本實用新型屬于技術(shù)教學領(lǐng)域，尤其涉及一種PLC過程控制教學實訓裝置。
背景技術(shù)：
隨著科技水平的進步，人們的生活質(zhì)量也越來越高，各種新型產(chǎn)品層出不窮，而過程控制作為產(chǎn)品設(shè)計中必須經(jīng)歷的環(huán)節(jié)顯得尤為重要。
工業(yè)中的過程控制是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制。過程控制也稱實時控制，是計算機及時的采集檢測數(shù)據(jù)，按最佳值迅速地對控制對象進行自動控制和自動調(diào)節(jié)，如數(shù)控機床和生產(chǎn)流水線的控制等。為此需要大批對過程控制技術(shù)非常了解的人才，所以過程控制技術(shù)的培養(yǎng)也就非常重要。
目前已有的過程控制教學產(chǎn)品，多為演示型的產(chǎn)品。一般是只配備了一兩種傳感器的應(yīng)用、只能夠完成一個特定的控制對象過程控制技術(shù)。例如，專利申請?zhí)朇N201210210267.4的發(fā)明專利《一種單回路快速溫度控制實驗教學裝置》中公開的教學機器“包括有被控對象、傳感器、溫度變送器、智能調(diào)節(jié)儀表、調(diào)壓模塊、上位機，熱源采用鹵鎢燈，能夠?qū)崿F(xiàn)快速升溫和冷卻，智能調(diào)節(jié)儀表通過RS232通訊口與上位機相連接實現(xiàn)控制量的輸出”。然而這種機器智只能模擬單一模式的過程，無法對其他過程控制進行教學。
學生通過這些產(chǎn)品只能了解特定的系統(tǒng)工作原理。不能自由搭建系統(tǒng)，不能作為開發(fā)平臺。這就大大限制了教學的效果和裝置使用效率、利用率。
為此，需要一種新的教學平臺，能夠模擬多種過程控制系統(tǒng)工作原理，并且能夠讓學生自己對系統(tǒng)進行構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計和安裝調(diào)試，實現(xiàn)從想法到實踐的突破。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的在于提供一種智能教學與開發(fā)系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有過程控制教學設(shè)備只能實現(xiàn)單一過程模擬的問題。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種PLC過程控制教學實訓裝置，包括為所述PLC過程控制教學實訓裝置提供力學支持的機架；設(shè)置在所述機架上的對所述PLC過程控制教學實訓裝置進行控制和操作的控制模塊；設(shè)置在所述機架上并與所述控制模塊相連的感應(yīng)模塊；設(shè)置在所述機架上的循環(huán)模塊，設(shè)置在所述機架上并與所述控制模塊相連的電控模塊。
PLC是指可編程邏輯控制器，它是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊踢壿嬁刂破鲗嵸|(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。本方案提供的教學實訓裝置是基于PLC而設(shè)立的，因為不涉及對PLC本身的改進，所以在此不贅述。
本方案提供的PLC過程控制教學實訓裝置搭建在機架上，各個模塊之間可以任意進行組裝，可以根據(jù)需要對各模塊的位置進行安排。控制模塊是整個裝置的核心，也是對各個過程參數(shù)進行設(shè)置并控制的模塊。其他模塊都直接或間接的與控制模塊相連，并根據(jù)控制模塊的指令進行操作。感應(yīng)模塊主要用來收集模擬過程中的各種參數(shù)并將其反映給控制模塊。循環(huán)模塊是主要的輸出模塊，控制模塊接收到感應(yīng)模塊傳來的信息后發(fā)出指令使得循環(huán)模塊做出操作從而改變過程參數(shù)。電控模塊主要為其他模塊提供支持。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述控制模塊包括對所述PLC過程控制教學實訓裝置運行指令進行編輯的PLC控制單元；與所述PLC控制單元相連的模擬信號處理單元。PCL控制單元是對裝置進行編程控制的主機，模擬信號處理單元可以產(chǎn)生模擬量信號源，這些信號主要有DC（直流電信號） 0～5V、0～10V、-10V～10V、4～20mA、-20～20mA等。