CN104020679A - 一种工控实验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工控实验机及其实验机体，该工控实验机包括实验机体，以及设于所述实验机体上的控制器、开关电路板、指示灯电路板、数/模转换板、模拟量电压信号板、人机界面；本发明所提供的工控实验机中内部电路采用电路板形式，并且将各部分进行模块化电路板处理，通过电路板模块化的形式实现了实验机的各项功能，电路板具有高度集成化处理能力，可以减少内部电路之间的大量接线，不仅大大减少了故障发生的几率，而且实验机内部电路比较整洁，并且电路板之间的组合比较灵活。另外，电路板模块化高度集成的形式，在一定程度上大大减小了实验机的体积，便于携带。

Description

一种工控实验机

技术领域

本发明涉及实验测试技术领域，特别涉及一种工控实验机。

背景技术

工业自动化的发展正在向全面信息化、集成化发展。在工业自动化系统中，核心组成部分之一是可编程逻辑控制器(PLC)。现如今的PLC已经从原先单纯逻辑控制逐渐向通信、信息化发展。

在现有技术中，涉及可编程逻辑控制器的实验装置有如下不足：

第一、现有工控实验装置所采用的PLC型号比较陈旧，只能实现基本的逻辑控制。在控制性能、通信方面、工业总线、Web功能、配套组态软件方面均已不能够满足当今技术发展的需求；

第二、现有工控实验装置的开孔和外形设计只适应老型号控制器，可扩展性和适应性不足。最新面世的控制器和控制模块无法应用于现有存量的试验台或实验设备；

第三、现有工控实验装置内部设计基本上采用直接接线方式。内部接线较为复杂混乱、容易出现故障且不方便维护。一旦出现内部电缆接触不良，很难排查问题；

第四、现有工控实验装置由于内部设计封闭，只能作为实验装置，实验装置无法实现控制现场实际设备，即：其配备的控制器只能与此装置配套的实验装置(如开关量、电位器、电压表等)进行关联控制，无法实现一机两用，实用性较差；

第五、现有工控实验装置几乎未配备PID实验功能，无法仿真被控对象。而少有的配置此控制功能，其成本也将较为高昂。PID控制是工业控制中非常重要的控制功能，也是工业自动化领域里非常核心的控制功能。现有装置无法实现较为经济的PID实验环境和装置。

第六、现有工控实验装置重量和体积都偏大，便携性差。对于实验功能较全的装置大都设计成为实验台。此类实验台只能用于实验室或工作室，无法实现便携操作。对于可装在手提箱内的实验台，由于无法达到高集成度，从而在功能上受限，只能完成基本的数字量开关控制，或模拟量的简单模拟控制。

因此，如何提供一种工控实验机，该工控实验机具有完善的功能、最新的技术集成、便于维护、扩展性强，便携性强，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种工控实验机，该工控实验机集成化程度比较高，功能完善，且组合灵活、体积比较小，便于携带。

为解决上述技术问题，本发明提供一种工控实验机，该工控实验机包括实验机体，以及设于所述实验机体上的控制器、开关电路板、指示灯电路板、数/模转换板、模拟量电压信号板、人机界面；

