一种集成控制系统实验装置和操作方法 【技术领域】
本发明涉及集成控制系统， 特别是涉及多种典型控制系统集成的实验装置以及操作方法。 背景技术 在工程类高校的电气类专业中， 实验课占有相当重要的地位， 学生只有通过动手 实践才能对所学课程有更深入的理解。
现有电气类专业的实验室都是针对某一门课程建设的， 通常一个实验室只能满足 一门课程的实验需要， 比如自动控制系统实验室， 仅仅包含直流调速和交流调速的实验没 备， 学生只能做关于这些方面的实验内容。
目前这种围绕某门课程建设的实验室， 只能满足一门课程的需要， 但是毕业后学 生在实际的工程中接触的大多是多门课程集成的控制系统， 而目前的实验室无法使学生结 合多门课程的知识自己动手设计和集成一个控制系统， 这就造成了刚毕业无法很快的适应 工作的需要。
发明内容 本发明为解决某门课程建设的实验室只能满足一门课程而进行的， 其目的在于提 供一种集成控制系统的实验装置， 该集成控制系统实验装置包含有多种典型控制系统， 能 够满足学生在学习了一定的专业课程之后， 结合多门课程的知识自己动手设计和集成一个 控制系统。
本发明涉及的集成控制系统实验装置， 包括 ： 直流调速控制系统、 交流调速控制系 统、 伺服控制系统、 电梯群控系统、 水流量和温度控制系统、 人机接口面板控制系统、 串行通 信协议、 第一网络连接线， 各个控制系统之间通过该串行通信协议进行数据通信， 该第一网 络连接线使各个系统接通网络。各个控制系统内部的数据通信通过串口和硬线进行， 所述 直流调速控制系统、 所述交流调速控制系统、 所述伺服控制系统、 所述电梯群控系统、 所述 水流量和温度控制系统分别与所述人机接口面板控制系统结合实现人机交互界面。 通过对 各个典型控制系统进行设计， 从硬件到软件实现实验工程项目。
优选地， 该集成控制系统实验装置更包括一第三方厂商通讯扩展口以及一第二网 络线， 其中， 该第二网络线为第三方厂商通讯扩展口接通网络， 该第三方厂商通讯扩展口和 其他通讯协议的设备进行通讯。
优选地， 该直流调速控制系统包括 ： 第一可编程计算机控制器、 调速控制器、 直流 电机、 第一光电编辑器、 第一装有集成开发软件的计算机， 其中， 该第一可编程计算机控制 器为 B&R2003 系列， 该调速控制器可以为欧陆公司 514C 调速控制器， 第一装有集成开发软 件的计算机的集成开发软件是 B&R 控制系统软件。该第一装有集成开发软件的计算机实现 界面和数据库管理等内容。该 B&R2003 系列可编程计算机控制器与装有 B&R 控制系统软件 的计算机之间进行 RS232 通信， 该 B&R 2003 系列可编程计算机控制器与 514C 调速控制器
进行输入 / 输出口硬线连接并对 514C 调速控制器下达控制指令， 该 514C 调速控制器控制 该直流电机的转速， 该第一光电编码器获得直流电机的转速并反馈给 B&R 2003 系列可编 程计算机控制器。在该第一装有集成开发软件的计算机中输入系统参数， 通过直流调速控 制系统中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制系统中显示出来， 并根据 数据进行系统参数的调试。通过控制系统软件建立终端的工程项目。
根据本发明， 该直流调速控制系统包括开环控制系统和闭环控制系统， 将控制算 法加入到闭环控制系统中， 实现直流电机转速的误差达到工程的需要。
优选地， 该交流调速控制系统包括 ： 第二可编程计算机控制器、 变频器、 交流电机、 第二光电编辑器、 第二装有集成开发软件的计算机， 其中， 该第二可编程计算机控制器为 B&R2003 系列， 该第二装有集成开发软件的计算机的集成开发软件是 B&R 控制系统软件。 该 第二装有集成开发软件的计算机实现界面和数据库管理等内容。该 B&R 2003 系列可编程 计算机控制器与该装有 B&R 控制系统软件的计算机之间进行 RS232 通信， B&R 2003 系列可 编程计算机控制器与变频器进行输入 / 输出口硬线连接并对变频器下达控制指令， 变频器 调整交流电机的转速， 该第二光电编码器获得交流电机的转速并反馈给 B&R 2003 系列可 编程计算机控制器， 在该第二装有集成开发软件的计算机中输入系统参数， 通过该交流调 速控制系统中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制系统中显示出来， 并 根据数据进行系统参数的调试。通过控制系统软件建立终端的工程项目。
根据本发明， 该交流调速控制系统包括开环控制系统和闭环控制系统， 将控制算 法加入到闭环控制系统中， 实现交流电机转速的误差达到工程的需要。
