一种基于软PLC的技能训练设备的制作方法

本实用新型涉及一种技能训练设备，尤其是一种基于软PLC的技能训练设备，属于人才培养领域。

背景技术：

由PLCopen国际组织推行的IEC61131-3编程语言标准已经列入德国工业4.0核心技术标准体系(Working Group II)，同时也是中国国家标准(GB/T15969.3)，而EtherCAT是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，是最快的工业以太网技术，同时它提供纳秒级精确的同步。从欧美先进的工业经验来看，基于科学高效的控制软件平台标准(IEC61131-3)和高速开放的实时以太网通信标准(EtherCAT)是其实现的基础。

目前，IEC 61131-3标准在欧美应用率达80％，而在中国的应用仅有30％，随着智能制造的推进，掌握IEC 61131-3标准和EtherCAT总线技术将是未来机电、自动控制类技术人员的必备能力。当前传统的PLC(即硬PLC)技能训练设备很多，但几乎都是针对某个特定的PLC品牌(如西门子、三菱、欧姆龙等)，其编程方法、硬件资源、软件架构等都有很大的差异性，且没有实现EtherCAT总线技术的技能训练设备，因此传统的PLC技能训练设备已无法满足当前智能制造高端人才的培养需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于软PLC的技能训练设备，该设备结构紧凑、布局合理，可以作为PLC、IEC61131-3编程的培训与技能鉴定设备。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于软PLC的技能训练设备，包括软PLC、EtherCAT总线适配器、远程输入/输出模块、无线路由器、智能网关模块、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、步进驱动器、变频器、第一同步带、第二同步带、第三同步带和步进转轮；

所述软PLC通过EtherCAT总线适配器分别与远程输入/输出模块、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器连接，所述远程输入/输出模块分别与步进驱动器和变频器连接，第一伺服驱动器用于驱动第一同步带运转，第二伺服驱动器用于驱动第二同步带运转，步进驱动器用于驱动步进转轮运转，变频器用于驱动第三同步带运转；所述软PLC还通过智能网关模块与无线路由器连接，所述无线路由器通过网络与智能控制终端连接。

进一步的，所述远程输入/输出模块包括开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、高速脉冲输入/输出模块和Modbus-RTU通信模块，所述开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块和Modbus-RTU通信模块分别与变频器连接，所述高速脉冲输入/输出模块与步进驱动器连接。

进一步的，所述设备还包括操作面板，所述操作面板上设有模拟电压输入检测显示板、模拟电压输出检测显示板、模拟电压输入调节器、手轮脉冲发生器、指示灯和按钮开关，所述模拟电压输入检测显示板、模拟电压输出检测显示板和模拟电压输入调节器分别与模拟量输入/输出模块连接，所述手轮脉冲发生器与高速脉冲输入/输出模块连接，所述指示灯和按钮开关分别与开关量输入/输出模块连接。

进一步的，所述设备还包括安装架，所述软PLC、操作面板、EtherCAT总线适配器、远程输入/输出模块、智能网关模块、无线路由器、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、步进驱动器、变频器、第一同步带、第二同步带、第三同步带和步进转轮均设置在安装架上；其中：

所述软PLC和操作面板从上到下依次设置在安装架的上部，所述第一同步带、第二同步带、步进转轮和第三同步带从上到下依次设置在安装架的下部，所述EtherCAT总线适配器、远程输入/输出模块、无线路由器、智能网关模块、第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、步进驱动器和变频器设置在操作面板与第一同步带之间的位置上，且EtherCAT总线适配器、远程输入/输出模块、无线路由器和智能网关模块并排设置在靠近操作面板的位置上，第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、步进驱动器和变频器并排设置在靠近第一同步带的位置上。

