CN100543800C - 一种恒压供水群教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压供水群教学系统，包括供水监控中心及至少一供水站，所述供水监控中心包括通信模块、可编程逻辑器件、网络模块、触摸屏和计算机，通过网络模块与校园网和Internet网相连，供水监控中心的可编程逻辑器件、触摸屏和计算机依次相连，所述供水站包括模拟供水系统和实训操作平台，实训操作平台包括可编程逻辑器件、变频器、触摸屏、计算机、模数处理模块和通信模块，供水监控中心及供水站通过其各自的通信模块相连。本发明提供了一套高水平、实物化、多功能的实践教学平台，也为区域性恒压供水提供了新的解决方案，实现了供水方式从水塔供水到恒压供水、从分散式控制向多级分布式控制集中管理的跨越。

Description

一种恒压供水群教学系统

技术领域

本发明主要涉及一种教学系统，尤其是一种基于网络控制的恒压供水群教学系统。

背景技术

随着变频调速技术的发展，基于PLC、变频器控制的恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统。恒压供水已广泛应用于厂矿企业及生活、消防等供水系统，然而，恒压供水的培训装置种类较少，进行区域性供水的恒压供水群的综合实践教学系统在国内则更加匮乏，这正是大学生综合分析与解决问题的能力较弱的原因之一。

现有的恒压供水教学设备主要存在以下问题：技术含量不高，或对新技术的集成度较低，学生对新技术的综合应用没有全面深入地了解；未能从教学角度出发，未进行二次开发，而是简单地将实际恒压供水设备完整地、原封不动地搬入实验室中，能供学生操作的仅仅只有一个启动按钮和一个停止按钮，这样的设备只能给学生演示，不能供学生实际动手操作，学生的动手能力得不到提高；有的设备开发商已经意识到了学生实际动手操作的需要，但是，由于开发人员不是一线教师，未针对教学实际进行二次开发，有的做成了单纯的教具，而没有了实际设备的特征，有的仍然是实际的设备，不适合学生操作，学生每完成一个教学项目，就相当于一次设备的安装、调试，这样势必造成教学效率低，不利于灵活地组织教学；没有找到实际设备和教学设备的本质区别，学生只能在实际零配件的端子上进行反复的连接，结果造成设备的故障率高，维修费用大，使用寿命短，严重影响教学的正常进行；电气图纸与控制系统实物之间存在很大差距，学生不易在短时间内了解和掌握各信息点的功能作用、分布位置、接点出处等，这样势必造成教学效率低下；不能组成群组，不能连接成网络，不能实现远程监控和Internet超远程监控；设备的功能单一，能开出的实训项目少，因此设备的利用率低，不能使有限教学资源发挥最大的社会和经济效益；设备各模块之间的通信是通过插拔通信电缆来实现，电缆的插拔只能在停电的情况下进行，这样的操作即费时费力，又容易造成热插拔，损坏通信接口，降低实训的效率，影响教学的正常进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种恒压供水群教学系统，其操作方便，实训教学效果好。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种恒压供水群教学系统，包括供水监控中心及至少一供水站，所述供水监控中心包括通信模块、可编程逻辑器件、网络模块、触摸屏和计算机，通过网络模块与校园网和Internet网相连，供水监控中心的可编程逻辑器件、触摸屏和计算机依次相连，所述供水站包括模拟供水系统和实训操作平台，所述实训操作平台包括可编程逻辑器件、变频器、触摸屏、计算机、模数处理模块和通信模块，供水监控中心及供水站通过其各自的通信模块相连；

所述实训操作平台包括控制电器部分、通信软切换、信息分布图、信号源及仪表；

所述控制电器部分包括可编程逻辑器件、A/D模块、D/A模块、AD/DA模块、变频器、触摸屏、计算机，可编程逻辑器负责处理各类逻辑和数字运算；A/D模块用于接收模拟供水系统中的传感器的模拟输入信号，将模拟信号转换为数字信号送给可编程逻辑器件进行处理；D/A模块将可编程逻辑器件用于控制外部设备的数字量转化为模拟量，控制变频器的输出频率；变频器用于模拟供水系统水泵电动机的运行，通过接收D/A模块的控制信号实现模拟供水系统水泵电动机的速度调节；触摸屏作为人机交互界面，用于发送各控制命令、参数设置及运行参数和状态显示；计算机通过组态软件制作各种人机交互界面，用于发送各控制命令、参数设置及运行参数和状态显示。