优选地， 该伺服控制系统包括 ： 第三可编程计算机控制器、 伺服驱动控制器、 伺服 电机、 串行通信协议总线、 第三光电编辑器以及第三装有集成开发软件的计算机， 其中， 该 第三可编程计算机控制器为 B&R2003 系列， 该伺服驱动控制器为 B&R ACOPOS 1022 伺服驱 动控制器， 该第三装有集成开发软件的计算机的集成开发软件是 B&R 控制系统软件， 该第 三装有集成开发软件的计算机实现界面和数据库管理等内容。该 B&R2003 系列可编程计 算机控制器与该第三装有集成开发软件的计算机之间进行 RS232 通信， 该 B&R2003 系列 可编程计算机控制器与 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器之间进行串行通信协议总线通 信， 该伺服控制系统更包括一 POWERLINK 总线， 该 B&R2003 系列可编程计算机控制器与 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器之间进行 POWERLINK 总线通信。由 B&RACOPOS 1022 伺服驱 动控制器调整伺服电机的转速， 该第三光电编码器获得伺服电机的转速并反馈给 B&R 2003 系列可编程计算机控制器， 在所述第三装有集成开发软件的计算机中输入系统参数， 通过 所述伺服控制系统中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制系统中显示出 来， 并根据数据进行系统参数的调试。
优选地， 该电梯群控系统包括 ： 第四可编程计算机控制器、 电梯模型、 可编程逻辑 控制器、 第四装有集成开发软件的计算机， 其中， 该第四可编程计算机控制器为 B&R2003 系 列， 该可编程逻辑控制器为西门子 S7-200 可编程逻辑控制器， 该第四装有集成开发软件的 计算机的集成开发软件包括 B&R 控制系统软件和 STEP7_Micro/WIN 软件。该第四装有集 成开发软件的计算机实现界面和数据库管理等内容。该 B&R2003 系列可编程计算机控制 器与该装有 B&R 控制系统软件和 STEP7_Micro/WIN 软件的计算机之间进行 RS232 通信， 该 B&R2003 系列可编程计算机控制器与该西门子 S7-200 可编程逻辑控制器之间进行 RS232 通信。该 B&R2003 系列可编程计算机控制器与西门子 S7-200 可编程逻辑控制器进行输入 / 输出口硬线连接并对电梯模型下达控制指令， 在所述第四装有集成开发软件的计算机中输 入系统参数， 通过所述电梯群控系统中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板 控制系统中显示出来， 并根据数据进行系统参数的调试。
根据本发明， 该电梯群控系统通过读取可编程逻辑控制器中的电梯运行信号至可 编程计算机控制器， 该可编程计算机控制器能对电梯进行控制， 实现电梯的群控。
优选地， 该水流量和温度控制系统包括 ： 第五可编程计算机控制器、 过程控制模 型、 第五装有集成开发软件的计算机， 其中， 该第五可编程计算机控制器为 B&R2003 系列， 该第五装有集成开发软件的计算机的集成开发软件是 B&R 控制系统软件， 该第五装有集成 开发软件的计算机实现界面和数据库管理等内容。该 B&R2003 系列可编程计算机控制器与 该装有 B&R 控制系统软件的计算机之间进行 RS232 通信， 该 B&R2003 系列可编程计算机控 制器与过程控制模型进行输入 / 输出口硬线连接并对过程控制模型下达控制指令， 在所述 第五装有集成开发软件的计算机中输入系统参数， 通过所述水流量和温度控制系统中各个 硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制系统中显示出来， 并根据数据进行系统 参数的调试。加入多种控制算法对水流、 温度等模拟量进行控制， 保证控制精度。
优选地， 该人机接口面板控制系统包括控制面板， 其中， 该控制面板为 B&R 控制面板。 根据该发明， 该集成控制系统实验装置包括多种典型控制系统的硬件设备， 通过 电气控制可编程逻辑控制器、 计算机、 网络通信等多学科的交叉， 使研究的内容更加丰富。 该控制系统实验装置改变了原来的实验室构造， 让学生以工程师角色实现控制系统的集 成。
附图说明 读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后， 将会更清楚地了解本发明的 各个方面。其中，
图 1 为各个控制系统集成的实验装置网络拓扑图 ；
图 2 为直流调速控制系统结构图 ；
图 3 为交流调速控制系统结构图 ；
图 4 为伺服控制系统结构图 ；