进一步的，所述安装架的底部设有多个万向脚轮和多个固定座，所述万向脚轮的数量与固定座的数量相一致。

进一步的，所述智能控制终端为计算机、手机或平板电脑，当智能控制终端为平板电脑时，智能控制终端可拆卸地设置在安装架的一侧。

进一步的，所述第一同步带具有第一伺服电机，所述第二同步带具有第二伺服电机，所述第三同步带具有变频电机，所述步进转轮具有步进电机，第一伺服电机由第一伺服驱动器进行驱动，以带动第一同步带运转，第二伺服电机由第二伺服驱动器进行驱动，以带动第二同步带运转，变频电机由变频器进行驱动，以带动第三同步带运转，步进电机由步进驱动器进行驱动，以带动步进转轮运转；所述第一同步带的左部、中部和右部分别安装一个U型对射式光电传感器，所述第二同步带的左部、中部和右部也分别安装一个U型对射式光电传感器，所述步进转轮安装有刻度指针，且步进转轮的下方安装有划针和U型对射式传感器。

进一步的，所述设备还包括标尺，所述标尺设置在第一同步带和第二同步带之间，所述第一同步带上安装有第一标尺指针，所述第二同步带上安装有第二标尺指针，所述第一标尺指针和第二标尺指针分别指向标尺。

进一步的，所述设备还包括电源开关，所述电源开关与软PLC连接。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型设备采用了软PLC，该软PLC基于开放的IEC61131-3编程语言标准，并通过EtherCAT总线适配器分别与远程输入/输出模块、伺服驱动器连接，而远程输入/输出模块分别与步进驱动器和变频器连接，以便通过EtherCAT总线技术实现对底层部件(同步带、步进转轮)的控制，从而完成技能训练，同时在智能网关模块和无线路由器的作用下，能够使智能控制终端与软PLC之间进行通信，从而实现软PLC的远程下载、调试、维护和监控，很好地解决对智能制造信息化人才培养的问题；此外，IEC61131-3编程语言标准和EtherCAT总线技术均为当前工业4.0及中国制造2025的核心技术标准，是未来智慧工厂实现的基础，有助于此两项核心技术在国内的推广和普及。

2、本实用新型设备的软PLC可以使用单一的或搭配使用最主流的五种编程语言(功能块图FBD、顺序功能图SFC、梯形图LD、结构化文本ST、指令表IL)进行编程，实现逻辑控制、精密运转控制、数据采集、SCADA系统等功能，能全面进行基于IEC61131-3编程语言标准的软PLC技能的培训和鉴定，极大节省培训和鉴定的时间和成本。

3、本实用新型设备具有开放性，注重技术标准本身的掌握与技能训练，而非仅限于某特定品牌的工控产品，用户可以在设备上进行IEC61131-3编程语言和EtherCAT总线技术集成，掌握此两项核心标准技术的应用方法，便于迁移到其他任何基于IEC61131-3编程语言和EtherCAT总线技术的机电产品研发及生产线系统集成的实际场景，有助于为国内培养掌握国际先进智能制造核心技术的高技术技能型人才，为国内制造2025战略的实现提供人才保障。

4、本实用新型设备中的远程输入/输出模块包括开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、高速脉冲输入/输出模块和Modbus-RTU通信模块，这是EtherCAT总线下的四种主流的输入/输出模块，这四种模块的使用在当前我国机电设备的控制高达85％中，其中开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块和Modbus-RTU通信模块分别与变频器连接，高速脉冲输入/输出模块与步进驱动器连接，利用开关量输入控制、模拟量输入控制、Modbus-RTU通信实现对变频器的控制，利用高速脉冲输入控制实现对步进驱动器的控制，让用户能在同一平台上训练和一次性掌握四种主流控制方式的技能，便于在实际场景中的迁移。

5、本实用新型设备设计了操作面板，操作面板上设有模拟电压输入检测显示板、模拟电压输出检测显示板、模拟电压输入调节器、手轮脉冲发生器、指示灯和按钮开关，通过模拟电压输入检测显示板可以对模拟量输入电压进行检测，并在显示板上显示检测的电压值，通过模拟电压输出检测显示板可以对模拟量输出电压进行检测，并在显示板上显示检测的电压值，通过模拟电压输入调节器可以对模拟量输入电压进行调节，通过手轮脉冲发生器可以产生高速脉冲，被高速脉冲输入/输出模块所捕获，通过指示灯可以表示开关量输入/输出模块的输出状态，通过按钮开关可以表示开关量输入/输出模块的输入状态，配合软PLC，可使用户更好地完成技能训练。