开关电路板，设有用于模拟工业实际信号的若干开关，并集成有与各所述开关连接的电路，所述电路将所述开关的模拟信号传递于所述控制器；

指示灯电路板，设置有用于标识所述开关电路板的开关状态的指示灯，以及集成有与各所述指示灯连接的电路，所述电路将所述控制器的控制指令传递于各所述指示灯；

控制器，用于接收所述开关电路板的模拟信号并根据内部加载模块发出相应控制指令；

数/模转换板，集成有转换电路，所述转换电路用于实现所述开关电路板与所述控制器、所述控制器与所述指示灯电路板之间数字量信号和模拟量信号的转换和传递；

模拟量电压信号板，集成有电位器、电压表以及电阻电路，所述电阻电路用于将所述电位器的阻值转化为电压信号传递于所述控制器，并将所述控制器的电压显示指令传递于电压表。

人机界面，根据所述控制器的控制指令显示所述模拟信号。

优选地，所述数/模转换板、所述控制器、所述开关电路板、所述指示灯电路板、所述模拟量电压信号板均设置有排线座，各连接部件之间通过排线插接连接。

优选地，所述数/模转化模块中排线座的组数大于所述开关电路板的组数。

优选地，所述开关电路板中开关的功能至少包括置位功能和自复位功能，其中，处于所述自复位功能的开关用于模拟脉冲信号。

优选地，所述人机界面为人机交互界面，设置有与所述控制器进行相互通信的所述虚拟操作单元。

优选地，还包括PID温度调控模块，所述PID温度调控模块包括以下部件温控目标、温控部件以及温控电路板；

所述温控部件，用于检测所述温控目标的温度；

所述温控电路板，集成有功率放大电路，所述控制器的电压控制信号通过所述功率放大电路转换为适合所述温控部件工作的功率。

优选地，所述温控目标为温控对象电路板所述温控部件设于所述温控对象电路板上，用于调节所述温控对象电路板内的温度。

优选地，所述温控部件包括加热电阻和散热风扇，所述加热电阻集成于所述温控对象电路板的内部，所述散热风扇安装于所述温控对象电路板上，通过所述温控对象电路板内部设置的电路连接所述温控电路板。

优选地，还包括设置于所述实验机体上的温度显示表，所述温控对象电路板上还设置有温度检测器，所述温度检测器通过所述温控对象电路板内设置的电路连接外部的所述温度显示表。

优选地，所述温控目标为温控盒，所述温控部件设置与所述温控盒的内部，用于调节诶所述温控盒的内部温度。

优选地，所述温控电路板上设置有连接信号线的端子和排线座，所述温控电路板通过所述端子与所述控制器连接；或所述温控电路板通过所述排线座连接所述数/模转换电路板，进而与所述控制器连接。

优选地，所述实验机体为后侧敞开的非封闭式盒体结构，所述实验机体包括前面板和连接于所述前面板四周的上围板、两个侧围板、下围板，所述前面板、两所述侧围板、所述下围板围成的所述盒体。

优选地，所述开关电路板、指示灯电路板、数/模转换板、模拟量电压信号板置于所述盒体内，所述控制器固定于所述上围板的上表面。

优选地，所述上围板包括水平部和向上的竖直部，所述控制器固定于所述竖直部的前表面，所述水平部上设置有排线孔。

优选地，所述竖直部的上边缘还具有预定长度的折弯部。

优选地，两所述侧围板上还开设有若干散热孔。

优选地，所述前面板上设置有与所述人机界面匹配的安装孔，以及各所述指示灯的显示孔、各所述开关的安装孔。

本发明所提供的工控实验机中内部电路采用电路板形式，并且将各部分进行模块化电路板处理，通过电路板模块化的形式实现了实验机的各项功能，电路板具有高度集成化处理能力，可以减少内部电路之间的大量接线，不仅大大减少了故障发生的几率，而且实验机内部电路比较整洁，并且电路板之间的组合比较灵活。另外，电路板模块化高度集成的形式，在一定程度上大大减小了实验机的体积，便于携带。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例中工控实验机的结构示意图；

图2为图1所示工控实验机的后视图；

图3为图1所示工控实验机的侧视图；

图4为本发明一种具体实施例中工控实验机各部件的安装位置布局；

图5为本发明一种具体实施例中工控实验机的工作原理示意图；

图6为本发明一种具体实施例中PID温度调控模块的控制对象装置图；

图7为本发明一种具体实施方式中实验机体的结构示意图。

其中，图1-图6中附图标记和部件名称之间的一一对应关系如下所示：

1实验机体、11前面板、11a安装孔、11b显示孔、11c安装孔、11d第一调节钮安装孔、11e第二调节钮安装孔、11f显示孔、11g安装孔、12上围板、12a排线孔、121水平部、122竖直部、123弯折部、13侧围板、13a散热孔、14下围板、2控制器、3数/模转换板盒、4人机界面、5散热风扇、7加热电阻。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种工控实验机，该工控实验机集成化程度比较高，功能完善，且组合灵活、体积比较小，便于携带。另外，本发明的另一目的为提供一种实验机体。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施例工控实验机的结构示意图；图2为图1所示工控实验机的后视图；图3为图1所示工控实验机的侧视图；图4为本发明一种具体实施例中工控实验机各部件的安装位置布局；图5为本发明一种具体实施例中工控实验机的工作原理示意图。