图 5 为电梯群控系统结构图 ； 以及
图 6 为水流量和温度控制系统结构图。
具体实施方式
下面参照附图， 对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。 在整个描述中， 相 同的附图标记表示相同的部件。
图 1 为各个控制系统集成的实验装置网络拓扑图。参照图 1， 由各个控制系统集 成的实验装置 100 包含直流调速控制系统 101、 交流调速控制系统 102、 伺服控制系统 103、 电梯群控系统 104、 水流量和温度控制系统 105、 人机接口面板控制系统 106、 串行通信协议 108、 第一网络连接线 109 以及第二网络连接线 110。该集成控制系统实验装置 100 更包括一第三方厂商通讯扩展口 107， 用来和其他通讯协议的设备进行通讯。
各个控制系统之间通过串行通信协议 108 进行数据通信， 各个控制系统内部的数 据通信通过串口和硬线进行， 直流调速控制系统 101、 交流调速控制系统 102、 伺服控制系 统 103、 电梯群控系统 104、 水流量和温度控制系统 105 分别与人机接口面板控制系统 106 结合实现人机交互界面。通过对各个典型控制系统进行设计， 从硬件到软件实现实验工程 项目。第一网络连接线 109 用来使各个系统接通网络， 第二网络连接线 110 使第三方厂商 通讯扩展口 107 接通网络。其中， 伺服控制系统 103 更包括一 POWERLINK 总线 111， 可编程 计算机控制器 112 与伺服控制系统之间进行 POWERLINK 总线 111 通信。
直流调速控制系统 101 包括开环控制系统和闭环控制系统 ( 图中未画出 )， 将控制 算法加入到闭环控制系统中， 实现直流电机转速的误差达到工程的需要 ；
交流调速控制系统 102 包括开环控制系统和闭环控制系统 ( 图中未画出 )， 将控制 算法加入到闭环控制系统中， 实现交流电机转速的误差达到工程的需要。
图 2 为直流调速控制系统结构图。参照图 2， 该直流调速控制系统 101 包括 ： 第一 装有 B&R 控制系统软件的计算机 201、 第一 B&R2003 系列可编程计算机控制器 202、 欧陆公 司 514C 调速控制器 203、 直流电机 204、 第一光电编辑器 205。第一装有 B&R 控制系统软件 的计算机 201 实现界面和数据库管理等内容。第一 B&R2003 系列可编程计算机控制器 202 与第一装有 B&R 控制系统软件的计算机 201 之间进行 RS232 通信， 第一 B&R 2003 系列可编 程计算机控制器 202 与 514C 调速控制器 203 进行输入 / 输出口硬线连接， 并对 514C 调速 控制器 203 下达控制指令， 514C 调速控制器 203 控制直流电机 204 的转速， 第一光电编码器 205 获得直流电机 204 的转速并反馈给第一 B&R 2003 系列可编程计算机控制器 202， 在第 一装有 B&R 控制系统软件的计算机 201 中输入系统参数， 通过直流调速控制系统 101 中各 个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制系统 106 中显示出来， 并根据数据进 行系统参数的调试。通过控制系统软件建立终端的工程项目。
图 3 为交流调速控制系统结构图。参照图 3， 该交流调速控制系统 102 包括 ： 第二 装有 B&R 控制系统软件的计算机 301、 第二 B&R2003 系列可编程计算机控制器 302、 变频器 303、 交流电机 304、 第二光电编辑器 305。第二装有 B&R 控制系统软件的计算机 301 实现界 面和数据库管理等内容。 第二 B&R 2003 系列可编程计算机控制器 302 与第二装有 B&R 控制 系统软件的计算机 301 之间进行 RS232 通信， 第二 B&R 2003 系列可编程计算机控制器 302 与变频器 303 进行输入 / 输出口硬线连接并对变频器 303 下达控制指令， 变频器 303 调整 交流电机 304 的转速， 第二光电编码器 305 获得交流电机 304 的转速并反馈给第二 B&R2003 系列可编程计算机控制器 302， 在第二装有 B&R 控制系统软件的计算机 301 中输入系统参 数， 通过交流调速控制系统 102 中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制 系统 106 中显示出来， 并根据数据进行系统参数的调试。通过控制系统软件建立终端的工 程项目。
