一种新型过程控制系统实训平台的制作方法

[0001]
本实用新型涉及学校实训平台技术领域，特别是涉及一种新型过程控制系统实训平台。


背景技术：

[0002]
目前，在学校教学过程中，机电一体化、电气自动化等专业开设的自动控制、工业网络技术类课程，有必要依托实训平台，采用理实一体的授课方式，使学生更直观、生动地理解和掌握相关技术，并能有效提高系统设计、软件编程和现场调试能力，为将来走上工作岗位打下良好的基础。
[0003]
但是，对于传统的实训平台，存在与实际工业控制进程脱节的现象，比如侧重单机控制等基础练习，而忽视了网络通信和组件的应用；
[0004]
第二，传统的实训平台，综合性偏弱，存在实训项目相互独立、方案固定、案例偏少等问题，不利于循序渐进、灵活有效地开展教学实训。
[0005]
第三，传统的实训平台，对pid自动控制算法的实现，存在着理论与实际联系不紧密、参数不易整定的缺点。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供一种新型过程控制系统实训平台。
[0007]
为此，本实用新型提供了一种新型过程控制系统实训平台，其包括垂直分布的实验台台体；
[0008]
实验台台体的顶部前端左右两侧，分别放置有工业pad客户端和显示器；
[0009]
显示器的正前方，放置有键盘和鼠标；
[0010]
显示器的正后方，放置有工业网络交换机；
[0011]
工业pad客户端的正后方，放置有无线路由器；
[0012]
实验台台体的前端下部，设置有机柜；
[0013]
机柜内安装有计算机服务器；
[0014]
其中，计算机服务器，通过数据线，分别与显示器、键盘和鼠标相连接；
[0015]
其中，工业网络交换机分别与无线路由器、计算机服务器通过网线相连接；
[0016]
工业pad客户端通过无线路由器进行无线通信；
[0017]
实验台台体顶部的中部和后侧，安装有过程控制系统；
[0018]
过程控制系统，包括第一支架和第二支架；
[0019]
第一支架和第二支架固定设置在实验台台体顶部；
[0020]
第一支架顶部，安装有下水箱；
[0021]
实验台台体顶部在第一支架和第二支架之间的位置，安装有水泵；
[0022]
第二支架的顶部，安装有上水箱；
[0023]
上水箱右侧的进水管，通过水泵，与下水箱的底部出水口相连通；
[0024]
上水箱底部中心位置的出水管，通过电动阀门，与下水箱左侧下部的进水口相连通。
[0025]
其中，上水箱和下水箱分别放置在第一支架和第二支架的正方形顶部平面上。
[0026]
其中，第一支架和第二支架的顶部平面的四周外檐向上凸起；
[0027]
上水箱和下水箱的尺寸相同；
[0028]
上水箱的底面的高度，高于下水箱顶面的高度。
[0029]
其中，上水箱的进水管与水泵的出水口之间，安装有流量计；
[0030]
上水箱的出水管与下水箱的进水管之间，安装有一个电动阀门。
[0031]
其中，上水箱的前侧靠顶部位置，引出有第一防溢流水管；
[0032]
第一防溢流水管与实验台台体下部右侧设置的防溢流水箱相连通；
[0033]
防溢流水箱为中空的箱体；
[0034]
下水箱右侧靠顶部位置引出有第二防溢流水管，第二防溢流水管接入防溢流水箱；
[0035]
下水箱的底部设有排水管；
[0036]
排水管上安装有手动笼头，用于排水。
[0037]
其中，防溢流水箱的体积，大于上水箱的体积与下水箱的体积总和。
[0038]
其中，上水箱的左侧下部，安装有加热装置；
[0039]
上水箱的左侧下部，设置有温度传感器；
[0040]
温度传感器与安装于上水箱的加热装置保持预设间隔距离，按照同等高度并排安装；
[0041]
上水箱左侧的中下部，还安装有一个液位传感器；
[0042]
下水箱的左侧中下部，也安装有一个液位传感器。
[0043]
其中，实验台台体的顶部后侧，安装有不锈钢壳体；
[0044]
不锈钢壳体上，设置有上水箱温度监控仪表、上水箱液位监控仪表和下水箱液位显示仪表；
[0045]
其中，上水箱温度监控仪表，与plc模块所集成的数字量输入输出模块通过信号线相连接；
[0046]
其中，上水箱液位监控仪表，与plc模块所集成的数字量输入输出模块通过信号线相连接；
[0047]
其中，下水箱液位显示仪表，与plc模块所集成的数字量输入输出模块通过信号线相连接。
[0048]
其中，机柜内还安装有电源模块和plc模块；
[0049]
电源模块与外部交流电源之间的连接线路上，接入有空气断路器和漏电保护器；
[0050]
