CN206340265U - Plc过程控制教学实训装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于技术教学领域，尤其涉及一种PLC过程控制教学实训装置；包括为所述PLC过程控制教学实训装置提供力学支持的机架；设置在所述机架上的对所述PLC过程控制教学实训装置进行控制和操作的控制模块；设置在所述机架上并与所述控制模块相连的感应模块；设置在所述机架上的循环模块，设置在所述机架上并与所述控制模块相连的电控模块；本装置主要应用在工程技术人员过程控制技术开发和论证中，同时可以作为技工院校工厂自动化技术教学装置，也可以作为国家职业新工种可编程控制系统设计师的考证平台。

Description

PLC过程控制教学实训装置

技术领域

本实用新型属于技术教学领域，尤其涉及一种PLC过程控制教学实训装置。

背景技术

随着科技水平的进步，人们的生活质量也越来越高，各种新型产品层出不穷，而过程控制作为产品设计中必须经历的环节显得尤为重要。

工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。过程控制也称实时控制，是计算机及时的采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节，如数控机床和生产流水线的控制等。为此需要大批对过程控制技术非常了解的人才，所以过程控制技术的培养也就非常重要。

目前已有的过程控制教学产品，多为演示型的产品。一般是只配备了一两种传感器的应用、只能够完成一个特定的控制对象过程控制技术。例如，专利申请号CN201210210267.4的发明专利《一种单回路快速温度控制实验教学装置》中公开的教学机器“包括有被控对象、传感器、温度变送器、智能调节仪表、调压模块、上位机，热源采用卤钨灯，能够实现快速升温和冷却，智能调节仪表通过RS232通讯口与上位机相连接实现控制量的输出”。然而这种机器智只能模拟单一模式的过程，无法对其他过程控制进行教学。

学生通过这些产品只能了解特定的系统工作原理。不能自由搭建系统，不能作为开发平台。这就大大限制了教学的效果和装置使用效率、利用率。

为此，需要一种新的教学平台，能够模拟多种过程控制系统工作原理，并且能够让学生自己对系统进行构建、系统设计和安装调试，实现从想法到实践的突破。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种智能教学与开发系统，旨在解决现有过程控制教学设备只能实现单一过程模拟的问题。

本实用新型是这样实现的，一种PLC过程控制教学实训装置，包括为所述PLC过程控制教学实训装置提供力学支持的机架；设置在所述机架上的对所述PLC过程控制教学实训装置进行控制和操作的控制模块；设置在所述机架上并与所述控制模块相连的感应模块；设置在所述机架上的循环模块，设置在所述机架上并与所述控制模块相连的电控模块。

PLC是指可编程逻辑控制器，它是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。本方案提供的教学实训装置是基于PLC而设立的，因为不涉及对PLC本身的改进，所以在此不赘述。

本方案提供的PLC过程控制教学实训装置搭建在机架上，各个模块之间可以任意进行组装，可以根据需要对各模块的位置进行安排。控制模块是整个装置的核心，也是对各个过程参数进行设置并控制的模块。其他模块都直接或间接的与控制模块相连，并根据控制模块的指令进行操作。感应模块主要用来收集模拟过程中的各种参数并将其反映给控制模块。循环模块是主要的输出模块，控制模块接收到感应模块传来的信息后发出指令使得循环模块做出操作从而改变过程参数。电控模块主要为其他模块提供支持。

本实用新型的进一步技术方案是：所述控制模块包括对所述PLC过程控制教学实训装置运行指令进行编辑的PLC控制单元；与所述PLC控制单元相连的模拟信号处理单元。PCL控制单元是对装置进行编程控制的主机，模拟信号处理单元可以产生模拟量信号源，这些信号主要有DC（直流电信号） 0～5V、0～10V、-10V～10V、4～20mA、-20～20mA等。

本实用新型的进一步技术方案是：所述控制模块还设有触摸控制单元，所述触摸控制单元与所述PLC控制单元相连。触摸控制单元可是是触摸屏，也可以是平板电脑等其他设备，其余PLC控制单元之间可以采用有线相连，也可以使用无线通信连接。

