一種基於軟PLC的技能訓練設備及方法與流程

2023-05-24 05:06:16

本發明涉及一種技能訓練設備及方法，尤其是一種基於軟plc的技能訓練設備及方法，屬於人才培養領域。

背景技術：

由plcopen國際組織推行的iec61131-3程式語言標準已經列入德國工業4.0核心技術標準體系(workinggroupii)，同時也是中國國家標準(gb/t15969.3)，而ethercat是一個以乙太網為基礎的開放架構的現場總線系統，是最快的工業乙太網技術，同時它提供納秒級精確的同步。從歐美先進的工業經驗來看，基於科學高效的控制軟體平臺標準(iec61131-3)和高速開放的實時乙太網通信標準(ethercat)是其實現的基礎。

目前，iec61131-3標準在歐美應用率達80％，而在中國的應用僅有30％，隨著智能製造的推進，掌握iec61131-3標準和ethercat總線技術將是未來機電、自動控制類技術人員的必備能力。當前傳統的plc(即硬plc)技能訓練設備很多，但幾乎都是針對某個特定的plc品牌(如西門子、三菱、歐姆龍等)，其編程方法、硬體資源、軟體架構等都有很大的差異性，且沒有實現ethercat總線技術的技能訓練設備，因此傳統的plc技能訓練設備已無法滿足當前智能製造高端人才的培養需求。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種基於軟plc的技能訓練設備，該設備結構緊湊、布局合理，可以作為plc、iec61131-3編程的培訓與技能鑑定設備。

本發明的另一目的在於提供一種基於設備的技能訓練方法。

本發明的目的可以通過採取如下技術方案達到：

一種基於軟plc的技能訓練設備，包括軟plc、ethercat總線適配器、遠程輸入/輸出模塊、無線路由器、智能網關模塊、第一伺服驅動器、第二伺服驅動器、步進驅動器、變頻器、第一同步帶、第二同步帶、第三同步帶和步進轉輪；

所述軟plc通過ethercat總線適配器分別與遠程輸入/輸出模塊、第一伺服驅動器、第二伺服驅動器連接，所述遠程輸入/輸出模塊分別與步進驅動器和變頻器連接，第一伺服驅動器用於驅動第一同步帶運轉，第二伺服驅動器用於驅動第二同步帶運轉，步進驅動器用於驅動步進轉輪運轉，變頻器用於驅動第三同步帶運轉；所述軟plc還通過智能網關模塊與無線路由器連接，所述無線路由器通過網絡與智能控制終端連接。

進一步的，所述遠程輸入/輸出模塊包括開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速脈衝輸入/輸出模塊和modbus-rtu通信模塊，所述開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊和modbus-rtu通信模塊分別與變頻器連接，所述高速脈衝輸入/輸出模塊與步進驅動器連接。

進一步的，所述設備還包括操作面板，所述操作面板上設有模擬電壓輸入檢測顯示板、模擬電壓輸出檢測顯示板、模擬電壓輸入調節器、手輪脈衝發生器、指示燈和按鈕開關，所述模擬電壓輸入檢測顯示板、模擬電壓輸出檢測顯示板和模擬電壓輸入調節器分別與模擬量輸入/輸出模塊連接，所述手輪脈衝發生器與高速脈衝輸入/輸出模塊連接，所述指示燈和按鈕開關分別與開關量輸入/輸出模塊連接。

進一步的，所述設備還包括安裝架，所述軟plc、操作面板、ethercat總線適配器、遠程輸入/輸出模塊、智能網關模塊、無線路由器、第一伺服驅動器、第二伺服驅動器、步進驅動器、變頻器、第一同步帶、第二同步帶、第三同步帶和步進轉輪均設置在安裝架上；其中：

