一、產(chǎn)品概述

ZWM-I型智網(wǎng)電氣控制綜合創(chuàng)新平臺，是公司根據(jù)多年教學(xué)儀器設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，打造的一款全新的，綜合型，平臺化，全面模塊化的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)平臺更加開放自由，可以根據(jù)客戶需要，為電子、電氣、機(jī)電、自動化、計(jì)算機(jī)等多種專業(yè)配置單一或者綜合性的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程有《電力電子技術(shù)》、《電機(jī)及電力拖動》、《交/直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)》、《電氣控制與傳動技術(shù)》、《變頻調(diào)速技術(shù)》、《PLC控制技術(shù)》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)》、《嵌入式控制器應(yīng)用技術(shù)》、《DSP控制器應(yīng)用技術(shù)》、《FPGA可編程技術(shù)》、《基于C++的計(jì)算機(jī)控制創(chuàng)新應(yīng)用》、《基于Matlab的計(jì)算機(jī)控制創(chuàng)新應(yīng)用》、《基于Labview的計(jì)算機(jī)控制創(chuàng)新應(yīng)用》、《工業(yè)傳感技術(shù)原理及應(yīng)用》、《自動控制原理實(shí)驗(yàn)》、《工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用》等，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以根據(jù)實(shí)際需要，通過靈活選用模塊的形式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可以不斷的進(jìn)行功能擴(kuò)展。

擴(kuò)展模塊采用全開放透明的結(jié)構(gòu)形式，用戶可以從多種不同的角度來觀察模塊電路和電子部件，透明殼體的材質(zhì)采用工程有機(jī)材質(zhì)，具有絕緣、耐熱、耐磨、不易變形等特點(diǎn)，模塊內(nèi)部的核心電路和部件都采用了“即插即用”的連接結(jié)構(gòu)，方便維修和更換，更有利于后期的電路功能升級，降低客戶購買產(chǎn)品后的維護(hù)成本。

產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)布局，總體包含四個(gè)基本部分，實(shí)驗(yàn)控制模塊、實(shí)驗(yàn)對象、實(shí)驗(yàn)區(qū)、電源控制和保護(hù)系統(tǒng)。每個(gè)部分都更加獨(dú)立和標(biāo)準(zhǔn)化，便于加工制造和使用維護(hù)。能給客戶帶來全新的使用體驗(yàn)。

二、硬件系統(tǒng)介紹

2.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)K

實(shí)驗(yàn)?zāi)K是系統(tǒng)的基本單元，由多種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的功能塊構(gòu)成。模塊具有統(tǒng)一的外形樣式和接口形式，其面板上以簡單圖示描述內(nèi)部功能及基本原理。其輸入輸出接口則采用標(biāo)準(zhǔn)的插孔端子，支持配套標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線。每個(gè)模塊具有獨(dú)立的供電單元，只需通過標(biāo)準(zhǔn)的插孔端子外供220V交流電源即可使用。模塊底部有吸盤，可以靈活吸附于試驗(yàn)區(qū)的板面上，使用起來十分靈活便利。模塊殼體為透明形式，內(nèi)部電路元件，一覽無余，便于學(xué)生認(rèn)識器件，更能做到理論聯(lián)系實(shí)際。

標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，使用戶可以根據(jù)需要選配模塊，配置非常靈活。同時(shí)也非常便于用戶后續(xù)升級擴(kuò)展，因?yàn)樾略瞿K和可以無縫加入系統(tǒng)。只要220V供電。用戶在采購以后，無論因?yàn)樵囼?yàn)需求變化，還是我們開發(fā)了新模塊，令客戶產(chǎn)生新的功能需要，只要增購一些新模塊即可，無需對已購平臺做改造，相對以往產(chǎn)品或其他同類產(chǎn)品，升級代價(jià)更低。為客戶節(jié)約成本。