图 4 为伺服控制系统结构图。参照图 4， 该伺服控制系统 103 包括 ： 第三装有 B&R 控制系统软件的计算机 401、 第三 B&R2003 系列可编程计算机控制器 402、 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器 403、 伺服电机 404、 第三光电编辑器 405。 第三装有 B&R 控制系统软件的计 算机 401 实现界面和数据库管理等内容。第三 B&R2003 系列可编程计算机控制器 402 与第 三装有 B&R 控制系统软件的计算机 401 之间进行 RS232 通信， 第三 B&R2003 系列可编程计算机控制器 402 与 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器 403 之间进行串行通信协议总线通信， 伺 服控制系统 103 更包括一 POWERLINK 总线 111， 第三 B&R2003 系列可编程计算机控制器 402 与第三 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器 403 之间进行 POWERLINK 总线 111 通信。由 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器 403 调整伺服电机 404 的转速， 第三光电编码器 405 获得伺服 电机 404 的转速并反馈给第三 B&R 2003 系列可编程计算机控制器 402， 在第三装有 B&R 控 制系统软件的计算机 401 中输入系统参数， 通过伺服控制系统 103 中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制系统 106 中显示出来， 并根据数据进行系统参数的调试。
伺服控制系统 103 可以实现对伺服电机 404 的控制， 该系统中， 通过第三 B&R2003 系列可编程计算机控制器 402 和第三 B&R ACOPOS 1022 伺服驱动控制器 403 之间的通信， 可以熟悉伺服控制器的基本应用和整个系统的构建， 以及网络控制的方法。
图 5 为电梯群控系统结构图。参照图 5， 电梯群控系统 104 包括 ： 第四装有 B&R 控 制系统软件和 STEP7_Micro/WIN 软件的计算机 501、 第四 B&R2003 系列可编程计算机控制 器 502、 西门子 S7-200 可编程逻辑控制器 503、 电梯模型 504。第四装有 B&R 控制系统软件 和 STEP7_Micro/WIN 软件的计算机 501 实现界面和数据库管理等内容。第四 B&R2003 系列 可编程计算机控制器 502 与第四装有 B&R 控制系统软件和 STEP7_Micro/WIN 软件的计算机 501 之间进行 RS232 通信， 第四 B&R2003 系列可编程计算机控制器 502 与西门子 S7-200 可 编程逻辑控制器 503 之间进行 RS232 通信。第四 B&R2003 系列可编程计算机控制器 502 与 西门子 S7-200 可编程逻辑控制器 503 进行输入 / 输出口硬线连接并对电梯模型 504 下达 控制指令， 在第四装有 B&R 控制系统软件和 STEP7_Micro/WIN 软件的计算机 501 中输入系 统参数， 通过电梯群控系统 104 中各个硬件之间的通信， 得到的数据在人机接口面板控制 系统 106 中显示出来， 并根据数据进行系统参数的调试。
电梯群控系统 104 通过读取西门子 S7-200 可编程逻辑控制器 503 中的电梯运行 信号至第四 B&R2003 系列可编程计算机控制器 502， 第四 B&R2003 系列可编程计算机控制器 502 能对电梯进行控制， 实现电梯的群控。
图 6 为水流量和温度控制系统结构图。 参照图 6， 水流量和温度控制系统 105 包括 ： 第五装有 B&R 控制系统软件的计算机 601、 第五 B&R2003 系列可编程计算机控制器 602、 过 程控制模型 603。 第五装有 B&R 控制系统软件的计算机 601 实现界面和数据库管理等内容。 第五 B&R2003 系列可编程计算机控制器 602 与第五装有 B&R 控制系统软件的计算机 601 之 间进行 RS232 通信， 第五 B&R2003 系列可编程计算机控制器 601 与过程控制模型 603 进行输 入 / 输出口硬线连接并对过程控制模型 603 下达控制指令， 在第五装有 B&R 控制系统软件 的计算机 601 中输入系统参数， 通过水流量和温度控制系统 105 中各个硬件之间的通信， 得 到的数据在人机接口面板控制系统 106 中显示出来， 并根据数据进行系统参数的调试。加 入多种控制算法对水流、 温度等模拟量进行控制， 保证控制精度。