所述軟plc和操作面板從上到下依次設置在安裝架的上部，所述第一同步帶、第二同步帶、步進轉輪和第三同步帶從上到下依次設置在安裝架的下部，所述ethercat總線適配器、遠程輸入/輸出模塊、無線路由器、智能網關模塊、第一伺服驅動器、第二伺服驅動器、步進驅動器和變頻器設置在操作面板與第一同步帶之間的位置上，且ethercat總線適配器、遠程輸入/輸出模塊、無線路由器和智能網關模塊並排設置在靠近操作面板的位置上，第一伺服驅動器、第二伺服驅動器、步進驅動器和變頻器並排設置在靠近第一同步帶的位置上。

進一步的，所述安裝架的底部設有多個萬向腳輪和多個固定座，所述萬向腳輪的數量與固定座的數量相一致。

進一步的，所述智能控制終端為計算機、手機或平板電腦，當智能控制終端為平板電腦時，智能控制終端可拆卸地設置在安裝架的一側。

進一步的，所述第一同步帶具有第一伺服電機，所述第二同步帶具有第二伺服電機，所述第三同步帶具有變頻電機，所述步進轉輪具有步進電機，第一伺服電機由第一伺服驅動器進行驅動，以帶動第一同步帶運轉，第二伺服電機由第二伺服驅動器進行驅動，以帶動第二同步帶運轉，變頻電機由變頻器進行驅動，以帶動第三同步帶運轉，步進電機由步進驅動器進行驅動，以帶動步進轉輪運轉；所述第一同步帶的左部、中部和右部分別安裝一個u型對射式光電傳感器，所述第二同步帶的左部、中部和右部也分別安裝一個u型對射式光電傳感器，所述步進轉輪安裝有刻度指針，且步進轉輪的下方安裝有劃針和u型對射式傳感器。

進一步的，所述設備還包括標尺，所述標尺設置在第一同步帶和第二同步帶之間，所述第一同步帶上安裝有第一標尺指針，所述第二同步帶上安裝有第二標尺指針，所述第一標尺指針和第二標尺指針分別指向標尺。

進一步的，所述設備還包括電源開關，所述電源開關與軟plc連接。

本發明的另一目的可以通過採取如下技術方案達到：

一種基於上述設備的技能訓練方法，其特徵在於：所述方法包括：設備上電後，現場用戶通過軟plc的觸控螢幕和操作面板進行操作，軟plc根據現場用戶的操作命令，通過ethercat總線向第一伺服驅動器發出通信指令，實現第一同步帶的運轉，或通過ethercat總線向第二伺服驅動器發出通信指令，實現第二同步帶的運轉，或通過ethercat總線向遠程輸入/輸出模塊發出高速脈衝，從而控制步進驅動器驅動步進轉輪運轉，或通過ethercat總線向遠程輸入/輸出模塊發出指令，從而控制變頻器驅動第三同步帶運轉，完成技能訓練；同時，遠程用戶在內部網或外部網通過智能控制終端進入軟plc發布的網頁上，並通過輸入個人帳號和密碼登錄到用戶所屬權限的界面，從而進行下載、調試、維護和監控。

本發明相對於現有技術具有如下的有益效果：

1、本發明設備採用了軟plc，該軟plc基於開放的iec61131-3程式語言標準，並通過ethercat總線適配器分別與遠程輸入/輸出模塊、伺服驅動器連接，而遠程輸入/輸出模塊分別與步進驅動器和變頻器連接，以便通過ethercat總線技術實現對底層部件(同步帶、步進轉輪)的控制，從而完成技能訓練，同時在智能網關模塊和無線路由器的作用下，能夠使智能控制終端與軟plc之間進行通信，從而實現軟plc的遠程下載、調試、維護和監控，很好地解決對智能製造信息化人才培養的問題；此外，iec61131-3程式語言標準和ethercat總線技術均為當前工業4.0及中國製造2025的核心技術標準，是未來智慧工廠實現的基礎，有助於此兩項核心技術在國內的推廣和普及。

2、本發明設備的軟plc可以使用單一的或搭配使用最主流的五種程式語言(功能塊圖fbd、順序功能圖sfc、梯形圖ld、結構化文本st、指令表il)進行編程，實現邏輯控制、精密運轉控制、數據採集、scada系統等功能，能全面進行基於iec61131-3程式語言標準的軟plc技能的培訓和鑑定，極大節省培訓和鑑定的時間和成本。

