梁季彝 唐幸兒 吳龍鵬

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東江門 529051

電工技術(shù)考證培訓(xùn)存在損耗大、安全性低、效率低等諸多問(wèn)題，為此，研究仿真訓(xùn)練系統(tǒng)成為熱點(diǎn)課題。國(guó)內(nèi)李廣明、楊雷設(shè)計(jì)的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與考核系統(tǒng)，于文波設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的電工實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)考試系統(tǒng)，他們主要利用單片機(jī)或計(jì)算機(jī)軟件仿真實(shí)現(xiàn)，但這些系統(tǒng)主要從軟件仿真以及考核管理的角度進(jìn)行研究，在實(shí)操訓(xùn)練與排障考核方面仍不盡如人意。而用單片機(jī)設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)儀器故障最多出現(xiàn)在輸入/輸出(I/O)接口當(dāng)中，I/O接口板頻繁的維修影響正常的使用。國(guó)外則采用國(guó)際先進(jìn)的G-Magic可變形大型沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)，搭配DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)工作平臺(tái)，G-Motion光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)等虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，主要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行藝術(shù)工學(xué)領(lǐng)域的研究。這種方式不能取代實(shí)際操作的電工接線，學(xué)員更加習(xí)慣用實(shí)際器件操作，為此提出了一種便攜式的仿真教學(xué)設(shè)備，基于人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，集成了PLC 編程技術(shù)、觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)技術(shù)、接口技術(shù)以及信號(hào)采集與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的仿真訓(xùn)練，通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)跟蹤顯示接線狀態(tài)，并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行提示，設(shè)備包括電工考證模擬練習(xí)模塊、仿真考試模塊和故障裝入排障模塊。以循序漸進(jìn)方式按觸屏電路圖接線逐步深入，從熟悉電工器件的文字符號(hào)開始到接線初學(xué)再到故障分析，最后通過(guò)排查經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行特殊故障的要點(diǎn)訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)員對(duì)電路的熟悉、工藝的規(guī)范，達(dá)到無(wú)師化教學(xué)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電工智能訓(xùn)練設(shè)備采用PLC與觸摸屏控制系統(tǒng)作為電路仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建而成，其中包括電工考證模擬練習(xí)模塊、仿真考試系統(tǒng)模塊和故障裝入排障模塊，用一支系統(tǒng)測(cè)試筆作為模擬接線及仿真考試輸入探針，控制電路的電工器件觸頭直接連到PLC輸入端X，實(shí)現(xiàn)當(dāng)探針接觸到電工器件(交流接觸器)某點(diǎn)觸頭時(shí)，PLC輸入端X會(huì)通過(guò)PLC程序閉合所對(duì)應(yīng)的PLC內(nèi)部輔助繼電器M，每個(gè)電工器件的觸頭都有與之對(duì)應(yīng)的PLC內(nèi)部繼電器M，繼而使被探針觸到的電工器件通過(guò)PLC內(nèi)部繼電器M整合到PLC梯形圖中來(lái)[1]，從而實(shí)現(xiàn)模擬接線及仿真考試控制[2]，并通過(guò)PLC程序控制，使仿真系統(tǒng)能智能計(jì)分。本系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)潔、制作成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、操作安全簡(jiǎn)單及短時(shí)間達(dá)到理想訓(xùn)練效果的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)不受場(chǎng)地限制，可推廣應(yīng)用于各種電工技能考證培訓(xùn)機(jī)構(gòu)甚至是鄉(xiāng)村電工培訓(xùn)中。每只電工器件觸頭都裝有LED雙色發(fā)光二極管，當(dāng)測(cè)試筆首次點(diǎn)觸器件觸頭時(shí)LED燈顯紅色，表示接了一條線，第二次點(diǎn)觸該觸頭時(shí)，LED燈顯綠色，表示接了2條線，當(dāng)再次點(diǎn)同一個(gè)觸頭時(shí)，LED燈沒有亮燈，代表取消接線，這樣便符合了電工工藝接線原則，同一個(gè)接線端口不能超過(guò)2條線。下面以一個(gè)單向運(yùn)轉(zhuǎn)電路為例，如圖所示(圖1表示器件觸頭的LED燈輸出，圖2則是PLC內(nèi)部輔助繼電器的M)[3]，通過(guò)測(cè)試筆點(diǎn)觸觸頭閉合PLC輔助繼電器，再由PLC輔助繼電器通過(guò)程序使PLC的Y輸出點(diǎn)亮觸頭上的LED燈，同時(shí)由于點(diǎn)觸器件觸頭時(shí)閉合PLC輔助繼電器整合成梯形圖后，達(dá)到最終輸出Y27控制交流接觸器閉合的效果。