电源模块，通过通电导线与计算机服务器、工业网络交换机、工业pad 客户端、无线路由器、plc模块、水泵、电动阀门、报警灯、上水箱温度监控仪表、上水箱液位监控仪表、下水箱液位显示仪表、流量计、温度传感器、液位传感器和加热装置相连接，用于为这些模块提供工作用电。
[0051]
其中，实验台台体的顶部台面，预先设置有多条纵向等间隔分布的横向槽体；
[0052]
实验台台体的顶部台面，在横向槽体的左右两侧，分别设置有多条纵向槽体；
[0053]
机柜的侧面和背面，采用网孔板材设计；
[0054]
实验台台体的底部四角，分别装配有一个带锁止机构的万向轮。
[0055]
由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种新型过程控制系统实训平台，其结构设计科学，该实训平台可以模拟与工程实际非常接近的液体控制过程，实现对液位的范围控制。
[0056]
此外，本实用新型的新型过程控制系统实训平台，还可以模拟与工程实际非常接近的液体控制过程，实现基于pwm(脉冲宽度调制)技术对液体温度的pid控制。
[0057]
另外，对于本实用新型，该平台将自动检测与控制、仪器仪表、modbus 通信、工业以太网通信、计算机通信、无线通信、远程监控等先进的工业控制与通信技术融合在一起。结合霍兰德职业性向和cdio(工程教育)教学理念，采用项目化的教学方法配套开发实训例程，有效提高学生的工程实践能力和就业竞争力，具有重大的实践意义。
附图说明
[0058]
图1为本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台的结构方框图；
[0059]
图2为本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台的正面结构示意图；
[0060]
图3为本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台的立体结构结构示意图；
[0061]
图4为本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台的左侧视图；
[0062]
图5为本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台的背面结构示意图；
[0063]
图6为本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台的实训流程示意图。
具体实施方式
[0064]
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
[0065]
参见图1至图6，本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台，是一种基于物联网技术的过程控制系统实训平台，具体包括垂直分布的实验台台体100；
[0066]
实验台台体100的顶部前端左右两侧，分别放置有工业pad(平板电脑) 客户端1和显示器7；
[0067]
显示器7的正前方，放置有键盘5和鼠标6；
[0068]
显示器7的正后方，放置有工业网络交换机8；
[0069]
工业pad(平板电脑)客户端1的正后方，放置有无线路由器2；
[0070]
实验台台体100的前端下部，设置有机柜3；
[0071]
机柜3内安装有计算机服务器；
[0072]
其中，计算机服务器，通过数据线，分别与显示器7、键盘5和鼠标6 相连接；
[0073]
其中，工业网络交换机8分别与无线路由器2、计算机服务器通过网线相连接；
[0074]
工业pad客户端1通过无线路由器2进行无线通信；
[0075]
在本实用新型中，具体实现上，实验台台体100顶部的中部和后侧，安装有过程控制系统；
[0076]
过程控制系统，包括第一支架11和第二支架15；
[0077]
第一支架11和第二支架15固定设置在实验台台体100顶部；
[0078]
第一支架11顶部，安装有下水箱12；
[0079]
实验台台体100顶部在第一支架11和第二支架15之间的位置，安装有水泵14；
[0080]
第二支架15的顶部，安装有上水箱16；
[0081]
上水箱16的进水管与水泵14的出水口之间，安装有流量计13。
[0082]
具体实现上，第二支架15的高度，大于第一支架11的高度。
[0083]
具体实现上，第一支架11和第二支架15，选用工业铝型材，采用螺栓与实验台台体100顶部固定连接，固定在实验台台体100上。
[0084]
具体实现上，第一支架11和第二支架15的外表面正中，预开一条槽体，用于方便布线和线槽18安装。