本实用新型的进一步技术方案是：所述循环模块设有相互连接的冷水单元和热水单元，所述冷水单元与所述热水单元之间还设有流量控制单元；所述热水单元中设有加热组件。冷水单元和热水单元可以对温度进行控制。

本实用新型的进一步技术方案是：所述循环模块还设有至少二个储液单元，所述储液单元分别与所述冷水单元相连；所述储液单元与所述冷水单元之间还设有流量控制单元。储液单元可以是水箱，也可是设置成为其他容纳装置，储液单元主要用来盛放不同液体，使用时可以将多个配方调节单元中的液体按照不同比例进行混合从而实现配方控制。

本实用新型的进一步技术方案是：所述流量控制单元为电磁阀。控制模块对电磁阀的开闭进行控制，通过调节电磁阀的开闭实现对流量等的控制。

本实用新型的进一步技术方案是：所述感应模块包括与所述控制模块相连的接线单元以及与所述接线单元相连的感应器单元。PLC过程控制教学实训装置上设置有多个传感器，这些传感器共同组成了感应器单元，所有的传感器都与接线单元相连并将其感受到的信号汇总到接线单元中，最终通过接线单元将信息传输给控制模块。

本实用新型的进一步技术方案是：所述感应器单元包括压力传感器、液位传感器、流量传感器、温度传感器、pH值测试传感器。这些传感器设置在热水单元、冷水单元和储液单元内部的不同位置。

本实用新型的进一步技术方案是：所述所述电控模块包括相互连接的电控单元、第一动力单元和第二动力单元。第一动力单元和第二动力单元主要是指水泵或其他电机。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第一动力单元和所述第二动力单元中至少有一个为变频电机，所述控制模块还设有与所述变频电机相连的变频控制单元。变频电机可以改变水流效率，可以根据需要改变流体速度。

此外，本方案提供的PLC过程控制教学实训装置还设有报警装置和流量计，报警装置可以设置成报警灯形式，也可以设置成为报警信号（声音）形式。流量计用来计算液体流量，可以采用电磁流量计，也可以采用其他形式的流量计，例如差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、超声波流量计等。

本实用新型的有益效果是：本方案提供的PLC过程控制教学实训装置能够实现PLC控制技术、传感器技术、变频调速技术、触摸屏技术、电机控制技术、过程控制技术、网络通信技术等领域的过程控制模拟，克服了现有的单个产品只能模拟单一过程控制技术的缺陷，大大降低了教学成本；此外，本装置设备采用模块式结构，更新迅速，维修简便，实现自由搭建系统，让学生不但可以观察学习，还可以自己动手操作，解决了以往产品只能作教学产品的问题，实现了学生多元能力的培养。

本装置主要应用在工程技术人员过程控制技术开发和论证中，同时可以作为技工院校工厂自动化技术教学装置，也可以作为国家职业新工种可编程控制系统设计师的考证平台工具。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的PLC过程控制教学实训装置的示列图。

附图标记：1-第一储液箱；2-第二储液箱；3-报警灯；4-第三储液箱；5-触摸屏；6-机架；7-接线单元；8-控制模块抽屉；9-电磁阀；10-第一动力单元；11-第二动力单元；12-电控单元；13-冷水单元；14-热水单元。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

PLC是指可编程逻辑控制器，它是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。本方案提供的教学实训装置是基于PLC而设立的，因为不涉及对PLC本身的改进，所以在此不赘述。

图1示出了本实用新型提供的PLC过程控制教学实训装置的示列图。下面结合附图对该装置进行进一步描述。

从图1可见，本装置包括为所述PLC过程控制教学实训装置提供力学支持的机架6；本方案提供的PLC过程控制教学实训装置搭建在机架6上，各个模块之间可以任意进行组装，可以根据需要对各模块的位置进行安排。

