CN111653145A - 一种plc实训系统 - Google Patents

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Abstract

一种PLC实训系统，实训用PLC，用于学员实训操作；控制对象模拟装置，包括：对象状态虚拟显示界面，将所述实训用PLC的控制对象以虚拟方式展示在显示界面上；核心控制器，用于接收所述实训用PLC的控制指令，向所述实训用PLC反馈控制结果，同时向所述对象状态虚拟显示界面发送控制对象状态数据。

Description

一种PLC实训系统
技术领域
本发明属于教学设备领域，特别涉及一种PLC实训系统。
背景技术
可编程控制器(Programmable Logic Controller，以下简称PLC)的课程实验是各大职业院校，以及电工职业培训机构长期开设的一门专业课程，是集接线、编程、调试、维护于一体的专业课程。课程中需要学员具有实际PLC应用的能力。
目前市场上常用的PLC实验设备一般由PLC主机，模拟控制模块和试验连接线组成。模拟控制模块大多由按钮、指示灯和控制对象示意图构成，不够形象、直观。学生在进行PLC实验操作时，很难直观的看到控制对象的工作过程。而根据不同的控制对象实体制作真实的实物控制对象，成本高昂且容易损坏。
发明内容
本发明实施例提供了一种PLC实训系统，
实训用PLC，用于学员实训操作；
控制对象模拟装置，包括：
对象状态虚拟显示界面，将所述实训用PLC的控制对象以虚拟方式展示在显示界面上；
核心控制器，用于接收所述实训用PLC的控制指令，向所述实训用PLC反馈控制结果，同时向所述对象状态虚拟显示界面发送控制对象状态数据。
本发明涉及PLC实训实验中的虚拟仿真模拟系统，用于向教学实训PLC提供真实的I/O信号，同时驱动仿真模拟显示界面中包括各种虚拟传感器及执行机构的控制对象的状态。
本发明的基于虚拟控制对象的PLC实验仿真系统，可根据实验题库中试题要求定义I/O端口的功能，除了向PLC提供真实的I/O信号，还采用三维仿真动画界面模拟试题里的场景，并根据实验者编写的PLC程序指令进行相应的动画展示。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1本发明实施例之一的PLC实训系统中控制对象模拟装置结构图。
图2本发明实施例之一的PLC实训系统连接示意图。
图3本发明实施例之一的PLC实训系统中核心控制器硬件结构图。
图4本发明实施例之一的核心控制器数字量输入模块电路图。
图5本发明实施例之一的核心控制器数字量输出模块电路图。
图6本发明实施例之一的核心控制器模拟量输入模块电路图。
图7本发明实施例之一的核心控制器模拟量输出模块电路图。
图8本发明实施例之一的核心控制器CAN总线模块电路图。
具体实施方式
本发明实施例是一种基于虚拟控制对象的PLC实训实验仿真装置。用于在PLC操作实验中模拟不同试题场景中的各种传感器及执行机构等控制实体。接收PLC对控制对象的控制指令，驱动三维仿真软件中虚拟控制对象按照控制指令动作，同时接收三维仿真软件中虚拟控制对象的反馈信息，传输至PLC，为PLC提供真实的I/O信号。
参照图1所示，所述实验仿真装置由嵌入式计算机，带24路数字量输入、输出模块(24DI\24DO)的核心控制器，模拟量输入输出模块组成。核心控制器设有可扩展接口，可通过CAN总线扩展至少一组数字量输入、输出扩展模块。扩展模块为8DI/8DO。
安装于嵌入式计算机上的三维仿真软件用于模拟题库试题中的场景和场景中各控制对象及传感器。核心控制器通过CAN总线与三维仿真软件通讯，接收仿真软件对各I/O口的配置信息，按配置信息设定各I/O口的状态并发送至DO端口输出给PLC实验主机，驱动PLC内部程序运行。同时将DI端口接收到的PLC控制指令经处理器处理后发送给仿真软件，驱动软件画面动作。
