李 力,趙 敏

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208）

目前，國內(nèi)各學(xué)校的電氣控制線路安裝調(diào)試實(shí)訓(xùn)大多采用較為傳統(tǒng)的手段，由于學(xué)生處于初學(xué)階段，理論知識及實(shí)操經(jīng)驗(yàn)都欠豐富，在自檢環(huán)節(jié)中難以查出自身所犯錯誤，指導(dǎo)教師因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系也大都只檢查線路是否存在短路問題，而某些復(fù)雜的電氣控制線路指導(dǎo)教師也只能憑經(jīng)驗(yàn)對線路關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行檢查，這樣，一些比較隱秘的嚴(yán)重錯誤有可能沒被檢查出來而通電試車，其后果可想而知，而如果指導(dǎo)教師嚴(yán)格對每個臺位的線路都進(jìn)行檢查，勢必造成教學(xué)資源的分配不均衡，一些學(xué)生將得不到老師的指導(dǎo)。再者，初學(xué)學(xué)生的接線工藝較差，面對蜘蛛網(wǎng)一般的線路，指導(dǎo)教師往往難以理清頭緒，教學(xué)效率不高[1，2]。當(dāng)前也有一些電類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動化的正誤判斷，但多用于機(jī)床電氣控制線路等的導(dǎo)線通斷檢修實(shí)訓(xùn)，對于開放式的電氣控制線路安裝調(diào)試實(shí)訓(xùn)尚無自動判斷設(shè)備。

針對目前教學(xué)實(shí)踐中遇到的問題，對電氣控制類實(shí)訓(xùn)教學(xué)及考核的智能化進(jìn)行研究和探討，以解決當(dāng)前實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)普遍存在的檢查手段單一、人工檢查不可靠且效率低下、教師指導(dǎo)負(fù)擔(dān)較重等問題。

1 系統(tǒng)組成

為方便實(shí)訓(xùn)教學(xué)和考核，本智能教學(xué)及考核系統(tǒng)由三部分組成：電氣控制線路裝調(diào)實(shí)訓(xùn)板、智能控制器、教師計(jì)算機(jī)及其軟件系統(tǒng)。

如圖1所示，教師計(jì)算機(jī)為通用計(jì)算機(jī)，教師計(jì)算機(jī)通過485總線或以太網(wǎng)與智能控制器相連，智能控制器受控于教師計(jì)算機(jī)，電氣控制線路裝調(diào)實(shí)訓(xùn)板包括各種電氣控制器件及線槽和接線端子。為確保電氣控制線路的高電壓不竄至低電壓的智能控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，強(qiáng)弱電采用繼電器模塊進(jìn)行隔離。教師計(jì)算機(jī)主要用于實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫的建立和對應(yīng)電路圖的所有端子連接關(guān)系表的錄入，教師計(jì)算機(jī)為本系統(tǒng)的人機(jī)接口，所有的操作都通過計(jì)算機(jī)的鍵盤鼠標(biāo)來完成，智能控制器反饋的信息也通過計(jì)算機(jī)屏幕來進(jìn)行顯示。智能控制器根據(jù)教師計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)執(zhí)行檢查指令，并將檢查結(jié)果回傳至教師計(jì)算機(jī)[3]。

圖1 智能教學(xué)及考核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)訓(xùn)板結(jié)構(gòu)

實(shí)訓(xùn)板是學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作是的工作平臺，學(xué)生的所有裝調(diào)實(shí)訓(xùn)操作都在該平臺上進(jìn)行，如圖2所示，電氣控制線路裝調(diào)實(shí)訓(xùn)板為雙層結(jié)構(gòu)，包括底板和面板，接觸器、按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、各類繼電器等常用電氣控制器件固定在底板上，面板置于底板之上，面板在各電氣器件的位置上開有窗孔，使安裝在底板上的各電氣控制器件穿過面板，學(xué)生得以通過窗孔觀察器件狀態(tài)或操控器件，各電氣控制器件的接線端子均引出到面板上，線槽安裝在面板上。學(xué)生進(jìn)行電氣控制線路安裝時(shí)，連接導(dǎo)線不直接固定到各電氣控制器件的接線端子，而是將其連接到面板上的同名接線端子上，連接導(dǎo)線的走線也是在面板上的線槽中進(jìn)行[4，5]。