2.2、實(shí)驗(yàn)對象

這里的實(shí)驗(yàn)對象特指控制對象。大多數(shù)情況下，都是根據(jù)客戶需要進(jìn)行定制開發(fā)。目前我們也積累了豐富對象產(chǎn)品。本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置對象為可移動的電機(jī)組。用于滿足調(diào)速系統(tǒng)、電機(jī)控制、電氣自動化、電力拖動、電力電子等實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。

機(jī)組被置于專門的封閉小車內(nèi)，小車置于實(shí)驗(yàn)桌下方。小車頂面有透明窗，并設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)接。使用時(shí)，用戶將小車?yán)鰜?，方便完成接線。還可以通過透明窗，清楚地看到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并且不用擔(dān)心旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)給實(shí)驗(yàn)人員造成安全威脅。因?yàn)殡姍C(jī)置于小車內(nèi)，還可以降低噪音影響。

2.3、實(shí)驗(yàn)區(qū)

實(shí)驗(yàn)區(qū)，位于設(shè)備的上部，包含四塊平板和6個(gè)實(shí)驗(yàn)電源接口組件。此部分以工業(yè)鋁型材構(gòu)成框架，配合輕便的鈑金結(jié)構(gòu)，非常便于生產(chǎn)裝配。這樣的結(jié)構(gòu)，簡約、現(xiàn)代，輕便靈活，更加便于使用和維護(hù)。

電源接口組件排成三條天然分割線，將實(shí)驗(yàn)區(qū)分隔成上下兩個(gè)長條形區(qū)域。每個(gè)電源組件上提供三組控制電源接口。實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以被自由擺放在平板上，并能就近連接到控制電源。使用過程中，用戶可根據(jù)需要隨意布局試驗(yàn)?zāi)K。就好像在黑板上畫圖一樣自由與靈活。

2.4、電源控制系統(tǒng)

電源控制系統(tǒng)，用來為各種實(shí)驗(yàn)提供多種形式的電源，并提供完善的保護(hù)功能。系統(tǒng)由三個(gè)主控箱組成。他們位于實(shí)驗(yàn)區(qū)的下方。其中，1號主控箱位于中間，是系統(tǒng)的核心單元，由PLC、人機(jī)界面、電流電壓傳感器、空開和繼電器等構(gòu)成。2號和3號主控箱分列1號主控箱兩側(cè)，用來安裝有關(guān)變壓器、功率電阻等重型器件。

基于PLC和人機(jī)界面構(gòu)建的電源控制系統(tǒng)，是以工業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這樣做，一方面，可以實(shí)現(xiàn)更加完善的電源控制與保護(hù)功能，并提升設(shè)備抗干擾能力。更重要的是，可以為將來系統(tǒng)功能的不斷完善升級，提供良好的硬件基礎(chǔ)。未來我們將通過對PLC和觸摸屏的程序持續(xù)升級，不斷提升系統(tǒng)功能和性能水平，為客戶提供增值服務(wù)，更好的滿足客戶個(gè)性化需求。用有限的成本提升，帶來無限的功能與性能飛躍。

針對這套系統(tǒng)的功能，我們做了全面的規(guī)劃。除了基礎(chǔ)的電源控制與保護(hù)以外，還包括：網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理，自動實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成，在線實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航，遠(yuǎn)程故障診斷等。目的是，在設(shè)備安全，人員安全，設(shè)備維護(hù)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)效率提升，減輕實(shí)驗(yàn)老師工作量等多方面不斷完善產(chǎn)品功能。我們不僅著眼于實(shí)驗(yàn)本身，更加關(guān)注到了實(shí)驗(yàn)相關(guān)領(lǐng)域，目標(biāo)是將產(chǎn)品逐步打造成不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的智能化的，網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

三、產(chǎn)品應(yīng)用特點(diǎn)

