CN101281694A - 自动控制模块化教学实训装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动控制模块化教学实训装置。本装置的基板上安装有电源及各个控制单元，各控制单元是：PLC单元、传感器检测单元、继电接触器控制单元、电机单元、触摸屏、传送带单元，构成各个单元的各电器元件均有端线引脚或者在基板上对应安装有接线端子板。本装置可以组合出几十种不同的实际操作训练题目，即可构成小的控制系统，也可以构成较大规模的控制系统，而且可以实现多台装置的联网和通信。本装置非常有利于学生的理论学习和动手能力的培养，它以PLC技术为核心且带动了相关学科的学习，为系统学习自动化控制起到了积极作用，为培养工业自动化应用技术人才提供了一个平台，是一套融合实验、实训及综合开发的培训装置。

Description

自动控制模块化教学实训装置

技术领域

本发明涉及教学教具，尤其是一种自动控制模块化教学实训装置。

背景技术

随着近年来我国制造业、加工业的快速发展，尤其是在数控、冶金、石化、电力以及食品加工等行业中，以可编程逻辑控制器(PLC)为核心，辅以变频器、交流电机、步进电机、传感器、触摸屏及各种低压电器组成的自动化控制系统在各种大、中型设备的运行中无处不在，这些自动化控制系统的普及实现了对不同设备的检测、监视、调节和控制。但操作自动化控制系统需要大量熟练掌握自动化技术和设备操作、维护的高素质技能人才。目前我国高校本科及高职院校自动化、机电等专业，讲授PLC技术以及相关学科知识，大多仍停留在理论教学层面上，学校开设的一些实验和实训课程中，学生缺少真正的动手机会，距离培养以PLC为核心技术的应用性人才相距甚远。根据对相关院校的调查，过去PLC课程实验大多在模拟实验台上进行，该模拟实验台由PLC以及一些发光二极管构成，发光二极管用来模拟执行机构，即通过发光二极管的亮与灭来表征电机的转与停；输入信号(如传感器信号)均采用按钮代替，学生根据题目中的控制的要求编写程序，然后通过按钮和发光二极管的通、断来验证程序的执行结果；而与PLC技术紧密相关的变频器控制、步进电机、传感器、触摸屏等重要技术一般只能作理论讲授，无法通过实验实现。目前，除验证性的实验教学设备以外，我国一些教学设备公司开发了一些具有一定实践性的自动控制教学设备，为实践教学设备的缺失起到了弥补作用。但该类设备仍然存在以下几方面的问题：

1.设备技术单一

该自动控制教学设备，通常是根据某一自动化小系统，在满足基本教学要求情况下而仿制的，因此具有一定的专门性。比如一个机械手，虽然有较完备的检测和控制技术，但基本功能就是抓紧、松开和旋转，所用电器类型有限，不涉及触摸屏技术、变频调速技术；又如某材料分捡装置，虽然涵盖了PLC、传感器、气动等技术，但没有涉及到变频调速、步进控制、触摸屏等技术；又如某组合式多层电梯模型虽然涉及了变频调速、触摸屏技术，但所使用的传感器类型单一，而且不涉及步进控制技术以及气动控制技术等。由此可见市场上出售的教学设备由于控制方式固定，涉及的控制技术领域狭窄。使得整个学习过程比较单一，不能帮助学生从更广泛的意义了解和认识工业自动化。

2.实际操作机会有限

该自动控制教学设备，一般是电器类型固定、结构固定、接线固定，不允许学生随意拆卸或组合。由此可见，这样的专用设备不能为学生提供真正的动手操作。学生的所谓实践，实际只能利用现有设备练习程序的编写和调试。

此外，由于受到技术保密和专利保护的限制，目前教学设备公司开发出的自动控制教学设备品种非常有限，远远不能满足教学要求。

3.价格昂贵

该自动化控制教学设备是仿真开发，因此，设计成本、尤其机械部分的加工成本比较高，使设备整体价格大幅度增加。少则几万元，动辄几十万元，甚至更高。学校一般只购买一两台，多则三四台作为教学演示，不能满足学生的实训要求。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种结构简单、成本低廉、各模块可自由组合且完全可仿真工业现场并融合实验、实训及综合开发的自动控制模块化教学实训装置。