[0085]
具体实现上，上水箱16和下水箱12分别放置在第一支架11和第二支架15的正方形顶部平面上。
[0086]
具体实现上，第一支架11和第二支架15的顶部平面的四周外檐向上凸起(具体为凸起2～3cm)，以便固定水箱。
[0087]
具体实现上，第一支架11和第二支架15的顶部平面开孔，以便水管从平台穿过与对应的水箱连接。
[0088]
具体实现上，上水箱16和下水箱12的尺寸相同；
[0089]
上水箱16的底面的高度，高于下水箱12顶面的高度。
[0090]
需要说明的是，在本实用新型中，过程控制系统包括的上水箱16、下水箱12、连接水管、加热装置21、温度传感器17、液位传感器22、流量计13、仪表模块(包括上水箱温度监控仪表231、上水箱液位监控仪表232、下水箱液位显示仪表233)、水泵14、电动阀门24、报警灯9和按钮盒模块19，属于物联网三层架构的感知层。
[0091]
在本实用新型中，具体实现上，上水箱16，采用透明亚克力材料制成，尺寸可设计为200*200*500mm。
[0092]
具体实现上，上水箱16右侧的进水管161，通过水泵14，与下水箱12 的底部出水口相连通；
[0093]
上水箱16底部中心位置的出水管162，通过电动阀门24，与下水箱12 左侧下部的进水口相连通。
[0094]
需要说明的是，进水管，经水泵14从下水箱12的底部正中引出，接在上水箱16的右侧靠上位置。出水管从上水箱16的下部正中引出，经过电动阀门24，连接至下水箱12的左侧下部正中。上水箱16顶部设有透明盖板，采用合页连接，防止水泵抽水溅出。
[0095]
具体实现上，上水箱16的前侧靠顶部位置，引出有第一防溢流水管163；
[0096]
第一防溢流水管163与实验台台体100下部右侧设置的防溢流水箱10 相连通；
[0097]
防溢流水箱10为中空的箱体。
[0098]
在本实用新型中，具体实现上，下水箱12，采用透明亚克力材料制成，尺寸与上水箱16一致。除与前述上水箱连接水管外，下水箱12右侧靠顶部位置引出有第二防溢流水管121，从实验台右侧布管，第二防溢流水管121 接入防溢流水箱10。
[0099]
具体实现上，下水箱12的底部设有排水管120；
[0100]
排水管120上安装有手动笼头，用于排水。
[0101]
具体实现上，下水箱12的顶部设有透明盖板，采用合页连接，防止溅水。
[0102]
对于本实用新型，包括的连接水管，用于上水箱、下水箱、防溢流水箱之间的管路连接。
[0103]
具体实现上，防溢流水箱10的体积，大于上水箱16的体积与下水箱12 的体积总和。
[0104]
需要说明的是，防溢流水箱10，安装于实验台台体下方右后部的支架上。防溢流水箱10采用透明亚克力材料，要确保防溢流水箱10的体积大于上水箱16的体积与下水箱12的体积总和，尺寸可设计为400*600*300mm，上水箱和下水箱的防溢流水管，从实验台右侧布管，接入至防溢流水箱，并在防溢流水箱的底部设计排水孔。
[0105]
在本实用新型中，具体实现上，上水箱16的左侧下部，安装有加热装置21。
[0106]
具体实现上，加热装置21，可以选用深圳市天翔宇科技有限公司生产的 sv-lh系列的不锈钢ptc半导体液体加热器，用于对上水箱内的液体加热，具有电热转化率高，不易腐蚀的特点，功率可以选择4kw。
[0107]
具体实现上，通过机柜内的plc模块中的di/do(数字量输入输出) 模块连接固态继电器对加热装置供电，在程序设计上，基于pwm(脉冲宽度调制)技术实现数字量pid控制，给加热装置供电，加热装置采用220vac 供电。
[0108]
在本实用新型中，具体实现上，上水箱16的左侧下部，设置有温度传感器17；
[0109]
温度传感器17与安装于上水箱16的加热装置21保持预设间隔距离，按照同等高度并排安装。
[0110]
具体实现上，采用pt100温度传感器，来检测温度，配合4-20ma变送器，温度传感器采用24vdc供电。信号线经线槽18引出，与plc的ai(模拟量输入)模块连接。
[0111]
在本实用新型中，具体实现上，上水箱16左侧的中下部，还安装有一个液位传感器22，该液位传感器22与加热装置21、温度传感器17保持预设间隔距离，按照同等高度并排安装，
[0112]
具体实现上，下水箱12的左侧中下部，也安装有一个液位传感器。
[0113]
需要说明的是，液位传感器基于压力传感器原理，配合4-20ma变送器，液位传感器采用24vdc供电。信号线经线槽18引出，信号线经线槽引出，与plc的ai(模拟量输入)模块连接。
[0114]