6、本实用新型设备配置了智能网关模块和无线路由器，可通过WIFI、有线、3g、4g连接到网络，无线路由器所连接的智能控制终端可以为计算机、手机、平板电脑等，使得软PLC支持计算机、手机、平板电脑等内部、外部网络的远程访问，从而实现软PLC的远程编程、下载、调试、维护和监控，同时具备短信、语音等分级报警功能；当智能控制终端为平板电脑时，可以将其可拆卸地设置在安装架的一侧，用户可以随时将其取下，方便用户远程对整个设备进行控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的技能训练设备结构示意图。

图2为本实用新型实施例1的技能训练设备结构原理框图。

其中，1-安装架，2-软PLC，3-电源开关，4-操作面板，5-EtherCAT总线适配器，6-远程输入/输出模块，7-无线路由器，8-智能网关模块，9-第一伺服驱动器，10-第二伺服驱动器，11-步进驱动器，12-变频器，13-第一同步带，14-第二同步带，15-第三同步带，16-步进转轮，17-标尺，18-万向脚轮，19-固定座，20-模拟电压输入检测显示板，21-模拟电压输出检测显示板，22-模拟电压输入调节器，23-手轮脉冲发生器，24-指示灯，25-按钮开关，26-平板电脑，27-第一标尺指针，28-第二标尺指针，29-刻度指针。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的技能训练设备包括安装架1、软PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)2、电源开关3、操作面板4、EtherCAT(Ether Control Automation Technology，以太网控制自动化技术)总线适配器5、远程输入/输出模块6、智能网关模块8、无线路由器7、第一伺服驱动器9、第二伺服驱动器10、步进驱动器11、变频器12、第一同步带13、第二同步带14、第三同步带15、步进转轮16和标尺17。

所述安装架1用于安装各种电器元件及机械机构，将软PLC 2、电源开关3、操作面板4、EtherCAT总线适配器5、远程输入/输出模块6、智能网关模块8、无线路由器7、第一伺服驱动器9、第二伺服驱动器10、步进驱动器11、变频器12、第一同步带13、第二同步带14、第三同步带15、步进转轮16和标尺17都设置在安装架1上，其中：软PLC 2和操作面板4从上到下依次设置在安装架1的上部，第一同步带13、第二同步带14、步进转轮16和第三同步带15从上到下依次设置在安装架1的下部，EtherCAT总线适配器5、远程输入/输出模块6、无线路由器7、智能网关模块8、第一伺服驱动器9、第二伺服驱动器10、步进驱动器11和变频器12设置在操作面板4与第一同步带13之间的位置上，且EtherCAT总线适配器5、远程输入/输出模块6、无线路由器7和智能网关模块8并排设置在靠近操作面板4的位置上，第一伺服驱动器9、第二伺服驱动器10、步进驱动器11和变频器12并排设置在靠近第一同步带13的位置上，所述标尺17设置在第一同步带13和第二同步带14之间，第一同步带13和第二同步带14关于标尺17上、下对称；安装架1的底部设有四个万向脚轮18和四个固定座19，万向脚轮18用于移动安装架1，固定座19用于固定安装架1，使用四个万向脚轮18和四个固定座19更便于移动和固定。

所述软PLC 2可以采用佛山市顺德合耕信息科技有限公司的GM5000系列工业控制器，或倍福公司的CP66xx系列软PLC，其基于IEC61131-3编程语言标准，由于目前市场上的硬PLC几乎都是以IEC61131-3编程语言标准为软件架构，因此通过软PLC 2能很好地解决对智能制造信息化人才培养的问题；软PLC 2是整个设备的核心控制单元，可以使用单一的或搭配使用现有最主流的五种编程语言(功能块图FBD、顺序功能图SFC、梯形图LD、结构化文本ST、指令表IL)进行编程，通过计算机对软PLC 2的编程，可以实现基于EtherCAT总线上各种执行机构的控制，以及触摸屏上的界面设计及编程。

所述电源开关3与软PLC 2连接，本实施例将电源开关3设置在软PLC 2上，电源开关3用于整个设备的上电与断电。

所述远程输入/输出模块6包括开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、高速脉冲输入/输出模块和Modbus-RTU通信模块，这四种模块的使用在当前我国机电设备的控制高达85％中，让用户在同一平台上训练和一次性掌握四种主流控制方式的技能，便于在实际场景中的迁移，其中：