本发明采取的技术方案是：

一种自动控制模块化教学实训装置，在基板上安装有电源及各个控制单元，其特征在于：所述的基板上安装的控制单元是：PLC单元、传感器检测单元、继电接触器控制单元、电机单元、触摸屏、传送带单元，构成各个单元的各电器元件均有端线引脚或者在基板上对应安装有接线端子板。

而且，所述的传感器检测单元由电容传感器、电感传感器、颜色传感器、旋转编码器、光栅传感器组成。

而且，所述的继电接触器控制单元由三相四线断路器、熔断器、交流接触器、热继电器、时间继电器、按钮、指示灯、急停按钮、蜂鸣器组成。

而且，所述的电机单元由三相交流电机和变频器组成或步进电机和驱动器组成，或由二者共同组成。

而且，所述的传送带单元由皮带传动机构组成。

而且，所述的电源单元采用开关型电源，输出电压为24V、正负12V和正负5V。

本发明的优点和积极效果是：

1.本装置中全部电器元件采用裸接形式，以供学生进行接线操作。为避免因接线造成电器端线的损坏，全部电器端线可被引到附近设置的接线端子，基板面上提供用于走线的线槽。学生通过动手操作，能够了解和认识不同电器元件的结构和工作特点，进一步掌握它们的工作原理和电器设备的接线，并且学习和掌握PLC软件、触摸屏软件、变频器及组态软件。学生可以按照实际的需要进行自动化的系统设计，在动手过程中体验工程实践。本装置可将提供的各种电器元件进行适当组合，形成不同功能的自动化系统，并且可大可小。

2.本装置可进行设备单元式训练，如触摸屏技术训练、各种传感器检测训练、变频器控制技术训练等；也可以进行设备单元组合式训练，如触摸屏、步进电机与PLC组合控制训练或者传感器检测、三相电机与变频器及PLC组合调速训练等等；还可以将各种传感器、传送带、触摸屏、步进电机、变频调速、低压电器以及PLC、组态软件等组成复杂的控制系统，并且多台实训装置进行联网和通信，形成小规模的集散控制系统。

3.本装置涉及PLC技术、触摸屏技术、变频器技术、传感器技术、电机控制技术及计算机组态软件监控技术，集自动控制技术于一身，各种电器及设备均为市售，并且采用模块式配置，整套装置新颖灵活，安全可靠，并可扩展，而且成本远远低于目前市场出售的自动控制教学设备。

4.本装置可以组合出几十种不同的实际操作训练题目，即可构成小的控制系统，也可以构成较大规模的控制系统，而且可以实现多台装置的联网和通信。本装置非常有利于学生的理论学习和动手能力的培养，它以PLC技术为核心且带动了相关学科的学习，为系统学习自动化控制起到了积极作用，为培养工业自动化应用技术人才提供了一个平台，是一套融合实验、实训及综合开发的培训装置。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的立体图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

本自动控制模块化教学实训装置的基板1上安装有电源11及各个控制单元，控制单元是：PLC单元18、传感器检测单元、继电接触器控制单元、电机单元、触摸屏21、传送带单元。其中，传感器检测单元由传感器支架3(共三个，其它未标出)、旋转编码器29、电容传感器30、电感传感器31、颜色传感器32、光栅传感器发射端10、光栅传感器接收端28组成；继电接触器控制单元由三相四线断路器12、交流接触器13、热继电器14、熔断器15(共三个，其它未标出)、时间继电器16、急停按钮22、按钮23(共五个，其它未标出)、指示灯25(共四个，其它未标出)、蜂鸣器26及按钮支撑架24和指示灯支撑架27组成；电机单元由步进电机6、步进电机支撑座4、步进电机驱动器19或三相交流电机9、三相交流电机减速机构8和变频器17构成，或者由二者共同构成；传送带单元由传送带2、传送带支撑架7(共四个，其它未标出)、传送带主动轮33和传送带从动轮34组成；电源采用开关型电源，其输出电压为24V、正负12V和正负5V。

本自动控制模块化教学实训装置的各单元中的各电器元件均有端线引脚，但频繁的使用易造成各电器元件端线的损坏。全部电器端线还可以被引到附近设置的接线端子板5(其它未标出)，这样使用者操作时只需连接各接线端子板以构成实验系统。基板上设置有线槽35用于走线。

