基于單片機的電氣控制線路接線故障診斷系統

摘 要:在電氣控制類課程的教學中，教師對學生接線情況的檢查和考評是一件很繁瑣的事，稍有不慎就會造成電氣事故。電氣控制線路接線故障診斷系統能夠自動檢查并提示學生接線所存在的問題，自動評分，具有禁止帶故障合閘通電、保證訓練過程的人身安全和設備安全的功能。由此組成的智能化電氣控制實訓室對提高技能訓練和考評的效能有實際意義。

關鍵詞:電機控制線路; 單片機; 故障診斷系統; 智能考評

中圖分類號:TN914.2 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0156-03

Diagnosis System for Connection Fault of Electrical Control Circuit

Based on Single Chip Microcomputer

ZHENG Fa-tai

(Department of Electrical Engineering， Guangdong Construction Vocational Technology Institute， Guangzhou 510450， China)

Abstract: The checking and appraisal is a cockamamie thing for teachers in the class teaching on electrical control. The electrical control circuit wiring fault diagnosis system can automatically checking and prompting the existed wiring problems， and marking automatically. It is composed of MCS-51 single chip microcomputer， node switching matrix， decoding circuit， question number identification circuit， power supply controllers and voltage regulator. The electrical control circuit wiring fault diagnosis system and intelligent electrical control training room with accurate， fast and efficient performance， who increases teaching efficiency.

Keywords: motor control circuit; single chip microcomputer; fault diagnosis system; intelligent appraisal

0 引 言

在電氣控制類課程的教學中，常規的訓練項目主要有三相異步電動機的點動控制線路、連續運行控制線路、正反轉控制線路、順啟逆停控制線路、降壓啟動控制線路、接觸器聯鎖正反轉控制線路的安裝、接線與調試等實訓項目[1]。在教學過程中，教師對學生訓練結果的檢查和考評是一件很繁瑣的事，人工檢查效率低、安全性差，稍有不慎就會造成跳閘、燒毀線路等電氣事故。電氣控制線路接線故障診斷系統能夠自動檢查學生接線所存在的問題，并能提示接線故障的所在，禁止帶故障合閘通電試驗，保證訓練過程的人身安全和設備安全。另外，配合接線故障診斷系統管理計算機以及相應的管理軟件，可組成智能化的電氣控制實訓室，能夠方便快捷地對每個學生的接線情況自動記錄、自動檢查評分，使教師有更多的時間指導學生提高接線能力及排出故障的能力，從而提高教學效率和教學效果。

1 電氣控制線路接線故障診斷系統的組成

電氣控制線路接線板的正面排列著電氣控制線路所用的各種交流接觸器、繼電器、開關按鈕和狀態指示燈等電器，供學生進行接線、故障排除和通電試驗等方面的訓練，通電試驗前的檢查過程則由電氣控制線路接線故障診斷系統替代教師自動完成。電氣控制線路接線故障診斷系統的組成如圖1所示，該系統主要包括MCS-51單片機[2]、節點切換矩陣、譯碼電路、題號識別電路、電源控制器和穩壓電路等部分。

圖1 故障診斷系統組成框圖

接線故障診斷系統的電路隱藏在接線板里面，用隱藏的導線把接線板上各種電器的接線樁與切換矩陣相連接。從表面來看，接線板沒有任何異樣，不影響學生進行正常的接線訓練，只在學生接線完成后接通三相交流電源時才啟用接線故障診斷系統。接線故障診斷系統能快速地對接線板正面的實際接線情況進行自動檢測，如果接線正確，接線板上的無故障指示燈和允許通電指示燈點亮，按下通電按鈕即可接通電源對電氣控制線路進行試驗;否則有故障指示燈和禁止通電指示燈點亮，通電按鈕無效。如果接線板聯網在線，則按下提交按鈕便把本次接線訓練診斷結果的所有數據發送給實訓室的管理計算機，由管理軟件繪出實際接線圖，標出故障所在反饋給學生，同時根據故障級別統計評分。