1)开关量输入/输出模块，用于开关量的输入采用和输出控制，其与变频器12连接，实现变频器12的开关量输入控制；

2)模拟量输入/输出模块，用于模拟量的的输入采用和输出控制，可进行模拟量0-10V与数字量0-2¹²的A/D、D/A转换，其与变频器12连接，实现变频器12的模拟量输入控制；

3)高速脉冲输入/输出模块，用于高速脉冲的采集和输出控制，其与步进驱动器11连接，实现步进驱动器11的控制；

4)Modbus-RTU通信模块，其与变频器12连接，用于与变频器12进行Modbus-RTU方式的通信。

所述操作面板4上设有模拟电压输入检测显示板20、模拟电压输出检测显示板21、模拟电压输入调节器22、手轮脉冲发生器23、指示灯24和按钮开关25，其中：

1)模拟电压输入检测显示板20，其与远程输入/输出模块6的模拟量输入/输出模块连接，用于对模拟量输入/输出模块的模拟量输入电压进行检测，并在显示板上显示检测的电压值；

2)模拟电压输出检测显示板21，其与远程输入/输出模块6的模拟量输入/输出模块连接，用于对模拟量输入/输出模块的模拟量输出电压进行检测，并在显示板上显示检测的电压值；

3)模拟电压输入调节器22，其与远程输入/输出模块6的模拟量输入/输出模块连接，用于对模拟量输入/输出模块的模拟量输入电压进行调节；

4)手轮脉冲发生器23，其与远程输入/输出模块6的高速脉冲输入/输出模块连接，用于产生高速脉冲，被高速脉冲输入/输出模块所捕获；

5)指示灯24，其与远程输入/输出模块6的开关量输入/输出模块连接，用于开关量输入/输出模块的输出状态表示；

6)按钮开关25，其与远程输入/输出模块6的开关量输入/输出模块连接，用于开关量输入/输出模块的输入状态表示。

所述EtherCAT总线适配器5，其与远程输入/输出模块6连接，即与远程输入/输出模块6的开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、高速脉冲输入/输出模块和Modbus-RTU通信模块连接，使这几个模块能在EtherCAT总线下进行数据交换，从而实现不同的工艺控制。

所述无线路由器7，用于通过网络与智能控制终端连接，智能控制终端可以为计算机、手机、平板电脑等，智能控制终端用于实现远程对设备进行下载、编程、调试与维护，同时能通过网页或APP(Application，应用程序)的方式对整个设备进行监控；当智能控制终端为平板电脑26时，可以将平板电脑26可拆卸地设置在安装架1的一侧(从图1中可以看到)，用户可以随时将其取下，方便用户远程对整个设备进行控制。

所述智能网关模块8，用于连接软PLC 2与无线路由器7，为实现远程编程、下载、调试、维护和监控的核心部件。

所述第一伺服驱动器9，用于驱动第一同步带13，软PLC 2通过EtherCAT总线向第一伺服驱动器9发出通信指令，实现第一同步带13的运转。

所述第二伺服驱动器10，用于驱动第二同步带14，软PLC 2通过EtherCAT总线向第二伺服驱动器10发出通信指令，实现第二同步带14的运转。

所述步进驱动器11，用于驱动步进转轮16，软PLC 2通过EtherCAT总线向远程输入/输出模块6发出高速脉冲，从而控制步进驱动器11驱动步进转轮16运转。

所述变频器12，用于驱动第三同步带15，软PLC 2通过EtherCAT总线向远程输入/输出模块6发出指令，从而控制变频器12驱动第三同步带15运转。

所述第一同步带13具有第一伺服电机，第一伺服电机由第一伺服驱动器9进行驱动，以带动第一同步带13运转；第一同步带13的左部、中部和右部分别安装一个U型对射式光电传感器，可用于第一同步带13的左限位、回零和右限位，并且安装有第一标尺指针27，第一标尺指针27向下指向标尺17，通过标尺17的读数得知第一同步带13的当前位置。