在本实用新型中，具体实现上，流量计13，安装于上水箱16的进水管口与水泵14的出水口之间，流量计13采用modbus通信，与plc挂载的 modbus通信模块连接，其上具有读数显示功能，流量计采用24vdc供电。
[0115]
在本实用新型中，具体实现上，仪表模块，包括上水箱温度监控仪表231、上水箱液位监控仪表232和下水箱液位显示仪表233；
[0116]
具体实现上，实验台台体100的顶部后侧，安装有不锈钢壳体200；
[0117]
不锈钢壳体200上，设置有上水箱温度监控仪表231、上水箱液位监控仪表232和下水箱液位显示仪表233。
[0118]
具体实现上，也就是说，采用不锈钢壳体200将三块仪表封装其中，不锈钢壳体200的底部与实验台台体100的顶部台面采用螺栓和螺丝连接，不锈钢壳体200的后侧预留电源
和信号线开口，以便接入线槽，三块仪表的信号线与机柜内plc模块的di/do(数字量输入输出)模块连接，仪表模块采用24vdc供电。
[0119]
其中，上水箱温度监控仪表231，与机柜内plc模块所集成的di/do(数字量输入输出)模块通过信号线相连接，具有两行数码显示功能，可分别显示上水箱液体的设置温度和实测温度，仪表上设置移位、增加、减少、确定按键。
[0120]
其中，上水箱液位监控仪表232，与机柜内plc模块所集成的di/do(数字量输入输出)模块通过信号线相连接，具有两行数码显示功能，可分别显示上水箱液位的设置值和实测值，仪表上设置移位、增加、减少、确定按键。
[0121]
其中，下水箱液位显示仪表233，与机柜内plc模块所集成的di/do(数字量输入输出)模块通过信号线相连接，具有一行数码显示功能，用于显示下水箱液位的实测值。
[0122]
在本实用新型中，具体实现上，水泵14，采用自吸式引流泵，确保在无水状态下抽水的安全性，从下水箱的底部正中引出水管，经水泵抽水送至上水箱的进水管。通过plc的di/do(数字量输入输出)模块连接继电器，控制水泵启/停，水泵采用220vac供电。
[0123]
在本实用新型中，具体实现上，电动阀门24，安装于上水箱16的出水管与下水箱12的进水管之间，采用两位两口的常闭式电磁阀，控制线通过 plc的di/do(数字量输入输出)模块连接，电动阀门采用24vdc供电。
[0124]
在本实用新型中，具体实现上，实验台台体100的顶部右侧靠前位置，安装有报警灯9。
[0125]
具体实现上，报警灯9，采用塔灯设计，安装于实训台台面的前部靠右，通过与plc的di/do(数字量输入输出)模块连接实现控制，具备三色显示功能，分别对应提示上水箱液位低于加热装置、上水箱液位高于安全上限液位、下水箱液位高于安全上限液位的三种报警状态，并可配合程序控制，在报警状态下立即切断对加热装置、水泵和电动阀门供电。报警灯采用 24vdc供电。
[0126]
在本实用新型中，具体实现上，实验台台体100的顶部左侧，安装有一个按钮盒模块19。
[0127]
具体实现上，按钮盒模块19，包括启动、停止、复位和急停4个按钮。急停按钮与机柜内安装的电源模块连接，在紧急情况下，通过按下开关，从线路上切断系统电源。启动、停止、复位按钮的信号线，通过与plc的di/do (数字量输入输出)模块连接，由程序实现控制。
[0128]
在本实用新型中，具体实现上，机柜3的右侧柜门表面，安装有旋钮式平台供电总开关4，方便一键启停。
[0129]
在本实用新型中，具体实现上，除安装有计算机服务器外，机柜3内还安装有电源模块31、plc模块32和继电器模块33。
[0130]
其中，电源模块31，采用台湾明纬lrs-200-24电源，用于将220v的交流电ac转换为24v的直流电dc。
[0131]
具体实现上，电源模块31与外部交流电源之间的连接线路上，接入有空气断路器(即空气开关)和漏电保护器35。电源模块31通过连接空气断路器和漏电保护器，具有接地、过载、短路、漏电保护功能。
[0132]
具体实现上，电源模块31，通过通电导线与计算机服务器、工业网络交换机、工业pad客户端、无线路由器、plc(可编程逻辑控制器)模块、水泵、电动阀门、报警灯、上水箱温
度监控仪表、上水箱液位监控仪表、下水箱液位显示仪表、流量计、温度传感器、液位传感器和加热装置相连接，用于为这些模块提供工作用电。
[0133]
具体实现上，plc模块32，可以加载modbus通信模块、mpi转以太网通信模块和ai模拟量输入模块。
[0134]