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述控制模塊還設(shè)有觸摸控制單元，所述觸摸控制單元與所述PLC控制單元相連。觸摸控制單元可是是觸摸屏，也可以是平板電腦等其他設(shè)備，其余PLC控制單元之間可以采用有線相連，也可以使用無線通信連接。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述循環(huán)模塊設(shè)有相互連接的冷水單元和熱水單元，所述冷水單元與所述熱水單元之間還設(shè)有流量控制單元；所述熱水單元中設(shè)有加熱組件。冷水單元和熱水單元可以對溫度進行控制。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述循環(huán)模塊還設(shè)有至少二個儲液單元，所述儲液單元分別與所述冷水單元相連；所述儲液單元與所述冷水單元之間還設(shè)有流量控制單元。儲液單元可以是水箱，也可是設(shè)置成為其他容納裝置，儲液單元主要用來盛放不同液體，使用時可以將多個配方調(diào)節(jié)單元中的液體按照不同比例進行混合從而實現(xiàn)配方控制。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述流量控制單元為電磁閥?？刂颇K對電磁閥的開閉進行控制，通過調(diào)節(jié)電磁閥的開閉實現(xiàn)對流量等的控制。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述感應(yīng)模塊包括與所述控制模塊相連的接線單元以及與所述接線單元相連的感應(yīng)器單元。PLC過程控制教學實訓裝置上設(shè)置有多個傳感器，這些傳感器共同組成了感應(yīng)器單元，所有的傳感器都與接線單元相連并將其感受到的信號匯總到接線單元中，最終通過接線單元將信息傳輸給控制模塊。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述感應(yīng)器單元包括壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、pH值測試傳感器。這些傳感器設(shè)置在熱水單元、冷水單元和儲液單元內(nèi)部的不同位置。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述所述電控模塊包括相互連接的電控單元、第一動力單元和第二動力單元。第一動力單元和第二動力單元主要是指水泵或其他電機。
本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述第一動力單元和所述第二動力單元中至少有一個為變頻電機，所述控制模塊還設(shè)有與所述變頻電機相連的變頻控制單元。變頻電機可以改變水流效率，可以根據(jù)需要改變流體速度。
此外，本方案提供的PLC過程控制教學實訓裝置還設(shè)有報警裝置和流量計，報警裝置可以設(shè)置成報警燈形式，也可以設(shè)置成為報警信號（聲音）形式。流量計用來計算液體流量，可以采用電磁流量計，也可以采用其他形式的流量計，例如差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、節(jié)流式流量計、細縫流量計、容積流量計、超聲波流量計等。
本實用新型的有益效果是：本方案提供的PLC過程控制教學實訓裝置能夠?qū)崿F(xiàn)PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、電機控制技術(shù)、過程控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等領(lǐng)域的過程控制模擬，克服了現(xiàn)有的單個產(chǎn)品只能模擬單一過程控制技術(shù)的缺陷，大大降低了教學成本；此外，本裝置設(shè)備采用模塊式結(jié)構(gòu)，更新迅速，維修簡便，實現(xiàn)自由搭建系統(tǒng)，讓學生不但可以觀察學習，還可以自己動手操作，解決了以往產(chǎn)品只能作教學產(chǎn)品的問題，實現(xiàn)了學生多元能力的培養(yǎng)。
本裝置主要應(yīng)用在工程技術(shù)人員過程控制技術(shù)開發(fā)和論證中，同時可以作為技工院校工廠自動化技術(shù)教學裝置，也可以作為國家職業(yè)新工種可編程控制系統(tǒng)設(shè)計師的考證平臺工具。
附圖說明
