CN108630052A

CN108630052A - 模块化实训设备

Info

Publication number: CN108630052A
Application number: CN201810471638.1A
Authority: CN
Inventors: 边娟鸽; 叶婷; 田卫明; 李宁; 麻玉川
Original assignee: Xian Aeronautical Polytechnic Institute
Current assignee: Xian Aeronautical Polytechnic Institute
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2018-10-09

Abstract

本发明公开了一种模块化实训设备，包括控制单元和被控对象单元；控制单元包括安装板，所述安装板正面设置有触摸屏、12V直流稳压电源、直流电源接线端子、EM231模块、扩展模块、控制器、输入输出接线端子、和24V直流稳压电源，安装板上设置有多个竖接线槽和横接线槽；被控对象单元包括基础单元训练系统、三级输送线训练系统、三工位小车训练系统、带倒计时交通灯训练系统、定量灌装训练系统和水箱温度与液位控制训练系统共六个相互独立的被控子单元。本发明集电气控制技术、PLC技术、传感器技术、组态技术、电工电子技术于一体，建了完整的自动化应用体系；既有开关量的控制还有模拟量的控制,满足了不断发展的实验教学需要。

Description

模块化实训设备

技术领域

本发明属于教学教具技术领域，具体涉及一种模块化实训设备。

背景技术

随着工控技术的飞速发展，PLC技术、组态控制技术在自动化领域发挥着来越重要的作用，这就要求所设计的教学项目将电气控制、PLC技术及组态技术融入一体，使学生从更广泛的、实际应用的角度学习和认识工业自动化，PLC教学作为高等学校一门工控基础课程也日益显示出其重要性。

目前市面上的PLC实训设备生产厂家比较多，但从教学的角度分析普遍都存在以下几个问题：第一：只用发光二极管模拟被控对象，只能进行验证性试验，不能进行外围设备连接和控制的难题；第二：原有设备只能进行单一的基本编程训练，没有良好的人机界面，无法实现可视化控制，不适应现阶段的管控一体化发展趋势；第三：控制对象单一，项目陈旧，且只有开关量的逻辑控制，涉及到模拟量的控制的非常少；第四：端口封装，但工作岗位要求学生从底部接线做起,这样致使我们的一体化教学起不到真正的零距离就业的目的,或者作用甚微。第五：该设备项目挂板与PLC固化一体，致使核心设备PLC不能移动，相对使用效率较降低，而且设备成套购买附加值较高，这样进一步增加了学校的教学成本。

发明内容

本发明的目的是提供模块化实训设备，解决了现有PLC教学设备端口封装、无法实现可视化控制、项目陈旧、项目挂板与PLC固化一体的问题。

本发明所采用的技术方案是，模块化实训设备，包括控制单元和被控对象单元；

控制单元包括安装板，所述安装板正面设置有触摸屏、12V直流稳压电源、直流电源接线端子、EM231模块、扩展模块、控制器、输入输出接线端子、和24V直流稳压电源，24V直流稳压电源与控制器连接为其供电，安装板上设置有多个竖接线槽和横接线槽；

被控对象单元包括基础单元训练系统、三级输送线训练系统、三工位小车训练系统、带倒计时交通灯训练系统、定量灌装训练系统和水箱温度与液位控制训练系统共六个相互独立的被控子单元。

本发明的特点还在于，

基础单元训练系统包括第一金属板，第一金属板正面上端和下端均设置有两个端子接线，第一金属板上设置有八个指示灯和八个按钮，控制器通过上端的端子接线与八个指示灯连接，控制器通过下端的端子接线与八个按钮连接，控制器与触摸屏连接。

三级输送线训练系统包括第四金属板，第四金属板上固定有拖动第一级输送线运行的第一级输送带电机M1、拖动第二级输送线运行的第二级输送带电机M2、拖动第三级输送线运行的第三级输送带电机M3、实现M1正转的第一中间继电器、实现M1反转的第二中间继电器、实现M2正转的第三中间继电器、实现M2反转的第四中间继电器、实现M3正转的第五中间继电器、实现M3反转的第六中间继电器、M1手动正转按钮、M1手动反转按钮、M2手动正转按钮、M2手动反转按钮、急停按钮、第四启动按钮、M3手动正转按钮、M3手动反转按钮、第四手动/自动切换旋转开关、第四停止按钮，第一级输送带电机M1与第一中间继电器和第二中间继电器分别连接，第二级输送带电机M2与第三中间继电器、第四中间继电器分别连接，第三级输送带电机M3与第五中间继电器、第六中间继电器分别连接；控制器分别与触摸屏、第一中间继电器、第二中间继电器、第三中间继电器、第四中间继电器、第五中间继电器、第六中间继电器、M1手动正转按钮、M1手动反转按钮、M2手动正转按钮、M2手动反转按钮、急停按钮、第四启动按钮、M3手动正转按钮、M3手动反转按钮、第四手动/自动切换旋转开关、第四停止按钮。