本发明提供了一种工控实验机，该工控实验机包括实验机体1，实验机体1主要是对实验各部件起到安装固定的作用，实验机体1上设置有控制器2、开关电路板A02、指示灯电路板A01、数/模转换板、模拟量电压信号板A03、人机界面4。

开关电路板A02，设有用于模拟工业实际信号的若干开关，开关电路板A02还集成有与各所述开关连接的电路，所述电路将各开关的模拟信号传递于所述控制器2。开关的数量可以根据实际需要设定，例如以图4为例，开关电路板A02上的开关数量为8，分别为SW1-SW8，可完成8路数字量给定信号。

指示灯电路板A01，设置有用于标识所述开关电路板A02的开关状态的指示灯，以及集成有与各所述指示灯连接的电路，所述电路将所述控制器2的控制指令传递于各所述指示灯；一般地，指示灯与开关一一对应，指示灯的数量与开关的数量一致，以具有8个开关的开关电路板A02为例，指示灯的数量也为8个，可实现8路数字量信号指示，指示灯可以为LED灯，分别标记为LED1-LED8。

控制器2，用于接收所述开关电路板A02的模拟信号并根据内部加载模块发出相应控制指令；控制指令包括指示灯显示指令、显示模拟信号于人机界面4上的控制指令以及其他控制指令。

数/模转换板，集成有转换电路，所述转换电路用于实现所述开关电路板A02与所述控制器2、控制器2与所述指示灯电路板A01之间数字量信号和模拟量信号的转换和传递；具体地，数/模转换板包括数字量转换板B01和模拟量转换板B02，数字量转换板B01设有数字量输入和输出端口，模拟量转换板B02设置有模拟量信号输入和输出端口。

模拟量电压信号板A03，集成有电位器、电压表C01、C02以及电阻电路，所述电阻电路用于将所述电位器的阻值转化为电压信号传递于所述控制器2，并将所述控制器2的电压显示指令传递于电压表C01、C02。

人机界面4，根据所述控制器2的控制指令显示所述模拟信号。

本发明所提供的工控实验机中内部电路采用电路板形式，并且将各部分进行模块化电路板处理，通过电路板模块化的形式实现了实验机的各项功能，电路板具有高度集成化处理能力，可以减少内部电路之间的大量接线，不仅大大减少了故障发生的几率，而且实验机内部电路比较整洁，并且电路板之间的组合比较灵活。另外，电路板模块化高度集成的形式，在一定程度上大大减小了实验机的体积，便于携带。

上述数/模转换板、开关电路板A02、指示灯电路板A01、数/模转换板、模拟量电压信号板A03可以均为PCB电路板，数量可以为一个，也可以为两个，或更多数量。

进一步地，数/模转换板、控制器2、开关电路板A02、指示灯电路板A01、模拟量电压信号板A03均设置有排线座J1、J2、J3、J4、J5，排线上设置于与相应排线座相匹配的插头，各连接部件之间通过排线插接连接。需要说明的是，J1-J5仅代表排线座的示意结构图，并不代表实际的排线座结构，各电路板上的排线座形式可以根据需要，分别进行设计具体结构。

各电路板之间通过排线连接，便于部件之间的拆装，尤其对于数/模转换板与控制器2直接通过可拆的排线10连接，这样，可以将数/模转换板连接至控制器2的信号组线(DB9针型和DB37针型插头)的排线与工控实验机的控制器2断开，将该信号组线连接至外部PLC控制器2等控制模块，实现通过工控实验机上的操作实验台装置，来对外部PLC硬件进行实验操作。

