“西门子杯”中国智能制造挑战赛，赛项涉及智能制造领域中的科技创新、产品研发、工程设计和智能应用等。本书展示了2018年总决赛的连续过程设计开发、逻辑控制设计开发、运动系统设计开发、工业信息设计开发、智能创新研发、企业命题、PLM产线规划等赛项的部分获奖很好方案书，以及由工程师总结的实用技术知识和工程设计经验。
本书可供“西门子杯”中国智能制造挑战赛参赛学生选用，也可供参加其他大学生学科知识竞赛的学生参考。

 

部分“西门子杯”中国智能制造挑战赛
“西门子杯”中国智能制造挑战赛的赛项设置3
“西门子杯”中国智能制造挑战赛6
附：寄语未来的新工程师8
第十二届（2018）“西门子杯”中国智能制造挑战赛总体方案9
第二部分“连续过程设计开发”赛项
“连续过程设计开发”赛项任务书17
1“连续过程设计开发”赛项工程设计方案（一）19
1.1概述19
1.2设计依据、范围及相关标准19
1.2.1设计依据19
1.2.2设计范围19
1.2.3相关标准19
1.3系统分析20
1.3.1系统任务分析20
1.3.2工艺流程分析20
1.3.3对象特性分析21
1.3.4控制需求分析23
1.3.5系统安全要求分析24
1.4系统设计24
1.4.1系统设计原则24
1.4.2控制回路设计25
1.4.3控制系统管道仪表流程图31
1.4.4开车顺序控制系统设计33
1.4.5安全相关系统33
1.4.6系统节能减排考虑38
1.4.7系统监控界面设计39
1.5系统组成40
1.5.1系统组成结构40
1.5.2硬件配置41
1.5.3软件配置43
1.6系统连接43
1.6.1系统通信连接43
1.6.2控制回路连接44
1.6.3开车顺序控制连接48
1.7系统投运与调试48
1.8结束语51
参考文献51
作者简介52
2“连续过程设计开发”赛项工程设计方案（二）53
2.1概述53
2.2设计依据、范围及相关标准53
2.2.1设计依据53
2.2.2设计范围53
2.2.3相关标准53
2.3系统分析54
2.3.1系统任务分析54
2.3.2工艺流程分析54
2.3.3对象特性分析55
2.3.4控制需求分析58
2.3.5系统安全要求分析59
2.4系统设计59
2.4.1系统设计原则59
2.4.2控制回路设计60
2.4.3控制系统P&ID图64
2.4.4开车顺序控制系统设计65
2.4.5安全相关系统66
2.4.6系统节能减排考虑67
2.4.7系统监控界面设计68
2.5系统组成68
2.5.1系统组成结构68
2.5.2硬件配置（见表2）69
2.5.3软件配置（见表3）69
2.5.4I/O信号配置（见表4）69
2.6系统连接70
2.6.1系统通信连接70
2.6.2控制回路连接71
2.7系统投运与调试72
2.8运行结果分析73
2.9结束语74
参考文献74
作者简介74
第三部分“逻辑控制设计开发”赛项
“逻辑控制设计开发”赛项任务书77
3“逻辑控制设计开发”赛项工程设计方案（一）81
3.1项目背景81
3.1.1甲方需求81
3.1.2生产线组成及工艺流程81
3.2工业云平台的分析与设计82
3.2.1需求分析82
3.2.2系统搭建82
3.2.3数据连接82
3.2.4数据应用83
3.3控制系统分析83
3.3.1功能分析83
3.3.2系统方块图84
3.3.3安全分析85
3.4控制系统设计85
3.4.1设备选型85
3.4.2系统网络结构85
3.4.3控制逻辑设计85
3.5人机界面设计87
3.5.1监视功能88
3.5.2操作功能88
3.6系统实施说明88
3.6.1控制系统调试88
3.6.2IOT2040智能网关调试89
3.6.3故障分析及排查方法90
参考文献91
作者简介91
4“逻辑控制设计开发”赛项工程设计方案（二）92
4.1系统概述92
4.1.1工业云需求分析92
4.1.2系统搭建92
4.1.3数据连接93
4.1.4数据应用93
4.2控制系统分析和设计95
4.2.1功能实现95
4.2.2安全分析96
4.2.3设备选型97
4.2.4系统组成97
4.3控制逻辑设计98
4.3.1初始化控制逻辑98
4.3.2自动/单步/回原位模式切换子程序98
4.3.3自动运行程序99
4.4紧急停车及安全连锁设计99
4.4.1自动停车99
4.4.2手动停车100
4.5人机界面及功能设计100
4.5.1登录界面100
4.5.2操作功能100
4.6系统实施说明103
4.6.1系统调试103
4.6.2主要故障分析及相关排查方法103