模塊化的設(shè)計(jì)，單元模塊更小更獨(dú)立，全透明的模塊外殼，平板化的試驗(yàn)區(qū)，融入實(shí)驗(yàn)區(qū)的電源設(shè)置，多方面的電源保護(hù)，豐富的狀態(tài)監(jiān)測，智能控制器的應(yīng)用等，為用戶提供更加安全，便捷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。下面從多個(gè)角度進(jìn)行設(shè)備使用特點(diǎn)說明。

3.1、產(chǎn)品更開放，更加便于用戶開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

應(yīng)教育改革的需要，為了讓學(xué)生真正能通過實(shí)驗(yàn)學(xué)到更多知識，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開放性要求越來越高。傳統(tǒng)的，固定式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)無法滿足需要。為此，我們通過將產(chǎn)品模塊化，并引入流行的數(shù)字技術(shù)作為輔助，為用戶提供更加接近實(shí)際應(yīng)用的全新案例。并且，還提供了更多軟性的環(huán)節(jié)，以方便用戶實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整，通過觀察調(diào)整帶來的影響，可以更加深入理解實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理與規(guī)律。

以電機(jī)調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)為例來說明，每個(gè)基礎(chǔ)功能單元都做成獨(dú)立模塊，可以說，我們對產(chǎn)品進(jìn)行了限度的模塊化。原來的掛箱產(chǎn)品被切分成外形標(biāo)準(zhǔn)的膜，比如給定單元、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器，波形發(fā)生器，驅(qū)動單元，功率單元，電流檢測單元，電壓檢測電壓，速度檢測單元，控制對象（電機(jī)等）。

上述這些模塊，我們不僅基于傳統(tǒng)的電子電路和專用控制器來構(gòu)建，還將通過DSP，單片機(jī)等數(shù)字核心來實(shí)現(xiàn)。前者承接了傳統(tǒng)產(chǎn)品的特點(diǎn)，老客戶可以像使用老產(chǎn)品一樣，無需花時(shí)間熟悉，面板圖樣，符號標(biāo)識，接口等，都保留了老產(chǎn)品的特點(diǎn)。后者則為全新設(shè)計(jì)的平臺化模塊，通過軟件實(shí)現(xiàn)一種或者多種傳統(tǒng)單元的功能，比如：實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器（如：PWM、SPWM、直流移相脈沖、FOC等）和通用的數(shù)字調(diào)節(jié)器（如：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器等），或者實(shí)現(xiàn)兩者的功能組合，用于滿足用戶的創(chuàng)新需求。

在我們系統(tǒng)中，我們設(shè)計(jì)了五大創(chuàng)新工具平臺，分別是計(jì)算機(jī)算法平臺（C語言版）、計(jì)算機(jī)算法平臺（Matlab軟件版）、DSP算法平臺、單片機(jī)控制平臺、FPGA控制平臺，用戶可根據(jù)這些工具平臺的特性來設(shè)計(jì)開發(fā)個(gè)性化的“功能模塊”代替原有系統(tǒng)中的部分功能，比如信號指令模塊、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)速檢測變換模塊、6路晶閘管全橋信號觸發(fā)模塊等等，用戶自己設(shè)計(jì)開發(fā) “算法或應(yīng)用程序”“ 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 “固定器件電路” ，并不斷調(diào)試、改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)作品，最終使整套電力電子系統(tǒng)能按照使用者預(yù)期的目標(biāo)進(jìn)行工作，在這個(gè)過程中，來充分對所學(xué)知識進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，另外，我們我還為用戶提供了大量開發(fā)樣例，幫助用戶更快更好的使用我們的產(chǎn)品。

基于“傳統(tǒng)”的分立器件實(shí)現(xiàn)的模塊，我們稱為“經(jīng)典模塊”，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段，與老產(chǎn)品一致，但各方面性能上做了改進(jìn)，可以平滑替代老產(chǎn)品。使用起來，比老產(chǎn)品具有更高的可靠性，并不失靈活性，更加便于客戶使用，管理和維護(hù)。

