Помощь студентам в учебе
Применение технологии Интернета вещей в автоматизации процесса конвейерной сборки продукции промышленного предприятия
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Применяемые технологии в индустрии 4.0 9
1.2 Автоматизированные конвейерные линии 11
1.3 Применение технологии Интернет вещей в автоматизации промышленных предприятий 14
1.4 Архитектура технологии Интернет вещей 16
1.5 Протоколы Интернета вещей 18
1.6 Протокол MQTT 19
1.7 Обзор существующих решений по автоматизации технологических процессов с применением технологии Интернет вещей 22
Выводы по первой главе 23
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ УЧЕБНО
ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНВЕЙЕРНОЙ СБОРКИ
ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРОДУКЦИИ 24
3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА
3.1 Разработка концепции комплекса для полунатурного моделирования системы 26
3.2 Подключение и настройка шлюза AntexGate
3.2.1 Назначение, состав и технические характеристики шлюза 30
3.2.2 Подключение устройства для записи в eMMC на ОС Windows 10 33
3.3 Элементная база для реализации пульта управления технологическим
процессом 34
3.3.1 Описание модулей ввода и вывода 34
3.3.2 Описание исполнительных устройств 35
3.4 Топология сети подключения 37
3.5 Конфигурация модулей ввода и вывода ОВЕН 39
3.6 Схема подключение аппаратной части 42
3.7 Оценивание введения технологии Iot в реальное производство 43
Выводы по третьей главе 454 РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА 46
4.1 Настройка и подключение виртуальной среды 47
4.2 Настройка и подключение программной среды Node-RED 58
4.3 Сборка и подключения, составляющих пульта управления 62
4.4 Сборка и настройка виртуальных задач программного обеспечения в
части комплекса 70
4.4.1 Первая задача 70
4.4.2 Вторая задача 74
4.4.3 Третья задача 80
4.4.4 Четвертая задача 86
4.4.5 Пятая задача 93
4.5 Применение технологии Интернет вещей в системе регулирования
скорости конвейера 101
Выводы по четвертой главе 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 112
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ УСТРОЙСТВ 115
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ТОПОЛОГИЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ 116
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СЕТЕВЫЕ АДРЕСА УСТРОЙСТВ И РЕГИСТРЫ
ПРОТОКОЛА MODBUS 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ КОНФИГУРАЦИИ УСТРОЙСТВ
ОВЕН 119
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ANTEXGATE 121
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ УЗЛЫ В NODE-RED ... 122
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Применяемые технологии в индустрии 4.0 9
1.2 Автоматизированные конвейерные линии 11
1.3 Применение технологии Интернет вещей в автоматизации промышленных предприятий 14
1.4 Архитектура технологии Интернет вещей 16
1.5 Протоколы Интернета вещей 18
1.6 Протокол MQTT 19
1.7 Обзор существующих решений по автоматизации технологических процессов с применением технологии Интернет вещей 22
Выводы по первой главе 23
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ УЧЕБНО
ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНВЕЙЕРНОЙ СБОРКИ
ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРОДУКЦИИ 24
3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА
3.1 Разработка концепции комплекса для полунатурного моделирования системы 26
3.2 Подключение и настройка шлюза AntexGate
3.2.1 Назначение, состав и технические характеристики шлюза 30
3.2.2 Подключение устройства для записи в eMMC на ОС Windows 10 33
3.3 Элементная база для реализации пульта управления технологическим
процессом 34
3.3.1 Описание модулей ввода и вывода 34
3.3.2 Описание исполнительных устройств 35
3.4 Топология сети подключения 37
3.5 Конфигурация модулей ввода и вывода ОВЕН 39
3.6 Схема подключение аппаратной части 42
3.7 Оценивание введения технологии Iot в реальное производство 43
Выводы по третьей главе 454 РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА 46
4.1 Настройка и подключение виртуальной среды 47
4.2 Настройка и подключение программной среды Node-RED 58
4.3 Сборка и подключения, составляющих пульта управления 62
4.4 Сборка и настройка виртуальных задач программного обеспечения в
части комплекса 70
4.4.1 Первая задача 70
4.4.2 Вторая задача 74
4.4.3 Третья задача 80
4.4.4 Четвертая задача 86
4.4.5 Пятая задача 93
4.5 Применение технологии Интернет вещей в системе регулирования
скорости конвейера 101
Выводы по четвертой главе 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 112
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ УСТРОЙСТВ 115
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ТОПОЛОГИЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ 116
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СЕТЕВЫЕ АДРЕСА УСТРОЙСТВ И РЕГИСТРЫ
ПРОТОКОЛА MODBUS 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ КОНФИГУРАЦИИ УСТРОЙСТВ
ОВЕН 119
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ANTEXGATE 121
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ УЗЛЫ В NODE-RED ... 122
В настоящее время мир находится на границе завершающей, третей эпохи и мировым трендом Индустрии 4.0. Характерной чертой третьей цифровой революции, начавшейся во второй половине прошлого столетия, было – развитие информационно-коммуникационных технологий, автоматизации и роботизация производственных процессов. Отличительные особенности Индустрии 4.0 – это полностью автоматизированные производства на которых управление всеми процессами осуществляется в режиме реального времени и с учетом меняющихся внешних условий. Киберфизические системы создают виртуальные копии объектов физического мира, контролируют физические процессы и принимают децентрализованные решения. Они способны объединяться в одну сеть, взаимодействовать в режиме реального времени, самонастраиваться и самообучаться. Важную роль играют интернет-технологии, обеспечивающие коммуникации между персоналом и машинами. Предприятия создают продукцию в соответствии с требованиями индивидуального заказчика, оптимизируя себестоимость производства.