参照图2所示，实际应用时，实验用PLC的DO、AO端口对接仿真装置的DI和AI端口，实验用PLC的DI和AI端口对接仿真装置的DO和AO端口；其中DI端口即为数字量输入端口，DO端口为数字量输出端口，AO端口为模拟量输出端口，AI端口为模拟量输入端口。通过上述连接，实验用PLC输出的DO信号被仿真装置的DI端口接收，经核心控制器处理后通过CAN总线传输至仿真软件，仿真软件接收到核心控制器数据包后，检查数据变化情况，对数值发生变化的内部数据库变量进行改写，同时触发该变量的数据变化事件，通知所有与该变量相关的画面、脚本程序、工程程序对这个数值进行检查并重新计算和执行，使得监控系统对于下位设备数据变化做出响应。相对的，上位机软件会检查哪些需要写入的寄存器所对应的内部数据库变量，一旦因为画面、脚本程序等对内部数据库变量做出了修改而触发了数据变化事件，软件便会自动将新数值使用写入指令发送到下位设备(仿真装置)，通过仿真装置的DO口将变量传输下位设备(实验用PLC)至最终促使PLC执行下一步程序。
参照图3所示，核心控制器采用基于ARM处理器的核心板与控制板集成的形式。控制板集成控制板集成电源模块，通信模块及晶振、复位电路、数据存储器、隔离电路等外围电路。主控板上设置系统运行指示灯接口和电源开关接口用以和面板上的指示灯和开关连接，指示灯包含电源指示灯，正常运行、故障指示灯，通信指示灯。控制板设有两个通讯接口，一个串口用于对ARM进行编程；一个CAN总线接口用于和嵌入式计算机通讯。接收仿真软件对各I/O口的配置信息，并按配置信息设定各I/O口的状态并发送到DO端口输出；将DI端口的0/1状态发送到仿真软件。
集成于主控板上的数字量输入输出模块分别具有24路DI和24路DO端口。各路端口均需做信号隔离和保护。24路DI、DO端口中，16路并用一个公共端，其余8路各自独立。
集成于主控板上的模拟量输入输出模块包含4路完全隔离的模拟/数字转换(ADC)通道和2路完全隔离的数字/模拟转换(DAC)通道。ADC通道使用硬件可配置的输入量程为0～5V及4～20mA的模拟量信号。DAC通道使用软件可编程的输出量程为0～5V及4～20mA的模拟量信号。
扩展模块为8路数字量输入、输出(8DI\8DO)模块。输入、输出模块4路并用一个公共端，其余4路各自独立。各路端口均有信号隔离和保护。扩展模块通过CAN总线与核心控制器处理器连接，用以扩展输入输出点数。
参照图4，集成于主控板上的数字量输入模块分别具有24路DI端口。各端口与ARM处理器间采用集成光耦TLP521-4进行光电隔离。24路数字量输入端口中，16路共用一个公共端，其余8路各自独立。数字量输入端口与实验用PLC的输出端连接。接收PLC的控制指令。
参照图5，集成于主控板上的数字量输出模块分别具有24路DO端口。各端口与ARM处理器间采用集成光耦TLP521-4进行光电隔离。各输出端使用大电流达林顿晶体管阵列ULN2803驱动24V继电器，用于向PLC的输入端反馈开关量信号，驱动PLC控制指令的执行。24路数字量输出端口中，16路共用一个公共端，其余8路各自独立。
参照图6、图7，集成于主控板上的模拟量输入输出模块包含4路完全隔离的模拟/数字转换(ADC)通道和2路完全隔离的数字/模拟转换(DAC)通道。ADC通道使用硬件可配置的输入量程为0～5V及4～20mA的模拟量信号。DAC通道使用软件可编程的输出量程为0～5V及4～20mA的模拟量信号。
参照图8，集成于主控板上的CAN总线通信模块使用高速光耦6N137与ARM处理器进行隔离。CAN总线通信模块用于和上位机的三维仿真软件进行通信，接收仿真软件对核心控制器各I/O口的配置信息，并进行相应的配置。同时，CAN总线通信模块用于数字量输入、输出模块的扩展。扩展模块通过CAN总线与核心控制器连接，用以扩展输入输出点数。