三工位小车训练系统包括第六金属板，第六金属板上固定有判断小车是否到达1号位的1号工位近接开关、判断小车是否到达2号位的2号工位近接开关、判断小车是否到达3号位的3号工位近接开关、驱动小车的直流电机、实现小车左行的第一继电器、实现小车右行的第二继电器、第六急停按钮、向左行驶点动按钮、向右行驶点动按钮、第六启动按钮、第六停止按钮、第六手动/自动切换旋转开关、左极限限位开关、右极限限位开关，第一继电器、第二继电器分别与直流电机连接；控制器分别与触摸屏、1号工位近接开关、2号工位近接开关、3号工位近接开关，左极限限位开关、右极限限位开关、第一继电器、第二继电器、急停按钮、向左行驶点动按钮、向右行驶点动按钮、启动按钮、停止按钮、手动/自动切换旋转开关连接。

带倒计时交通灯训练系统包括安装盒，安装盒四个侧面依次安装有东向红黄绿指示灯、南向红黄绿指示灯、西向红黄绿指示灯和北向红黄绿指示灯；安装盒底部通过竖直的支撑杆固定在底板上，支撑杆上固定有PCB板，PCB板上安装有数码显示管；底板上设置有第八启动按钮和第八停止按钮；控制器分别与触摸屏、第八启动按钮、第八停止按钮、数码显示管、东向红黄绿指示灯、南向红黄绿指示灯、西向红黄绿指示灯、北向红黄绿指示灯连接。

定量灌装训练系统包括储液罐，储液罐通过管路连接有水泵，储液罐与水泵之间的管路上安装有电磁阀，水泵顶端设置有支撑架，支撑架上通过线夹固定着出口向下的灌装软管，支撑架下方水平设置有称重板，所述称重板为称重传感器，称重传感器下方连接有重量变送器；控制器分别与触摸屏、扩展模块和第十按钮开关，控制器通过继电器A与水泵连接，控制器通过继电器B与电磁阀连接，扩展模块分别与触摸屏和重量变送器连接，水泵1005与12V直流稳压电源108连接。

水箱温度与液位控制训练系统包括长方体状、顶部敞开的水箱，水箱左侧从上到下依次安装有第三浮球液位开关、温度传感器、第二浮球液位开关和第一浮球液位开关，水箱右侧从上到下分别连通有不锈钢进水管和不锈钢排水管，不锈钢进水管末端依次连接有进水电磁阀、PVC进水软管和自来水龙头，不锈钢排水管末端依次连接有出水电磁阀、PVC排水软管，PVC排水软管末端与蓄水槽连接，水箱后侧连接有电加热管，水箱温度与液位控制训练系统还包括一号继电器、二号继电器、三号继电器、第十二启动按钮、第十二停止按钮、第十二手/自动选择开关、第十二急停按钮、第十二报警指示灯；控制器分别与触摸屏、扩展模块、第十二启动按钮、第十二停止按钮、第十二手/自动选择开关、第十二急停按钮、第十二报警指示灯连接，控制器通过一号继电器与进水电磁阀连接，控制器通过二号继电器与出水电磁阀连接，控制器通过三号继电器与电加热管连接，扩展模块与温度传感器连接，控制器分别与第三浮球液位开关、第二浮球液位开关和第一浮球液位开关连接。

控制器为西门子S7-200 CPU226cn DC/DC/DC PLC，触摸屏为嵌入式TPC1061Ti。

本发明设的有益效果是：

该设备是集电气控制技术、PLC技术、传感器技术、组态技术、电工电子技术于一体，给学生构建了完整的自动化应用体系；

对精选的实训项目加以实物化制作、且端口开放；

项目设置既有开关量的控制还有模拟量的控制,满足了不断发展的可编程序控制器实验教学需要；

提高教学效果,而目能够为专业老师在复杂控制系统、智能控制系统等方面的研究提供实验对象及实验平台备；

改变了目前PLC实训设备的现状即：普遍缺少实物被控对象，只能用发光二极管模拟被控对象，且技术单一、涉及领域狭窄，封装性过强、不能还原实物原型，不利于调高学生的实践动手能力提高，影响了学生的创造性思维的发展；

集继电器-接触器控制技术、PLC技术、电工电子技术、传感器技术、触摸屏技术及计算机组态软件监控技术于一体，给学生构建了完整的自动化应用体系；

通过实验验证了本系统安全可靠、运行稳定，能成为《电气控制与PLC》、《可编程控制器技术》、《组态控制技术》《传感器技术》等一体化课程真实的教学设备。作为教学设备不仅可满足日常项目化教学的需要，且具实际工业应用价值和宽广的市场前景。

附图说明

图1是本发明模块化实训设备的控制单元结构示意图；

图2本发明模块化实训设备的被控对象单元板的基础单元板示意图；

图3本发明模块化实训设备的被控对象单元板的基础单元板电路图；

图4本发明模块化实训设备的被控对象单元板的三级输送线单元板示意图；

图5本发明模块化实训设备的被控对象单元板的三级输送线单元板电路图；

图6本发明模块化实训设备的被控对象单元板的三级输送线单元原理框图；

图7本发明模块化实训设备的被控对象单元板的三工位运料小车单元板示意图；

图8本发明模块化实训设备的被控对象单元板的三工位运料小车单元板电路图；

图9本发明模块化实训设备的被控对象单元板的三工位运料小车单元原理图；

图10本发明模块化实训设备的被控对象单元板的带倒计时显示的交通灯单元板示意图；

图11本发明模块化实训设备的被控对象单元板的带倒计时显示的交通灯单元板电路图；

图12本发明模块化实训设备的被控对象单元板的带倒计时显示的交通灯单元原理图；

图13本发明模块化实训设备的被控对象单元板的定量灌装单元板示意图；

图14本发明模块化实训设备的被控对象单元板的定量灌装单元板电路图；

图15本发明模块化实训设备的被控对象单元板的定量灌装单元原理图；

图16本发明模块化实训设备的被控对象单元板的水箱温度与液位控制单元板示意图；

图17本发明模块化实训设备的被控对象单元板的水箱温度与液位控制单元板电路图；

图18本发明模块化实训设备的被控对象单元板的水箱温度与液位控制单元原理图。

图1中，101.触摸屏，103.竖接线槽，107.横接线槽，108.12V直流稳压电源，109.直流电源接线端子，110.EM231RT模块，111.扩展模块，112.控制器，113.输入输出接线端子，114.24V直流稳压电源；