从图1中可以看出设置在所述机架6上的对所述PLC过程控制教学实训装置进行控制和操作的控制模块。控制模块是整个装置的核心，也是对各个过程参数进行设置并控制的模块。其他模块都直接或间接的与控制模块相连，并根据控制模块的指令进行操作。图1中将控制模块的主体都集成在控制模块抽屉8中了，这样更方便控制模块的保护和装置整体的便携性。控制模块抽屉8中包括对所述PLC过程控制教学实训装置运行指令进行编辑的PLC控制单元；与所述PLC控制单元相连的模拟信号处理单元；还设有与所述变频电机相连的变频控制单元。PCL控制单元是对装置进行编程控制的主机，模拟信号处理单元可以产生模拟量信号源，这些信号主要有DC（直流电信号） 0～5V、0～10V、-10V～10V、4～20mA、-20～20mA等。变频电机可以改变水流效率，可以根据需要改变流体速度。

所述控制模块还设有触摸控制单元，所述触摸控制单元与所述PLC控制单元相连。触摸控制单元可是是触摸屏，也可以是平板电脑等其他设备，其余PLC控制单元之间可以采用有线相连，也可以使用无线通信连接。本实施例中将触摸屏5固定在机架上以方便实验人员进行操作。

从图1中还可以看出，本例中PLC过程控制教学实训装置还设有在所述机架6上并与所述控制模块相连的感应模块。感应模块主要用来收集模拟过程中的各种参数并将其反映给控制模块。

所述感应模块包括与所述控制模块相连的接线单元7以及与所述接线单元相连的感应器单元（图中未示出）。PLC过程控制教学实训装置上设置有多个传感器，这些传感器共同组成了感应器单元，所有的传感器都与接线单元相连并将其感受到的信号汇总到接线单元中，最终通过接线单元将信息传输给控制模块。

所述感应器单元包括压力传感器、液位传感器、流量传感器、温度传感器、pH值测试传感器。这些传感器设置在热水单元、冷水单元和储液单元内部的不同位置。

本例中压力传感器分布在热水单元14和第一到第三储液箱1、2、4的中下部，液位传感器分布在热水单元14和第一到第三储液箱1、2、4中上部，流量传感器分布在第二、第三储液箱2、4和冷水单元13的中间管道上，温度传感器在热水单元14中部和其他各箱1、2、4、13的任意位置。PH值测试传感器置在热水单元14和冷水单元13的中部。

从图1中还可以看出，本例中PLC过程控制教学实训装置还包括设置在所述机架上的循环模块，循环模块是主要的输出模块，控制模块接收到感应模块传来的信息后发出指令使得循环模块做出操作从而改变过程参数。所述循环模块设有相互连接的冷水单元13和热水单元14，所述冷水单元13与所述热水单元14之间还设有流量控制单元；所述热水单元14中设有加热组件。冷水单元13和热水单元14可以对温度进行控制。所述循环模块还设有至少二个储液单元，所述储液单元分别与所述冷水单元13相连；所述储液单元与所述冷水单元13之间还设有流量控制单元。储液单元可以是水箱，也可是设置成为其他容纳装置，储液单元主要用来盛放不同液体，使用时可以将多个配方调节单元中的液体按照不同比例进行混合从而实现配方控制。

本例中设置有3个储液单元，分别是第一储液箱1、第二储液箱2和第三储液箱4，它们分别设置在机架上。第一储液箱1与第二储液箱2之间相连，第二储液箱2与第三储液箱4之间也相连，第一储液箱1与第三储液箱4之间也相连。它们分别与冷水单元13相连。

所述流量控制单元在本例中为电磁阀9，且本例中包含多个电磁阀9，但图中并未全部画出。控制模块对电磁阀9的开闭进行控制，通过调节电磁阀的开闭实现对流量等的控制。

从图1中还可以看出，本例中PLC过程控制教学实训装置还包括设置在所述机架上并与所述控制模块相连的电控模块。电控模块主要为其他模块提供支持。

所述所述电控模块包括相互连接的电控单元12、第一动力单元10和第二动力单元11。本例中第一动力单元10和第二动力单元11都是指水泵。

所述第一动力单元和所述第二动力单元中至少有一个为变频电机，所述控制模块还设有与所述变频电机相连的变频控制单元。变频电机可以改变水流效率，可以根据需要改变流体速度。