4.7方案设计总结104
4.7.1特点104
4.7.2总结104
参考文献104
作者简介104
5“逻辑控制设计开发”赛项工程设计方案（三）105
5.1设计方案简介105
5.1.1设计背景105
5.1.2方向调整站设计说明105
5.2控制系统设计106
5.2.1设备选型106
5.2.2选型理由106
5.2.3控制系统功能设计106
5.2.4控制系统拓扑结构107
5.2.5控制的安全性设计107
5.2.6控制系统的调试与故障分析107
5.3人机界面及功能要求108
5.3.1人机界面设计108
5.3.2人机界面的功能要求109
5.4工业云平台的分析与设计111
5.4.1设计简述111
5.4.2数据连接及应用111
5.4.3系统搭建111
5.5展望111
参考文献112
作者简介112
第四部分“运控系统设计开发”赛项
“运控系统设计开发”赛项任务书115
6“运控系统设计开发”赛项工程设计方案118
6.1卷绕系统任务分析118
6.1.1任务需求分析119
6.1.2控制对象特性分析119
6.2卷绕系统控制方案设计120
6.2.1卷绕系统张力分析120
6.2.2系统控制算法120
6.2.3系统控制逻辑122
6.3控制系统硬件介绍123
6.3.1硬件拓扑结构图123
6.3.2主要硬件介绍123
6.4控制系统软件设计124
6.4.1系统组态124
6.4.2建立通信125
6.4.3创建用户管理界面126
6.4.4控制程序设计126
6.4.5系统控制效果131
6.5系统安全性设计133
6.5.1光栅保护装置133
6.5.2急停按钮133
6.5.3力矩限制133
6.5.4用户登录133
6.6参赛感悟133
参考文献133
作者简介134
第五部分“工业信息设计开发”赛项
“工业信息设计开发”赛项任务书137
7“工业信息设计开发”赛项工程设计方案139
7.1系统分析139
7.1.1产区布局分析139
7.1.2技术需求分析140
7.1.3技术汇总144
7.2网络结构分析145
7.2.1工厂网络145
7.2.2网络结构图145
7.2.3综合拓展147
7.3工业信息安全解决方案148
7.3.1网络安全策略148
7.3.2网络通信安全149
7.3.3网络安全机制149
7.3.4工厂安全管理150
7.4系统设备选型150
7.4.1设备选型详细分析150
7.4.2设备选型汇总152
7.5系统实施说明153
7.5.1现场生产数据采集方法153
7.5.2网络结构功能实现步骤153
7.5.3通信功能验证158
参考文献161
作者简介161
第六部分“智能创新研发”赛项
“智能创新研发”赛项任务书165
8“智能创新研发”赛项工程设计方案（一）167
8.1产品介绍167
8.1.1硬件介绍167
8.1.2软件介绍168
8.2产品亮点169
8.2.1信息准确，功能实用169
8.2.2对接对象广，推广难度低169
8.2.3共享经济，互联网+169
8.3产品设计方案170
8.3.1核心价值170
8.3.2产品功能170
8.3.3产品数字化设计174
8.4商业计划书176
8.4.1市场需求分析176
8.4.2市场场景预测177
8.4.3产品定位177
8.4.4产品销售策略178
8.4.5产品推广策略179
8.4.6SWOT分析179
8.4.7竞争对手分析180
8.4.8盈利模式180
8.4.9投资价值180
8.4.10定价策略181
8.5产品成本及技术说明181
8.5.1产品成本（见表1）181
8.5.2产品技术说明181
8.5.3产品保护186
8.6产品（见图28）186
8.7产品实物测试案例（见表2、表3和表4）186
参考文献187
作者简介188
9“智能创新研发”赛项工程设计方案（二）189
9.1创意背景189
9.1.1创意产生背景189
9.1.2目前海参养殖方式介绍190
9.2产品介绍190
9.3产品亮点190
9.4产品设计方案191
9.4.1产品功能与核心价值191
9.4.2产品数字化设计191
9.4.3模型仿真分析196
9.5产品使用说明199
9.5.1使用前的准备工作199
9.5.2两种模式下的使用说明199
9.5.3注意事项199
9.6商业计划书199
9.6.1市场需求分析199
9.6.2市场前景预测201
9.6.3市场优势201
9.6.4市场劣势202
9.6.5市场机会202
9.6.6市场威胁203
9.6.7产品定位204