圖2 實(shí)訓(xùn)板布局外觀圖

3 智能控制器及外圍電路設(shè)計(jì)

智能控制器由單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、按鍵模塊、通訊模塊、串行IO擴(kuò)展模塊、隔離繼電器模塊組成，智能控制器結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。智能控制器的核心為單片機(jī)，顯示模塊和按鍵模塊均與單片機(jī)IO口連接，單片機(jī)IO口經(jīng)過串行IO擴(kuò)展模塊與隔離繼電器模塊的各繼電器的公共端子連接，隔離繼電器模塊的各繼電器的常開端子接實(shí)訓(xùn)板底板上各電氣元件的連接端子。單片機(jī)選用應(yīng)用比較廣泛的AT89C51，單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、按鍵模塊等為常規(guī)模塊。

隔離繼電器模塊確保本系統(tǒng)中強(qiáng)弱電的完全物理隔離。為提高控制器的檢查速度，本系統(tǒng)采用直接讀取電平的方式來進(jìn)行接線正誤檢查，即當(dāng)智能控制器開始工作時(shí)，在一個與電氣控制器件端子連接的IO口輸出一個高電平，然后讀取其它IO端子的電平，若讀取的是高電平，則該端子與前述端子是連接關(guān)系，如果讀回的是低電平，則是無連接關(guān)系，依此遍歷所有電氣控制器件端子，由智能控制器與標(biāo)準(zhǔn)連接關(guān)系表進(jìn)行比對，從而判斷當(dāng)前接線的正誤。在本系統(tǒng)中，如若故障為少接線，則比較容易通過此種方式檢查出來，如若是多接線的情況，則較難判斷具體的故障點(diǎn)在何處，因此，需要在線路中加入適當(dāng)?shù)睦^電器，在自動檢查的時(shí)候?qū)㈦姎饩€路分割成一個個彼此獨(dú)立的區(qū)塊，結(jié)合上述的檢查方案進(jìn)而縮小故障范圍，方便后期的精確故障點(diǎn)的查找[6，7]。

圖3 智能控制器結(jié)構(gòu)原理圖

隔離繼電器模塊用于將電氣控制線路的強(qiáng)電系統(tǒng)與控制器的弱電系統(tǒng)隔離開來，為保證電氣控制線路與控制器電路不同時(shí)工作，隔離繼電器的電源與電氣控制線路的電源形成電氣互鎖，接觸器KM的主觸點(diǎn)控制電氣控制線路的電源的通斷，接觸器KM的輔助常閉控制隔離繼電器的電源的通斷，隔離繼電器的各控制信號端IN直接與12V高電平連接，模塊得電時(shí)所有繼電器吸合，模塊失電所有繼電器斷開，由此完成單片機(jī)系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的物理電氣隔離[8]。隔離繼電器模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 隔離繼電器模塊電路原理圖

4 通訊電路設(shè)計(jì)

在電氣控制實(shí)訓(xùn)室中，存在在多種不同功率和不同類型的電動機(jī)以及變壓器，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，教師計(jì)算機(jī)與智能控制器之間有雙向通訊的需求，且一個教師機(jī)要與多個智能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[9，10]，因此，本系統(tǒng)采用RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)，智能控制器通過RS485 轉(zhuǎn)換器與485總線連接，教師計(jì)算機(jī)通過USB-485轉(zhuǎn)換器連接至485總線，從而形成一主多從的總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 485總線通訊結(jié)構(gòu)圖

