ZG-JQR小型工业4.0智能制造实训装置

为培养符合工业4.0时代需求的人才，需要新型教学设备作为教学平台。ZG-JQR小型工业4.0智能制造实训装置由一条生产线和一个云生产站组成，不同于传统MPS自动化生产线实训装置，具有如下特点：

（1）配有大量多种类型的传感器，采集生产数据，实现了生产过程的数字化，能够产生一定规模的工业大数据。

（2）包含RFID和机器视觉的工业识别技术，带RFID标签或二维码的物料能够与产线PLC智能交互，能够处理小批量多批次的定制化产品的混线生产。

（3）配有面向智能制造的生产管理信息系统，具有如下功能：

l接收定制化订单，完成生产计划，控制生产节拍，将定制化信息传递给产线，指导混线生产；

l根据生产计划，自动生成采购计划，原材料与成品库存状态的实时监控与预警，实现智能库存管理；

l通过实时采集半成品与成品的质量信息，实现质量监控；

l因为采用了工业识别技术，每个产品的生产过程都可以记录，因此可以对任一产品进行实时生产进度查询及历史的生产信息追溯。

（4）具有工业机器人，配合RFID工业识别技术，根据不同产品类型的参数要求自动选择不同的运行轨迹。

（5）提供RFID、机器视觉、各生产单元PLC和上层信息系统之间的实时、可靠和安全的工业级通讯：

l采用PROFINET工业以太网技术，提供设备之间的实时通讯；

l通过工业级网管型交换机，实现各个生产单元之间的冗余通讯；

l采用工业级安全模块，能够将生产网络与管理网络进行防火墙隔离，同时提供生产网络与管理网络数据加密通讯。

（6）生产线内包含多种类型实际生产中使用到的传感器、驱动单元；生产工序抽象于实际生产过程，具有一定的通用性。

（7）提供与生产线一致的三维虚拟仿真平台，能够进行虚拟调试，是一套完整的数字化解决方案。

1.生产线组成

图1 小型工业4.0智能制造实训装置

1.1 供料站

供料站主要配置如表所示。

1.2 检测加工站

图3 检测加工站俯视图

检测加工站主要配置如表所示。

1.3 自动装配站

图4 自动装配站俯视图

自动装配站主要配置如表所示。

1.4物流仓储站

物流仓储站主要配置如表所示。

2云生产站

云生产站主要由信息系统服务器、工业交换机和安全模块组成。在信息系统服务器中运行生产管理信息系统，包括订单管理系统、生产管理系统（含生产计划、生产执行和生产监视）、库存管理系统、质量管理系统。通过工业以太网交换机，可以将4个工作站组成企业生产环形网络，提高通讯的可靠性；通过安全模块将生产部分与信息管理部分隔离开，防止互联网中计算机对生产系统中的PLC、上位机的非法访问，同时互联网中计算机能够与生产系统中设备之间实现远程、加密的安全信息传输。图11为云生产站与4个工作站联合起来组成的具有与实际企业一致的应用示例。

云生产站提供的功能如下：

（1）配有数据双向传输程序，能够将订单系统中的产品定制信息传输到生产现场的PLC中；同时能够实时采集生产现场PLC中定制变量值到信息系统服务器中。

（2）接收定制化订单，满足客户个性化的定制需求。

（3）自动排产，控制生产节拍。

（4）将定制化信息传递给产线PLC，并指导混线生产。

（5）通过采集到的半成品与成品的质量检测信息，实现质量监控；当出现不良品时自动重新排产。

（6）产线实时生产状态监视。

（7）采用PROFINET工业以太网技术，RFID、机器视觉、各个生产单元中的PLC可以实现实时数据传输。

（8）通过工业级网管型交换机，实现各个生产单元之间的冗余通讯。

（9）采用工业级安全模块，能够将生产现场层与企业管理层网络进行防火墙隔离，同时提供数据加密通讯。

生产管理信息系统示例界面如图12、13和14所示。

图12 产品定制化页面

图13 订单管理页面

图14 产品生产进度查询页面

2.3 IMIS使用说明

2.3.1 IMIS概述

IMIS结合实际生产系统为更好学习各种生产设备与提高对智能制造的认识提供了优良的平台，提供了一个便利的方式完成项目的测试与改进，提高了生产效率，降低了生产成本，尤其在教育教学领域有很强的实用价值，对于学生提高对智能制造的认识和学习有着很深的借鉴意义。

