基于plc控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括PCB板、PLC控制器和PLC模擬量擴(kuò)展模塊；PCB板包括DC-DC電路、信號給定及被控對象電路、數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路、PCB板輸入輸出接口、第一端子排和第二端子排；PLC控制器包括電源電路、PLC控制器輸入輸出接口和中央處理單元；PLC模擬量擴(kuò)展模塊包括PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口；數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路和PCB板輸入輸出接口均通過第一端子排與PLC控制器輸入輸出接口相連接，信號給定及被控對象電路通過第二端子排與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口相連接。本發(fā)明具有成本低、輸入輸出接口通用、使用靈活方便、占用PLC資源少的特點(diǎn)，方便教學(xué)，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，屬于可編程控制器教學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在高校教學(xué)中，PLC應(yīng)用技術(shù)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)專業(yè)課程，迫切需要將理論和實(shí)踐結(jié)合起來，因此，PLC實(shí)驗(yàn)是PLC教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。目前，PLC實(shí)驗(yàn)?zāi)K通常是專一功能實(shí)驗(yàn)?zāi)K，例如，溫度測控、開關(guān)量控制和其他一些過程模擬量控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每做一種實(shí)驗(yàn)，需要更換一種實(shí)驗(yàn)?zāi)K，成本高，使用不方便，當(dāng)需要對模擬量和數(shù)字量信號同時做實(shí)驗(yàn)時，現(xiàn)有技術(shù)中，需要數(shù)字量和模擬量單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行組合，設(shè)計復(fù)雜，價格昂貴。
[0003]進(jìn)一步地，現(xiàn)有技術(shù)中，隨著PLC控制器的改型和升級，原來的實(shí)驗(yàn)裝置也隨之報廢，造成不必要的浪費(fèi)。
[0004]因此，一方面PLC及應(yīng)用技術(shù)不斷的發(fā)展，現(xiàn)有的PLC實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題越來越突出，另一方面，學(xué)校也不可能頻繁的更新實(shí)驗(yàn)裝置，在這背景下，如何充分發(fā)揮現(xiàn)有PLC實(shí)驗(yàn)裝置的作用，開發(fā)基于PLC控制器的通用混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K是當(dāng)前急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可以實(shí)現(xiàn)基于PLC的數(shù)字PID的閉環(huán)控制、多通道信號測控、顯示及報警、帶倒計時的交通信號燈控制等實(shí)驗(yàn)，功能強(qiáng)大，成本低、輸入輸出接口通用、使用靈活方便，占用PLC控制器資源少，方便教學(xué)，具有良好的應(yīng)用前景。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括PCB板、PLC控制器和PLC模擬量擴(kuò)展模塊。
[0007]PCB板包括DC-DC電路、信號給定及被控對象電路、數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路、PCB板輸入輸出接口、第一端子排和第二端子排；DC-DC電路與信號給定及被控對象電路、數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路、PCB板輸入輸出接口相連接，信號給定及被控對象電路與第二端子排相連接。
[0008]所述PLC控制器包括電源電路、PLC控制器輸入輸出接口、中央處理單元，電源電路均與PLC控制器輸入輸出接口、中央處理單元相連接，所述中央處理單元與PLC控制器輸入輸出接口相連接。
[0009]PLC模擬量擴(kuò)展模塊包括PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口。
[0010]數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路和PCB板輸入輸出接口均通過第一端子排與PLC控制器輸入輸出接口相連接，DC-DC電路與PLC控制器上的電源電路相連接，DC-DC電路將電壓轉(zhuǎn)換后給PCB板上所有組件供電，信號給定及被控對象電路通過第二端子排與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口相連接，所述PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口通過擴(kuò)展總線與中央處理單元相連接。實(shí)現(xiàn)PLC控制器、PCB板和PLC模擬量擴(kuò)展模塊的信號傳輸和控制，為基于PLC控制器混合試驗(yàn)提供設(shè)備,PLC控制器的的輸入輸出通過第一端子排擴(kuò)展，可提供的多樣化的實(shí)驗(yàn)項目。本專利的PCB板和PLC模擬量擴(kuò)展模塊的組件和組件之間的連接關(guān)系，能夠適應(yīng)多樣的PLC控制器，PLC控制器的改型和升級，PCB板和PLC模擬量擴(kuò)展模塊能夠繼續(xù)使用。