具体实现上，plc模块32，具体可以采用西门子s7-300plc，选用 cpu313c，具有pwm(脉冲宽度调制)功能；集成16位可配置的di/do (数字量输入输出)模块，通过接线端子台34，分别与继电器模块33(用于控制水泵和加热装置工作)、电动阀门、仪表模块、报警灯和按钮盒模块相连接；
[0135]
其中，plc模块32通过挂载cp341模块，可以实现modbus通信，与流量计连接；通过挂载ai(模拟量输入)模块，以及通过接线端子台，与1个温度传感器和2个液位传感器连接；通过配置mpi转以太网的接口模块，既可进行程序下载、调试，也可通过以太网接口引出网线，与工业网络交换机连接。
[0136]
具体实现上，继电器模块33，其输入部分(控制端)与plc模块32中的di/do(数字量输入输出)模块连接，输出部分(被控端)与水泵14和加热装置21的220vac供电电路连接。通过plc程序，可以分别实现对水泵和加热装置的供电控制。
[0137]
具体实现上，计算机服务器，安装在机柜内部右侧。其中，计算机计算机服务器，通过数据线，分别与显示器、键盘和鼠标相连接。安装程序主要包括step7、processhub、workbench和工业app快速生成套件。
[0138]
在本实用新型中，具体实现上，实验台台体100选用工业铝型材制成，实验台台体100的顶部台面，预先设置有多条纵向等间隔分布的横向槽体 101；
[0139]
实验台台体100的顶部台面，在横向槽体101的左右两侧，分别设置有多条纵向槽体102。
[0140]
需要说明的是，对于本实用新型，通过预先设置有横向槽体101和纵向槽体102，便于打孔布线、安装线槽和其他设备的固定。
[0141]
在本实用新型中，具体实现上，机柜3的侧面和背面，采用网孔板材设计，便于散热和布线。
[0142]
具体实现上，机柜3内安装有风扇，用于提高机柜的散热能力。
[0143]
在本实用新型中，具体实现上，实验台台体100的底部四角，分别装配有一个带锁止机构的万向轮20。
[0144]
在本实用新型中，具体实现上，工业网络交换机8，属于物联网三层架构的网络层，s7-300系列plc(即plc模块)通过mpi转以太网模块，与工业网络交换机相连接。
[0145]
另外，计算机服务器和无线路由器2通过网线与工业网络交换机8连接，实现感知层与应用层的通信。
[0146]
在本实用新型中，具体实现上，无线路由器2，属于物联网三层架构的网络层，无线路由器2与工业网络交换机8通过网线连接，工业pad客户端1通过无线路由器2与工业网络交换机8通信。
[0147]
在本实用新型中，具体实现上，工业pad客户端1，属于物联网三层架构的应用层，采用工业级pad，在计算机服务器上基于workbench开发hmi 界面，基于工业app快速生成套件开发pad客户端。
[0148]
在本实用新型中，具体实现上，显示器7、键盘5和鼠标6，属于计算机服务器的外设。
[0149]
基于以上方案可知，需要说明的是，对于本实用新型提供的实训平台，该平台采用标准的物联网三层架构设计，应用层包括计算机服务器和pad 客户端；网络层基于工业网络交换机、无线路由器通信；感知层主要包括 plc模块、继电器模块、电动阀门、水泵、加热装置、温度传感器、液位传感器、流量计、仪表模块、按钮盒模块和报警灯。
[0150]
该实训平台可以模拟与工程实际非常接近的液体控制过程，实现对液位的范围控制，以及基于pwm(脉冲宽度调制)技术对液体温度的pid 控制。该平台将自动检测与控制、仪器仪表、modbus通信、工业以太网通信、计算机通信、无线通信、远程监控等先进的工业控制与通信技术融合在一起。结合霍兰德职业性向和cdio教学理念，采用项目化的教学方法配套开发实训例程，有效提高学生的工程实践能力和就业竞争力。
[0151]
为了更加清楚地理解本实用新型的技术方案，下面说明本实用新型的工作原理。
[0152]
对于本实用新型提供的一种过程控制系统实训平台，其具体实施方式如下：
[0153]
以项目为驱动，基于霍兰德职业性向理论对学生分组分岗，岗位具体分为需求工程师、研发工程师和现场工程师，结合cdio设计流程，依次进行需求分析、进度控制、系统设计、软件开发、性能调试，在计算机服务器上使用step7对s7-300plc组态，构建工业以太网、编程。基于processhub 开发计算机服务器、基于workbench和工业app快速生成套件开发工业pad 客户端。
[0154]
本实用新型，在具体实现上，使用step7对plc组态，构建工业以太网并编程，基于processhub开发计算机服务器端程序，基于workbench开发 pad客户端hmi界面，使用工业app快速生成套件开发app，最终实现标准物联网三层架构通信和远程监控。