本发明所采取的技术方案还包括：所述供水监控中心的通信模块及供水站通信模块通过CC—Link或RS485相连。

本发明所采取的技术方案还包括：所述恒压供水群教学系统还包括两个终端电阻，所述供水监控中心的通信模块与一个终端电阻相连，供水站中最后一个供水站的通信模块与另一个终端电阻相连。

本发明所采取的技术方案还包括：所述模拟供水系统包括供水泵、供水管网、上水箱及下水箱，供水管网上设有磁触点压力表、压力传感器、温度传感器、单向阀、电磁阀、手动球阀和承压箱，供水泵进水端与下水箱相连，出水端通过单向阀和流量传感器、温度传感器、承压箱及至少2个模拟用户相连。

本发明所采取的技术方案还包括：所述下水箱采用不锈钢结构，下水箱箱体上有进水口、出水口、液位传感器和发热管，上水箱用透明有机玻璃制成，设有溢流水管、排水管、液位传感器和防冲击档板。

本发明所采取的技术方案还包括：所述供水监控中心的可编程逻辑器件为Q系列可编程逻辑器件，通信模块采用QJ61BT11N。

本发明所采取的技术方案还包括：所述供水站的通信模块采用FX2N-32CCL-M，可编程逻辑器件采用FX2N—48MR。

本发明所采取的技术方案还包括：所述供水站可扩展到64站。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明恒压供水群教学系统是培训学生对PLC、变频器等的综合应用能力的一套新型实训设备，可使学生了解过程控制的一般方法和原理，加深对特殊功能模块和传感器等的认识，使学生建立CC-Link概念，掌握CC-Link网络的结构、原理和网络化管理的优势，通过在该设备上进行实践，使学生将所学的知识能够应用到实际工作当中，真正达到学校与企业零距离对接的目的。

2、该系统既有实际工程设备的特点，又具有方便教学的特性，是一套具有真实性、直观性、网络性、安全性、多功能的实践教学系统，可用于教育教学，同时，也可用于实际的供水系统；该系统为机电类实践教学和教师科研提供了良好的平台，能较好地兼顾实践教学和科研两方面的需求。

3、该系统采用了触摸屏和计算机控制，人机界面友好，可方便地实现现场和远程监控。

4、该系统汇集多项先进技术，能完成几十个项目的实训，如CC-Link现场总线实训、PLC的网络实训、PLC与变频器的通信实训以及PLC与变频器的综合控制实训等。

5、该系统是实际工程设备的微缩模型，是高水平的实践教学设备，又具有操作方便、使用安全、维护简便、可靠性和耐用性高等特点，稍加改造即可成为实际的供水系统。

6、实训操作平台上直观、形象地标识出了各信息的分布、功能、类型及相互关系，可使学生了解机械结构、元器件的布局和各电器的联接，能有效地提高了学生的学习效率。

7、各模块之间的通信通过软切换进行，避免了通信电缆的频繁插拔，保证了各电器之间的可靠通信，提高了实训效率。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1表示本发明的恒压供水群教学系统的结构示意图；

图2表示模拟供水系统的结构示意图；

图3表示实训操作平台的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的恒压供水群教学系统的结构示意图。本发明的恒压供水群教学系统包括供水监控中心、1#供水站、2#供水站、3#供水站。在恒压供水群教学系统中，供水站可扩展到64站。各供水站既可独立工作，实现小系统的压力恒定，又可通过CC—Link或RS485组成控制群，实现区域性供水管网的压力恒定，保证供水的可靠性和供水质量。

供水监控中心包括通信模块、网络模块和可编程逻辑器件PLC、计算机及触摸屏940GOT。计算机通过RS232和940GOT相连，940GOT通过RS422和PLC相连。网络模块与校园网和Internet网相连，可以实时进行在线远程查询和控制。通信模块通过CC—Link现场总线分别与1#供水站、2#供水站、3#供水站相连，通信模块还连接有终端电阻。可编程逻辑器件PLC为Q系列PLC，通信模块采用QJ61BT11N。供水监控中心可通过触摸屏和计算机组态软件进行远程监控，将整个系统的现场信息以数据、文本、图形等形式通过CC—Link现场总线实时呈现在触摸屏和计算机前，也可通过CC—Link现场总线的网络模块在校园网和Internet网上随时进行在线远程查询和控制。

1#供水站、2#供水站、3#供水站供均包括模拟供水系统、实训操作平台及现场监控系统。

现场监控系统通过现场的触摸屏和计算机组态软件进行现场监控，能将现场信息以数据、文本、图形等形式实时呈现在实训操作台前，可通过触摸屏和计算机组态软件随时进行在线查询和控制。现场可通过多个触摸屏监控画面和多个计算机组态监控画面进行监控。

