生產實際相關的典型工作任務，使學校實訓與生產實際零距離接軌。
一、技術性能要求
1. 輸入電源：單相220V±10% 50Hz
2. 工作環境：溫度-10℃～+40℃ 相對濕度＜85%(25℃) 海拔≤4000m
3. 裝置容量：≤1kVA
4. 重量：100kg左右
5. 外形尺寸：約1300mm×1200mm×750mm
6. 臺面平鋪2020歐標工業鋁材、右側臺面鋪400×1000mm軟絕緣膠墊，中部抽拉式電氣接線板。
7. 安全保護：具有漏電壓、漏電流保護裝置，安全符合國家標準
二、基本配置及功能要求
★1、實訓裝置包括電氣接線模塊、上料模塊、輸送線模塊、視覺識別模塊、三維模組控制模塊、稱重模塊、RFID產品溯源模塊、物料擺放模塊、小車運動控制模塊、溫控箱變頻控溫模塊。提供符合上述要求的裝置整體設計效果圖。
2、以上模塊對應以下單元：PLC單元、485通信單元、工業視覺識別單元、RFID產品溯源單元、氣動控制基本單元、變頻調速單元、觸摸屏單元、以太網交換機、伺服系統控制單元等組成、溫度檢測變送單元。
2.1 PLC單元西門子主機1214C
（1）集成電源，可作為寬范圍交流或直流電源(85~ 264VAC或24V DC)
（2）集成的24 V編碼器/負載電流源:
（3）用于直接連接傳感器和編碼器。帶有400 mA輸出電流，它也可用作負載電源。
（4）14點集成24V直流數字量輸入(漏電流/源電流(IEC 1型漏電流) )。
（5）10點集成數字量輸出，24 V直流或繼電器。
（6）2點集成模擬量輸入0~ 10 V。
（7）2點集成模擬量輸出0~20mA。
（8）4點脈沖輸出(PTO), 頻率高100 kHz。
（9）脈沖寬度調制輸出(PWM),頻率高100 kHz。
（10）不少于2個集成以太網接口(TCP/IP native、 ISO-on-TCP) 。
（11）不少于6個快速計數器(3個大頻率為100 kHz; 3個大頻率為30 kHz) ，帶有可參數化
（12）中斷輸入:對過程信號的上升沿或下降沿作出極高速響應
（13）所有模塊上均為可拆卸的端子。
14）含一個拓展模塊。
視覺識別單元
一、基本要求：
1、工業視覺檢測系統包括相機、鏡頭、處理軟件、光源等組成。工業視覺檢測系統放置在輸送線一測，對工件進行顏色，尺寸，標識等信息檢測。
2、檢測結果通過總控通訊，為后續擺放等作業做好準備。
3、具體參數：1/3" CMOS 成像儀:彩色；S接口/M12鏡頭: 8 mm；成像模式: 640×480；光源: 白色漫射LED環形燈；通信和I/O: EtherNet/IP、PROFINET、SLMP、SLMP掃描儀、Modbus TCP、TCP/IP、RS-232；防護等級: IP65防護級外殼；工作電源: 24 VDC ±10%，照明開啟時，最大功率：48 W (2.0 A)；工作溫度: 0°C to 40°C (32°F to 104°F)；電源電壓：+24 VDC（22-26 VDC），電流：最大500mA。
4、鏡頭：與上述參照對應的標準配置。
5、連接電纜與支架
二、軟件要求
1、軟件可進行曝光時間，白平衡設置。
c.進行四點相機標定，能快速讀取標定模板的像素值，可獲取對應的位置值。
2、可進行日志顯示，并可以清楚歷史日志。
3、可進行至少8個模板匹配，即觸發1次拍照，匹配模板1，模板1匹配成功，發出模板1數據；若模板1未能匹配成功，視覺返回s1,0,0,0數據給機器人，機器人發命令繼續匹配模板；
f.可進行發送可接收數據顯示。
4、軟件輸出4個數據：類型、X、Y、旋轉量
h.支持繪制的模板可以進行集合運算；
i.繪制模板可以使用長方形，圓形，自由繪制等方式進行繪制模板；
5、在機器人視覺系統軟件中，拍照的圖像可以自由的拖動及放大；
k.支持實時采集及單獨拍照；
6、在機器人視覺系統軟件中，有紅色十字光標方便安裝調節相機位置。
3、RFID識別單元：RFID射頻單元帶集成天線的方型讀寫器（RS422）；50×50×30 mm（L×D×H）
標簽使用螺紋式小尺寸標簽。
4. 觸摸屏單元（步科品牌）
4.1顯示模塊：≥7"TFT
4.2顯示色彩：≥65536彩色
4.3分辨率：≥800×480像素
4.4背光類型：≥LED 亮度 300cd/m2
4.5液晶壽命: ≥50000小時
4.6觸控面板:4線精密電阻網絡（表面硬度不低于4H）
4.7CPU: ≥800MHz RISC
4.8存儲器: ≥128MB閃存+64MB 內存 RTC
4.9通訊接口:COM0:RS485-2W/4W, RS232; COM2: RS232
5. 以太網交換機：
5.1以太網交換機采用非網管型工業以太網 100MBIT/S交換機，自帶5個雙絞線端口，RJ45 接口；
5.2用于構建小型星形和總線形拓撲結構；自帶LED診斷顯示，供電電源DC 24V 。
5.3不低于IEC/EN 61000-4工業級防護，不低于IP30防護，9.6-60VDC三冗余電源輸入，多重保護。