此外，本方案提供的PLC过程控制教学实训装置还设有报警装置和流量计，报警装置可以设置成报警灯形式，也可以设置成为报警信号（声音）形式。本例中就采用了报警灯3的形式。流量计用来计算液体流量，可以采用电磁流量计，也可以采用其他形式的流量计，例如差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、超声波流量计等。

下面结合具体过程控制案例对本装置进行进一步解释。

案例一：液位控制（多液体自动配方控制系统）。

本案例过程控制中需要用到第一到第三储液箱1、2、4，第一动力单元10和第二动力单元11，电磁阀9，PLC控制单元，触摸屏5、接线单元7以及若干传感器。

本方案的目的在于按照预设配方进行液体混合。

首先对系统进行设置，设置内容包括配方的比例A:B、第一和第二储液箱中的液体量等。并将第一动力单元和第二动力单元分别与相应的储液箱相接。

本方案中使用水来代替放置在第一和第二储液箱中的不同液体。

具体操作为，首先，通过第一和第二储液箱中的液位传感器来监测各个储液箱中的液面，当第一和第二储液箱中液面量低于预设值X厘米时，系统自动补充水分；当第一和第二储液箱中液面量高于预设值Y厘米时，停止补水。

第二，PLC控制单元控制打开第一储液箱和第三储液箱之间的电磁阀，使A份第一储液箱中液体在第一动力单元的作用下流入第三储液箱中。

第三，PLC控制单元控制打开第二储液箱和第三储液箱之间的电磁阀，使B份第二储液箱中液体流入第三储液箱中。

第四，延迟时间T后，第三储液箱自动排出配置好的配方液体，排水完毕后系统停止，等待下一次启动信号。该过程控制完成。

系统精确度控制：在配比过程中，要求第一和第二储液箱自动补水水位误差不超过2mm，第三储液箱配比水位精确误差不超过2mm。

本案例根据检测储液箱中的液位，进行配方自动管理。储液箱的液位根据箱内安装的液位传感器进行检测，根据检测的液位进行A/D和D/A控制第一动力单元和第二动力单元的运行工况，从而保证配方管理任务完成。

案例二：节能控制（中央空调冷冻水系统节能控制）。

本案例中需要用到热水单元14，冷水单元13、第一动力单元10、第二动力单元11、温度传感器、PLC控制单元、触摸屏5、接线单元7和电磁阀9等。

本案例的目的在于模拟中央空调的节能控制。

首先利用两个温度传感器接到PLC扩展模块FX2N-4AD-PT,作为冷冻水循环出水和回水温度信号采集。FX2N-4AD-PT是三菱FX2N系列PLC中的一款模拟量的特殊功能模块，广泛用于基本三菱工控搭建的自动化平台中。 FX2N-4AD-PT型模拟输入模块用于模拟输入（电压输入和电流输入）转换成数字值，并将这个值输入到可编程控制器中。

PLC控制单元读AD模块的两个通道温度值,让回水温度和出水温度进行温差控制，当温差大于设定值时，加大冷冻水泵（即第一动力单元和第二动力单元，下同）从冷水单元中抽水的流量，提高电机运行速度，保证制冷效果。当温差小于设定值时，减少冷冻水泵的流量，降低电机运行速度，从而实现节能控制。

在中央空调冷冻水循环系统中，PLC控制单元通过温度传感器将冷冻水泵的出水温度和回水温人度读入内存，根据回水和出水的温差值来控制变频器的转速，从而调节冷冻水泵的流量，控制热交换的速度。温差大，说明室内（即热水单元）温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水泵的循环速度以增加流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度以一般化流量，减缓热交换的速度，以节约电能。

案例三：流量控制（锅炉流量自动控制系统）。

本案例中需要用到热水单元14（相当于锅炉）和其中的加热装置、第一储液箱1、第一动力单元10、第二动力单元11、温度传感器、液位传感器、流量计、触摸屏5、PLC控制单元、电磁阀9、接线单元7等。