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的教師機(jī)端控制軟件采用微軟Visual Studio平臺進(jìn)行開發(fā)，軟件系統(tǒng)包括實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目錄入模塊、接線正誤檢查模塊、接線錯誤指示模塊、接線正誤考核模塊及通訊模塊。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目錄入模塊用于實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目庫的建立，教師通過該模塊將需要進(jìn)行安裝和調(diào)試實(shí)訓(xùn)的電氣線路原理圖及相應(yīng)的輔助信息錄入，同時(shí)輸入對應(yīng)電路圖的所有端子連接關(guān)系表，其中，線路中連接關(guān)系分為兩種：直接連接、無連接。

接線正誤檢查模塊讀取已錄入的端子連接關(guān)系表向智能控制器發(fā)送對應(yīng)電路的連接關(guān)系數(shù)據(jù)，并向控制器發(fā)送啟動接線正誤檢查指令，檢查完成后從控制器讀取檢查結(jié)果并存儲以供其他模塊調(diào)用。

接線錯誤指示模塊將接線正誤檢查模塊的檢查結(jié)果顯示出來，并通過智能控制器將錯誤連接端子對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，將錯誤接線點(diǎn)指示出來，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行錯誤接線的糾正。

接線正誤考核模塊讀取接線正誤檢查模塊的檢查結(jié)果，依照完成線路裝調(diào)所用時(shí)間、接線正誤點(diǎn)的個數(shù)、出錯次數(shù)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行成績評定。

6 系統(tǒng)工作過程

當(dāng)學(xué)生按教師要求完成線路的安裝后并自檢后，開始啟動智能控制器檢查接線正誤，由于智能控制器與電氣控制線路采用了電氣互鎖來確保強(qiáng)弱電系統(tǒng)的隔離，當(dāng)智能控制器得電啟動時(shí)，電氣控制線路的電源掉電，由此確保強(qiáng)電不會竄入單片機(jī)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。智能控制器采取輪流掃描的方式對所有端子之間的連接情況進(jìn)行檢測，控制器先對第一個端子輸出高電平，再讀取其他端子的電平，如果是高電平，說明該端子與第一個端子是直接連接關(guān)系，反之即是無連接關(guān)系，如此輪流掃描，即可得到電氣線路中所有端子實(shí)際連接關(guān)系表，將該表與已錄入的正確的端子連接關(guān)系表進(jìn)行邏輯對比即可得到接線的正誤判斷，如果存在錯誤接線，控制器控制KM不得電吸合，電氣控制線路無法通電，從而保證了安全，同時(shí)，智能控制器將比較結(jié)果數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送至教師計(jì)算機(jī)，當(dāng)需要進(jìn)行接線質(zhì)量考核時(shí)，接線正誤考核模塊獲得上述接線正誤點(diǎn)個數(shù)的數(shù)據(jù)，并讀取接線出錯次數(shù)（即通電試車失敗次數(shù)或者啟動軟件接線正誤檢查次數(shù)）數(shù)據(jù)，綜合接線所用時(shí)間，由任課教師設(shè)定各部分的成績比例，最終完成對接線質(zhì)量進(jìn)行考核評價(jià)。此時(shí)，教師只需檢查學(xué)生的接線工藝即可，極大的提高了教學(xué)效率。

7 結(jié)論

對電氣控制類實(shí)訓(xùn)教學(xué)及考核的智能化進(jìn)行了研究和探討，解決了當(dāng)前實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)普遍存在的檢查手段單一、人工檢查不可靠且效率低下、教師指導(dǎo)負(fù)擔(dān)較重等問題，在提高基本電氣控制線路裝調(diào)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效率的同時(shí)減輕了實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師的指導(dǎo)負(fù)擔(dān)，為進(jìn)一步的電氣控制類實(shí)訓(xùn)的信息化教學(xué)改革提供了硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)也有一些尚待解決的問題，比如，實(shí)訓(xùn)板的元件為固定不動，不能訓(xùn)練學(xué)生的元件布局能力等。