6. 變頻調速單元：
6.1單相220V供電，輸出功率0.37KW。
6.2集成RS-485通訊接口，提供操作面板；
6.3具有線性V/F控制、平方V/F控制、可編程多點設定V/F控制，磁通電流控制、直流轉矩控制；
6.4集成4路數字量輸入，2路模擬量輸入；
6.5具備過電壓、欠電壓保護，變頻器、電機過熱保護，短路保護等。
7. 小車運動控制單元：主要由運動小車（直流電機驅動）、同步帶輪傳動機構、直流電機、光電傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、行程開關等組成，通過傳感檢測、PLC編程，實現運動距離測量、傳動控制、鍵值優化比較行走控制、定向控制、報警運行控制、點動控制等，能實現小車的精確定位。該系統外觀精美，體積緊湊，重量輕。提供符合上述功能的小車運動控制單元設計效果圖。
8. 三維模組控制單元：
8.1三維絲桿或同步帶控制單元主要由伺服驅動和步進驅動組成。
8.2伺服驅動用于控制X軸，采用交流伺服驅動，工作電壓AC220V，輸出功率200W。
8.3采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，智能功率模塊（IPM）內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，具有較強的溫度、濕度、振動等環境適應能力和很強的抗干擾的能力。
8.4支持位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制。
8.5步進電機驅動用于控制Y軸，采用交流伺服驅動，工作電壓DC24V，輸出功率>=30W；
8.6內部集成控制電路和功率電路，具有自檢線圈和短路保護等功能。
9. 溫控箱變頻控溫模塊：加熱板通電加熱，溫度變送器檢測加熱板到達一定溫度后，PLC控制系統控制臺達變頻器使電機旋轉，帶動扇葉加強空氣流動，快速散熱，使箱內環境溫度穩定。。
10.溫變變送器。
10.1二線制輸出，無需補償導線；
10.2要求溫變變送器結構簡單安裝方便，使用壽命≥10000次；
10.3結構簡單，合理安裝方便；小型化，安全可靠，使用壽命長；
10.4插頭式溫度變送器，量程0-100OC，電源24VDC，輸出0-10V。
11.加熱器：工作電壓AC220V、持續功率30W-150W、外殼材質鋁合金、尺寸不大于160*100。
12. 伺服系統控制單元：輸入電源單相或三相AC220V，-15~+10%，50/60HZ，調速比1：5000，脈沖頻率<500KHZ,控制輸入：伺服使能、報警復位、緊急停止、指令脈沖禁止、脈沖偏差清除、零件速鉗位、正向行程限位、反向行程限位、內部速度選擇1等。控制輸出：伺服準備好、定位完成、零偏差、零速度、報警檢出、緊急停止檢出，
13.稱物體重量或壓力并觸摸屏顯示重量值：稱重傳感器、重量變送器、稱重不銹鋼承重板，可稱重0-10KG。
三、實訓項目
1. PLC認知實訓（軟硬件結構、系統組成、基本指令、接線、編程下載等）
(一).PLC虛擬控制應用實訓
1. 數碼顯示控制
2. 搶答器控制
3. 天塔之光控制
4. 音樂噴泉控制
5. 十字路口交通燈控制
6. 水塔水位控制
7. 自動送料裝車系統控制
8. 四節傳送帶控制
9. 裝配流水線控制
10. 多種液體混合裝置控制
11. 自動洗衣機控制
12. 貨物分揀機控制
13. 自動售貨機控制
(二).PLC實物控制應用實訓
14. 視覺識別控制
15. RFID控制
16. 長度定長控制
17. 稱重控制
18. 氣動基本回路控制
19. 直線運動位置檢測、定位控制
20. 步進電機定位控制
21. 步進電機的速度控制
22. 步進電機的正反轉控制
23. 伺服電機定位控制
24. 伺服電機的速度控制
25. 伺服電機的正反轉控制
26. 伺服電機和步進電機的綜合控制
(三).PLC、變頻器、觸摸屏綜合應用技能實訓
27. 變頻器功能參數設置與操作
28. 外部端子點動控制
29. 變頻器控制電機正反轉
30. 多段速度選擇變頻調速
31. 變頻器無級調速
32. 外部模擬量方式的變頻調速控制
33. 基于PLC的變頻器外部端子的電機正反轉控制
34. 基于PLC模擬量方式變頻開環/閉環調速控制
35. 基于PLC通信方式的變頻開環調速
36. 基于觸摸屏控制方式的基本指令編程練習
37. 基于觸摸屏控制方式的數碼顯示控制
(四).網絡通訊綜合實訓
38. PLC與變頻器RS485通訊實訓
39. PLC、觸摸屏與變頻器通信控制
40. PLC主機之間PROFINET通訊實訓
41. PLC、變頻器、觸摸屏組網綜合應用實訓
42、PLC與RFID通訊控制
43、PLC與工業相機通訊

工業4.0智能制造技術控制實訓臺

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