3、本發明設備具有開放性，注重技術標準本身的掌握與技能訓練，而非僅限於某特定品牌的工控產品，用戶可以在設備上進行iec61131-3程式語言和ethercat總線技術集成，掌握此兩項核心標準技術的應用方法，便於遷移到其他任何基於iec61131-3程式語言和ethercat總線技術的機電產品研發及生產線系統集成的實際場景，有助於為國內培養掌握國際先進智能製造核心技術的高技術技能型人才，為國內製造2025戰略的實現提供人才保障。

4、本發明設備中的遠程輸入/輸出模塊包括開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速脈衝輸入/輸出模塊和modbus-rtu通信模塊，這是ethercat總線下的四種主流的輸入/輸出模塊，這四種模塊的使用在當前我國機電設備的控制高達85％中，其中開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊和modbus-rtu通信模塊分別與變頻器連接，高速脈衝輸入/輸出模塊與步進驅動器連接，利用開關量輸入控制、模擬量輸入控制、modbus-rtu通信實現對變頻器的控制，利用高速脈衝輸入控制實現對步進驅動器的控制，讓用戶能在同一平臺上訓練和一次性掌握四種主流控制方式的技能，便於在實際場景中的遷移。

5、本發明設備設計了操作面板，操作面板上設有模擬電壓輸入檢測顯示板、模擬電壓輸出檢測顯示板、模擬電壓輸入調節器、手輪脈衝發生器、指示燈和按鈕開關，通過模擬電壓輸入檢測顯示板可以對模擬量輸入電壓進行檢測，並在顯示板上顯示檢測的電壓值，通過模擬電壓輸出檢測顯示板可以對模擬量輸出電壓進行檢測，並在顯示板上顯示檢測的電壓值，通過模擬電壓輸入調節器可以對模擬量輸入電壓進行調節，通過手輪脈衝發生器可以產生高速脈衝，被高速脈衝輸入/輸出模塊所捕獲，通過指示燈可以表示開關量輸入/輸出模塊的輸出狀態，通過按鈕開關可以表示開關量輸入/輸出模塊的輸入狀態，配合軟plc，可使用戶更好地完成技能訓練。

6、本發明設備配置了智能網關模塊和無線路由器，可通過wifi、有線、3g、4g連接到網絡，無線路由器所連接的智能控制終端可以為計算機、手機、平板電腦等，使得軟plc支持計算機、手機、平板電腦等內部、外部網絡的遠程訪問，從而實現軟plc的遠程編程、下載、調試、維護和監控，同時具備簡訊、語音等分級報警功能；當智能控制終端為平板電腦時，可以將其可拆卸地設置在安裝架的一側，用戶可以隨時將其取下，方便用戶遠程對整個設備進行控制。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的技能訓練設備結構示意圖。

圖2為本發明實施例1的技能訓練設備結構原理框圖。

其中，1-安裝架，2-軟plc，3-電源開關，4-操作面板，5-ethercat總線適配器，6-遠程輸入/輸出模塊，7-無線路由器，8-智能網關模塊，9-第一伺服驅動器，10-第二伺服驅動器，11-步進驅動器，12-變頻器，13-第一同步帶，14-第二同步帶，15-第三同步帶，16-步進轉輪，17-標尺，18-萬向腳輪，19-固定座，20-模擬電壓輸入檢測顯示板，21-模擬電壓輸出檢測顯示板，22-模擬電壓輸入調節器，23-手輪脈衝發生器，24-指示燈，25-按鈕開關，26-平板電腦，27-第一標尺指針，28-第二標尺指針，29-刻度指針。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1：