2 接線故障診斷系統的工作原理

接線故障診斷系統的核心為節點切換矩陣。節點切換矩陣通過微型繼電器將接線板上各電器的接線樁依次接至檢測總線，由單片機判別檢測總線之間即接線板上兩個接線樁之間有無導線相連，再把檢測結果與儲存在單片機中的正確接線的相關數據進行比較，即可判別出接線的正確性以及接線錯誤的數量和位置。

2.1 電機控制線路節點編碼

節點是電氣線路中導線的連接點，接線故障診斷系統將接線板上各電器的接線樁進行編碼。節點編碼采用8位二進制數，高4位為器件編碼，低4位為器件中各接線樁的編碼。以電機正反轉控制線路[3]為例，如圖2所示，電源接線柱為0號器件，電機接線柱為15(十六進制數F)號器件，學生接線只限在此二接線柱以內。各節點的編碼結果見表1(添加其他器件時，編碼方法類同)。

表1 電機控制線路節點編碼表

器件名稱器件編碼

(十六進制)主節點編碼

(十六進制)輔助節點編碼

(十六進制)

電源接線柱001，02，03

交流接觸器KM1111，12，13，

14，15，1617，18，19，1A，1B，1C

交流接觸器KM2221，22，23，

24，25，2627，28，29，

2A，2B，2C

熱繼電器FR331，32，33，

34，35，3637，38

常閉按鈕SB3441，42

常開按鈕SB1551，52

常開按鈕SB2661，62

…………

電機接線柱FF1，F2，F3

由圖2可得，電機正反轉控制線路正確接線的節點網絡表[4]如表2所示。節點網絡表中的每組數據由兩字節組成，高8位為主節點的編碼，低8位為從節點的編碼，每兩字節表示主節點與從節點之間應有導線連接。把表2的節點網絡表數據儲存在單片機內，學生進行電機正反轉控制線路接線訓練時，接線故障診斷系統以此為依據判別接線正確與否。同理，把其他訓練項目的電氣控制原理圖轉換為相應的節點網絡表，每個項目的節點網絡表用惟一的題卡號為標識，單片機依據題卡號提取對應的節點網絡表并對實際接線的正確性進行測評。

圖2 電機控制線路節點編碼

表2 電機正反轉控制線路節點網絡表

回路節點網絡(十六進制)

主回路

0111，0121，0213，0223，0315，0325，1231，1226，

1433，1424，1635，1622，32F1，34F2，36F3

控制回路

0241，0337，4217，4251，4227，4261，1829，5229，

2A1B，1C2C，1C38，2819，6219，1A2B

2.2 節點切換矩陣工作原理

表1中各電器元件的接線樁(即節點)均用導線連接至節點切換矩陣的微型繼電器，通過繼電器把節點和檢測總線(分為主總線和從總線)相連通。接線故障診斷時，單片機讀取接線網絡表的數據(如表2中的0111H)，將高位(01H)由P1口送至譯碼電路1譯碼[5]后，相應繼電器吸合，使對應的01號節點(電源接線柱的1號接線樁)與主總線接通;同時將低位(11H)由P2口送至譯碼電路2譯碼后，相應繼電器吸合，使對應的11號節點(交流接觸器KM1的1號接線樁)與從總線接通。主總線接至單片機的P3.3，從總線接至P3.4，由單片機判別主從總線間也就是電源接線柱的1號接線樁與交流接觸器KM1的1號接線樁之間有無接線。只要把表1中的節點編碼依次由P2口發出，即可檢測01號節點與其他節點的接線情況。所以，通過節點切換矩陣可以檢測任意兩個節點之間有無接線，再把檢測結果與正確接線的節點網絡表進行比較，即可得出錯誤接線的位置，也可據此進行評分。