[0011]信號給定及被控對象電路包括信號給定模塊、模擬二階被控對象模塊，信號給定模塊、模擬二階被控對象模塊通過第二端子排與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口相連接。
[0012]信號給定及被控對象電路還包括模擬PI調(diào)節(jié)模塊，模擬PI調(diào)節(jié)模塊通過調(diào)試開關(guān)與模擬二階被控對象模塊相連接，模擬PI調(diào)節(jié)模塊用于與PLC的數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制的結(jié)果比對。模擬二階被控對象模塊包括第一運(yùn)放模塊，模擬PI調(diào)節(jié)模塊包括第二運(yùn)放模塊和外圍元件。
[0013]譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路包括若干個鎖存譯碼驅(qū)動模塊和若干個數(shù)碼管，每個鎖存譯碼驅(qū)動模塊分別連接一個對應(yīng)的數(shù)碼管，鎖存譯碼驅(qū)動模塊均通過第一端子排連接PLC控制器輸入輸出接口。
[0014]較優(yōu)地，鎖存譯碼驅(qū)動模塊和數(shù)碼管均為4個。
[0015]數(shù)字信號輸入輸出電路包括按鈕開關(guān)模塊和發(fā)光二極管，按鈕開關(guān)模塊包括不帶自鎖的開關(guān)和帶自鎖的開關(guān)，按鈕開關(guān)模塊和發(fā)光二極管均通過第一端子排連接PLC控制器輸入輸出接口。按鈕開關(guān)模塊用于模擬不同的信號需求，當(dāng)需要模擬短信號時，使用不帶自鎖的開關(guān)用于模擬短信號，帶自鎖的開關(guān)用于模擬長信號。
[0016]較優(yōu)地，電源電路輸出24V直流電，DC-DC電路將24V電壓轉(zhuǎn)換為12V電壓，DC-DC電路為帶隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，減少外界信號對本試驗(yàn)裝置的信號干擾。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，利用運(yùn)放模塊組成的被控對象，實(shí)現(xiàn)基于PLC的數(shù)字PID閉環(huán)控制，同時，接收來自PLC模擬量擴(kuò)展模塊的模擬信號，或利用混合信號試驗(yàn)?zāi)K的開關(guān)量輸入輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)量信號檢測和控制以及模擬過程物理量檢測和控制，本專利的PCB板和PLC模擬量擴(kuò)展模塊的組件和組件之間的連接關(guān)系，能夠適應(yīng)多樣的PLC控制器，PLC控制器的改型和升級后，PCB板和PLC模擬量擴(kuò)展模塊能夠繼續(xù)使用，可以進(jìn)行多樣PLC控制實(shí)驗(yàn)，成本低、輸入輸出接口通用、使用靈活方便、占用PLC資源少的特點(diǎn)，方便教學(xué)，具有良好的應(yīng)用前景。
[0018]進(jìn)一步地，本專利PLC控制可與模擬控制的結(jié)果進(jìn)行比較，參數(shù)控制設(shè)置靈活，還可以完成多通道的信號測控與顯示、帶倒計時的交通信號燈控制等實(shí)驗(yàn)，也可以作為復(fù)雜控制系統(tǒng)的檢測單元和顯示單元，滿足PLC控制的多樣教學(xué)。
[0019]進(jìn)一步地，本申請PCB板通過第一端子排和第二端子排分別與PLC控制器、PLC模擬量擴(kuò)展模塊相連接，實(shí)驗(yàn)接線方便清晰，方便實(shí)驗(yàn)操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明包括信號給定及被控對象電路中組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路的電路原理圖。【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0022]如圖1所示，基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括PCB板1、PLC控制器2和PLC模擬量擴(kuò)展模塊3。
[0023]PCB板I包括DC-DC電路101、信號給定及被控對象電路102、數(shù)字信號輸入輸出電路103、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路104、PCB板輸入輸出接口 105、第一端子排106和第二端子排107 ;所述DC-DC電路101與信號給定及被控對象電路102、數(shù)字信號輸入輸出電路103、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路104、PCB板輸入輸出接口 105相連接，所述信號給定及被控對象電路102與第二端子排107相連接。
[0024]PLC控制器2包括電源電路201和PLC控制器輸入輸出接口 202、中央處理單元203，電源電路201均與PLC控制器輸入輸出接口 202、中央處理單元203相連接，中央處理單元203與PLC控制器輸入輸出接口 202相連接。PLC模擬量擴(kuò)展模塊3包括PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口 301。
[0025]數(shù)字信號輸入輸出電路103、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路104和PCB板輸入輸出接口105均通過第一端子排106與PLC控制器輸入輸出接口 202相連接，DC-DC電路101與PLC控制器2上的電源電路201相連接，DC-DC電路將電壓轉(zhuǎn)換后給PCB板上所有組件供電，信號給定及被控對象電路102通過第二端子排107與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口 301相連接，PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口 301通過擴(kuò)展總線與中央處理單元203相連接。