9.6.8产品定价策略204
9.6.9推广策略204
9.6.10销售策略205
9.7产品技术说明205
9.7.1硬件方案设计205
9.7.2系统软件方案设计209
9.7.3技术竞争力说明210
9.7.4产品成本分析211
9.7.5产品制造要点211
参考文献211
作者简介212
10“智能创新研发”赛项工程设计方案（三）213
10.1产品介绍213
10.2产品创意213
10.3产品设计方案213
10.3.1产品功能与核心价值213
10.3.2产品数字化设计213
10.3.3工作原理介绍216
10.3.4实物功能与测试218
10.3.5产品使用说明220
10.3.6产品实物图（见图10、图11和图12）221
10.4商业计划书222
10.4.1市场需求分析222
10.4.2市场前景预测223
10.4.3产品定位224
10.4.4产品定价策略225
10.4.5产品销售策略225
10.4.6产品推广策略226
10.5产品技术说明226
10.5.1核心技术实现解析226
10.5.2技术竞争力说明227
10.5.3产品成本分析228
10.5.4面向市场的分析229
参考文献229
作者简介230
11“智能创新研发”赛项工程设计方案（四）231
11.1产品介绍231
11.1.1引言231
11.1.2硬币分拣计数机用途、核心价值及功能介绍232
11.2产品设计方案及工作原理232
11.2.1产品创意232
11.2.2产品数字化设计233
11.2.3机械装置结构简介233
11.2.4电气控制部分设计说明235
11.2.5用户体验设计及产品使用说明236
11.2.6产品样机测试237
11.3商业计划书238
11.3.1市场需求分析238
11.3.2市场前景预测239
11.3.3产品定价策略240
11.3.4产品定价方案241
11.3.5产品销售策略241
11.3.6产品推广策略241
11.4产品设计与部分零部件选型简单说明242
11.4.1技术竞争力说明242
11.4.2直流电机选型242
11.4.3步进电机的驱动243
11.4.4串口屏的应用244
11.4.5单片机程序246
11.4.6单片机引脚的功能（见表6）247
11.4.7产品性能参数与指标（见表7）247
11.4.8产品成本分析（见表8）247
11.5活动收获248
参考文献249
作者简介249
第七部分“企业命题”赛项
“企业命题”赛项任务书253
12“企业命题”赛项工程设计方案（一）255
12.1项目背景与总体方案选择255
12.1.1企业面临的问题255
12.1.2食品水分检测发展现状255
12.1.3粉丝水分检测方案选定256
12.2总体方案设计257
12.2.1电容法测粉丝水分的原理[5,6]257
12.2.2电容芯片测量电容的原理258
12.2.3系统总体设计259
12.3系统主要硬件设计260
12.3.1测量粉丝电容值容器的设计260
12.3.2电容测量电路设计261
12.3.3主控单片机及报警电路设计261
12.4系统主要软件设计262
12.4.1电脑上位机曲线显示软件262
12.4.2数据滤波处理算法设计263
12.4.3人机交互界面设计264
12.5试验测试及结果分析265
12.5.1测试条件与仪器265
12.5.2测试方案265
12.5.3测试结果与分析267
12.5.4实验结果总结269
12.6设备成本及工业化设计方案269
12.6.1设备成本269
12.6.2工业化设计269
12.7项目未来展望269
12.7.1工控机269
12.7.2电容层析成像技术270
12.7.3自适应滤波270
12.7.4加入隶属度函数对粉丝湿度评级270
12.7.5项目的普适性迁移270
参考文献270
作者简介271
13“企业命题”赛项工程设计方案（二）272
13.1产品研制的背景和必要性272
13.2产品需要解决的工艺和实现功能273
13.2.1工艺要求273
13.2.2功能描述273
13.3产品设计原理和实现方案274
13.3.1总体方案设计274
13.3.2机械部分设计278
13.3.3电路部分设计285
13.4产品技术测试及指标验证结果分析296
13.4.1测试内容及测试目标296
13.4.2包装袋规格调试及性能测试297
13.4.3递袋环节调试及性能测试297
13.4.4装袋环节调试及性能测试298
13.4.5开袋环节调试及性能测试299
