用于PLC实训装置的核心控制器电路的制作方法

本发明属于教育设备技术领域，特别涉及一种用于plc实训装置的核心控制器电路。

背景技术：

可编程控制器(programmablelogiccontroller，以下简称plc)课程实验是各大职业院校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。

技术实现要素：

本发明实施例之一，提供了一种用于plc实训装置的核心控制器电路，该核心控制器电路包括，数字量输入输出模块，以及模拟量输入输出模块，

所述plc实训装置包括一台plc，学员通过这台plc进行实际操作练习，

所述plc实训装置还包括控制对象模拟装置，该控制对象模拟装置包括嵌入式计算机，该嵌入式计算机将所述plc的控制对象以虚拟方式展示在所述控制对象模拟装置的显示界面上；

所述核心控制器被设置于所述控制对象模拟装置内，用于连接所述plc的i/o口，将所述控制对象的状态参数传送给嵌入式计算机存储器内存储的控制对象虚拟场景模型，

本发明的核心控制器，可以用于plc实训装置，是该plc实训装置的关键部件，该核心控制器用于向实训中的plc提供真实的i/o信号，同时驱动控制对象模拟装置三维仿真动画界面内各虚拟控制对象进项相应的动作。

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实训装置系统结构图。

图2本发明实施例之一的核心控制器硬件结构图。

图3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4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5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6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7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

本发明实施例提供一种基于虚拟控制对象的plc实训实验仿真模拟装置的核心控制器。用于plc虚拟仿真操作实验，该控制器可根据三维仿真动画界面中所模拟的各控件的动作指令定义i/o端口的功能，向plc提供真实的i/o信号，同时接收实验者编写的plc的控制指令，驱动三维仿真动画界面内各虚拟控制对象进项相应的动作。

参照图1，基于虚拟控制对象的plc实验仿真装置由嵌入式计算机，核心控制器，模拟量输入、输出模块和数字量输入、输出扩展模块组成。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，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。，核心板集成主控芯片及晶振、复位电路、数据存储器等电路；主控板集成电源模块、通信电路、数字量输入输出电路、模拟量输入输出电路、隔离电路、继电器驱动电路等外围电路。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。主控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。同时，can总线接口可用于核心控制器i/o点数的扩展。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)。

参照图3，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。主控板上的数字量输入模块采用光耦隔离的电路形式，可以将实训用plc输出的24v高电平信号信号转变为arm处理器各i/o端口可以承受的电平信号。同时，实现了plc输出信号与核心控制器的输入信号间的完全电气隔离，实训plc输出信号对核心控制器的输入端无影响。增强了系统的抗干扰性和稳定性。使用集成光耦tlp521-4可以极大的减小线路板的面积，使系统的集成度更高。

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。使核心控制器可以适配不同厂家不同型号的plc，增加了系统的灵活性。

参照图4，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。

主控板上的数字量输出模块采用光耦隔离的电路形式，可以将核心板输出的5v高电平信号信号转变为驱动继电器的24v高电平信号。实现了arm核心板输出信号与继电器间的完全电气隔离，增强了系统的抗干扰性和稳定性。驱动继电器的24v电压由外部提供，使用该电路的输出结构可以降低核心控制器的功耗。

核心控制器的数字量输出模块与实训用plc间使用继电器进行电气隔离，提供给plc的开关量信号的电平可以不受核心控制器驱动电平限制。从而使实训用plc输入信号的种类可以不受限制，使核心控制器可模拟的虚拟控制对象的种类更多。

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。使核心控制器可以适配不同厂家不同型号的plc，增加了系统的灵活性。

参照图5、图6，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。

主控板上使用的模拟量输入输出电路，使plc实训装置可以模拟现场传感器(如温度、压力传感器等)向实训用plc输出0～5v或4～20ma的模拟量信号。学生可以在实训装置上模拟对现场布置的传感器的信号进行检测、采集和处理。

使用线性光耦进行完全隔离的模拟量输入输出电路，可以避免核心控制器与实训plc间因电路接地电位不等引起的误差。保护核心控制器内部电路不受plc电路故障的影响，提高系统的可靠性。

参照图7，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。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)。

本实施例中使用高速光耦6n137进行隔离的can总线将核心控制器与实训plc及扩展模块进行了电气隔离，可以有效的将外部复杂环境中可能串入总线中的高压阻挡在实训系统之外。同时，抑制由接地电势差、接地环路引起的各种共模干扰，保证总线在严重干扰和其他系统噪声存在的情况下，不间断、无差错运行。本实施例使用带隔离的can总线还可以防止单一总线行成的地环路，总线参考地可跟随共模电压的波动而波动，共模电压全部由隔离芯片6n137承受，抑制共模电压对总线电信号的影响，保证总线稳定可靠的通信。

本发明实施例的核心控制器，用于维修电工中级、高级、技师和高技技师实训的plc实验中使用的基于虚拟控制对象的仿真模拟装置中。该控制器具有可编程的输入输出端口。可根据三维仿真动画界面中所模拟的各控件的动作指令定义i/o端口的功能，向plc提供真实的i/o信号，同时接收实验者编写的plc的控制指令，驱动三维仿真动画界面内各虚拟控制对象进项相应的动作。所述核心控制器包括主控mcu，带光耦隔离的24路数字量输入、输出模块(24di\24do)；带隔离的4路模拟量输入、2路模拟量输出模块(4ai\2ao)，带隔离的can总线模块及至少一组数字量输入、输出扩展模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：核心控制器采用模块化设计。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，核心板与主控板各自单独制板，功能分开。核心板负责程序运行及数据存储，主控板负责系统供电、外围设备的驱动及信息指示。模块化设计使得某一模块损坏时不影响其他模块的正常工作，且便于维修更换，降低维护成本。

主控板上所有与外部设备连接的电路均使用了电气隔离，保证系统的安全可靠性。使用带隔离的can总线模块既可以与上位机仿真软件通讯，又可以作为数字量输入、输出模块的扩展接口，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。主控板上的24路数字量输入、输出端口中，16路共用一个公共端，其余8路各自独立。使核心控制器可以适配不同厂家不同型号的plc，增加了系统的灵活性。

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，randomaccessmemory)、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。