本发明可以用于维修电工中级、高级、技师和高技技师的教学实训PLC自控项目实验，实训系统中的基于虚拟控制对象的仿真模拟装置，可根据实验题库中试题要求定义I/O端口的功能，向PLC提供真实的I/O信号。三维仿真动画界面模拟试题里的场景，并根据实验者编写的PLC程序指令进行相应的动画展示。本装置具有可编程的输入输出端口、三维仿真动画界面以及与PLC连接的通讯接口。所述实验仿真装置包括嵌入式计算机，带24路数字量输入、输出模块(24DI\24DO)的核心控制器，模拟量输入输出模块及至少一组数字量输入、输出扩展模块。
本实训系统的核心控制器上带有基于CAN总线的IO扩展口，用于实训装置的功能扩展。该扩展口可以扩展至少一组数字量输入、输出模块，用于增加控制对象的种类及数量，模拟控制对象较多或控制逻辑复杂的场景。每个数字量输入、输出模块包含8路数字量输入、输出(8DI\8DO)。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：利用成熟的三维动画仿真技术，嵌入式系统技术和CAN总线技术构建基于虚拟控制对象的PLC实训系统，将控制对象及其工作过程用三维动画的形式呈现。实训系统与PLC间的接线与真实的控制对象一致，从而使学生在进行PLC试验时，可以直观的看到控制对象的的工作过程，进而验证PLC与控制对象间的接线及所编写的PLC程序是否正确。
本发明具有可编程的输入输出端口，可根据实验题库中试题要求定义I/O端口的功能，向PLC提供真实的I/O信号。实际操作时，学生在获得管理员权限后只需在对象状态虚拟现实界面选择需要模拟的场景，系统即自动配置各I/O口的功能。一套实训装置可以模拟题库内不同的控制对象及控制场景，并可根据需求增减题目或进行题目改动、优化。本实训装置还可以人为的设定故障供学生进行排除故障练习，模拟真实场景中系统出现故障进行故障排查和维护作业。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种PLC实训系统，其特征在于，
实训用PLC，用于学员实训操作；
控制对象模拟装置，包括：
对象状态虚拟显示界面，将所述实训用PLC的控制对象以虚拟方式展示在显示界面上；
核心控制器，用于接收所述实训用PLC的控制指令，向所述实训用PLC反馈控制结果，同时向所述对象状态虚拟显示界面发送控制对象状态数据。
2.根据权利要求1所述的PLC实训系统，其特征在于，
所述核心控制器包括数字量输入输出模块，同时，
所述核心控制器包括模拟量输入输出模块，并且，
所述核心控制器还包括通过CAN总线连接的扩展数字输入输出模块。
3.根据权利要求2所述的PLC实训系统，其特征在于，所述对象状态虚拟显示界面连接嵌入式计算机，该嵌入式计算机的存储器存储有学员通过操作实训用PLC所要完成的实训题库中控制对象虚拟场景模型，所述嵌入式计算机通接收由所述核心控制器发出的控制对象状态数据，将该控制对象状态数据传送给所述控制对象虚拟场景模型，然后在所述对象状态虚拟显示界面上展示控制对象的状态。
4.根据权利要求3所述的PLC实训系统，其特征在于，
所述实训用PLC的AI/AO与模拟量输入输出模块连接，
所述实训用PLC的DI/DO还与扩展数字输入输出模块连接。
5.根据权利要求4所述的PLC实训系统，其特征在于，所述实训用PLC接收由所述核心控制器发出的反映控制对象状态的IO信号，用以支持所述实训用PLC的持续操作控制。
6.根据权利要求3所述的PLC实训系统，其特征在于，所述核心控制器通过CAN总线与嵌入式计算机通信，接收控制对象虚拟场景模型对各I/O口的配置信息，按配置信息设定各I/O口的状态并发送至DO端口输出给实训用PLC，驱动PLC内部程序运行，同时将DI端口接收到的PLC控制指令经处理后发送给控制对象虚拟场景模型。
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