基于數(shù)字核心的模塊，我們稱為“創(chuàng)新模塊”。專門為了更好適應(yīng)學(xué)校的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需求而開發(fā)。我們針對典型功能，開發(fā)了相應(yīng)的軟件案例，并留有參數(shù)接口，允許用戶進(jìn)行修改。既能實(shí)現(xiàn)演示性實(shí)驗(yàn)，還可以對相關(guān)課題的研究，提供支持。

所有模塊，都采用標(biāo)準(zhǔn)透明外殼樣式，目的是讓學(xué)生的觀察實(shí)驗(yàn)單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉自己做實(shí)驗(yàn)所使用的硬件細(xì)節(jié)。以往學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，只能看到表面，眼前更多的是圖形符號，雖然與教材可以緊密聯(lián)系，卻容易脫離實(shí)際，不知道圖形符號后面的細(xì)節(jié)，做了實(shí)驗(yàn)，確收獲不多，讓實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。有些老師，為了讓學(xué)生可以觀察到實(shí)際電路情況，會嘗試打開實(shí)驗(yàn)單元，讓學(xué)生觀察，但迫于工作量，又擔(dān)心設(shè)備損壞，實(shí)際操作起來困難重重。而我們的模塊產(chǎn)品，很好地解決了這一問題。

另外，產(chǎn)品采用了更加的模塊化設(shè)計(jì)，這使得產(chǎn)品配置靈活性達(dá)到，用戶在選擇產(chǎn)品時(shí)，不用因?yàn)閺S家捆綁自己不需要的單元而煩惱，需要什么功能就買什么功能的模塊。模塊統(tǒng)一采用220V單相供電，標(biāo)準(zhǔn)尺寸，吸附式安裝，對系統(tǒng)依賴性很低，未來需要增購模塊，只需增加就好，幾乎不需要考慮系統(tǒng)兼容性問題。以往的掛箱產(chǎn)品，一般都是多個(gè)單元組合的形式，無法實(shí)現(xiàn)這種程度的靈活配置。客戶不得不為了一個(gè)單元購買整個(gè)掛箱。

3.2、接線更短，線路更清晰，出錯(cuò)率更低

基礎(chǔ)功能模塊加平板化的實(shí)驗(yàn)區(qū)的組合，使得實(shí)驗(yàn)中，用戶獲得更大的自由空間。每個(gè)模塊的功能相對獨(dú)立。做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，每個(gè)模塊可以按照接線要求相鄰放置，這樣可以限度縮短實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線的長度，每個(gè)模塊的輸入輸出接點(diǎn)都設(shè)計(jì)在模塊的邊緣，并充分考慮接線的需要，很大程度上避免了實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線跨越模塊表面的情形，使得接線更清晰，不容易出錯(cuò)。

以往掛箱產(chǎn)品，因?yàn)閱卧奈恢孟鄬潭ǎ荒苡邢薜囊苿訏煜湮恢?，無法做到這一點(diǎn)。做稍微復(fù)雜一點(diǎn)兒的實(shí)驗(yàn)，用到的單元多一些，接完線后，看起來總是非?；靵y的狀態(tài)，不利于接線的檢查，容易錯(cuò)接或者遺漏。

3.3、使用更安全

為了滿足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)要求，產(chǎn)品不得不面臨更多安全挑戰(zhàn)。因此，我們進(jìn)行了全面的安全設(shè)計(jì)，從防止人身傷害和加強(qiáng)設(shè)備包含兩個(gè)方面著手設(shè)計(jì)，在保護(hù)方面投入了更多成本，也帶來安全性能的全面提升，以滿足用戶需要。

主要的安全威脅來源于電源系統(tǒng)和運(yùn)動裝置。為了防止意外觸電，我們除了考慮強(qiáng)電單元接線端子和導(dǎo)線的封閉，使用漏電保護(hù)器避免觸電以外，還通過PLC和人機(jī)界面的引入，使得操界面變成安全電壓設(shè)備，按鈕，觸摸屏都是24V供電，大大降低了操作觸電可能。強(qiáng)電單元，都采用了封閉的結(jié)構(gòu)，外殼接地。

