柔性生产线的核心特点是多品种、小批量、可快速重构，本方案针对教学场景设计，兼顾流程可视化、PLC 互动控制、教学实训功能，适配 1:18 物理模型与虚拟仿真的结合，满足课堂演示、学生实操、故障模拟等教学需求。
| 原则 | 具体要求 |
|---|---|
| 教学导向 | 支持工位拆解、流程分步演示、故障注入实训 |
| 柔性适配 | 可切换 3 种以上生产模式（如装配、检测、分拣） |
| 虚实结合 | 1:18 物理模型 + 上位机仿真界面 + PLC 实时控制 |
| 开放性 | 预留扩展接口，支持新增工位、自定义生产流程 |
采用 “三层架构” 设计，确保各模块独立且协同：
物理执行层：1:18 比例柔性生产线模型（含输送单元、加工单元、分拣单元等）
控制层：PLC 主控制器 + 传感器 + 执行器，负责逻辑控制与信号采集
监控交互层：上位机仿真界面，实现流程可视化、参数配置、故障模拟
| 工位名称 | 核心组件（1:18 比例） | 功能说明 |
|---|---|---|
| 上料单元 | 料仓、步进电机送料机构、光电传感器 | 自动上料，检测物料有无 |
| 输送单元 | 皮带输送机、伺服电机、定位传感器 | 物料传输与精准定位 |
| 加工 / 装配单元 | 机械臂模型、气动夹爪、扭矩传感器 | 模拟零件装配或加工动作 |
| 检测单元 | 视觉传感器模型、尺寸检测传感器 | 检测产品缺陷、尺寸精度 |
| 分拣单元 | 分拣气缸、颜色传感器、分流道 | 按产品类型 / 合格状态自动分拣 |
| 仓储单元 | 立体仓库模型、堆垛机、仓位传感器 | 成品暂存与仓位管理 |
材质：主体采用铝合金型材 + 亚克力板，轻量化且便于观察内部结构
驱动方式：小型步进电机 / 伺服电机 + 微型气缸，适配 1:18 比例的动力需求
柔性接口：各工位采用标准化连接件，可快速拆卸重组（体现 “柔性” 核心）
| 选型方向 | 推荐型号 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 经济型教学款 | 西门子 S7-1200（CPU 1214C） | 课堂演示、基础实训 |
| 模块化扩展款 | 三菱 FX5U | 复杂流程、多工位扩展 |
| 小型开源款 | Arduino Mega（兼容 PLC 逻辑） | 学生低成本实操 |
流程控制
支持自动模式：按预设流程完成 “上料→输送→加工→检测→分拣→仓储” 全流程
支持手动模式：单独控制每个工位的启停，便于教学分步讲解
支持柔性切换：通过 PLC 程序切换生产模式（如 “装配流程”/“分拣流程”）
信号交互
输入信号：采集各工位传感器信号（光电、颜色、定位等）
输出信号：控制电机、气缸、指示灯等执行器动作
通信协议：采用 Modbus TCP 与上位机通信，实时传输状态数据
故障模拟功能（教学重点）
预设常见故障（如传感器失灵、电机堵转、气缸卡滞）
通过 PLC 程序注入故障，触发上位机报警，训练学生故障排查能力
沿用 Python + PyQt6 + Snap7 技术栈，新增柔性流程配置、教学实训模块，实现与 PLC 的实时双向交互。
| 模块名称 | 具体功能 |
|---|---|
| 流程可视化模块 | 1:18 模型 3D 仿真视图，实时显示各工位运行状态；支持流程分步演示、暂停讲解 |
| PLC 交互模块 | PLC 连接状态监控；读取 PLC 输入 / 输出寄存器数据；向 PLC 下发控制指令（如模式切换、故障注入） |
| 参数配置模块 | 调整生产参数（如输送速度、分拣阈值、加工时间）；保存 / 加载不同生产流程方案 |
| 教学实训模块 | 故障模拟：选择故障类型注入系统；故障排查：显示故障代码与排查指引；实训记录：统计学生操作步骤 |
基础认知实训：演示柔性生产线与刚性生产线的区别，切换不同生产模式对比
PLC 编程实训：学生修改 PLC 程序，调整工位顺序或生产参数，验证柔性效果
故障排查实训：教师注入故障，学生通过上位机监控数据、排查 PLC 程序，定位故障点
流程设计实训：学生自定义生产流程，配置工位顺序，实现特定产品的柔性生产
上位机自动记录操作步骤、故障排查时间、流程优化效果
生成实训报告，包含参数配置表、故障处理记录、生产效率分析
硬件连接
PLC 与物理模型的传感器、执行器通过继电器模块连接，避免小比例模型元件过载
PLC 与上位机通过以太网连接，配置同一网段 IP（如 PLC: 192.168.0.100，上位机: 192.168.0.101）
软件调试
先运行虚拟仿真模式：不连接物理模型，验证 PLC 程序与上位机界面的交互逻辑
再切换虚实联动模式：连接 1:18 物理模型，校准传感器信号与执行器动作
教学适配调整
针对不同层次学生，隐藏 / 开放 PLC 程序编辑权限
预设基础、进阶、竞赛三种实训难度
增加物联网模块：接入 WiFi/4G 模块，支持远程监控与控制，实现 “远程教学实训”
集成数字孪生技术：基于 Unity3D 构建 1:1 数字孪生模型，与物理模型实时同步
开发移动端界面：适配平板 / 手机端，方便学生分组实操时查看状态
建立教学资源库：配套 PLC 程序案例、故障排查手册、实训指导视频