相反，将工控实验机的控制器2与数/模转换板的信号组线的排线插头断开，转而连接外部端子板，同时将实际现场设备连接至此端子板，即可实现工控实验机的控制器2与外部现场设备对接，实现通过工控实验机上的控制器2控制实际设备。

这样，实现了模拟实验和操作实际设备一机两用，而且操作极为简便。

进一步地，在上述各实施例的基础上，上述数/模转化模块中排线座的组数大于所述开关电路板A02的组数，需要说明的是，本文将一个开关电路板A02定义为一组。以开关电路板A02的开关输入信号为8路为例，8路为一组，数字量转换板B01上可设置2组8路共16路数字量输入信号、2组8路共16组数字量输出信号，可通过排线分别连接两组指示灯电路板A01、两组开关电路板A02，并将排线连接来的信号转换为DB37针型插头，此插头用于连接控制器2。在该工控实验机中，由于数字量输入信号设计为8路，故数/模转化模块只需接1组开关电路板A02和指示灯电路板A01，空余的1组可以用于功能扩展预留。

同理，模拟量转换板B02上可通过排线接收2组(16路)模拟量输入信号和2组(16路)模拟量输出信号，连接来的信号可以转换为DB9针形插头，该插头连接控制器2使用。其中1组连接指示灯电路板A01后，还剩余1组(8路)用于功能扩展预留。

在本文一种具体实施例中数字量转换板B01的数量为一个，模拟量转换板B02的数量为两个，请参考图2，相应数/模转换板盒上具有与数字量转换板B01、模拟量转换板B02相对应的开孔B01-J1、B02-J1。

上述各实施例中的开关电路板A02中开关的功能至少包括置位功能和自复位功能，其中，处于所述自复位功能的开关用于模拟脉冲信号；这样可以充分仿真工业实际的信号类型。

当然，上述各实施例中人机界面4可以为人机交互界面，设置有与所述控制器2进行相互通信的虚拟操作单元。

请参考图6，图6为本发明一种具体实施例中PID温度调控模块的控制对象装置图。

上述各实施例中，工控实验机还进一步包括PID温度调控模块，所述PID温度调控模块包括以下部件：温控对象电路板A07、温控部件以及温控电路板A06，温控部件设于温控对象电路板A07上，用于调节温控对象电路板A07上的温度；温控电路板A06，集成有功率放大电路，控制器2的控制指令通过所述功率放大电路转换为适合温控部件工作的功率。

本实施方式中通过温控电路板A06可以对控制器2发出的控制温控部件的电压控制信号进行接收、放大其功率与驱动能力，实现了通过电压控制信号，对温控部件进行调压控制。

具体地，工控实验机还可以包括设置于温控对象电路板A07，温控部件包括加热电阻7和散热风扇5，加热电阻7和散热风扇5集成安装于温控对象电路板A07上，通过温控对象电路板A07内部设置的电路连接温控电路板A06。

进一步地，为了使测试人员更直观的了解温控对象电路板A07上的温度，工控实验机还可以包括设置于实验机体1上的温度显示表C01，所述温控对象电路板A07上还设置有温度检测器，温度检测器通过所述温控对象电路板A07内设置的电路连接外部的所述温度显示表C01，温度检测器将检测到的温控对象电路板A07上的温度显示于温度显示表C01上，温度检测器可以包括感温电阻PT100和温度变送器，温度变送器主要是将感温电阻PT100的电流信号转化为电压信号，进而传送给控制器2，温度检测器也可以为带传感器的温度变送器。

在另一种具体实施方式中，温控目标可以为温控盒，温控部件设置与所述温控盒的内部，用于调节所述温控盒的内部温度。该实施方式设置比较简单。

进一步地，温控电路板A06上可以设置有连接信号线的端子和排线座J1-J4，温控电路板A06通过端子与控制器2连接；或温控电路板A06通过排线座连接数/模转换电路板，进而与控制器2连接。