[0155]
本实用新型，按照物联网三层架构自下至上、先局部后整体的思路，循序渐进设计7个实训例程(即实训项目)。其中，前4个例程面向感知层，突出plc通过内部集成di/do(数字量输入输出)模块采集、控制数字信号，通过ai(模拟量输入)模块采集模拟信号，通过modbus通讯采集数据，软件设计上，重点学习基于脉冲宽度调制技术采用数字信号实现pid控制；第5、6个例程，突出整个系统的通信功能实现、工业pad客户端hmi 设计，以及app快速生成方法；第7个例程是对前6个例程的综合应用。具体包括：
[0156]
一、上、下水箱的水循环动态平衡实训项目。
[0157]
通过对plc模块的组态、编程，通过内部集成di/do(数字量输入输出)模块，控制继电器模块对水泵供/断电，实现从下水箱向上水箱抽水；通过di/do模块，控制电动阀门的开/合，实现从上水箱向下水箱放水。通过调节时间参数，完成上、下水箱水循环，实现两个水箱液位的动态平衡。另外，通过di/do模块，验证按钮盒模块的启动、停止、复位功能。
[0158]
具体为：使用step7软件，选择313c型的plc，依次插入电源模块、cp341模块(实现modbus通信)、ai模块(实现对模拟信号采集)。在程序设计上，由plc内部集成di/do(数字量输入输出)模块，控制继电器模块对水泵供/断电，实现从下水箱向上水箱抽水；通过di/do模块控制电动阀门开/合，实现从上水箱向下水箱放水。通过调节2个继电器的时间参数，完成上、下水箱水循环，实现两个水箱液位的动态平衡。同时，通过di/do模块，检测按钮盒按键状态，进行启动、停止或复位操作。
[0159]
二、上水箱的液位控制实训项目。
[0160]
通过对plc模块的组态、编程，通过上水箱液位监控仪表，预设上水箱液位，因液位控制存在滞后性，在plc程序中采用液位范围控制方法，根据预设值设定液位下限和上限。通过ai(模拟量输入)模块，采集上水箱液位传感器数据，转换为液位测量值，并与预设值比较；通过内部集成 di/do(数字量输入输出)模块，控制继电器模块对水泵供/断电，实现从下水箱向上水箱抽水；通过di/do模块控制电动阀门开/合，实现从上水箱向下水箱放水。最终，实现对上水箱液位的稳定控制。另外，plc可通过modbus通信方式，采集流量传感器数据。另外，plc模块可通过 modbus通信方式，采集流量计数据，并通过观察流量计读数验证。
[0161]
具体为：使用step7软件，选择313c型plc，依次插入电源模块、 cp341模块(实现modbus通信)、ai模块(实现对模拟信号采集)。通过上水箱液位监控仪表，在其上操作“移位、增加、减少、确定”按键，预设上水箱液位，通过内部集成di/do(数字量输入输出)模块发送给plc。因液位控制存在滞后性，在程序设计上，采用液位范围控制方法，根据仪表预设值，设定上水箱液位的下限和上限。plc模块通过ai(模拟量输入) 模块，采集上水箱液位传感器数据，转换为液位测量值，并与预设值比较，进而通过di/do模块，控制继电器模块对水泵供/断电，实现从下水箱向上水箱抽水，或者通过di/do模块控制电动阀门开/合，实现从上水箱向下水箱放水。最终，实现对上水箱液位的稳定控制，并可通过观察上水箱液位监控仪表的2行数码显示(分别代表设定值和测量值)进行验证。另外，plc可通过modbus通信方式，采集流量计数据，并通过观察流量计读数验证。
[0162]
三、上水箱的温度pid控制实训项目。
[0163]
通过对plc模块的组态、编程，通过上水箱温度监控仪表，预设上水箱温度，通过plc内部集成di/do(数字量输入输出)模块读取预设值，通过ai(模拟量输入)模块，采集上水箱温度传感器数据，转换为温度测量值，并与预设值比较；通过s7-300系列plc的pid控制器参数整定功能，基于脉冲宽度调制技术，通过di/do模块控制固态继电器改变占空比，对加热装置供/断电，实现对上水箱温度的稳定控制。
[0164]
具体为：使用step7软件，选择313c型plc，依次插入电源模块、 cp341模块(实现modbus通信)、ai模块(实现对模拟信号采集)。通过上水箱温度监控仪表，在其上操作“移位、增加、减少、确定”按键，预设上水箱温度，通过plc内部集成di/do(数字量输入输出)模块读取预设值。通过ai(模拟量输入)模块，采集上水箱温度传感器数据，转换为温度测量值，并与预设值比较；在程序设计上，通过s7-300系列plc 的pid控制器参数整定功能进行调试，基于脉冲宽度调制技术采用数字信号实现pid控制(通过di/do模块控制固态继电器改变占空比，对加热装置供/断电)，实现对上水箱温度的稳定控制，并可通过观察上水箱温度监控仪表的2行数码显示(分别代表设定值和测量值)进行验证。