201.端子接线，202.第一金属板，203.指示灯，204.按钮；

401.第一级输送带电机M1，402.第二级输送带电机M2，403.第三级输送带电机M3，404.第一中间继电器，405.第二中间继电器，406.第三中间继电器，407.第四中间继电器，408.第五中间继电器，409.第六中间继电器，410.M1手动正转按钮，411.M1手动反转按钮，412.M2手动正转按钮，413.M2手动反转按钮，414.急停按钮，415.第四启动按钮，417.M3手动正转按钮，418.M8手动反转按钮，419.第四手动/自动切换旋转开关，420.第四停止按钮，421.第四金属板；

601.1号工位近接开关，602.2号工位近接开关，603.3号工位近接开关，604.直流电机，605.第一继电器，606.第二继电器，608.第六急停按钮，609.向左行驶点动按钮，610.向右行驶点动按钮，611.第六启动按钮，612.第六停止按钮,613.第六手动/自动切换旋转开关，614.左极限限位开关,615.右极限限位开关，616.第六金属板；

801.安装盒，802.东向红黄绿指示灯，803.西向红黄绿指示灯，804.PCB板，805.数码显示管，806.支撑杆，807.第八启动按钮，808.第八停止按钮，810.底板，812.南向红黄绿指示灯，813.北向红黄绿指示灯；

1001.支撑架，1002.灌装瓶，1003.称重传感器，1004.重量变送器，1005.水泵，1006.储液罐，1007.电磁阀，1008.继电器A，1009继电器B，1010.第十按钮开关；

1201.水箱，1202.自来水龙头，1203.PVC进水软管，1204.进水电磁阀，1205.不锈钢进水管，1206.出水电磁阀，1207.PVC排水软管，1208.蓄水池，1209.不锈钢排水管，1210.温度传感器,1211.第一浮球液位开关，1212.第二浮球液位开关，1213.第三浮球液位开关，1214.电加热管，1215.一号继电器，1216.二号继电器，1217.三号继电器，1218.第十二启动按钮，1219.第十二停止按钮，1220.第十二手/自动选择开关，1221.第十二急停按钮，1222.第十二报警指示灯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明包括控制单元和被控对象单元；

控制单元包括安装板，所述安装板正面设置有触摸屏101、12V直流稳压电源108、直流电源接线端子109、EM231模块110、扩展模块111、控制器112、输入输出接线端子113、和24V直流稳压电源114，24V直流稳压电源114与控制器112连接为其供电，安装板上设置有多个竖接线槽103和横接线槽107；

基础单元训练系统包括第一金属板202，第一金属板202正面上端和下端均设置有两个端子接线201，第一金属板202上设置有八个指示灯203和八个按钮204；控制器112通过上端的端子接线201与八个指示灯203连接，控制器112通过下端的端子接线201与八个按钮204连接，控制器112与触摸屏101连接。

三级输送线训练系统包括第四金属板421，第四金属板421上固定有拖动第一级输送线运行的第一级输送带电机M1 401、拖动第二级输送线运行的第二级输送带电机M2402、拖动第三级输送线运行的第三级输送带电机M3 403、实现M1正转的第一中间继电器404、实现M1反转的第二中间继电器405、实现M2正转的第三中间继电器406、实现M2反转的第四中间继电器407、实现M3正转的第五中间继电器408、实现M3反转的第六中间继电器409、M1手动正转按钮410、M1手动反转按钮411、M2手动正转按钮412、M2手动反转按钮413、急停按钮414、第四启动按钮415、M3手动正转按钮417、M3手动反转按钮418、第四手动/自动切换旋转开关419、第四停止按钮420，第一级输送带电机M1 401与第一中间继电器404和第二中间继电器405分别连接，第二级输送带电机M2 402与第三中间继电器406、第四中间继电器407分别连接，第三级输送带电机M3 403与第五中间继电器408、第六中间继电器409分别连接；控制器112分别与触摸屏101、第一中间继电器404、第二中间继电器405、第三中间继电器406、第四中间继电器407、第五中间继电器408、第六中间继电器409、M1手动正转按钮410、M1手动反转按钮411、M2手动正转按钮412、M2手动反转按钮413、急停按钮414、第四启动按钮415、M3手动正转按钮417、M3手动反转按钮418、第四手动/自动切换旋转开关419、第四停止按钮420。