圖1 器件觸頭的LED燈圖

圖2 觸頭的PLC內(nèi)部繼電器圖

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有規(guī)律的電工線路接線，例如，室內(nèi)照明線路接線，一定要按照左零右火、先開關(guān)后保險(xiǎn)等安全用電原則接線里，觸摸屏實(shí)時(shí)跟蹤要采用畫線方式進(jìn)行，即接線接到哪里，觸屏顯示畫線顯示到哪里。以照明電路為例，在觸屏上顯示的紅線代表火線，藍(lán)線代表零線，黃綠線則代表地線(如圖3所示)。但對(duì)于復(fù)雜電路，像動(dòng)力拖動(dòng)的接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)[4]、雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)等，由于控制電路有諸多接法，電工器件接線可不按預(yù)期先后規(guī)則進(jìn)行，觸摸屏實(shí)時(shí)跟蹤按線顯示已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)了，由于組合太多，故實(shí)時(shí)跟蹤改用按點(diǎn)進(jìn)行(如圖4所示)。

圖3 照明電路實(shí)時(shí)跟蹤

圖4 動(dòng)力拖動(dòng)電路實(shí)時(shí)跟蹤

模擬練習(xí)和仿真考試模塊流程圖如圖5所示，排障模塊流程圖如圖6所示，程序步序見表1、表2[5]。

圖5 模擬練習(xí)和仿真考試模塊流程圖

圖6 排障模塊流程圖

2 結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)是由三菱PLC、開關(guān)電源、觸摸屏、接地銅柱、電工器件及箱體組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，箱體設(shè)計(jì)如圖8所示。

表1 正轉(zhuǎn)控制分步動(dòng)作表

表2 反轉(zhuǎn)控制分步動(dòng)作表

圖7 硬件方框圖

圖8 箱體圖

本裝置以電工實(shí)際器件主導(dǎo)，對(duì)于動(dòng)力拖動(dòng)的訓(xùn)練系統(tǒng)，基于主電路簡(jiǎn)單按L1L2L3三相分顏色實(shí)線連接。對(duì)于控制電路，可將交流接觸器的輔助繼電器觸頭彈簧片掏空，主觸頭仍保留彈簧片。在輔助觸頭上裝上雙色發(fā)光二極管或單色發(fā)光二極管(界定的標(biāo)準(zhǔn)是：凡是被并聯(lián)的器件觸頭采取單色發(fā)光二極管，主并聯(lián)的器件觸頭采取雙色二極管)；對(duì)于照明電路訓(xùn)練系統(tǒng)[6](如圖9所示)基于安全用電規(guī)則電路接線規(guī)律的唯一性，故直接用單色發(fā)光管就可以了，智能訓(xùn)練設(shè)備功能說(shuō)明如表3所示。

圖9 室內(nèi)照明電路訓(xùn)練系統(tǒng)

表3 智能訓(xùn)練設(shè)備功能說(shuō)明[7]

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬接線可鍛煉學(xué)生的良好接線習(xí)慣，由于程序規(guī)定好接線規(guī)范，使學(xué)員從用電安全和接線簡(jiǎn)捷的角度考慮問(wèn)題，而計(jì)分系統(tǒng)及模擬通電實(shí)驗(yàn)功能，讓學(xué)員循序漸進(jìn)，通過(guò)理解加深記憶，達(dá)到最佳訓(xùn)練效果，使學(xué)員在較短的時(shí)間內(nèi)迅速掌握控制電路接線的方法，在訓(xùn)練中的電工器件模擬連接可節(jié)省電線及減少損壞實(shí)驗(yàn)板電工器件等電工耗材，提高訓(xùn)練效率。由于加入隔離變壓器及采用24V電源供電，使學(xué)員接線更安全，使用觸摸屏進(jìn)行主體界面控制，用菜單切換仿真系統(tǒng)的功能模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控、提示、計(jì)分，操作靈活簡(jiǎn)便。此項(xiàng)目與現(xiàn)有產(chǎn)品相比功能更強(qiáng)，集模擬練習(xí)、仿真考試與故障排查功能于一體，可靠性高，通用性好，節(jié)約環(huán)保，操作靈活方便。由于設(shè)備采用便攜式箱體結(jié)構(gòu)，特別適合深入到廠區(qū)、貧困山區(qū)、社區(qū)等不具備培訓(xùn)場(chǎng)所條件的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)電工接線用途。