本方案的目的在于模拟锅炉的燃烧控制。根据检测温度的范围控制水泵（即第一动力单元10和第二动力单元11）抽水流量大小，抽水的流量大小取决于锅炉的温度范围。

当锅炉温度小于A度时以恒定值M升/分钟的流量向锅炉抽水。当锅炉温度大于B度时以恒定值N升/分钟的流量锅炉抽水。其中M<N。当温度处于A～B之间时,根据温度大小，按相应比例自动调整抽水流量大小.

抽水过程中，当第一储液箱的水位低于Xcm时，自动补水，当水位高于Ycm时，停止补水。

案例四：压力控制（恒压供水控制系统）

本案例中需要用到第一储液箱1、第一动力单元10、第二动力单元11（即水泵，下同）、压力传感器、PLC控制单元、电磁阀9、接线单元7等。

本案例的目的在于根据检测系统的压力控制水泵的速度，系统的压力根据第一储液箱上安装的压力传感器进行检测，根据检测的压力进行A/D和D/A控制水泵运行工况，从而保证供水压力的自动恒定。

第一储液箱上的压力传感器接到PLC控制单元的AD模块,PLC控制单元读取AD模块的当前压力值,与水压设定值进行运算后控制水泵运行速度。稳压泵投入运行是根据系统的压力设定，当系统压力低于设定压力一定比值时自动开启，达到设定压力一定比例后自动停止。变频水泵继续运行维持系统水压，保证供水控制。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

本方案提供的PLC过程控制教学实训装置能够实现PLC控制技术、传感器技术、变频调速技术、触摸屏技术、电机控制技术、过程控制技术、网络通信技术等领域的过程控制模拟，克服了现有的单个产品只能模拟单一过程控制技术的缺陷，大大降低了教学成本；此外，本装置设备采用模块式结构，更新迅速，维修简便，实现自由搭建系统，让学生不但可以观察学习，还可以自己动手操作，解决了以往产品只能作教学产品的问题，实现了学生多元能力的培养。

本装置主要应用在工程技术人员过程控制技术开发和论证中，同时可以作为技工院校工厂自动化技术教学装置，也可以作为国家职业新工种可编程控制系统设计师的考证平台工具。

Claims (10)

1.一种PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：包括为所述PLC过程控制教学实训装置提供力学支持的机架；设置在所述机架上的对所述PLC过程控制教学实训装置进行控制和操作的控制模块；设置在所述机架上并与所述控制模块相连的感应模块；设置在所述机架上的循环模块，设置在所述机架上并与所述控制模块相连的电控模块。

2.根据权利要求1所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述控制模块包括对所述PLC过程控制教学实训装置运行指令进行编辑的PLC控制单元；与所述PLC控制单元相连的模拟信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述控制模块还设有触摸控制单元，所述触摸控制单元与所述PLC控制单元相连。

4.根据权利要求1所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述循环模块设有相互连接的冷水单元和热水单元，所述冷水单元与所述热水单元之间还设有流量控制单元；所述热水单元中设有加热组件。

5.根据权利要求4所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述循环模块还设有至少二个储液单元，所述储液单元分别与所述冷水单元相连；所述储液单元与所述冷水单元之间还设有流量控制单元。

6.根据权利要求5所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述流量控制单元为电磁阀。

7.根据权利要求1所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述感应模块包括与所述控制模块相连的接线单元以及与所述接线单元相连的感应器单元。

8.根据权利要求7所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述感应器单元包括压力传感器、液位传感器、流量传感器、温度传感器、pH值测试传感器。

9.根据权利要求1所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述所述电控模块包括相互连接的电控单元、第一动力单元和第二动力单元。

10.根据权利要求9所述的PLC过程控制教学实训装置，其特征在于：所述第一动力单元和所述第二动力单元中至少有一个为变频电机，所述控制模块还设有与所述变频电机相连的变频控制单元。