Одной из базовой технологии, в результате применение которой повлечет за собой революционные изменения, является технология Интернет вещей. В этой технологии Интернет применятся для обмена данными, как и между людьми, так и между множеством различных «вещей», например, машинами, датчиками, устройствами и так далее. Самое важное что, вещи, снабженные датчиками, смогут обмениваться данными и обрабатывать их без участия человека. Но также и человек сможет учувствовать в этом процессе.
Разновидностью IoT является промышленный (индустриальный) интернет вещей (Industrial Internet of Things, IIoT). Именно он открывает прямую дорогу к созданию полностью автоматизированных производств. Начинается все с того, что ключевые компоненты оборудования снабжаются различными датчиками, исполнительными механизмами и контроллерами; собранные данные обрабатываются и направляются в соответствующие службы предприятия, что позволяет персоналу оперативно принимать обоснованные и взвешенные решения. Но задача-максимум состоит в достижении такого уровня автоматизации предприятия, при котором на всех участках, где это возможно, машины работают без участия людей. Роль персонала при этом сводится к контролю работы машин и реагированию лишь на экстренные ситуации.
Интернет вещей в применении к автоматизации позволяет создавать системные архитектуры, которые оказываются более экономными, гибкими и эффективными. Цель – бесшовные коммуникации и взаимодействие с промышленным полевымвводом/выводом, включая датчики, исполнительные устройства, анализаторы, приводы, системы машинного зрения, видео, робототехнику, ради повышения производительности и гибкости производства. Эта революция донесет машинный интеллект до самой периферии систем, и все промышленные устройства, включая устройства ввода/вывода, будут поддерживать IP. Беспроводные устройства с поддержкой IP уже используются в промышленной автоматизации. Открытые беспроводные стандарты для обеспечения ввода/вывода датчиков, обеспечивающую большее пространство адресов и улучшенную кибербезопасность.
Поддержка IP в современных архитектурах автоматизации производства позволяет передать больше функций новому поколению мощных промышленных контроллеров, датчиков и исполнительных устройств с встроенными процессорами. Это устранит необходимость в middleware ПО - как правило, неудобном в использовании, дорогом и трудном в поддержке.
Отладку алгоритмов обработки информационных сигналов и алгоритмов управления в различных эксплуатационных условиях можно проводить в реальных условиях эксплуатации системы. Однако не всегда есть возможность проведения натурных испытаний, например, система управления находится на стадии проектирования; проведение натурных испытаний по настройке и отладке алгоритма работы устройства управления дорого или небезопасно. Замена натурных испытаний математическим моделированием системы тоже не всегда уместна, так как часто алгоритмы управления сложны, громоздки и при математическом моделировании исследователь прибегает к их упрощению. В таких случаях для отладки алгоритмов управления целесообразна организация полунатурного моделирования системы управления, при котором часть системы, в том числе само устройство управления, реализуется в виде реальной аппаратуры, например, ПЛК, а остальная часть системы (включая объект управления), называемая отброшенной частью системы управления, представляется математической моделью. Благодаря добавлению реальной аппаратуры в контур моделирования сложных процессов, можно добиться уменьшения априорной неопределенности при исследовании процессов, для которых нет полного и адекватного математического описания
Цель: применение технологии Интернет вещей в автоматизации конвейерной сборки продукции промышленного предприятия и в разработке учебной системы для полунатурной отработки задач автоматизации технологического процесса. Для достижения поставленной цели необходимо решить определенные задачи:
• произвести оценку полезности технологии Интернет вещей;• анализ продуктов автоматизации с применением технологии Интернет вещей;
• анализ технического задания на разработку комплекса;
• разработать аппаратно-программную часть учебно-лабораторного
комплекса;
• разработать алгоритм автоматизации конвейерной сборки.