13.4.6装订环节旋转位置调试及性能测试300
13.4.7装订环节性能测试300
13.4.8测试结果分析301
13.5产品创新性及关键技术302
13.6产品未来展望302
13.6.1系统扩展性302
13.6.2包装机经济性304
13.6.3包装机的可靠性304
13.6.4包装机的易用性305
13.7总结305
参考文献305
作者简介306
14“企业命题”赛项工程设计方案（三）307
14.1产品研制需求307
14.1.1粉丝需求现状及发展趋势307
14.1.2粉丝生产设备与技术307
14.1.3粉丝生产成本308
14.1.4粉丝生产的主要流程308
14.2产品研制的必要性309
14.3产品需要解决的工艺问题310
14.4产品实现的功能311
14.5Ⅰ代机原理设计311
14.5.1机器介绍311
14.5.2使用特点312
14.5.3工作原理312
14.6Ⅱ代机样机设计316
14.7产品说明319
14.7.1产品调试319
14.7.2使用说明319
14.7.3注意事项320
14.7.4技术竞争力说明320
14.7.5产品成本分析320
14.7.6生产制造要点321
14.8产品创新点及关键技术322
14.9产品推广322
14.9.1市场前景的预测322
14.9.2产品推广策略323
14.9.3产品定位324
参考文献324
作者简介324
15“企业命题”赛项工程设计方案（四）325
15.1产品研制背景和必要性325
15.2产品需要解决的工艺和实现的功能326
15.3产品设计原理和实现方案327
15.3.1产品功能与核心价值327
15.3.2产品数字化设计（外观设计）328
15.3.3核心用户用例与工作原理介绍329
15.4产品技术测试及指标验证结果分析330
15.4.1功能测试330
15.4.2用户体验设计或产品使用说明330
15.4.3核心技术实现解析331
15.4.4技术竞争力说明343
15.4.5产品成本分析343
15.4.6生产制造要点343
15.5产品创新点及关键技术344
15.5.1自行车架运载方式344
15.5.2出标、贴标方式344
15.5.3工位ST40、ST50左右开弓进行贴标344
15.5.4图像识别智能检测贴标345
15.5.5可视化生产过程监控（显示屏）345
15.5.6触摸开关346
15.6产品未来展望346
参考文献347
作者简介347
第八部分“PLM产线规划”赛项
“PLM产线规划”赛项任务书351
16“PLM产线规划”赛项工程设计方案（一）353
16.1项目概况353
16.2项目需求353
16.2.1设计任务353
16.2.2设计功能及指标354
16.3生产线工艺设计354
16.3.1焊接工艺概述354
16.3.2自动化焊接工艺流程设计355
16.4生产线总体方案359
16.4.1焊接车间总体布局设计359
16.4.2时间链与生产节拍360
16.4.3主要设备选型设计361
16.5单元功能设计362
16.5.1机器人系统设计362
16.5.2车架弧焊工装夹具设计367
16.5.3辅助功能设计367
16.5.4程序逻辑设计流程370
16.5.5控制系统总体设计370
16.6生产线仿真372
16.6.1生产线仿真概述372
16.6.2模拟人工仿真373
16.6.3焊接仿真373
16.6.4仿真整体效果375
16.7设计方案分析和总结375
参考文献376
作者简介376
17“PLM产线规划”赛项工程设计方案（二）377
17.1项目概况377
17.2项目分析377
17.2.1项目设计要求377
17.2.2生产线要求与功能378
17.3专用技术要求378
17.3.1设计依据378
17.3.2工艺钢构设计378
17.3.3机器人要求378
17.4产线设计379
17.4.1产线工艺设计379
17.4.2焊接流程379
17.4.3工艺流程380
17.4.4装备概况382
17.5装焊工艺设计383
17.5.1设计要求383
17.5.2焊接工艺384
17.6生产节拍386
17.7工装设计方案387
17.7.1概述387
17.7.2分拼工位夹具设计387
17.7.3主工位夹具设计389
17.7.4机器人抓具设计392
17.8仿真模拟393
17.8.1操作流程393
17.8.2仿真结果394
17.9设计合理性395
17.9.1气缸设计计算395
17.9.2柔性化设计396
17.9.3保护措施396