為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本實用新型實施例提供的PLC過程控制教學實訓裝置的示列圖。
附圖標記：1-第一儲液箱；2-第二儲液箱；3-報警燈；4-第三儲液箱；5-觸摸屏；6-機架；7-接線單元；8-控制模塊抽屜；9-電磁閥；10-第一動力單元；11-第二動力單元；12-電控單元；13-冷水單元；14-熱水單元。
具體實施方式
以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發(fā)明可用以實施的特定實施例。本發(fā)明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「內(nèi)」、「外」、「側(cè)面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發(fā)明，而非用以限制本發(fā)明。
PLC是指可編程邏輯控制器，它是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊踢壿嬁刂破鲗嵸|(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。本方案提供的教學實訓裝置是基于PLC而設(shè)立的，因為不涉及對PLC本身的改進，所以在此不贅述。
圖1示出了本實用新型提供的PLC過程控制教學實訓裝置的示列圖。下面結(jié)合附圖對該裝置進行進一步描述。
從圖1可見，本裝置包括為所述PLC過程控制教學實訓裝置提供力學支持的機架6；本方案提供的PLC過程控制教學實訓裝置搭建在機架6上，各個模塊之間可以任意進行組裝，可以根據(jù)需要對各模塊的位置進行安排。
從圖1中可以看出設(shè)置在所述機架6上的對所述PLC過程控制教學實訓裝置進行控制和操作的控制模塊?？刂颇K是整個裝置的核心，也是對各個過程參數(shù)進行設(shè)置并控制的模塊。其他模塊都直接或間接的與控制模塊相連，并根據(jù)控制模塊的指令進行操作。圖1中將控制模塊的主體都集成在控制模塊抽屜8中了，這樣更方便控制模塊的保護和裝置整體的便攜性?？刂颇K抽屜8中包括對所述PLC過程控制教學實訓裝置運行指令進行編輯的PLC控制單元；與所述PLC控制單元相連的模擬信號處理單元；還設(shè)有與所述變頻電機相連的變頻控制單元。PCL控制單元是對裝置進行編程控制的主機，模擬信號處理單元可以產(chǎn)生模擬量信號源，這些信號主要有DC（直流電信號） 0～5V、0～10V、-10V～10V、4～20mA、-20～20mA等。變頻電機可以改變水流效率，可以根據(jù)需要改變流體速度。
所述控制模塊還設(shè)有觸摸控制單元，所述觸摸控制單元與所述PLC控制單元相連。觸摸控制單元可是是觸摸屏，也可以是平板電腦等其他設(shè)備，其余PLC控制單元之間可以采用有線相連，也可以使用無線通信連接。本實施例中將觸摸屏5固定在機架上以方便實驗人員進行操作。
從圖1中還可以看出，本例中PLC過程控制教學實訓裝置還設(shè)有在所述機架6上并與所述控制模塊相連的感應(yīng)模塊。感應(yīng)模塊主要用來收集模擬過程中的各種參數(shù)并將其反映給控制模塊。
所述感應(yīng)模塊包括與所述控制模塊相連的接線單元7以及與所述接線單元相連的感應(yīng)器單元（圖中未示出）。PLC過程控制教學實訓裝置上設(shè)置有多個傳感器，這些傳感器共同組成了感應(yīng)器單元，所有的傳感器都與接線單元相連并將其感受到的信號匯總到接線單元中，最終通過接線單元將信息傳輸給控制模塊。
所述感應(yīng)器單元包括壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、pH值測試傳感器。這些傳感器設(shè)置在熱水單元、冷水單元和儲液單元內(nèi)部的不同位置。
本例中壓力傳感器分布在熱水單元14和第一到第三儲液箱1、2、4的中下部，液位傳感器分布在熱水單元14和第一到第三儲液箱1、2、4中上部，流量傳感器分布在第二、第三儲液箱2、4和冷水單元13的中間管道上，溫度傳感器在熱水單元14中部和其他各箱1、2、4、13的任意位置。PH值測試傳感器置在熱水單元14和冷水單元13的中部。