Предметом исследования является аппаратно-программная часть учебнолабораторный комплекса, предназначенная для полунатурного моделирования отработки систем автоматизации конвейерной сборки продукции промышленного предприятия.
Практическая ценность данной разработки заключается в реализации принципов удаленного терминального управления производственными объектами с применением Iot технологии. Введение данной технологии в технологический процесс позволит значительно удлинить канал связи, реализовать функцию удаленного мониторинга и корректировки и улучшить показатели удаленного мониторинга. Этот продукт может быть использован в учебных целях, что позволит обучающимся получить навыки и знания соответственно:
• подключения и настройки встраиваемого компьютера AntexGate;
• сопряжение физический части с виртуальной средой моделирования;
• разработки алгоритмов автоматизации технологического процесса;
• архитектура технологии Интернет вещей;
• принципы обработки облачной платформой сигналов с моделируемого пространства и формированием ей управляющих сигналов на исполнительные механизмы.
Одной из базовой технологии, в результате применение которой повлечет за собой революционные изменения, является технология Интернет вещей. В этой технологии Интернет применятся для обмена данными, как и между людьми, так и между множеством различных «вещей», например, машинами, датчиками, устройствами и так далее. Самое важное что, вещи, снабженные датчиками, смогут обмениваться данными и обрабатывать их без участия человека. Но также и человек сможет учувствовать в этом процессе.
Разновидностью IoT является промышленный (индустриальный) интернет вещей (Industrial Internet of Things, IIoT). Именно он открывает прямую дорогу к созданию полностью автоматизированных производств. Начинается все с того, что ключевые компоненты оборудования снабжаются различными датчиками, исполнительными механизмами и контроллерами; собранные данные обрабатываются и направляются в соответствующие службы предприятия, что позволяет персоналу оперативно принимать обоснованные и взвешенные решения. Но задача-максимум состоит в достижении такого уровня автоматизации предприятия, при котором на всех участках, где это возможно, машины работают без участия людей. Роль персонала при этом сводится к контролю работы машин и реагированию лишь на экстренные ситуации.
Интернет вещей в применении к автоматизации позволяет создавать системные архитектуры, которые оказываются более экономными, гибкими и эффективными. Цель – бесшовные коммуникации и взаимодействие с промышленным полевымвводом/выводом, включая датчики, исполнительные устройства, анализаторы, приводы, системы машинного зрения, видео, робототехнику, ради повышения производительности и гибкости производства. Эта революция донесет машинный интеллект до самой периферии систем, и все промышленные устройства, включая устройства ввода/вывода, будут поддерживать IP. Беспроводные устройства с поддержкой IP уже используются в промышленной автоматизации. Открытые беспроводные стандарты для обеспечения ввода/вывода датчиков, обеспечивающую большее пространство адресов и улучшенную кибербезопасность.
Поддержка IP в современных архитектурах автоматизации производства позволяет передать больше функций новому поколению мощных промышленных контроллеров, датчиков и исполнительных устройств с встроенными процессорами. Это устранит необходимость в middleware ПО - как правило, неудобном в использовании, дорогом и трудном в поддержке.
Отладку алгоритмов обработки информационных сигналов и алгоритмов управления в различных эксплуатационных условиях можно проводить в реальных условиях эксплуатации системы. Однако не всегда есть возможность проведения натурных испытаний, например, система управления находится на стадии проектирования; проведение натурных испытаний по настройке и отладке алгоритма работы устройства управления дорого или небезопасно. Замена натурных испытаний математическим моделированием системы тоже не всегда уместна, так как часто алгоритмы управления сложны, громоздки и при математическом моделировании исследователь прибегает к их упрощению. В таких случаях для отладки алгоритмов управления целесообразна организация полунатурного моделирования системы управления, при котором часть системы, в том числе само устройство управления, реализуется в виде реальной аппаратуры, например, ПЛК, а остальная часть системы (включая объект управления), называемая отброшенной частью системы управления, представляется математической моделью. Благодаря добавлению реальной аппаратуры в контур моделирования сложных процессов, можно добиться уменьшения априорной неопределенности при исследовании процессов, для которых нет полного и адекватного математического описания
Цель: применение технологии Интернет вещей в автоматизации конвейерной сборки продукции промышленного предприятия и в разработке учебной системы для полунатурной отработки задач автоматизации технологического процесса. Для достижения поставленной цели необходимо решить определенные задачи:
• произвести оценку полезности технологии Интернет вещей;• анализ продуктов автоматизации с применением технологии Интернет вещей;
• анализ технического задания на разработку комплекса;
• разработать аппаратно-программную часть учебно-лабораторного
комплекса;
• разработать алгоритм автоматизации конвейерной сборки.
