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1、第十六届山东省职业院校技能大赛高职组 “工业网络智能控制与维护 ”赛项（学生赛）赛题 A选手须知：1.任务书共 18 页，如出现任务书缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判申请更换 任务书。2.参赛队应在 6 小时内完成任务书规定内容。3.竞赛过程配有两台编程计算机，参考资料（使用手册、使用说明书、IO 变量表 等）以.pdf 格式放置在“E:参考资料”文件夹下。4.选手在竞赛过程中创建的录屏文件、源程序、表格、图片等文件必须存储到“E:GZ016+XS+赛位号”文件夹下，未存储到指定位置的文件均不予给分。文件夹需要 自己新建，例：赛位号：1 号，文件夹名称为：GZ016XS01；评价时只评价对应
2、文件夹 下的文件。5.选手提交的试卷不得出现学校、姓名等与身份有关的信息，否则成绩无效。6.每一个任务的初始状态和具体测试要求根据评判要求在开赛时、任务评分前或任 务评分时给定。7.在完成任务过程中，请及时保存程序及数据。竞赛场次：第 场 赛位号：第 号第1页/共18页基于工业网络控制的钢珠灌装生产线一、平台概述本比赛项目通过物理平台达成赛项考核目标，该平台有多个部分构成：工业网络、 控制、检测、执行和信息管理等单元，每个单元均配有通信接口，通过组网能够实现对 整个钢珠灌装生产线系统的工业网络智能控制与维护。工业网络单元利用以太网通信接口实现整个生产线系统的网络通信，能够实现与其 它单元的网络
3、通信与数据传输。控制单元包括 PLC 、伺服控制器、远程 I/O 等电气部件，用于接收来自检测单元 的传感数据，发送控制指令，实现执行单元的动作执行，以及和信息管理单元实现数据 可视化、信息化管理等功能。检测单元主要包括条码检测、称重检测等产品检测装置，以及对整个生产线系统的 设备状态、环境参数实时监测的各类传感装置，包括温度、湿度、电能、电量等动力环 境监测。执行单元包括机械手、传输带、气缸等执行元件，能够实现整个生产线系统的物料 入库、物料组装、物料搬运等生产执行环节。信息管理单元配置触摸屏（HMI）、显示屏等人机交互硬件，同时也配置基于工业 网络仿真测试和生产管理系统（MES）等软件，能
4、够实现工业网络与生产线 系统的设 计分析、仿真优化，以及整个生产线系统生产状态、生产数据、工艺工序的数字化、信 息化管理等功能。二、任务要求总体任务是设计并利用现场物理平台，组网完成对钢珠灌装生产线的智能控制。分 项任务如下：1.采用工业网络控制架构设计软件实现对工业网络的设计规划；2.采用工业网络各类通信接口、通信协议实现生产线系统的组网、联网； 3.采用工业网络控制仿真软件实现对生产线系统的调试仿真设计；4.采用现场给定的传感器、可编程控制器、执行器，通过操作、编程、调试等手段 实现对生产线系统各功能单元、部件装置的全流程自动化控制，实现对钢珠灌装生产线 的模拟；5.采用生产管理系统（ME
5、S）软件实现对整个生产线系统各类生产信息、物料状态、 环境数据的实时监测及信息化管理。第2页/共18页具体要求如下：1.参赛选手以操作人员身份（以下简称“操作人员”）启动整个系统，系统自检以后， 进入待命状态；2.操作人员现场操作工业网络设计规划软件，实现工业互联网络的规划与设计； 3.根据任务书要求进行系统方案设计，完成系统主要电气元器件选型；4.操作人员根据生产任务，可以借助生产管理系统（MES）软件实现在线生成订单、 在线派发订单、订单跟踪管理等功能；5.操作人员可以现场对控制单元进行操作、编程与调试，完成整个钢珠灌装生产线 系统的自动运行、 自动监测和自动管理，并经过工业网络单元与生产
6、管理系统（MES） 软件实现数据互联互通及对生产过程的数字化和信息化管理功能；6.物料在生产全流程过程中，检测单元的各类传感器装置、检测装置能够实现对物 料生产全流程的数据采集与感知；7.物料在生产全流程过程中所采集的传感数据、控制指令，能够通过工业网络单元 传输至执行单元、信息管理单元等终端，实现生产过程的网络化传输和信息化管理；8.整个钢珠灌装生产线系统的生产数据、状态数据、环境数据，均可以通过工业网 络单元实现与生产管理系统（MES）软件的信息交互，所有数据信息能够显示于大屏之 上等。三、比赛内容钢珠灌装生产线工艺流程参考系统工艺流程如图 1 所示。图 1 系统工艺流程示意图通过生产管理
7、系统（MES）软件，完成订单下达； 供料 A 将瓶体推出，通过 RFID 写入初始订单信息；由机械搬运手将料 A 运送至高度检测位置前，对瓶体进行高度检 测，“高度不合格 ”瓶体分拣至“废料滑槽 ”，对“高度合格 ”瓶体进行“供料 B 模第3页/共18页块 ”料芯装配，装配完成后，瓶体送至钢珠装配单元起始位置，根据订单信息装填小、 大钢珠；装填完成后通过视觉检测瓶体内钢珠数量，对瓶体进行称重，称重完成后对瓶 体进行盒盖装配，装配完成后，进行 RFID 信息更新、搬移入库等流程；RFID 写入信 息（包括：订单号、B 料芯种类、小钢珠数量、大钢珠数量、称重数据、操作员、生产 日期），再将 RFI