從圖1中還可以看出，本例中PLC過程控制教學實訓裝置還包括設(shè)置在所述機架上的循環(huán)模塊，循環(huán)模塊是主要的輸出模塊，控制模塊接收到感應(yīng)模塊傳來的信息后發(fā)出指令使得循環(huán)模塊做出操作從而改變過程參數(shù)。所述循環(huán)模塊設(shè)有相互連接的冷水單元13和熱水單元14，所述冷水單元13與所述熱水單元14之間還設(shè)有流量控制單元；所述熱水單元14中設(shè)有加熱組件。冷水單元13和熱水單元14可以對溫度進行控制。所述循環(huán)模塊還設(shè)有至少二個儲液單元，所述儲液單元分別與所述冷水單元13相連；所述儲液單元與所述冷水單元13之間還設(shè)有流量控制單元。儲液單元可以是水箱，也可是設(shè)置成為其他容納裝置，儲液單元主要用來盛放不同液體，使用時可以將多個配方調(diào)節(jié)單元中的液體按照不同比例進行混合從而實現(xiàn)配方控制。
本例中設(shè)置有3個儲液單元，分別是第一儲液箱1、第二儲液箱2和第三儲液箱4，它們分別設(shè)置在機架上。第一儲液箱1與第二儲液箱2之間相連，第二儲液箱2與第三儲液箱4之間也相連，第一儲液箱1與第三儲液箱4之間也相連。它們分別與冷水單元13相連。
所述流量控制單元在本例中為電磁閥9，且本例中包含多個電磁閥9，但圖中并未全部畫出。控制模塊對電磁閥9的開閉進行控制，通過調(diào)節(jié)電磁閥的開閉實現(xiàn)對流量等的控制。
從圖1中還可以看出，本例中PLC過程控制教學實訓裝置還包括設(shè)置在所述機架上并與所述控制模塊相連的電控模塊。電控模塊主要為其他模塊提供支持。
所述所述電控模塊包括相互連接的電控單元12、第一動力單元10和第二動力單元11。本例中第一動力單元10和第二動力單元11都是指水泵。
所述第一動力單元和所述第二動力單元中至少有一個為變頻電機，所述控制模塊還設(shè)有與所述變頻電機相連的變頻控制單元。變頻電機可以改變水流效率，可以根據(jù)需要改變流體速度。
此外，本方案提供的PLC過程控制教學實訓裝置還設(shè)有報警裝置和流量計，報警裝置可以設(shè)置成報警燈形式，也可以設(shè)置成為報警信號（聲音）形式。本例中就采用了報警燈3的形式。流量計用來計算液體流量，可以采用電磁流量計，也可以采用其他形式的流量計，例如差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、節(jié)流式流量計、細縫流量計、容積流量計、超聲波流量計等。
下面結(jié)合具體過程控制案例對本裝置進行進一步解釋。
案例一：液位控制（多液體自動配方控制系統(tǒng)）。
本案例過程控制中需要用到第一到第三儲液箱1、2、4，第一動力單元10和第二動力單元11，電磁閥9，PLC控制單元，觸摸屏5、接線單元7以及若干傳感器。
本方案的目的在于按照預設(shè)配方進行液體混合。
首先對系統(tǒng)進行設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容包括配方的比例A:B、第一和第二儲液箱中的液體量等。并將第一動力單元和第二動力單元分別與相應(yīng)的儲液箱相接。
本方案中使用水來代替放置在第一和第二儲液箱中的不同液體。
具體操作為，首先，通過第一和第二儲液箱中的液位傳感器來監(jiān)測各個儲液箱中的液面，當?shù)谝缓偷诙σ合渲幸好媪康陀陬A設(shè)值X厘米時，系統(tǒng)自動補充水分；當?shù)谝缓偷诙σ合渲幸好媪扛哂陬A設(shè)值Y厘米時，停止補水。
第二，PLC控制單元控制打開第一儲液箱和第三儲液箱之間的電磁閥，使A份第一儲液箱中液體在第一動力單元的作用下流入第三儲液箱中。
第三，PLC控制單元控制打開第二儲液箱和第三儲液箱之間的電磁閥，使B份第二儲液箱中液體流入第三儲液箱中。
第四，延遲時間T后，第三儲液箱自動排出配置好的配方液體，排水完畢后系統(tǒng)停止，等待下一次啟動信號。該過程控制完成。
系統(tǒng)精確度控制：在配比過程中，要求第一和第二儲液箱自動補水水位誤差不超過2mm，第三儲液箱配比水位精確誤差不超過2mm。
本案例根據(jù)檢測儲液箱中的液位，進行配方自動管理。儲液箱的液位根據(jù)箱內(nèi)安裝的液位傳感器進行檢測，根據(jù)檢測的液位進行A/D和D/A控制第一動力單元和第二動力單元的運行工況，從而保證配方管理任務(wù)完成。
案例二：節(jié)能控制（中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)節(jié)能控制）。
本案例中需要用到熱水單元14，冷水單元13、第一動力單元10、第二動力單元11、溫度傳感器、PLC控制單元、觸摸屏5、接線單元7和電磁閥9等。
本案例的目的在于模擬中央空調(diào)的節(jié)能控制。