所述第二同步带14具有第二伺服电机，第二伺服电机由第二伺服驱动器10进行驱动，以带动第二同步带14运转；第二同步带14的左部、中部和右部分别安装一个U型对射式光电传感器，可用于第二同步带14的左限位、回零和右限位，并且安装有第二标尺指针28，第二标尺指针28向上指向标尺17，通过标尺17的读数得知第二同步带14的当前位置。

所述第三同步带15具有变频电机，变频电机由变频器12进行驱动，以带动第三同步带15运转，可实现变频器12的多种受控方式：开关量输入控制、模拟量输入控制、Modbus-RTU通信。

所述步进转轮16具有步进电机，步进电机由步进驱动器11进行驱动，以带动步进转轮16运转；步进转轮16安装有刻度指针29，通过刻度指针29所指角度可知当前步进转轮16旋转的角度，同时步进转轮16的下方安装有划针和U型对射式传感器，用于步进转轮16的回零。

本实施例的技能训练设备工作过程如下：

按下电源开关3使设备上电后，现场用户通过软PLC 2的触摸屏和操作面板4进行操作，软PLC 2根据现场用户的操作命令，通过EtherCAT总线向第一伺服驱动器9发出通信指令，实现第一同步带13的运转，或通过EtherCAT总线向第二伺服驱动器10发出通信指令，实现第二同步带14的运转，或通过EtherCAT总线向远程输入/输出模块6发出高速脉冲，从而控制步进驱动器11驱动步进转轮16运转，或通过EtherCAT总线向远程输入/输出模块6发出指令，从而控制变频器12驱动第三同步带15运转，完成技能训练；同时，远程用户在内部网或外部网通过智能控制终端进入软PLC 2发布的网页上，并通过输入个人账号和密码登录到用户所属权限的界面，从而进行下载、调试、维护和监控。

实施例2：

本实施例是一个具体的应用实例，将上述设备应用到工厂生产工艺设备的远程智能化管理系统中。

由于工厂底层设备的生产过程大多都是开关量输入/输出控制、模拟量输入/输出控制、高速脉冲输入/输出控制、通信控制，因此该设备可以实现多种工厂生产工艺设备的远程智能化管理系统的模拟与设计。

按下电源开关，设备上电，系统启动，工厂生产人员或负责人在工厂内部网或外部网，通过计算机、手机、平板电脑通过扫描二维码、输入网址等方式进入到软PLC发布的网页上，通过输入个人账号和密码登录到自己所属权限的界面，对工厂设备的工作状态、数据进行查询与更改，工厂生产人员可以设定报警内容与级别，达到报警设定时，可以通过短信、拨号、微信推送等方式告知相关的工厂负责人；至于工厂设备的具体生产工艺工程，则可以用基于EtherCAT总线的开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、高速脉冲输入/输出模块分别对按钮开关、模拟电压输入调节器的模拟量输入、手轮脉冲发生器的高速脉冲输入进行采集，并传送至软PLC进行分析后，根据控制程序以开关量输入、模拟量输出、高速脉冲输出、通信等多种方式驱动各种执行机构如：指示灯、伺服系统(第一伺服驱动器、第一伺服电机、第二伺服驱动器、第二伺服电机)、步进系统(步进驱动器、步进电机)、变频系统(变频器、变频电机)工作；当系统出现故障后，运维人员可通过智能网关模块的透传功能进行远程程序上载、监控、分析、修改、下载、调试，提高运维的响应速度，降低运维成本。

综上所述，本实用新型设备采用了软PLC，该软PLC基于开放的IEC61131-3编程语言标准，并通过EtherCAT总线适配器分别与远程输入/输出模块、伺服驱动器连接，而远程输入/输出模块分别与步进驱动器和变频器连接，以便通过EtherCAT总线技术实现对底层部件(同步带、步进转轮)的控制，从而完成技能训练，同时在智能网关模块和无线路由器的作用下，能够使智能控制终端与软PLC之间进行通信，从而实现软PLC的远程下载、调试、维护和监控，很好地解决对智能制造信息化人才培养的问题；此外，IEC61131-3编程语言标准和EtherCAT总线技术均为当前工业4.0及中国制造2025的核心技术标准，是未来智慧工厂实现的基础，有助于此两项核心技术在国内的推广和普及。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利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实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。