三工位小车训练系统包括第六金属板616，第六金属板616上固定有判断小车是否到达1号位的1号工位近接开关601、判断小车是否到达2号位的2号工位近接开关602、判断小车是否到达3号位的3号工位近接开关603、驱动小车的直流电机604、实现小车左行的第一继电器605、实现小车右行的第二继电器606、第六急停按钮608、向左行驶点动按钮609、向右行驶点动按钮610、第六启动按钮611、第六停止按钮612、第六手动/自动切换旋转开关613、左极限限位开关614、右极限限位开关615，第一继电器605、第二继电器606分别与直流电机604连接；控制器112分别与触摸屏101、1号工位近接开关601、2号工位近接开关602、3号工位近接开关603，左极限限位开关614、右极限限位开关615、第一继电器605、第二继电器606、急停按钮608、向左行驶点动按钮609、向右行驶点动按钮610、启动按钮611、停止按钮612、手动/自动切换旋转开关613连接。

带倒计时交通灯训练系统包括安装盒801，安装盒801四个侧面依次安装有东向红黄绿指示灯802、南向红黄绿指示灯812、西向红黄绿指示灯803和北向红黄绿指示灯813；安装盒801底部通过竖直的支撑杆806固定在底板810上，支撑杆806上固定有PCB板804述PCB板804上安装有数码显示管805；底板810上设置有第八启动按钮807和第八停止按钮808；控制器112分别与触摸屏101、第八启动按钮807、第八停止按钮808、数码显示管805、东向红黄绿指示灯802、南向红黄绿指示灯812、西向红黄绿指示灯803、北向红黄绿指示灯813连接。

定量灌装训练系统包括储液罐1006，储液罐1006通过管路连接有水泵1005，储液罐1006与水泵1005之间的管路上安装有电磁阀1007，水泵1005顶端设置有支撑架1006，支撑架1006上通过线夹固定着出口向下的灌装软管，支撑架1006下方水平设置有称重板，所述称重板为称重传感器1003，称重传感器1003下方连接有重量变送器1004；控制器112分别与触摸屏101、扩展模块111和第十按钮开关1010，控制器112通过继电器A1008与水泵1005连接，控制器112通过继电器B1009与电磁阀1007连接，扩展模块111分别与触摸屏101和重量变送器1004连接，水泵1005与12V直流稳压电源108连接。

水箱温度与液位控制训练系统包括长方体状、顶部敞开的水箱1201，水箱1201左侧从上到下依次安装有第三浮球液位开关1213、温度传感器1210、第二浮球液位开关1212和第一浮球液位开关1211，水箱1201右侧从上到下分别连通有不锈钢进水管1205和不锈钢排水管1209，不锈钢进水管1205末端依次连接有进水电磁阀1204、PVC进水软管1203和自来水龙头1202，不锈钢排水管1209末端依次连接有出水电磁阀1206、PVC排水软管1207，PVC排水软管1207末端与蓄水槽1208连接，水箱1201后侧连接有电加热管1214，水箱温度与液位控制训练系统还包括一号继电器1215、二号继电器1216、三号继电器1217、第十二启动按钮1218、第十二停止按钮1219、第十二手/自动选择开关1220、第十二急停按钮1221、第十二报警指示灯1222；控制器112分别与触摸屏201、扩展模块111、第十二启动按钮1218、第十二停止按钮1219、第十二手/自动选择开关1220、第十二急停按钮1221、第十二报警指示灯1222连接，控制器112通过一号继电器1215与进水电磁阀1204连接，控制器202通过二号继电器1216与出水电磁阀1206连接，控制器202通过三号继电器1217与电加热管1214连接，扩展模块203与温度传感器110连接，控制器111分别与第三浮球液位开关1213、第二浮球液位开关1212和第一浮球液位开关1211连接。

控制器112为西门子S7-200 CPU226cn DC/DC/DC PLC，触摸屏101为嵌入式TPC1061Ti。

本发明包括被控对象单元和控制单元。控制单元与被控对象单元相互独立，控制单元可移动，可灵活搬运。被控对象单元可以随用随拿，各个被控对象单元自相互独立。

扩展模块为EM235和EM231RTD。

温度传感器1210为100ΩPt0.003902。称重传感器1003为B-B-B-2.0系列，型号为LAB-40Kg重量变送器1004型号为：LF-S1，电源DC12-24VDC输出4-20mA0-5V 0-10V。

本发明模块化实训设备，结构如图1-图13所示，控制单元与被控对象单元。控制单元与被控对象相互独立，6个被控对象子单元之间相互独立，使用时只要将控制单元与相应的被控单元按照相应的电路图连接便可组成不同的控制系统。在该设备中共可以组成6个训练系统分别如下：

1、基础单元训练系统

控制单元与基础单元板组合，按照图3所示的电路图连接便可组成基础单元训练系统。该系统可以做基本的编程训练、端子点亮指示训练，还可实现8盏灯循环点亮控制。八个指示灯203的循环控制的具体使用方法是：按下按钮204的启动按钮，八个指示灯203依次点亮(任意时刻只有一盏灯点亮)，间隔1s，按下按钮204的停止按钮，八个指示灯203熄灭。在整个操作过程中学生可以使用基础单元板的按钮操作也可通过触摸屏上的组态按钮操作，这样可以训练学生的基本编程能力、基本指令的使用、定时器指令的使用、中断指令的使用、也可以提高学生的系统组态能力。

2、三级输送线训练系统，如图4-图6所示

控制单元与三级输送线单元板组合，按照图5所示的电路图连接便可组成三级输送线训练系统。三级输送线被控对象单元板的结构如图4所示，三级输送线用于物料的传输，每一级输送机有一台直流电送机进行控制，电机为M1、M2、M3，分别由中间继电器器KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6控制电机的正反转。