[0026]如圖2所示，信號給定及被控對象電路102包括信號給定模塊102a、模擬二階被控對象模塊102b和模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c，信號給定模塊102a、模擬二階被控對象模塊102b通過第二端子排107與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口 301相連接。模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c通過調(diào)試開關(guān)與模擬二階被控對象模塊102b相連接，模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c用于與PLC的數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制的結(jié)果比對。
[0027]譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路104包括四個鎖存譯碼驅(qū)動模塊和四個數(shù)碼管，四個鎖存譯碼驅(qū)動模塊分別連接一個對應(yīng)的數(shù)碼管，四個鎖存譯碼驅(qū)動模塊均通過第一端子排106連接PLC控制器輸入輸出接口 202。
[0028]數(shù)字信號輸入輸出電路103包括四個按鈕開關(guān)模塊和16只發(fā)光二極管，四個按鈕開關(guān)模塊包括兩只不帶自鎖的開關(guān)和兩只帶自鎖的開關(guān)，四個按鈕開關(guān)模塊和16只發(fā)光二極管均通過第一端子排106連接PLC控制器輸入輸出接口 202。
[0029]電源電路201輸出24V直流電，DC-DC電路101包括LM2596-12芯片和外圍元件，DC-DC電路101將24V電壓轉(zhuǎn)換為12V電壓，DC-DC電路101為帶隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，將PLC控制器的24V直流電變?yōu)?2V直流電，再通過帶隔離的DC-DC模塊輸出為PCB板上的各電路提供電能。
[0030]信號給定模塊102a由12V電源經(jīng)電位器模擬0_5V給定信號，接PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口 301的I路輸入端，通過四個按鍵開關(guān)接PLC控制器上的4路數(shù)字量輸入端，模擬二階被控對象模塊102b包括第一運(yùn)放模塊(型號為LM358)，模擬二階被控對象模塊102b可與模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c相連用以驗(yàn)證控制效果，模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c包括第二運(yùn)放模塊(型號為LM358)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制與模擬控制的區(qū)別。
[0031]如圖3所示，所述譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路包括四個鎖存譯碼驅(qū)動模塊U5、U6、U7、U8(型號為CD4511)和四個數(shù)碼管DSl、DS2、DS3、DS4(可采用共陰數(shù)碼管)，四個鎖存譯碼驅(qū)動模塊分別外接PLC控制器輸入輸出接口 202，并分別與對應(yīng)的一個數(shù)碼管相連接，具體連接如下，PLC控制器2的8路數(shù)字量輸出信號經(jīng)過電阻分壓，其中4路譯碼信號接鎖存譯碼驅(qū)動模塊U5、U6、U7、U8的輸入端，其他4路分別接鎖存譯碼驅(qū)動模塊U5、U6、U7、U8的鎖存使能端，鎖存譯碼驅(qū)動模塊U5、U6、U7、U8的7段輸出(a、b、C、d、e、f、g)分別接到數(shù)碼管DS1、DS2、DS3、DS4的對應(yīng)端。所述數(shù)字信號輸入輸出電路103包括十六路LED指示燈，其中6組(12個)指示燈分別接PLC的另外6路數(shù)字量輸出口，2組(4個)指示燈分別接PLC剩下的2路數(shù)字量輸出口，即，2組(4個)指示燈CAR-N和S_CAR、CAR-E和W_CAR分別接PLC剩下的2路數(shù)字量輸出口。
[0032]本發(fā)明的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K工作過程如下:PLC控制器以西門子S7-200的PLC為例，本實(shí)驗(yàn)?zāi)K可作為三個典型實(shí)驗(yàn)的平臺:基于PLC的測控系統(tǒng)、基于PLC的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)、基于PLC的交通信號燈控制系統(tǒng)。
[0033]1、基于PLC的多路測控系統(tǒng):由PCB板上的信號給定模塊102a提供兩路模擬實(shí)測物理量，經(jīng)PLC模擬量擴(kuò)展模塊3 (型號EM235)輸入，與內(nèi)給定值進(jìn)行比較，輸出控制信號，并且可以設(shè)定物理量的上下限值進(jìn)行越限報警，同時實(shí)現(xiàn)實(shí)測物理量的顯示。
[0034]2、基于PLC的PID閉環(huán)控制系統(tǒng):可通過PCB板上的調(diào)試開關(guān)連接模擬PI調(diào)節(jié)模塊102c和模擬二階被控對象模塊102b，模擬二階被控對象模塊102b的輸出量通過PLC模擬量擴(kuò)展模塊3 (型號EM235)輸入，通過信號給定模塊102a改變給定值，通過模擬對象輸出量的顯示觀測PID閉環(huán)調(diào)節(jié)的過程及效果。
[0035]3、基于PLC的交通信號燈控制系統(tǒng):由PCB板上的16個LED指示燈分別模擬十字交通路口的12個紅、黃、綠指示燈和4個路口的4輛汽車的行止?fàn)顟B(tài)，由PLC的數(shù)字量輸出口進(jìn)行控制，東西、南北向的交通控制時間可由數(shù)碼管進(jìn)行倒計數(shù)顯示。