設(shè)備方面的保護(hù)，主要通過對設(shè)備的電源系統(tǒng)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)。在主電源上，為每一項(xiàng)增加了電壓電流監(jiān)測傳感器，實(shí)施監(jiān)視主電源輸出，針對每種實(shí)驗(yàn)的具體要求，PLC內(nèi)部預(yù)設(shè)了不同的保護(hù)閾值，不用擔(dān)心電壓過載或者短路，從根本上解決了試驗(yàn)系統(tǒng)因?yàn)殡娫赐ㄓ眯詭淼谋Ｗo(hù)難題。主電路模塊上，也設(shè)置了很多保險(xiǎn)，以防止接線錯(cuò)誤帶來的短路問題。對于控制電源，也就是模塊供電，我們采用統(tǒng)一的AC220V供電，不用擔(dān)心輸入接錯(cuò)線問題。低壓輸出側(cè)都采用獨(dú)立開關(guān)電源，都有完善的防短路和過載功能。因?yàn)槊總€(gè)模塊都有自己的電源，且不對外輸出，這樣可以限度的避免低壓側(cè)接錯(cuò)線損壞設(shè)備的問題。 控制電路的獨(dú)立供電，使得模塊故障影響范圍更小，一個(gè)模塊損壞并不會影響到其他模塊，綜合可靠性更高。

以往的掛箱產(chǎn)品，是以掛箱為基本單元統(tǒng)一供電，電源發(fā)生故障，整個(gè)掛箱上的單元都無法工作，故障影響范圍更大。電源的保護(hù)也無法實(shí)現(xiàn)針對不同的實(shí)驗(yàn)限定不同參數(shù)。

對于運(yùn)動單元，我們設(shè)計(jì)了專門的移動電機(jī)車，將機(jī)組至于其中，上面設(shè)置透明窗，在不影響學(xué)生觀察電機(jī)動態(tài)的情況下，將人員和運(yùn)動機(jī)構(gòu)隔離開來，做到真正意義上訂單隔離防護(hù)。安全性相比傳統(tǒng)機(jī)組，有了質(zhì)的飛躍。

3.4、維護(hù)更方便

模塊體積更小，更輕便，備用模塊更容易存儲。當(dāng)某個(gè)模塊故障，如果用戶不能自行處理，可以快遞給廠家維修，運(yùn)輸成本很低，廠家也可以減少到用戶現(xiàn)場維修的頻度，降低維護(hù)成本。同樣，廠家也可以方便的為用戶提供臨時(shí)代用模塊，不必支付過高的運(yùn)輸費(fèi)用，從而限度降低模塊故障對用戶實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的影響。

以往的掛箱產(chǎn)品，由于體積大，多個(gè)單元集成一體，不便于運(yùn)輸，也不便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元備用，因?yàn)橄嚓P(guān)成本過高。因?yàn)榫嚯x和維護(hù)成本限制，廠家很難做到快速到達(dá)現(xiàn)場處理所有問題，一旦產(chǎn)品故障，常會導(dǎo)致用戶實(shí)驗(yàn)計(jì)劃延遲。

3.5、更多升級可能

智能控制器和人機(jī)界面的應(yīng)用，為設(shè)備功能升級提供了基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)化，智能化成為可能。未來隨著產(chǎn)品功能逐步完善，智能儀表的逐步配套，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法涉及的功能，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集，實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動生成，實(shí)驗(yàn)在線指導(dǎo)，設(shè)備問題遠(yuǎn)程診斷與處理，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃管理等，都具有了實(shí)現(xiàn)的前提條件。用戶不用擔(dān)心，購買一兩年就會過時(shí)的問題。