8、D 信息读取，在触摸屏上显示；由三轴搬运机械手将瓶体搬运入库， 库位由裁判提前占用一个或多个仓位（位置随机指定），入库顺序从 A 开始，按 A 到 I 顺序跳过已占仓位后依次入库。订单所需原料包括 4 个带 RFID 芯片的“料 A ”（“合格瓶体 ”3 个，带内衬的“不 合格瓶体 ”1 个），4 个“料 B ”（两种料芯各两个），4 个“料 C ”（盒盖）。模块一：工业网络智能控制与维护系统设计、仿真和物理系统的安装、接 线、组网与参数设置模块一建议完成时长 180 分钟。任务一：工业网络智能控制与维护工业网络设计1.系统方案设计根据任务书要求设计系统方案，补充并填写“系统主要电气元器件选型
9、表（表 1）”的选用 型号。将填写的文件存储为 pdf 格式文件，文件名为“1 系统主要电气元器件选型 表.pdf” ，文件存放在“E:GZ016+XS+赛位号”文件夹内。表 1 系统主要电气元器件选型表序号设备名称选用型号功能描述（参考）1主站 PLC采集设备端传感器数据，上传数据至云平台、 下发数据至执行设备2从站 PLC#1采集设备端传感器数据；接收主站信息；控制 执行器动作从站 PLC#23防火墙（FW）配置不同端口，设置安全策略，安全拦截4三层交换机 #1(SW1)组建环网，划分 VLAN 网段，访问控制列表、 实现不同网段互通或限制访问三层交换机 #2(SW2)三层交换机 #3(S
10、W3)5多功能空气 质量变送器检测空气环境重多种要素6边缘网关采集边缘端数据，协议转换，上传至云端7协议网关将 Modbus 接口设备连接到 Profinet 网络中第4页/共18页8变频器控制交流三相异步电机的动作9RFID#1读写订单等信息RFID#2写入合格品信息10视觉传感器颜色检测、大小检测、数量检测2.绘制工业网络系统拓扑图根据图 2 所示的工业网络系统结构，绘制拓扑图。该拓扑图采用环形组网结构， 通过三层交换机（SW1 、SW2 、SW3）和防火墙（FW）进行子网划分与隔离，将云服 务器、计算机#1（PC1）、计算机#2（PC2）、主站 PLC 、无线 AP 、无线设备、边缘网
11、关分别配置在不同网段，具体工业网络系统结构示意图如图 2 所示。图 2 工业网络系统结构示意图使用绘图软件设计并绘制系统网络架构拓扑图，完成钢珠灌装生产系统边缘层、网 络层、应用层的划分。在网络架构拓扑图中应标注：设备名称、地址、通讯方式、组网 结构。拓扑图应包含使用 Profinet（绿色）通讯协议的所有元件，Profibus-DP（紫色） 通讯协议的远程 I/O 元件、Modbus-RTU（蓝色）通讯协议的环境数据检测元件、Modbus-TCP（红色）通讯协议的 RFID 元件、TCP/IP（黑色）通讯协议的视觉传感器 元件，其它未选用元件无需绘制，各元件之间所采用的各类工业网络通讯协议用
12、不同颜第5页/共18页色线条标注。将绘制的文件存储为.pdf 格式文件，文件名为“2 网络架构拓扑图.pdf”， 文件存放在“E:GZ016+XS+赛位号 ”文件夹内。3.配置 IP 地址表对系统进行网络规划（VLAN 划分），VLAN 划分及网关 IP 地址分配表如表 2 所 示。结合表 2 内容，完成网络单元设备的 IP 地址分配，填写系统 IP 地址分配表，如 表 3 所示。将填写的文件存储为.pdf 格式文件，文件名为“3 系统 IP 地址分配表.pdf”， 文件存放在“E:GZ016+XS+赛位号 ”文件夹内。表 2 VLAN 划分及网关 IP 地址分配表设备名称 (符号)VLAN网
13、络单元名称网关端口号名称IP 地址三层交换机#1（SW1）主干网络192.168.8.201/243 ，4环网（结果填入表3）设计网络192.168.10.1/24自定义计算机#1（PC1）无线网络192.168.20.1/24自定义无线设备（栋梁为 振动传感器，亚龙 为Lora设备）三层交换机#2（SW2）主干网络192.168.8.202/243 ，4环网维护网络192.168.30.1/24自定义计算机#2（PC2）数据管理网络192.168.40.1/24自定义主站PLC三层交换机#3（SW3）主干网络192.168.8.203/243 ，4环网产线网络192.168.50.1/24自
14、定义产线边缘网络192.168.60.1/24自定义边缘计算网关防火墙 （FW）内网192.168.8.254/24GE1SW1 主干网络服务网络192.168.200.254/24GE2服务器表 3 系统 IP 地址分配表序号/IP 地址1服务器2计算机#1(PC1)3计算机#2(PC2)4主站PLC第6页/共18页5防火墙（FW）GE1 端口6防火墙（FW）GE2 端口7三层交换机#1(SW1)（3 ，4 端口）8三层交换机#2(SW2)（3 ，4 端口）9三层交换机#3(SW3)（3 ，4 端口）10边缘计算网关任务二：工业网络智能控制系统虚拟仿真与调试采用软件进行虚拟仿真设计，结合系统实际功能，对各个部件进行属性定义，包括 刚体、碰撞体、运动副等机械属性和电气属性的设置，建立动作信号，与虚拟 PLC 变 量建立映射连接，完成装配任务；编写虚拟 PLC 调试程序和虚拟 HMI 调试程序，并 将装配调试好的“4 仿真模型 ”、“5 虚拟 PLC 调试程序 ”和“6 虚拟 HMI 调试 程序 ”保存，文件存放在“E:GZ016+