[0165]
四、上水箱的液位、温度控制实训项目。
[0166]
综合实训项目2、3，通过上水箱温度、液位监控仪表设置参数，在程序设计上，结合报警灯功能，先控制液位，后控制温度。待液位、温度稳定后，通过将上、下水箱水循环打破平衡，继续控制。
[0167]
具体为：综合实训项目2、3，使用step7软件，选择313c型plc，依次插入电源模块、cp341模块(实现modbus通信)、ai模块(实现对模拟信号采集)。依次通过上水箱液位监控仪表和温度监控仪表，在其上操作“移位、增加、减少、确定”按键，预设上水箱液位和温度，通过内部集成di/do(数字量输入输出)模块将预设参数发送给plc。在程序设计上，先控制液
位，后控制温度。液位采用范围控制方法，根据预设值，设定上水箱液位的下限和上限；温度采用基于脉冲宽度调制技术的pid控制方法。通过ai(模拟量输入)模块，采集上水箱液位传感器数据，转换为液位测量值，并与液位预设值比较，进而通过di/do模块，控制继电器模块对水泵供/断电，实现从下水箱向上水箱抽水，或者通过di/do模块控制电动阀门开/合，实现从上水箱向下水箱放水。待液位稳定后，通过 ai(模拟量输入)模块，采集上水箱温度传感器数据，转换为温度测量值，并与预设值比较。通过s7-300系列plc的pid控制器参数整定功能，进行调试，基于脉冲宽度调制技术，采用数字信号实现pid控制(通过di/do 模块控制固态继电器改变占空比，对加热装置供/断电)，实现对上水箱温度的稳定控制。通过观察上水箱液位监控仪表和温度监控仪表的2行数码显示(分别代表设定值和测量值)进行验证。最后，待液位、温度稳定持续数分钟后，通过启动水泵和电动阀门，上、下水箱开始水循环打破平衡，重新控制。另外，可通过ai(模拟量输入)模块实时采集的温度、液位数据，与预设的警戒值比较，通过di/do模块控制三色报警灯，当上水箱液位低于加热装置、上水箱液位高于安全上限液位、下水箱液位高于安全上限液位时，分别对应三种颜色报警指示，并配合程序控制，立即切断加热装置、水泵和电动阀门供电。
[0168]
五、plc通过交换机与计算机服务器间的通信。
[0169]
在实训项目4的基础上，基于step7，plc通过mpi转eth(以太网) 网关，与交换机组成工业以太网。基于processhub开发计算机服务器，实现plc模块和计算机服务器的通信。
[0170]
具体为：在实训项目4的基础上，使用step7软件，选择313c型plc，依次插入电源模块、cp341模块(实现modbus通信)、ai模块(实现对模拟信号采集)，通过mpi转eth(以太网)网关，与交换机组成工业以太网。基于processhub开发服务器，主要完成定义服务器地址、关联 plc的ip地址、对应plc程序全局变量终端地址在虚拟变量中设定相匹配的通信点。最后，通过在服务器上运行processhub服务，以及运行opensmc发送、接收数据，验证服务器与plc的通信功能。
[0171]
六、工业pad客户端与计算机服务器的通信。
[0172]
在实训项目5的基础上，基于workbench开发工业pad客户端的hmi 界面，使用工业app快速生成套件，并与workbench工程关联，生产工业 pad客户端，通过无线路由器实现工业pad客户端与计算机服务器的通信。
[0173]
具体为：在实训项目5的基础上，基于workbench可视化的页面开发模块，通过添加、移动相关组件，对组件关联变量、操作赋值、动画演示等设置，开发工业pad客户端的hmi界面。基于工业app快速生成套件，与workbench工程关联，导出app工程，下载到工业pad客户端，验证工业pad客户端与计算机服务器的通信。
[0174]
七、物联网三层架构通信。
[0175]
将以上6个实训例程综合，最终实现从工业pad客户端监控过程控制系统工作，设计工业pad客户端的hmi界面，可实现自动、手动监控，并能够以图形、动画的形式实时显示系统状态。
[0176]
具体为：根据工程实际灵活设计项目，结合霍兰德职业性向理念，分组分岗开展教学，首先，指导学生分析项目需求(需求工程师)；其次，根据需求进行技术方案设计，从实训平台选择合适的设备进行网络结构图的绘制(需求工程师和研发工程师共同完成)；第三步，具体实施，主要包括plc组态、编程、服务器开发、pad客户端界面设计、app开发(现场工