17.9.4扩展性和易用性397
17.9.5装备的智能功能398
17.9.6传感器398
17.9.7焊缝跟踪与校正399
17.10项目创新点399
17.11推广应用的经济、社会效益分析399
参考文献400
作者简介400
18“PLM产线规划”赛项工程设计方案（三）401
18.1概况401
18.1.1项目现状401
18.1.2项目意义401
18.1.3项目需求401
18.2生产线工艺设计403
18.2.1生产流程403
18.2.2工艺流程图403
18.3生产线规划总体方案403
18.3.1生产线布局设计403
18.3.2生产线物料传送设计406
18.3.3生产线的工位设计407
18.3.4生产线工艺平衡410
18.4单元功能设计412
18.4.1点焊夹具412
18.4.2弧焊夹具413
18.4.3焊接回转台414
18.4.4搬运小车415
18.4.5中央控制站416
18.4.6打磨设计417
18.4.7全防护设计417
18.4.8检测与控制系统设计417
18.5生产线设备选择419
18.5.1焊接机器人419
18.5.2搬运机器人419
18.6生产线仿真420
18.7设计方案分析和总结422
18.7.1可行性分析422
18.7.2设计方案优势423
18.7.3设计方案不足及扩展性423
参考文献424
作者简介424
第九部分附录
附录A多回路控制与调节器整定427
A.1串级控制427
A.1.1串级控制系统的组成427
A.1.2串级控制系统的投运和整定427
A.1.3液位-流量串级控制系统428
A.1.4应用场合和工程经验428
A.2前馈控制429
A.2.1静态补偿与动态补偿429
A.2.2前馈与反馈控制430
A.2.3应用场合和整定方法430
A.3比值控制431
A.3.1比值控制系统的组成431
A.3.2比值控制系统的整定432
A.3.3流量比值控制系统433
A.3.4应用场合和工程经验433
A.4调节器整定434
A.4.1调节器整定方法434
A.4.2工程经验434
作者简介434
附录B卷绕张力控制435
B.1卷绕张力控制系统的组成435
B.2张力控制方式436
B.2.1间接张力控制436
B.2.2直接张力控制437
B.2.3浮动辊位置控制438
B.2.4线速度控制439
B.3张力控制的调试440
B.3.1系统的基础调试和前期准备440
B.3.2实时卷径计算440
B.3.3张力调试441
B.4张力控制的应用场合442
作者简介442
附录C工业网络项目实战443
C.1工业网络通信需求及解决方法443
C.1.1实时性需求及解决方法443
C.1.2可靠性需求及解决方法444
C.1.3工业信息安全需求及解决方法445
C.2工业网络案例与工程经验446
C.2.1案例1：钢厂铁路站无人化机车工业无线网络设计446
C.2.2案例2：某药厂生产网络450
作者简介452
附录D自动化工程项目的实施453
D.1自动化工程项目实施流程453
D.1.1实施工程453
D.1.2设计＋实施工程453
D.2自动化工程项目实施方法454
D.3自动化工程项目的设计454
D.3.1设计流程454
D.3.2设计方法455
D.4自动化工程项目的调试455
D.5自动化工程项目的验收456
D.6自动化工程项目案例分析456
作者简介458
附录ESolidEdge应用实例剖析459
E.1SolidEdge软件的功能459
E.1.1SolidEdge同步建模技术459
E.1.2SolidEdge软件的功能460
E.2SolidEdge实际案例详解462
E.2.1数据整理和重用462
E.2.2设计新零件463
E.2.3仿真效验L型连接件468
E.2.4装配新零件468
E.2.5修改L型连接件零件470
E.2.6创建工程图471
E.3使用SolidEdge的一些建议472
E.3.1使用SolidEdge进行产品设计的建议472
E.3.2SolidEdge2019的系统要求473
E.3.3SolidEdge2019的安装473
作者简介474
附录F赛项指导教师经验交流475
F.1“连续过程设计开发”赛项经验交流475
F.2“逻辑控制设计开发”赛项经验交流479
F.3“工业信息设计开发”赛项经验交流481
F.4“运控系统设计开发”赛项经验交流483
F.5“智能创新研发”赛项经验交流483
F.6“企业命题”赛项经验交流485
F.7“PLM产线规划”赛项经验交流486
后记487