实现的控制任务是：

(1)当装置上电时，系统进行复位，所有电机停止运行。

(2)当第四手动/自动切换旋转开关419打到左边时系统进入自动状态。按下第四启动按钮415时，第一级输送带电机M1 401首先正转启动，运行10S后，第二级输送带电机M2402正转启动，当第二级输送带电机M2 402运行10S后，第三级输送带电机M3 403正转启动，此时系统完成启动过程，进入正常运转状态。

(3)按下第四停止按钮420时，第一级输送带电机M1 401首先停止，当第一级输送带电机M1 401停止10S后，第二级输送带电机M2 402停止，第二级输送带电机M2 402停止10S后，第三级输送带电机M3 403停止。

系统在启动过程中按下停止第四停止按钮420时，三个电机按启动顺序反向停止运行。

(4)当系统按下急停按钮414时，三台电机停止工作，直到急停按钮414取消时，系统恢复到当前状态。

(5)当第四手动/自动切换旋转开关419打到右边时系统进入手动状态，系统只能有手动开关控制电机运行，操作者可以控制三台电机正反转运行，实现货物的手动传输。

在整个运行过程中，触摸屏101实时对运行过程进行监控并以动画的形式同步整个运行过程，同时也可以通过触摸屏中相应的按钮动作控制三级输送线的运行，实现管控一体化。

三级输送线训练系统应用到《电气控制技术》一体化教学课程中，可以训练学生对电机正反转的控制；应用到《可编程控制器技术》一体化课程中，可以训练子程序调用指令、定时器指令的掌握。应用到《组态控制技术》一体化课程中，可以训练上位机与下位机设备组态、联机调试等方面的能力。

3、三工位小车训练系统，如图7-图9所示

控制单元与三工位运料小车单元板组合，按照图8所示的电路图连接便可组成三工位运料小车训练系统。三工位运料小车结构如图7所示，以电机的正、反转模拟小车的运行方向(实际中运料小车以电机拖动)，以金属棒代替小车，手动移动金属棒模拟小车的运行，分别在工位一、工位二、工位三之间来回自动送料，在三个工位处，分别安装了三个传感器1号工位近接开关601、2号工位近接开关602、3号工位近接开关603。在小车运动的左右两端分别安装了两个行程开关左极限限位开关614和右极限限位开关615。

具体实现的控制任务是：

(1)当系统上电，无论小车(金属棒)处于何种状态，首先手动搬动左极限限位开关614表示小车回到初始位置准备运料，等待系统的启动。然后，选择运行方式。

(2)当系统的第六手动/自动切换旋转开关613打到自动运行档时，按下第六启动按钮611，小车首先正向运行到工位1号工位近接开关601，等待10S卸料完成后正向运行到2号工位近接开关602的位置，等待10S卸料完成后正向运行到3号工位近接开关603的位置，停止5S后接着反向运行到2号工位近接开关602的位置，停止5S后在反向运行到1号工位近接开关601的位置，停止5S后再反向运行到原点位置，等待下一轮的启动运行。

(3)当按下第六停止612按钮时系统停止运行，如果电机停止在某一工位，则小车继续停止等待，当小车正运行在某一工位的途中，则当小车到达目的地再停止运行。再次按下第六启动按钮611后，设备按剩下的流程继续运行。

(4)当系统按下第六急停按钮608时，小车立即要求停止工作，直到第六急停按钮取消时，系统恢复到当前状态。

(5)当系统的第六手/自动转换613开关打到手动运行档时，可以通过向左行驶点动按钮609、向右行驶点动按钮610控制小车的正反/向运行。

在整个运行过程中，触摸屏101实时对运行过程进行监控并以动画的形式同步整个运行过程，同时也可以通过触摸屏中相应的按钮动作控制小车的运行，实现管控一体化。

三工位运料小车训练系统应用到《传感器技术》一体化课程中，可以训练学生对接近开关、限位开关的学习与使用；应用到《电气控制技术》一体化教学课程中，可以训练学生对电机正反转的控制；应用到《可编程控制器技术》一体化课程中，可以训练传送指令、定时器指令的掌握及顺序控制的编程方法的训练。应用到《组态控制技术》一体化课程中，可以训练上位机与下位机设备组态、联机调试等方面的能力。

4、带倒计时交通灯训练系统，如图10-图12所示，

控制单元与带倒计时显示的交通灯被控单元板组合，按照图11所示的电路图连接便可组成带倒计时显示的交通灯训练系统。带倒计时显示的交通灯被控对象单元板的结构如图10所示，该系统能实现十字路口交通信号灯的指示功能，并且可以对东西方向红灯和南北方向红灯的运行时间进行倒计时显示。