在供水站中，通信模块采用FX2N-32CCL-M，PLC采用FX2N—48MR。每一供水站的通信模块通过CC-Link专用电缆(3芯屏蔽)与供水监控中心的通信模块及一个终端电阻相连，使供水监控中心的PLC和3套供水站的PLC组成恒压供水群教学系统的控制核心。在此基础上，通过各种硬件设备的连接及相应软件通信规则的设置，实现整个现场设备的通信；通过各种程序控制算法的编写，实现整个系统的自动化控制，从而实现恒压供水群的多级分布式控制和集中管理。

请参阅图2，为模拟供水系统的结构示意图。模拟供水系统包括三台水泵9、供水管网、上水箱15及下水箱16，以展示给学生一个真实的供水、用水环境。供水管网由PVC压力管组成，管网上设有磁触点压力表4、压力传感器5、温度传感器13、单向阀7、电磁阀2、手动球阀3、承压箱6及5个模拟用户。下水箱16采用不锈钢结构，下水箱16箱体上有进水口、出水口、液位传感器1和发热管(图未示)；上水箱15用透明有机玻璃制成，设有溢流水管12、排水管11、液位传感器1和防冲击档板10；供水泵9由3台高性能低功率水泵组成，进水端与下水箱16相连，出水端通过单向阀门7和流量传感器8、温度传感器13、承压箱6相连。这些元器件均采用工业级的器件，并通过巧妙的排列布置，学生可以很方便进行观测、操作，且直观易懂，将实验室中无法接触的工业器件、控制环节等形象地展现在学生面前，达到深化理论，增强实训效果和增加感性认识的目的。

图3为实训操作平台的示意图。实训操作平台包括了控制电器部分、通信软切换27、信息分布图22、信号源24、仪表25，学生能很快地掌握系统电器元件的布局，能很方便地进行系统的联接、编程、调试和操作。

控制电器部分包括PLC 30、A/D模块、D/A模块、AD/DA模块、变频器21、触摸屏26、接触器等。PLC 30作为整个控制的核心，是控制环节中必不可少的部分，负责处理各类逻辑和数字运算；A/D模块用于接收传感器的模拟输入信号，将模拟信号转换为数字信号送给PLC 30进行处理；D/A模块将PLC 30用于控制外部设备的数字量转化为模拟量，控制变频器21的输出频率；变频器21用于驱动水泵电动机的运行，通过接收D/A模块的控制信号实现水泵电动机的速度调节；触摸屏26、计算机33作为人机交互界面，用于发送各控制命令、参数设置及运行参数和状态显示等功能。

通信软切换27是PLC 30、变频器21、触摸屏26、RS485-BD模块及个人电脑之间进行异步通信的桥梁，能实现它们之间的相互通信，如PLC 30和电脑33通信，触摸屏26和电脑33通信，变频器21和电脑33通信，PLC30和触摸屏26通信，触摸屏26和变频器21通信，RS485-BD和变频器21通信，变频器21和它的DU单元通信等。软切换是一种没有触点的切换，避免了通信设备因热插拔造成的损坏，同时，能让烦琐的通信电缆的插拔联结工作只需用一个按钮就可以完成通信线路的切换，使通信电缆的联结变得简单、方便，节约了大量的时间，提高了实训效率。

信息分布图22是与实物对应的信息点分布图，信息分布图22标识出了各信息点所处的位置、功能、相互关系、信息类型，可使学生对该装置的机械结构、元器件布局、电气控制原理、元器件作用和联接方法有更为直观、形象、全面地了解，能有效地提高学生的学习兴趣和效率。在图3中，23是电源总开关，25是仪表，26是触摸屏，27是通信软切换，28是PLC输入端孔，29是按钮，31是PLC输出端孔，32是特殊模块端孔，33是电脑显示器，34是台面。

本发明恒压供水群教学系统的工作原理为：该系统三个供水站可分别作为一个独立的恒压供水系统。当系统的管网压力发生变化时，系统将通过调节变频器21的频率或水泵9台数来稳定管网压力。例如当管网压力减小且小于设定压力时，系统将增加变频器21的频率，甚至增加投入工频运行的水泵9数量；当管网压力增加且大于设定压力时，系统将降低变频器21的频率，甚至减少投入工频运行的水泵9数量，从而达到管网压力恒定。

该系统的供水监控中心和三个供水站(可扩展)可以组成区域性恒压供水群，实现一个大的区域的恒压供水。当其中的某一个供水站不能满足供水压力恒定(降低)时，供水监控中心将按照就近原则，利用CC-Link网络或RS485网络的控制功能，将利用联络管增加与之最近的供水站的变频器21频率或增加投入工频运行的水泵9数量来增加供水能力，从而实现区域的恒压供水。