首先利用兩個溫度傳感器接到PLC擴展模塊FX2N-4AD-PT,作為冷凍水循環(huán)出水和回水溫度信號采集。FX2N-4AD-PT是三菱FX2N系列PLC中的一款模擬量的特殊功能模塊，廣泛用于基本三菱工控搭建的自動化平臺中。 FX2N-4AD-PT型模擬輸入模塊用于模擬輸入（電壓輸入和電流輸入）轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，并將這個值輸入到可編程控制器中。
PLC控制單元讀AD模塊的兩個通道溫度值,讓回水溫度和出水溫度進行溫差控制，當溫差大于設(shè)定值時，加大冷凍水泵（即第一動力單元和第二動力單元，下同）從冷水單元中抽水的流量，提高電機運行速度，保證制冷效果。當溫差小于設(shè)定值時，減少冷凍水泵的流量，降低電機運行速度，從而實現(xiàn)節(jié)能控制。
在中央空調(diào)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，PLC控制單元通過溫度傳感器將冷凍水泵的出水溫度和回水溫人度讀入內(nèi)存，根據(jù)回水和出水的溫差值來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷凍水泵的流量，控制熱交換的速度。溫差大，說明室內(nèi)（即熱水單元）溫度高，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水泵的循環(huán)速度以增加流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度以一般化流量，減緩熱交換的速度，以節(jié)約電能。
案例三：流量控制（鍋爐流量自動控制系統(tǒng)）。
本案例中需要用到熱水單元14（相當于鍋爐）和其中的加熱裝置、第一儲液箱1、第一動力單元10、第二動力單元11、溫度傳感器、液位傳感器、流量計、觸摸屏5、PLC控制單元、電磁閥9、接線單元7等。
本方案的目的在于模擬鍋爐的燃燒控制。根據(jù)檢測溫度的范圍控制水泵（即第一動力單元10和第二動力單元11）抽水流量大小，抽水的流量大小取決于鍋爐的溫度范圍。
當鍋爐溫度小于A度時以恒定值M升/分鐘的流量向鍋爐抽水。當鍋爐溫度大于B度時以恒定值N升/分鐘的流量鍋爐抽水。其中M<N。當溫度處于A～B之間時,根據(jù)溫度大小，按相應(yīng)比例自動調(diào)整抽水流量大小.
抽水過程中，當?shù)谝粌σ合涞乃坏陀赬cm時，自動補水，當水位高于Ycm時，停止補水。
案例四：壓力控制（恒壓供水控制系統(tǒng)）
本案例中需要用到第一儲液箱1、第一動力單元10、第二動力單元11（即水泵，下同）、壓力傳感器、PLC控制單元、電磁閥9、接線單元7等。
本案例的目的在于根據(jù)檢測系統(tǒng)的壓力控制水泵的速度，系統(tǒng)的壓力根據(jù)第一儲液箱上安裝的壓力傳感器進行檢測，根據(jù)檢測的壓力進行A/D和D/A控制水泵運行工況，從而保證供水壓力的自動恒定。
第一儲液箱上的壓力傳感器接到PLC控制單元的AD模塊,PLC控制單元讀取AD模塊的當前壓力值,與水壓設(shè)定值進行運算后控制水泵運行速度。穩(wěn)壓泵投入運行是根據(jù)系統(tǒng)的壓力設(shè)定，當系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力一定比值時自動開啟，達到設(shè)定壓力一定比例后自動停止。變頻水泵繼續(xù)運行維持系統(tǒng)水壓，保證供水控制。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
本方案提供的PLC過程控制教學實訓裝置能夠?qū)崿F(xiàn)PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、電機控制技術(shù)、過程控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等領(lǐng)域的過程控制模擬，克服了現(xiàn)有的單個產(chǎn)品只能模擬單一過程控制技術(shù)的缺陷，大大降低了教學成本；此外，本裝置設(shè)備采用模塊式結(jié)構(gòu)，更新迅速，維修簡便，實現(xiàn)自由搭建系統(tǒng)，讓學生不但可以觀察學習，還可以自己動手操作，解決了以往產(chǎn)品只能作教學產(chǎn)品的問題，實現(xiàn)了學生多元能力的培養(yǎng)。
本裝置主要應(yīng)用在工程技術(shù)人員過程控制技術(shù)開發(fā)和論證中，同時可以作為技工院校工廠自動化技術(shù)教學裝置，也可以作為國家職業(yè)新工種可編程控制系統(tǒng)設(shè)計師的考證平臺工具。