具体实现的控制任务是：

(1)当系统上电后，两个七段数码显示管805显示为“00”，东西南北方向指示灯的红黄绿灯均熄灭系统处于初始状态。

(2)按下第八启动按钮807，东向红黄绿指示灯802、西向红黄绿指示灯803的红色指示灯点亮15s，两个七段数码显示管805进行倒计时显示(即从15开始以秒为单位计时倒数)，在该时间段内，南向红黄绿指示灯812、北向红黄绿指示灯813的工作如下：首先，南向红黄绿指示灯812、北向红黄绿指示灯813的绿灯点亮10s，10s后熄灭，然后，南向红黄绿指示灯812、北向红黄绿指示灯813的绿灯再闪烁3s，3s后熄灭，最后，南向红黄绿指示灯812、北向红黄绿指示灯813的黄灯点亮2s，2s后熄灭；接下来，南向红黄绿指示灯812、北向红黄绿指示灯813的红色指示灯点亮13s，两个七段数码显示管805进行倒计时显示(即从13开始以秒为单位计时倒数)，在该时间段内，东向红黄绿指示灯802、西向红黄绿指示灯803的工作如下：首先，东向红黄绿指示灯802、西向红黄绿指示灯803的绿灯点亮8s，8s后熄灭，然后，东向红黄绿指示灯802、西向红黄绿指示灯803的绿灯再闪烁3s，3s后熄灭，最后，东向红黄绿指示灯802、西向红黄绿指示灯803的黄灯点亮2s，2s后熄灭；完成一个工作周期，只要不按停止按钮交通灯就按照以上的时序关系周而复始的工作。

(3)运行过程中的停止操作：运行过程中，当按下停止按钮808时，两个七段数码显示管805显示为“00”，东向红黄绿指示灯802、西向红黄绿指示灯803、南向红黄绿指示灯812、北向红黄绿指示灯813均熄灭系统回到初始状态。

在整个运行过程中，触摸屏101实时对运行过程进行监控并以动画的形式同步整个运行过程，同时也可以通过触摸屏中相应的按钮动作控制交通灯的运行，实现管控一体化。

带倒计时显示的交通灯训练系统应用到《电工电子技术》一体化课程中，可以训练学生74LS47芯片学习与使用；应用到《可编程控制器技术》一体化课程中，可以训练整数与BCD码转换指令、数据传送指令、七段码显示指令、定时器指令的掌握及时序控制编程方法的训练。应用到《组态控制技术》一体化课程中，可以训练上位机与下位机设备组态、联机调试等方面的能力。

5、定量灌装训练系统，如图13-图15所示，

控制单元与定量灌装被控单元板组合，按照图14所示的电路图连接便可组成定量灌装训练系统。定量灌装被控对象单元板的结构如图13所示，该系统能实现饮料等流体的定量灌装控制系统，具有操作方式可选，灌装质量、灌装瓶数可更改的特点，基本能满足40Kg以下规格的液体灌装需要。

具体实现的控制任务是：

(1)当系统上电，系统默认的灌装质量为500g，灌装瓶数为5瓶，如果要改变灌装质量和灌装瓶数必须在触摸屏上从新设定。

(2)自动控制方式下具体灌装步骤

①初始状态系统参数设定：开始灌装之前，人工放入饮料瓶，系统上电，如果本次灌装不修改灌装参数，系统将按默认值准备灌装；如果本次灌装需要修改灌装参数，则按下参数设置按钮，进行参数设定。

②启动操作：按下第十按钮开关1010，电磁阀1007打开，延时2s后水泵1005启动开始灌装，在灌装过程中能实现实时读取瓶中饮料的重量，当达到设定灌装重量时，水泵1005和电磁阀YV1007关闭(以确保灌装精度)，同时灌装瓶数加1，延时5S后进行下一瓶的灌装，当灌装瓶数为5时，完成一个周期的灌装。

③只要不按下第十按钮开关1010，系统则自动进入下一灌装周期。

④停止操作：按下第十按钮开关1010，则在当前灌装周期结束后才停止灌装，回到初始状态。

(2)手动控制：手动控制电磁阀1007、电机M打开；当按下第十按钮开关1010电磁阀1007电机M同时关闭。

定量灌装训练系统能为《电气控制与PLC》、《可编程控制器技术》、《组态控制技术》等一体化课程提供真实的教具，同时能满足饮料等流体的定量灌装，系统具有操作方式可选，灌装质量、灌装瓶数可更改的特点，基本满足40Kg以下规格的液体灌装需要，同时基于MCGS开发的人机界面，直观显示了灌装的动态运行过程，并通过实验验证了本系统可靠性，能有效提高灌装效率及精度，具有工业推广应用前景。

6、水箱温度与液位控制训练系统，如图16-图18

控制单元与水箱温度与液位被控单元板组合，按照图17所示的电路图连接便可组成水箱温度与液位控制训练系统。水箱温度与液位被控对象单元板的结构如图16所示，该系统适用于化工、食品、饮料等流体的温度与液位控制，具有操作方式可选，温度可调的特点，能满足0～120℃范围规格的液体液位与温度控制的需要。

具体实现的控制任务是：

使用时，首先应打开自来水龙头102保证系统的水源充足。

(1)系统上电，水箱1201是空的，水温为室温，进水阀1204、出水阀1206、电加热管1214均为OFF状态，第一浮球液位开关1211、第二浮球液位开关1212、第三浮球液位开关1213也均为OFF状态，第十二报警提示灯1222也为OFF状态，该状态即为系统初始状态。

(2)当系统的第十二手/自动转换开关1220打到自动运行档，然后通过触摸屏101输入目标温度，系统进入自动运行模式。

①按下第十二启动按钮1218并输入设定温度，进水电磁阀1204打开，水箱1201液面上升，当液面淹没S1时，S1＝ON；此时如果水温小于设定值，电加热管1214为ON开始加热；如果水温大于等于设定温度时，电加热管1214为OFF状态，即不对水箱1201加热。