PID温度调控模块还可以进一步设有开关、加热显示灯等部件，实验机体1上相应设有安装孔11c、显示孔11b。

请参考图7，图7为本发明一种具体实施方式中实验机体的结构示意图。

上述各实施例中，实验机体1可以为后侧敞开的非封闭式盒体结构，实验机体1包括前面板11和连接于前面板11四周的上围板12、两个侧围板13、下围板14，前面板11、两侧围板13、下围板14围成的盒体。便于实验机体1与外部现场设备接线。

在一种具体的实施方式中，开关电路板A02、指示灯电路板A01、数/模转换板、模拟量电压信号板A03置于盒体内，控制器2固定于上围板的上表面。这样在一定程度上可以优化工控实验机内部各模块的布置。

在一种优选的实施方式中，上围板12可以包括水平部121和向上的竖直部122，控制器2固定于竖直部122的前表面，水平部121上设置有排线孔12a。这样，连接控制器2的排线10可以直接穿过排线孔12a连接处于下端数/模转换板盒3内的数/模转换板，优化布线方式，使工控实验机的布线更加整洁。

进一步地，为了工控实验机便于携带，竖直部122的上边缘还具有预定长度的折弯部123，折弯部123形成携带的提手。

为了尽可能提高工控实验机内部的各电路板的使用寿命，两侧围板13上还开设有若干散热孔13a，即可及时散发各电路板的工作热量，又在一定程度上增加了工控实验机的美观性。

对于带有散热风扇5的工控实验机，实验机体1上还可以在散热风扇5位置设置有散热孔13a。

本文中给出了一种具体的实验机体1的设置结构，整个实验机体1的外观和结构需要从便携性、结构强度、美观、操作方便等多方面综合考虑。整体尺寸大小高440mm(包含胶座),宽440mm,深170mm(盒体深度尺寸)。金属材质采用铝板材质，表面喷涂75B05色标。整体金属框架控制在3公斤以下，安装好模块后的整体重量控制在5公斤以下。

实验台正面右下侧是操作面板，操作面板尺寸宽190mm,高166mm。在操作面板中包含内容分别为电路板安装孔、加热开关和指示灯、温度显示表C01、风扇通风孔、上下分布的两个电位器、上下分布的两个数字电压表C02、C03，绿色LED竖直排列的指示灯(LED1-8)8路竖直排列的开关，此开关同时具有置位和自复位两种功能。

当然，上述各实施例中前面板11上设置有与人机界面4匹配的安装孔11a，以及各指示灯的显示孔11f、各开关的安装孔11g。实验机体1安装控制器2的尺寸空间可以尽量设计比较大，使其能够适合各种型号控制器2的安装。以西门子最新推出的控制器S7-1500为例，此实验台可完全适应其安装空间。

同时，此实验台还设计有转换架，可根据需求加载安装，并可以安装工业领域中最通用的35mmDIN导轨。在总线通信方面，此实验台可以安装最新的远程IO通信模块，如西门子ET200SP，可实现工业以太网实时通信。安装有工业以太网交换机，实现各设备以太网总线通信。

在人机界面4方面，控制预留可以安装7寸宽屏操作屏。以西门子最新推出的精致系列操作屏TP700为例，此实验台可完全适应其安装空间。

以上对本发明所提供的一种工控实验机及其实验机体进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (17)