Предметом исследования является аппаратно-программная часть учебнолабораторный комплекса, предназначенная для полунатурного моделирования отработки систем автоматизации конвейерной сборки продукции промышленного предприятия.
Практическая ценность данной разработки заключается в реализации принципов удаленного терминального управления производственными объектами с применением Iot технологии. Введение данной технологии в технологический процесс позволит значительно удлинить канал связи, реализовать функцию удаленного мониторинга и корректировки и улучшить показатели удаленного мониторинга. Этот продукт может быть использован в учебных целях, что позволит обучающимся получить навыки и знания соответственно:
• подключения и настройки встраиваемого компьютера AntexGate;
• сопряжение физический части с виртуальной средой моделирования;
• разработки алгоритмов автоматизации технологического процесса;
• архитектура технологии Интернет вещей;
• принципы обработки облачной платформой сигналов с моделируемого пространства и формированием ей управляющих сигналов на исполнительные механизмы.
Результатом выполнения работы является учебная система, которая позволяет получить навыки полунатурной отработки задач автоматизации технологического процесса с применением технологии Интернет вещей. Эта система реализована в виде физического стенда «Пульт управления», моделируемого цифрового двойника и ПО, реализующего алгоритма отработки автоматизации конвейерной сборки продукции. 1. Произведен анализ продуктов автоматизации производственного процесса, разработана архитектура программного комплекса.
2. Была изучена технология Интернет вещей и разработана архитектура комплекса.
3. Был произведен выбор комплектующих для построения системы исходя из требований к технико-экономическим показателям.
4. Проведено проектирование и сборка из компонентов физической части, в виде пульта управления с активными элементами.
5. Проведена настройка канала связи физической и программной части.
6. Была проведена настройка и автоматизация типовых сценариев для отработки базовых задач автоматизации условного производственного процесса с помощью виртуального симулятора.
В рамках решения задач по автоматизации процессов управления, а также связи физической и виртуальной части комплекса в данной работе решались следующие частные задачи автоматизации и управления:
• было осуществлено написание 5 учебных сценариев автоматизации виртуального техпроцесса для проведения учебных работ;
• была проведена реализация данных сценариев в виде программного кода и последовательности логических операторов с помощью внешней системы посредством протокола MQTT через сеть интернет;
• реализован алгоритм регулирования скорости конвейеров, что позволяет снизить энергозатраты на 10% при ступенчатом регулировании;
Таким образом созданная система позволяет отрабатывать сценарии автоматизации с использованием технологий интернета вещей для организации канала удаленного мониторинга и двухсторонней связи, путем наделения штатных средств управления и регулирования каналом связи с внешней системой управления и мониторинга в виде системы NodeRed.
Наделение данной системы такими качествами позволяет отрабатывать на практике базовые основы организации, проектирования, и настройки систем «Облачного» контроля и мониторинга на промышленных объектах, что как нельзя лучше вписывается в стратегию развития отечественной промышленности в рамках направления Индустрия 4.0.
В дальнейшем планируется подача заявки на получение защиты интеллектуальной
2. Была изучена технология Интернет вещей и разработана архитектура комплекса.
3. Был произведен выбор комплектующих для построения системы исходя из требований к технико-экономическим показателям.
4. Проведено проектирование и сборка из компонентов физической части, в виде пульта управления с активными элементами.
5. Проведена настройка канала связи физической и программной части.
6. Была проведена настройка и автоматизация типовых сценариев для отработки базовых задач автоматизации условного производственного процесса с помощью виртуального симулятора.
В рамках решения задач по автоматизации процессов управления, а также связи физической и виртуальной части комплекса в данной работе решались следующие частные задачи автоматизации и управления:
• было осуществлено написание 5 учебных сценариев автоматизации виртуального техпроцесса для проведения учебных работ;
• была проведена реализация данных сценариев в виде программного кода и последовательности логических операторов с помощью внешней системы посредством протокола MQTT через сеть интернет;
• реализован алгоритм регулирования скорости конвейеров, что позволяет снизить энергозатраты на 10% при ступенчатом регулировании;
Таким образом созданная система позволяет отрабатывать сценарии автоматизации с использованием технологий интернета вещей для организации канала удаленного мониторинга и двухсторонней связи, путем наделения штатных средств управления и регулирования каналом связи с внешней системой управления и мониторинга в виде системы NodeRed.
Наделение данной системы такими качествами позволяет отрабатывать на практике базовые основы организации, проектирования, и настройки систем «Облачного» контроля и мониторинга на промышленных объектах, что как нельзя лучше вписывается в стратегию развития отечественной промышленности в рамках направления Индустрия 4.0.
В дальнейшем планируется подача заявки на получение защиты интеллектуальной