如圖1和圖2所示，本實施例的技能訓練設備包括安裝架1、軟plc(programmablelogiccontroller，可編程邏輯控制器)2、電源開關3、操作面板4、ethercat(ethercontrolautomationtechnology，乙太網控制自動化技術)總線適配器5、遠程輸入/輸出模塊6、智能網關模塊8、無線路由器7、第一伺服驅動器9、第二伺服驅動器10、步進驅動器11、變頻器12、第一同步帶13、第二同步帶14、第三同步帶15、步進轉輪16和標尺17。

所述安裝架1用於安裝各種電器元件及機械機構，將軟plc2、電源開關3、操作面板4、ethercat總線適配器5、遠程輸入/輸出模塊6、智能網關模塊8、無線路由器7、第一伺服驅動器9、第二伺服驅動器10、步進驅動器11、變頻器12、第一同步帶13、第二同步帶14、第三同步帶15、步進轉輪16和標尺17都設置在安裝架1上，其中：軟plc2和操作面板4從上到下依次設置在安裝架1的上部，第一同步帶13、第二同步帶14、步進轉輪16和第三同步帶15從上到下依次設置在安裝架1的下部，ethercat總線適配器5、遠程輸入/輸出模塊6、無線路由器7、智能網關模塊8、第一伺服驅動器9、第二伺服驅動器10、步進驅動器11和變頻器12設置在操作面板4與第一同步帶13之間的位置上，且ethercat總線適配器5、遠程輸入/輸出模塊6、無線路由器7和智能網關模塊8並排設置在靠近操作面板4的位置上，第一伺服驅動器9、第二伺服驅動器10、步進驅動器11和變頻器12並排設置在靠近第一同步帶13的位置上，所述標尺17設置在第一同步帶13和第二同步帶14之間，第一同步帶13和第二同步帶14關於標尺17上、下對稱；安裝架1的底部設有四個萬向腳輪18和四個固定座19，萬向腳輪18用於移動安裝架1，固定座19用於固定安裝架1，使用四個萬向腳輪18和四個固定座19更便於移動和固定。

所述軟plc2可以採用佛山市順德合耕信息科技有限公司的gm5000系列工業控制器，或倍福公司的cp66xx系列軟plc，其基於iec61131-3程式語言標準，由於目前市場上的硬plc幾乎都是以iec61131-3程式語言標準為軟體架構，因此通過軟plc2能很好地解決對智能製造信息化人才培養的問題；軟plc2是整個設備的核心控制單元，可以使用單一的或搭配使用現有最主流的五種程式語言(功能塊圖fbd、順序功能圖sfc、梯形圖ld、結構化文本st、指令表il)進行編程，通過計算機對軟plc2的編程，可以實現基於ethercat總線上各種執行機構的控制，以及觸控螢幕上的界面設計及編程。

所述電源開關3與軟plc2連接，本實施例將電源開關3設置在軟plc2上，電源開關3用於整個設備的上電與斷電。

所述遠程輸入/輸出模塊6包括開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速脈衝輸入/輸出模塊和modbus-rtu通信模塊，這四種模塊的使用在當前我國機電設備的控制高達85％中，讓用戶在同一平臺上訓練和一次性掌握四種主流控制方式的技能，便於在實際場景中的遷移，其中：

1)開關量輸入/輸出模塊，用於開關量的輸入採用和輸出控制，其與變頻器12連接，實現變頻器12的開關量輸入控制；

2)模擬量輸入/輸出模塊，用於模擬量的的輸入採用和輸出控制，可進行模擬量0-10v與數字量0-212的a/d、d/a轉換，其與變頻器12連接，實現變頻器12的模擬量輸入控制；

3)高速脈衝輸入/輸出模塊，用於高速脈衝的採集和輸出控制，其與步進驅動器11連接，實現步進驅動器11的控制；

4)modbus-rtu通信模塊，其與變頻器12連接，用於與變頻器12進行modbus-rtu方式的通信。

所述操作面板4上設有模擬電壓輸入檢測顯示板20、模擬電壓輸出檢測顯示板21、模擬電壓輸入調節器22、手輪脈衝發生器23、指示燈24和按鈕開關25，其中：

1)模擬電壓輸入檢測顯示板20，其與遠程輸入/輸出模塊6的模擬量輸入/輸出模塊連接，用於對模擬量輸入/輸出模塊的模擬量輸入電壓進行檢測，並在顯示板上顯示檢測的電壓值；