1.一种工控实验机，其特征在于，该工控实验机包括实验机体，以及设于所述实验机体上的控制器、开关电路板、指示灯电路板、数/模转换板、模拟量电压信号板、人机界面；

开关电路板，设有用于模拟工业实际信号的若干开关，并集成有与各所述开关连接的电路，所述电路将所述开关的模拟信号传递于所述控制器；

指示灯电路板，设置有用于标识所述开关电路板的开关状态的指示灯，以及集成有与各所述指示灯连接的电路，所述电路将所述控制器的控制指令传递于各所述指示灯；

控制器，用于接收所述开关电路板的模拟信号并根据内部加载模块发出相应控制指令；

数/模转换板，集成有转换电路，所述转换电路用于实现所述开关电路板与所述控制器、所述控制器与所述指示灯电路板之间数字量信号和模拟量信号的转换和传递；

模拟量电压信号板，集成有电位器、电压表以及电阻电路，所述电阻电路用于将所述电位器的阻值转化为电压信号传递于所述控制器，并将所述控制器的电压显示指令传递于电压表。

人机界面，根据所述控制器的控制指令显示所述模拟信号。

2.如权利要求1所述的工控实验机，其特征在于，所述数/模转换板、所述控制器、所述开关电路板、所述指示灯电路板、所述模拟量电压信号板均设置有排线座，各连接部件之间通过排线插接连接。

3.如权利要求2所述的工控实验机，其特征在于，所述数/模转化模块中排线座的组数大于所述开关电路板的组数。

4.如权利要求1所述的工控实验机，其特征在于，所述开关电路板中开关的功能至少包括置位功能和自复位功能，其中，处于所述自复位功能的开关用于模拟脉冲信号。

5.如权利要求1所述的工控实验机，其特征在于，所述人机界面为人机交互界面，设置有与所述控制器进行相互通信的虚拟操作单元。

6.如权利要求1至5任一项所述的工控实验机，其特征在于，还包括PID温度调控模块，所述PID温度调控模块包括以下部件：温控目标、温控部件以及温控电路板；

所述温控部件，用于检测所述温控目标的温度；

所述温控电路板，集成有功率放大电路，所述控制器的电压控制信号通过所述功率放大电路转换为适合所述温控部件工作的功率。

7.如权利要求6所述的工控实验机，其特征在于，所述温控目标为温控对象电路板所述温控部件设于所述温控对象电路板上，用于调节所述温控对象电路板内的温度。

8.如权利要求7所述的工控实验机，其特征在于，所述温控部件包括加热电阻和散热风扇，所述加热电阻集成于所述温控对象电路板的内部，所述散热风扇安装于所述温控对象电路板上，通过所述温控对象电路板内部设置的电路连接所述温控电路板。

9.如权利要求7所述的工控实验机，其特征在于，还包括设置于所述实验机体上的温度显示表，所述温控对象电路板上还设置有温度检测器，所述温度检测器通过所述温控对象电路板内设置的电路连接外部的所述温度显示表。

10.如权利要求7所述的工控实验机，其特征在于，所述温控目标为温控盒，所述温控部件设置与所述温控盒的内部，用于调节所述温控盒的内部温度。

11.如权利要求6所述的工控实验机，其特征在于，所述温控电路板上设置有连接信号线的端子和排线座，所述温控电路板通过所述端子与所述控制器连接；或所述温控电路板通过所述排线座连接所述数/模转换电路板，进而与所述控制器连接。

12.如权利要求1至5任一项所述的工控实验机，其特征在于，所述实验机体为后侧敞开的非封闭式盒体结构，所述实验机体包括前面板和连接于所述前面板四周的上围板、两个侧围板、下围板，所述前面板、两所述侧围板、所述下围板围成所述盒体。

13.如权利要求12所述的工控实验机，其特征在于，所述开关电路板、指示灯电路板、数/模转换板、模拟量电压信号板置于所述盒体内，所述控制器固定于所述上围板的上表面。

14.如权利要求13所述的工控实验机，其特征在于，所述上围板包括水平部和向上的竖直部，所述控制器固定于所述竖直部的前表面，所述水平部上设置有排线孔。

15.如权利要求14所述的工控实验机，其特征在于，所述竖直部的上边缘还具有预定长度的折弯部。

16.如权利要求12所述的工控实验机，其特征在于，两所述侧围板上还开设有若干散热孔。

17.如权利要求12所述的工控实验机，其特征在于，所述前面板上设置有与所述人机界面匹配的安装孔，以及各所述指示灯的显示孔、各所述开关的安装孔。