②随着水位的上升，当液面淹没第二浮球液位开关1212时，第二浮球液位开关1212＝ON，第十二报警指示灯1222点亮。

③水位继续上升，当液面淹没第三浮球液位开开关1213时，第三浮球液位开关1213＝ON，出水电磁阀1206打开，进水电磁阀1204关闭，液面开始下降，当液面低于第二浮球液位开关1212时，进水电磁阀1204再次打开，出水电磁阀1206关闭，水箱1201液位开始上升，若不按停止按钮，就按照这种规律工作。

④在整个工作过程中，只要水位高于第一浮球液位开关1211且水温小于设定温度，电加热管1214就一直加热，当水温到达设定温度时，电热管停止加热。

⑤按下第十二停止按钮1219，随时停止进水电磁阀1204，且关闭电加热管1214，但出水电磁阀1206打开直到第一浮球液位开关1211OFF时，出水电磁阀1206才关闭，为下次工作做准备。

(3)当系统的第十二手/自动转换开关1220打到手动运行档，然后通过触摸屏101输入目标温度，系统进入手动运行模式。

手动工作模式，按下手动进水按钮，进水电磁阀1204打开，水箱1201中的水位升高；按下手动出水按钮，出水电磁阀1206打开，水箱1201中的水被排出；按下手动加热按钮时，只有当水箱1201中的水位高于第一浮球液位开关1211时，电加热管1214才开始工作，否则电加热管1214加热不工作。

水箱温度与液位控制系统能为《传感器技术》、《电气控制技术》、《可编程控制器技术》、《组态控制技术》等一体化课程提供真实的教具，同时能满足化学反应物、饮料等流体的温度及液位的控制，系统具有操作方式可选，目标温度可调得特点，基本满足0～120℃范围的温度控制需要，同时基于MCGS开发的人机界面，以曲线及报表的形式直观显示了温度、液位的动态变化过程，具有一定的工业推广应用价值。

本发明具有：1、模块化的设计，实现了控制核心设备与被控对象之间、不同设备之间的灵活组合，能够提高了设备的利用率。2、触摸屏技术、运动控制技术、气动技术及组态监控技术等融入一体，使学生从更广泛的、实际应用的角度学习和认识工业自动化。3、优化教学项目，使项目设置跟随产业发展而更新，作到实训内容与真实实际工程的无缝对接。4、实物模型及开放性的端口，充分调动了学生的创造性思维，提高了学习兴趣，激发了学生创新、创业的激情。

总之，本发明的模块化实训设备作为为《电气控制与PLC》、《可编程控制器技术》、《组态控制技术》等一体化课程的教学设备，是集继电器-接触器控制技术、PLC技术、运动控制技术、传感器技术、触摸屏技术及计算机组态软件监控技术于一体，给学生构建了完整的自动化应用体系。设计的项目既有开关量的控制还有模拟量的控制,并且完善相应的上位机数据采集控制程序,满足了不断发展的可编程序控制器一体化教学需要，丰富教师的教学手段,提高学生的学习兴趣，提高教学效果。该设备的研制具有可观的经济效益。设备整体成本只有1万元左右，而且采用模块化的设计，使该实训设备具有任意组合性，提高了核心设备的利用率。

Claims

1.模块化实训设备,其特征在于，包括控制单元和被控对象单元；

所述控制单元包括安装板，所述安装板正面设置有触摸屏(101)、12V直流稳压电源(108)、直流电源接线端子(109)、EM231模块(110)、扩展模块(111)、控制器(112)、输入输出接线端子(113)、和24V直流稳压电源(114)，所述24V直流稳压电源(114)与控制器(112)连接为其供电，所述安装板上设置有多个竖接线槽(103)和横接线槽(107)；

所述被控对象单元包括基础单元训练系统、三级输送线训练系统、三工位小车训练系统、带倒计时交通灯训练系统、定量灌装训练系统和水箱温度与液位控制训练系统共六个相互独立的被控子单元。

2.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述基础单元训练系统包括第一金属板(202)，所述第一金属板(202)正面上端和下端均设置有两个端子接线(201)，所述第一金属板(202)上设置有八个指示灯(203)和八个按钮(204)，所述控制器(112)通过上端的端子接线(201)与八个指示灯(203)连接，所述控制器(112)通过下端的端子接线(201)与八个按钮(204)连接，所述控制器(112)与触摸屏(101)连接。

3.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述三级输送线训练系统包括第四金属板(421)，所述第四金属板(421)上固定有拖动第一级输送线运行的第一级输送带电机M1(401)、拖动第二级输送线运行的第二级输送带电机M2(402)、拖动第三级输送线运行的第三级输送带电机M3(403)、实现M1正转的第一中间继电器(404)、实现M1反转的第二中间继电器(405)、实现M2正转的第三中间继电器(406)、实现M2反转的第四中间继电器(407)、实现M3正转的第五中间继电器(408)、实现M3反转的第六中间继电器(409)、M1手动正转按钮(410)、M1手动反转按钮(411)、M2手动正转按钮(412)、M2手动反转按钮(413)、急停按钮(414)、第四启动按钮(415)、M3手动正转按钮(417)、M3手动反转按钮(418)、第四手动/自动切换旋转开关(419)、第四停止按钮(420)，所述第一级输送带电机M1(401)与第一中间继电器(404)和第二中间继电器(405)分别连接，所述第二级输送带电机M2(402)与第三中间继电器(406)、第四中间继电器(407)分别连接，所述第三级输送带电机M3(403)与第五中间继电器(408)、第六中间继电器(409)分别连接；