2)模擬電壓輸出檢測顯示板21，其與遠程輸入/輸出模塊6的模擬量輸入/輸出模塊連接，用於對模擬量輸入/輸出模塊的模擬量輸出電壓進行檢測，並在顯示板上顯示檢測的電壓值；

3)模擬電壓輸入調節器22，其與遠程輸入/輸出模塊6的模擬量輸入/輸出模塊連接，用於對模擬量輸入/輸出模塊的模擬量輸入電壓進行調節；

4)手輪脈衝發生器23，其與遠程輸入/輸出模塊6的高速脈衝輸入/輸出模塊連接，用於產生高速脈衝，被高速脈衝輸入/輸出模塊所捕獲；

5)指示燈24，其與遠程輸入/輸出模塊6的開關量輸入/輸出模塊連接，用於開關量輸入/輸出模塊的輸出狀態表示；

6)按鈕開關25，其與遠程輸入/輸出模塊6的開關量輸入/輸出模塊連接，用於開關量輸入/輸出模塊的輸入狀態表示。

所述ethercat總線適配器5，其與遠程輸入/輸出模塊6連接，即與遠程輸入/輸出模塊6的開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速脈衝輸入/輸出模塊和modbus-rtu通信模塊連接，使這幾個模塊能在ethercat總線下進行數據交換，從而實現不同的工藝控制。

所述無線路由器7，用於通過網絡與智能控制終端連接，智能控制終端可以為計算機、手機、平板電腦等，智能控制終端用於實現遠程對設備進行下載、編程、調試與維護，同時能通過網頁或app(application，應用程式)的方式對整個設備進行監控；當智能控制終端為平板電腦26時，可以將平板電腦26可拆卸地設置在安裝架1的一側(從圖1中可以看到)，用戶可以隨時將其取下，方便用戶遠程對整個設備進行控制。

所述智能網關模塊8，用於連接軟plc2與無線路由器7，為實現遠程編程、下載、調試、維護和監控的核心部件。

所述第一伺服驅動器9，用於驅動第一同步帶13，軟plc2通過ethercat總線向第一伺服驅動器9發出通信指令，實現第一同步帶13的運轉。

所述第二伺服驅動器10，用於驅動第二同步帶14，軟plc2通過ethercat總線向第二伺服驅動器10發出通信指令，實現第二同步帶14的運轉。

所述步進驅動器11，用於驅動步進轉輪16，軟plc2通過ethercat總線向遠程輸入/輸出模塊6發出高速脈衝，從而控制步進驅動器11驅動步進轉輪16運轉。

所述變頻器12，用於驅動第三同步帶15，軟plc2通過ethercat總線向遠程輸入/輸出模塊6發出指令，從而控制變頻器12驅動第三同步帶15運轉。

所述第一同步帶13具有第一伺服電機，第一伺服電機由第一伺服驅動器9進行驅動，以帶動第一同步帶13運轉；第一同步帶13的左部、中部和右部分別安裝一個u型對射式光電傳感器，可用於第一同步帶13的左限位、回零和右限位，並且安裝有第一標尺指針27，第一標尺指針27向下指向標尺17，通過標尺17的讀數得知第一同步帶13的當前位置。

所述第二同步帶14具有第二伺服電機，第二伺服電機由第二伺服驅動器10進行驅動，以帶動第二同步帶14運轉；第二同步帶14的左部、中部和右部分別安裝一個u型對射式光電傳感器，可用於第二同步帶14的左限位、回零和右限位，並且安裝有第二標尺指針28，第二標尺指針28向上指向標尺17，通過標尺17的讀數得知第二同步帶14的當前位置。

所述第三同步帶15具有變頻電機，變頻電機由變頻器12進行驅動，以帶動第三同步帶15運轉，可實現變頻器12的多種受控方式：開關量輸入控制、模擬量輸入控制、modbus-rtu通信。