本发明的恒压供水群教学系统是一套模拟实际的恒压供水系统的多功能实践教学设备，它涵盖了机电类专业学习所涉及的如电力拖动、PLC、变频器、触摸屏、传感器、模数/数模转换、现场总线、通信技术、网络技术流体技术及机械技术等多种技术，可以供机电类学生进行课程设计、毕业设计和顶岗实习，系统具有如下功能：

该系统可以进行恒压供水控制实训。该系统的每个供水站可以独立地作为一个小系统，完成由三台水泵组成的恒压供水控制，也可以由多个供水站组成一个大的供水群，完成一个区域性的恒压供水；

该系统可以进行CC—Link网络实训，系统可以通过主站通信模块、远程通信模块以及网络模块组成CC—Link网络，实现PLC与PLC之间的CC—Link通信；也可通过变频器通信模块、传感器通信模块等实现PLC与变频器、传感器等的CC—Link通信；

该系统可以进行RS485(或RS232)网络实训。系统可以通过RS485-BD(或RS232-BD)模块，实现PLC与PLC之间的1:1和1：N网络通信，也可以实现PLC与变频器之间的RS485(或RS232)网络通信；

其它实训功能。该系统不但可以完成单一项目的实训，如变频器实训、PLC实训、触摸屏实训以及其它单一模块的实训，还可完成综合实训项目，如PLC与其特殊功能模块的综合实训、PLC与变频器的综合实训、PLC与触摸屏的综合实训、变频器与触摸屏综合实训及PLC、变频器、触摸屏的综合实训等，除此之外，该系统也可面向工程实例的综合实训项目，如多段调速恒压供水实训、PID调节恒压(恒水位、恒流量)供水实训、中央空调循环水节能系统综合控制实训等。

Claims (8)

1、一种恒压供水群教学系统，其特征在于：所述系统包括供水监控中心及至少一供水站，所述供水监控中心包括通信模块、可编程逻辑器件、网络模块、触摸屏和计算机，通过网络模块与校园网和Internet网相连，供水监控中心的可编程逻辑器件、触摸屏和计算机依次相连，所述供水站包括模拟供水系统、实训操作平台，所述实训操作平台包括可编程逻辑器件、变频器、触摸屏、计算机、模数处理模块和通信模块，供水监控中心及供水站通过其各自的通信模块相连；

所述实训操作平台还包括控制电器部分、通信软切换、信息分布图、信号源及仪表；

所述控制电器部分包括可编程逻辑器件、A/D模块、D/A模块、AD/DA模块、变频器、触摸屏、计算机，可编程逻辑器件负责处理各类逻辑和数字运算；A/D模块用于接收模拟供水系统中的传感器的模拟输入信号，将模拟信号转换为数字信号送给可编程逻辑器件进行处理；D/A模块将可编程逻辑器件用于控制外部设备的数字量转化为模拟量，控制变频器的输出频率；变频器用于控制模拟供水系统水泵电动机的运行速度，通过接收D/A模块的控制信号实现模拟供水系统水泵电动机的速度调节；触摸屏作为人机交互界面，用于发送各控制命令、参数设置及运行参数和状态显示；计算机通过组态软件进行监控。

2、如权利要求1所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述供水监控中心的通信模块及供水站通信模块通过CC—Link或RS485相连。

3、如权利要求1或2所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述恒压供水群教学系统还包括两个终端电阻，所述供水监控中心的通信模块与一个终端电阻相连，供水站中最后一个供水站的通信模块与另一个终端电阻相连。

4、如权利要求1或2所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述模拟供水系统包括水泵、供水管网、上水箱及下水箱，供水管网上设有磁触点压力表、压力传感器、温度传感器、单向阀、电磁阀、手动球阀和承压箱，供水泵进水端与下水箱相连，出水端通过单向阀和流量传感器、温度传感器、承压箱及至少2个模拟用户相连。

5、如权利要求4所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述下水箱采用不锈钢结构，下水箱箱体上有进水口、出水口、液位传感器和发热管，上水箱用透明有机玻璃制成，设有溢流水管、排水管、液位传感器和防冲击档板。

6、如权利要求1或2所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述供水监控中心的可编程逻辑器件为Q系列可编程逻辑器件，通信模块采用QJ61BT11N。

7、如权利要求1或2所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述供水站的通信模块采用FX2N-32CCL-M，可编程逻辑器件采用FX2N一48MR。

8、如权利要求1或2所述的恒压供水群教学系统，其特征在于：所述供水站可扩展到64站。

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