在基板上还可以安装气动单元20，气动单元由二联体带气压表、圆柱气缸、快接头、汇流板、限流器、电磁阀、磁性开关等组成，该气动单元不仅可使学生了解并掌握各种气动元件的工作原理及各气动元件之间、气动元件与电磁阀之间如何进行协调和工作配合，而且气动单元可与基板上的其它电器单元配合使用以实现培训内容的扩展。因气动单元中的各电器元件及其连接方式为公知技术，附图中未画出。

当需要通过显示器显示数据或使用单片机及接口电路代替PLC进行控制时，可将相应的电路元件插接在基板的面包板上。基板上的电源为面包板提供24V、正负12V和正负5V电压以满足电路工作的需要。

各电器元件均为市场购买，PLC选用松下FPO-16T；触摸屏选用松下GT01；变频器选用松下VFO(0.4KW)；其它公司的相应电器元件均适用于本发明。

本装置每个控制单元既是一个模块，模块内的电器和设备可根据需要增减。采用不同模块组合可以完成不同的控制。因此，控制系统可大可小，可简可繁。在不到一平方米的实训平台上，可完成如下多种训练：

1.通过动手操作和测试，了解和认识各种不同电器及设备的结构、特点和使用，进一步掌握它们的工作原理。学习电器设备的正确接线。

2.进行软件学习和使用训练。包括PLC软件、触摸屏软件编程训练。

3.计算机组态监控技术训练。

4.进行模块式训练。

(1)传感器检测技术训练。如颜色传感器、电感传感器、电容传感器、光栅传感器检测技术训练。

(2)触摸屏应用训练。

(3)变频器控制训练。

(4)电动机驱动技术训练。如交流电机变频调速技术训练；步进电机控制训练：配合旋转编码器实现闭环反馈速度控制训练；定位检测训练；

(5)气动技术训练。

5.进行模块组合训练。如触摸屏、步进电机与PLC组合控制训练；三相电机与变频器及PLC组合调速训练；PLC采集旋转编码器信号进行位置、速度控制训练、PLC与气动装置组合训练等。

6.利用传动机构将传感器、气动元件、触摸屏、各种低压电器以及PLC等组合一起，构成多种复杂控制系统。将多台实训装置进行联网和通信，形成小规模的集散控制系统，由计算机组态软件进行监控。

将不同的模块合理组合，可以提出数十种实际操作训练题目。由于每个题目都是生产一线具体的、具有实际应用价值的典型控制。因此，实训教学可以采取“任务驱动”和“项目教学”。在教师的指导下，带领学生共同实施一个完整的“项目”。

本实施例中传送带单元位于基板的最上方，为了降低电磁干扰将触摸屏设置在基板的左下方，以确保其工作可靠。其它设备按附图位置依次安装在基板上。本实施例提供了一种各电器元件的布局方式，但其它的布局方式也可以实现本发明创造的目的。

Claims (6)

1、一种自动控制模块化教学实训装置，在基板上安装有电源及各个控制单元，其特征在于：所述的基板上安装的控制单元是：PLC单元、传感器检测单元、继电接触器控制单元、电机单元、触摸屏、传送带单元，构成各个单元的各电器元件均有端线引脚或者在基板上对应安装有接线端子板。

2、根据权利要求1所述的自动控制模块化教学实训装置，其特征在于：所述的传感器检测单元由电容传感器、电感传感器、颜色传感器、旋转编码器、光栅传感器组成。

3、根据权利要求1所述的自动控制模块化教学实训装置，其特征在于：所述的继电接触器控制单元由三相四线断路器、熔断器、交流接触器、热继电器、时间继电器、按钮、指示灯、急停按钮、蜂鸣器组成。

4、根据权利要求1所述的自动控制模块化教学实训装置，其特征在于：所述的电机单元由三相交流电机和变频器组成或步进电机和驱动器组成，或由二者共同组成。

5、根据权利要求1所述的自动控制模块化教学实训装置，其特征在于：所述的传送带单元由皮带传动机构组成。

6、根据权利要求1所述的自动控制模块化教学实训装置，其特征在于：所述的电源单元采用开关型电源，输出电压为24V、正负12V和正负5V。