所述步進轉輪16具有步進電機，步進電機由步進驅動器11進行驅動，以帶動步進轉輪16運轉；步進轉輪16安裝有刻度指針29，通過刻度指針29所指角度可知當前步進轉輪16旋轉的角度，同時步進轉輪16的下方安裝有劃針和u型對射式傳感器，用於步進轉輪16的回零。

本實施例的技能訓練設備工作過程如下：

按下電源開關3使設備上電後，現場用戶通過軟plc2的觸控螢幕和操作面板4進行操作，軟plc2根據現場用戶的操作命令，通過ethercat總線向第一伺服驅動器9發出通信指令，實現第一同步帶13的運轉，或通過ethercat總線向第二伺服驅動器10發出通信指令，實現第二同步帶14的運轉，或通過ethercat總線向遠程輸入/輸出模塊6發出高速脈衝，從而控制步進驅動器11驅動步進轉輪16運轉，或通過ethercat總線向遠程輸入/輸出模塊6發出指令，從而控制變頻器12驅動第三同步帶15運轉，完成技能訓練；同時，遠程用戶在內部網或外部網通過智能控制終端進入軟plc2發布的網頁上，並通過輸入個人帳號和密碼登錄到用戶所屬權限的界面，從而進行下載、調試、維護和監控。

實施例2：

本實施例是一個具體的應用實例，將上述設備應用到工廠生產工藝設備的遠程智能化管理系統中。

由於工廠底層設備的生產過程大多都是開關量輸入/輸出控制、模擬量輸入/輸出控制、高速脈衝輸入/輸出控制、通信控制，因此該設備可以實現多種工廠生產工藝設備的遠程智能化管理系統的模擬與設計。

按下電源開關，設備上電，系統啟動，工廠生產人員或負責人在工廠內部網或外部網，通過計算機、手機、平板電腦通過掃描二維碼、輸入網址等方式進入到軟plc發布的網頁上，通過輸入個人帳號和密碼登錄到自己所屬權限的界面，對工廠設備的工作狀態、數據進行查詢與更改，工廠生產人員可以設定報警內容與級別，達到報警設定時，可以通過簡訊、撥號、微信推送等方式告知相關的工廠負責人；至於工廠設備的具體生產工藝工程，則可以用基於ethercat總線的開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速脈衝輸入/輸出模塊分別對按鈕開關、模擬電壓輸入調節器的模擬量輸入、手輪脈衝發生器的高速脈衝輸入進行採集，並傳送至軟plc進行分析後，根據控制程序以開關量輸入、模擬量輸出、高速脈衝輸出、通信等多種方式驅動各種執行機構如：指示燈、伺服系統(第一伺服驅動器、第一伺服電機、第二伺服驅動器、第二伺服電機)、步進系統(步進驅動器、步進電機)、變頻系統(變頻器、變頻電機)工作；當系統出現故障後，運維人員可通過智能網關模塊的透傳功能進行遠程程序上載、監控、分析、修改、下載、調試，提高運維的響應速度，降低運維成本。

綜上所述，本發明設備採用了軟plc，該軟plc基於開放的iec61131-3程式語言標準，並通過ethercat總線適配器分別與遠程輸入/輸出模塊、伺服驅動器連接，而遠程輸入/輸出模塊分別與步進驅動器和變頻器連接，以便通過ethercat總線技術實現對底層部件(同步帶、步進轉輪)的控制，從而完成技能訓練，同時在智能網關模塊和無線路由器的作用下，能夠使智能控制終端與軟plc之間進行通信，從而實現軟plc的遠程下載、調試、維護和監控，很好地解決對智能製造信息化人才培養的問題；此外，iec61131-3程式語言標準和ethercat總線技術均為當前工業4.0及中國製造2025的核心技術標準，是未來智慧工廠實現的基礎，有助於此兩項核心技術在國內的推廣和普及。

以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的範圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬於本發明專利的保護範圍。