程师和研发工程师共同完成)；第四部，进行程序下载、调试和验证工作(现场工程师和研发工程师共同完成)。最终实现从工业pad客户端监控过程控制系统工作，可在工业pad客户端的hmi界面设定系统运行参数，实现手、自动监控，并能够以图形、动画的形式，实时显示系统监控状态。实训的具体流程，如图6所示。
[0177]
与现有技术相比较，本实用新型提供的新型过程控制系统实训平台，具有以下的优点和积极效果：
[0178]
1、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，采用标准的物联网架构设计，可实现感知层、网络层、应用层的通讯控制。
[0179]
2、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，所选用的西门子s7-300系列plc，属于工业一线品牌，有很大的市场占有率，便于学生掌握主流设备使用方法。
[0180]
3、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，综合性强，涵盖了自动检测与控制、仪器仪表、modbus通信、工业以太网通信、计算机通信、无线通信、远程监控等先进的工业控制与通信技术，适合自动化等专业，配合相关课程开展教学实训。
[0181]
4、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，具有较高的先进性，顺应智能制造中的工业app无线控制技术，通过客户端app可实现远程监控。
[0182]
5、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，使用的pid控制算法，以及基于pwm(脉冲宽度调制)技术实现数字量的pid控制方法，在自动控制领域应用广泛，代表性和通用性强。
[0183]
6、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，具有较高的安全性，具有一键启停、短路保护、漏电保护、报警指示、软件保护、急停按钮、防水箱溢流等功能。
[0184]
7、本实用新型平台提供的新型过程控制系统实训平台，结合霍兰德职业性向和cdio(工程教育)教学理念，利用该平台可以循序渐进、直观系统地进行教学实训，综合锻炼学生需求分析、系统设计、编程研发和调试等能力，能有效提高学生学习兴趣和就业竞争力。
[0185]
需要说明的是，鉴于传统的实训平台，存在与实际工业控制进程脱节的现象，比如侧重单机控制等基础练习，而忽视了网络通信和组件的应用，与现有传统的实训平台相比较，本实用新型的新型过程控制系统实训平台，区别于以往触摸屏或电脑上位机的控制方法，采用标准的物联网三层架构设计，顺应智能制造中的工业app无线控制技术，使用客户端通过无线路由器实现远程监控。
[0186]
需要说明的是，鉴于传统的实训平台，对pid自动控制算法的实现，存在着理论与实际联系不紧密、参数不易整定的缺点。与现有传统的实训平台相比较，本实用新型的新型过程控制系统实训平台，选用西门子s7-300系列plc具有pid控制器参数整定功能，便于调试且应用广泛。第四，对系统设计、软件编程和现场调试的综合运用结合不够，不具备分组分岗教学的条件。
[0187]
对于本实用新型，作为一种集成西门子plc、profinet总线和工业以太网的过程控制系统实训平台，采用标准的物联网三层架构设计，将现场总线、工业以太网、传感器检测、电机控制、气动控制、工业app无线控制等新技术融合在一起，结合霍兰德职业性向和cdio教学理念，采用项目化的教学方法配套开发实训例程，能有效提高学生的工程实践能力，更有信心去面对激烈的就业竞争环境。
[0188]
综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种新型过程控制系统实训平台，其结构设计科学，该实训平台可以模拟与工程实际非常接近的液体控制过程，实现对液位的范围控制。
[0189]
此外，本实用新型的新型过程控制系统实训平台，还可以模拟与工程实际非常接近的液体控制过程，实现基于pwm(脉冲宽度调制)技术对液体温度的pid控制。
[0190]
另外，对于本实用新型，该平台将自动检测与控制、仪器仪表、modbus 通信、工业以太网通信、计算机通信、无线通信、远程监控等先进的工业控制与通信技术融合在一起。结合霍兰德职业性向和cdio(工程教育)教学理念，采用项目化的教学方法配套开发实训例程，有效提高学生的工程实践能力和就业竞争力，具有重大的实践意义。
[0191]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。