IMIS是一款基于unity3D的3D仿真软件，仿真对象是小型工业4.0智能制造综合示范系统，此系统中一共有4个工作站，分别是供料站，检测加工站，自动装配站，物流仓储站。在这4个站中，有大量的位置传感器，气缸，传送装置，RFID读写器，颜色检测器，视觉传感器，步进电机，其中在第三站有KUKA机械臂。IMIS就是一款模拟此生产系统的仿真平台，可以与PLC进行数据交换，即可被PLC实时控制；此平台提供优良的学习平台，提高对智能制造的认识，同时在虚拟环境下可以避免在学习过程中由于操作不当导致的一些不良后果，即保护了设备又实现了模拟生产。

PLC的控制程序通过选择机构可实现分别对IMIS与Entity（即小型工业4.0智能制造综合示范系统实物）的控制，IMIS与Entity的设备关系是一一对应，如图15和图16所示，都可被同一PLC程序控制。

无论是Entity还是IMIS在PLC的控制下，4个站之间可以连成一条连贯生产流水线，为了实现单站测试，各个站又可以实现自循环。

选择结构可以通过手动改变网线接口实现，也可以在PLC程序中实现动态选择，当选择Simu档时，IMIS与PLC进行数据交换，此时Entity与PLC是断开的；如需控制Entity，可将IMIS与PLC的连接网线直接断开，或者在WinCC中实现选择开关按钮，点击切换。

本文的系统配置如下：

PLC控制器： SIMATIC S7-1516 PN/DP

PLC编程工具： TIA Portal STEP7 Professional V13 SP1

IMIS运行环境： Windows 7

2.3.2 IMIS操作流程

使用IMIS时需要用网线连接PLC，确保后续的测试成功。

IMIS主要是仿真Entity实际物理模型，实现的功能有单站测试与整体加工流水线，同时可实现无PLC外控设备的内控操作功能，对于讲解此生产系统的具体生产环节提供了便利的方法。对于IMIS的具体使用将在下文详细讲解。

接下来，以一站为例，进行具体示例说明。

在配置完PLC且成功连接后，以一站为例点击“自循环双供料站”，进入一站的操作环境，如图17。

图17 IMIS 功能介绍图

外控操作：

1.点击“外”实现内控模式。

2.点击电源开关按钮。

3.点击自/手动模式切换到自动，此时自动模式指示变成绿色。

4.在确认PLC程序成功启动后，点击“运行”，然后点击“开始”，便可进行测试观察，切换不同的视角可看具体的操作动作。

内控操作：

1.点击“内”实现内控模式。

2.点击电源开关按钮。

3.默认为手动模式，此时内控模式指示变成绿色。

4.点击内控指示按钮弹出操作指令窗口，点击不同的指令，便可进行测试观察，切换不同的视角可看具体的操作动作。

图18 内控界面

以上的操作中如果出现操作失误，想重新操作，外控下点击运行然后点击停止，然后点击重置场景按钮，内控下可直接点击重置按钮。

内控生产流程与外控的生产流程一样，现以内控为例，首先点击“前/后测气缸推出”，接着前/后气缸收回。此后传送带带动主料开始运动。

图19  出料界面                     图20 运料界面

等到供料到达三联气缸的抓取位置时，接下来操作三联气缸抓取主料。点击“工位转换下侧左旋转”，到位后然后点击“工位转换气爪释放”，到位后接下来点击“工位上测下降”，到了 低点后点击“气爪抓取”，抓住主料后点击“工位上测上升”，到位后点击“工位转换下侧右旋转”，到达中间转换台后，此时可选择将主料放在操作台上，即点击“工位上测下降”然后释放气爪，然后工位上测上升，接下来点击转站气缸推出，接下来气缸收回，一站完成操作。

也可以选择将主料放回仓库，即继续点击“转换工位中测右旋转”，到达传送带位置后点击“工位转换上测下降”，“释放气爪”，然后点击“工位转换上测上升”，点击“转换中测左旋转”回到 初的中间转站位置，主料释放后开始在传送带的带动下到达入料点。

图21 入料抓取点                   图22 抓取到位图

2.4 课程内容

小型工业4.0智能制造综合实验装置涉及的知识点如下：

l 传感器技术 l 气动技术 l 电机驱动技术 l PLC技术 l 工业机器人技术 l 自动化立体仓库技术 l 堆垛机技术应用

l 企业资源计划系统ERP l 生产过程执行管理系统MES l 工业信息安全技术，如防火墙技术、虚拟专用网络VPN l 工业网络通讯技术

小型工业4.0智能制造实训装置可开设的课程内容如下：

l 传感器应用实训（参数选型、安装、接线注意问题）l 气动设备实训（选型、安装、调试等）l 电机驱动编程 l PLC编程

l 工业机器人控制 l 工业识别设备编程 l 定制化订单系统设计与实现 l 生产计划功能设计与实现 l 混线生产排产算法

l 基于RFID与机器视觉技术的混线生产控制