所述控制器(112)分别与触摸屏(101)、第一中间继电器(404)、第二中间继电器(405)、第三中间继电器(406)、第四中间继电器(407)、第五中间继电器(408)、第六中间继电器(409)、M1手动正转按钮(410)、M1手动反转按钮(411)、M2手动正转按钮(412)、M2手动反转按钮(413)、急停按钮(414)、第四启动按钮(415)、M3手动正转按钮(417)、M3手动反转按钮(418)、第四手动/自动切换旋转开关(419)、第四停止按钮(420)。

4.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述三工位小车训练系统包括第六金属板(616)，所述第六金属板(616)上固定有判断小车是否到达1号位的1号工位近接开关(601)、判断小车是否到达2号位的2号工位近接开关(602)、判断小车是否到达3号位的3号工位近接开关(603)、驱动小车的直流电机(604)、实现小车左行的第一继电器(605)、实现小车右行的第二继电器(606)、第六急停按钮(608)、向左行驶点动按钮(609)、向右行驶点动按钮(610)、第六启动按钮(611)、第六停止按钮(612)、第六手动/自动切换旋转开关(613)、左极限限位开关(614)、右极限限位开关(615)，所述第一继电器(605)、第二继电器(606)分别与直流电机(604)连接；

所述控制器(112)分别与触摸屏(101)、1号工位近接开关(601)、2号工位近接开关(602)、3号工位近接开关(603)，左极限限位开关(614)、右极限限位开关(615)、第一继电器(605)、第二继电器(606)、急停按钮(608)、向左行驶点动按钮(609)、向右行驶点动按钮(610)、启动按钮(611)、停止按钮(612)、手动/自动切换旋转开关(613)连接。

5.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述带倒计时交通灯训练系统包括安装盒(801)，所述安装盒(801)四个侧面依次安装有东向红黄绿指示灯(802)、南向红黄绿指示灯(812)、西向红黄绿指示灯(803)和北向红黄绿指示灯(813)；所述安装盒(801)底部通过竖直的支撑杆(806)固定在底板(810)上，所述支撑杆(806)上固定有PCB板(804)，所述PCB板(804)上安装有数码显示管(805)；所述底板(810)上设置有第八启动按钮(807)和第八停止按钮(808)；

所述控制器(112)分别与触摸屏(101)、第八启动按钮(807)、第八停止按钮(808)、数码显示管(805)、东向红黄绿指示灯(802)、南向红黄绿指示灯(812)、西向红黄绿指示灯(803)、北向红黄绿指示灯(813)连接。

6.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述定量灌装训练系统包括储液罐(1006)，所述储液罐(1006)通过管路连接有水泵(1005)，所述储液罐(1006)与水泵(1005)之间的管路上安装有电磁阀(1007)，所述水泵(1005)顶端设置有支撑架(1006)，所述支撑架(1006)上通过线夹固定着出口向下的灌装软管，所述支撑架(1006)下方水平设置有称重板，所述称重板为称重传感器(1003)，所述称重传感器(1003)下方连接有重量变送器(1004)；所述控制器(112)分别与触摸屏(101)、扩展模块(111)和第十按钮开关(1010)，所述控制器(112)通过继电器A(1008)与水泵(1005)连接，所述控制器(112)通过继电器B(1009)与电磁阀(1007)连接，所述扩展模块(111)分别与触摸屏(101)和重量变送器(1004)连接，所述水泵(1005)与12V直流稳压电源(108)连接。

7.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述水箱温度与液位控制训练系统包括长方体状、顶部敞开的水箱(1201)，所述水箱(1201)左侧从上到下依次安装有第三浮球液位开关(1213)、温度传感器(1210)、第二浮球液位开关(1212)和第一浮球液位开关(1211)，所述水箱(1201)右侧从上到下分别连通有不锈钢进水管(1205)和不锈钢排水管(1209)，所述不锈钢进水管(1205)末端依次连接有进水电磁阀(1204)、PVC进水软管(1203)和自来水龙头(1202)，所述不锈钢排水管(1209)末端依次连接有出水电磁阀(1206)、PVC排水软管(1207)，所述PVC排水软管(1207)末端与蓄水槽(1208)连接，所述水箱(1201)后侧连接有电加热管(1214)，所述水箱温度与液位控制训练系统包括；

所述控制器(112)分别连接有触摸屏(201)、扩展模块(111)、第十二启动按钮(1218)、第十二停止按钮(1219)、第十二手/自动选择开关(1220)、第十二急停按钮(1221)、第十二报警指示灯(1222)，所述控制器(112)通过一号继电器(1215)与进水电磁阀(1204)连接，所述控制器(202)通过二号继电器(1216)与出水电磁阀(1206)连接，所述控制器(202)通过三号继电器(1217)与电加热管(1214)连接，所述扩展模块(203)与温度传感器(110)连接，所述控制器(111)分别与第三浮球液位开关(1213)、第二浮球液位开关(1212)和第一浮球液位开关(1211)连接。

8.根据权利要求1所述的模块化实训设备，其特征在于，所述控制器(112)为西门子S7-200 CPU226cn DC/DC/DC PLC，所述触摸屏(201)为嵌入式TPC1061Ti。