[0036]本發(fā)明提供的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，利用運(yùn)放組成的被控對象，實(shí)現(xiàn)基于PLC的數(shù)字PID閉環(huán)控制，并可與模擬控制的結(jié)果進(jìn)行比較，參數(shù)設(shè)置靈活，還可以完成多通道的信號測控與顯示、帶倒計時的交通信號燈控制等實(shí)驗(yàn)，也可以作為復(fù)雜控制系統(tǒng)的檢測單元和顯示單元，成本低、輸入輸出接口通用、使用靈活方便、占用PLC資源少的特點(diǎn)，方便教學(xué)，具有良好的應(yīng)用前景。
[0037]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括PLC控制器(2)，其特征在于:還包括PCB板(I)和PLC模擬量擴(kuò)展模塊(3 ); 所述PCB板(I)包括DC-DC電路(101)、信號給定及被控對象電路(102)、數(shù)字信號輸入輸出電路(103)、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路(104)、PCB板輸入輸出接口( 105)、第一端子排(106)和第二端子排(107);所述DC-DC電路(101)與信號給定及被控對象電路(102)、數(shù)字信號輸入輸出電路(103)、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路(104)、PCB板輸入輸出接口( 105)相連接； 所述PLC控制器(2 )包括電源電路(201)、PLC控制器輸入輸出接口( 202 )和中央處理單元(203);電源電路(201)均與PLC控制器輸入輸出接口(202)、中央處理單元(203)相連接，所述中央處理單元(203)與PLC控制器輸入輸出接口(202)相連接； 所述PLC模擬量擴(kuò)展模塊(3)包括PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口(301)； 所述數(shù)字信號輸入輸出電路(103)、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路(104)和PCB板輸入輸出接口( 105)均通過第一端子排(106)與PLC控制器輸入輸出接口(202)相連接，所述DC-DC電路(101)與PLC控制器(2 )上的電源電路(201)相連接，DC-DC電路(101)將電壓轉(zhuǎn)換后給PCB板上所有組件供電，所述信號給定及被控對象電路(102)通過第二端子排(107)與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口(301)相連接，所述PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口(301)與中央處理單元(203)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述信號給定及被控對象電路(102)包括信號給定模塊(102a)、模擬二階被控對象模塊(102b)，所述信號給定模塊(102a)、模擬二階被控對象模塊(102b)通過第二端子排(107)與PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口(301)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:信號給定及被控對象電路(102)還包括模擬PI調(diào)節(jié)模塊(102c)，所述模擬PI調(diào)節(jié)模塊(102c)通過調(diào)試開關(guān)與模擬二階被控對象模塊(102b)相連接，所述模擬PI調(diào)節(jié)模塊(102c)用于與PLC的數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制的結(jié)果比對。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路(104)包括若干鎖存譯碼驅(qū)動模塊和若干數(shù)碼管，所述鎖存譯碼驅(qū)動模塊均連接一個對應(yīng)的數(shù)碼管，所述鎖存譯碼驅(qū)動模塊均通過第一端子排(106)連接PLC控制器輸入輸出接口( 202 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述鎖存譯碼驅(qū)動模塊和數(shù)碼管數(shù)量均為4個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述數(shù)字信號輸入輸出電路(103)包括按鈕開關(guān)模塊和發(fā)光二極管，所述按鈕開關(guān)模塊包括不帶自鎖的開關(guān)和帶自鎖的開關(guān)，所述按鈕開關(guān)模塊和發(fā)光二極管均通過第一端子排(106)連接PLC控制器輸入輸出接口( 202 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述電源電路(201)輸出24V直流電，所述DC-DC電路(101)將24V電壓轉(zhuǎn)換為12V電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述DC-DC電路(101)為帶隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述模擬二階被控對象模塊(102b)包括第一運(yùn)放模塊，所述模擬PI調(diào)節(jié)模塊(102c)包括第二運(yùn)放模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC控制器的混合信號實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其特征在于:所述PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸入輸出接口(301)通過擴(kuò)展總線與中央處理單元中央處理(203)相 連接。
【文檔編號】G05B19/05GK103984279SQ201410172419
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】沈亞斌, 趙濤, 邢燦華, 張永號 申請人:南京工程學(xué)院