P3.2為節點切換矩陣的使能控制，當檢測結束后，P3.2使節點切換矩陣無效，所有繼電器釋放，使故障檢測電路和電機控制線路完全隔離，不受電機控制線路通電試驗的影響。

2.3 主從總線間有無接線的檢測原理

從總線通過1 kΩ電阻接地，單片機由P3.3向主總線發出1 MHz的方波(10101010即AAH)，如果主從總線間有導線連接，則P3.4讀取的數據也是AAH;如果主從總線間無導線連接，則P3.4讀取的數據為00H。若P3.4讀取的數據為其他值則說明主從總線間有導線連接但接觸不良，將其標記為FFH。所以從P3.4讀取的數據反映出連接在主從總線間的兩個節點的接線情況。例如檢測節點0111時，如果01節點和11節點之間有導線連接，則檢測結果為0111AAH;若無導線連接則檢測結果為011100H;若接觸不良則檢測結果為0111FFH。檢測結果發送給管理計算機，管理軟件用圖形方式還原接線板實際接線的情況并標注出錯誤所在。

2.4 題號識別電路工作原理[6]

每張題卡為一個訓練項目，上面印著該項目的電氣控制原理圖及接線要求。每個訓練項目的題卡有惟一的編號。題卡內隱藏3個磁片，當題卡插入接線板上的題卡框內時，對應磁片位置的干簧管動作，將題卡編號輸入單片機的P3.5，P3.6，P3.7，單片機查找對應的節點網絡表并以此為依據檢測接線是否正確。

3 接線故障診斷系統的軟件設計

電氣控制線路接線故障診斷系統的軟件分為單片機程序[7]和計算機管理軟件[8]兩部分。

單片機程序的主要功能如下:

(1) 控制接線板的電源，有允許通電和禁止通電兩種狀態，通過相應的指示燈作指引。只有診斷無故障才允許通電，其余時間禁止通電。

(2) 檢測題卡號，未插題卡時禁止通電，按下診斷按鈕時檢測所有節點的接線情況，有故障指示燈閃亮。已插題卡時檢測題卡號并查找對應的節點網絡表，按下診斷按鈕時檢測所有節點的接線情況，將檢測結果與節點網絡表進行比較，相符時點亮無故障指示燈，允許通電;不相符時點亮有故障指示燈，禁止通電。無論何時，當檢測結束后均釋放節點切換矩陣的所有繼電器并將其鎖定。

(3) 按下提交按鈕時，若還未診斷則先診斷，然后將接線板號、題卡號、診斷結果的數據發送給管理計算機。發送成功則點亮提交狀態指示燈，若接線板不在線或數據發送失敗則提交狀態指示燈閃亮。

計算機管理軟件的主要功能如下:

(1) 班級、名單、實訓成績管理。

(2) 實訓板在線狀態指示、提交狀態指示、接線時間計時。

(3) 接收接線板提交的數據，顯示題卡號和正確的原理圖及接線圖，重現接線板實際的原理圖和接線圖，標注錯誤的接線。

(4) 根據實際接線的錯誤數量及錯誤程度自動評分，評分結果自動錄入成績單。

(5) 技能鑒定考試時自動發題(把考生抽取的題號自動發送至接線板)，考試結束后控制接線板自動進行診斷并提交結果，生成考評成績。

4 智能化電氣控制實訓室的構成

智能化電氣控制實訓室由管理計算機(簡稱教師機)、學生實訓臺組成，電氣控制線路接線板安裝在實訓臺上，通過RS 485總線與教師機聯網。電氣控制實訓室的網絡拓撲結構[9]如圖3所示。

圖3 智能化電氣控制實訓室

智能化電氣控制實訓室的使用有三種模式:基本訓練時接線板可不聯網，學生接線后由接線故障診斷系統替代教師進行檢查，有故障時學生自行檢測直至故障排除;綜合訓練時接線板聯網，學生將結果提交給教師，有故障時由教師引導學生進行排除，同時計時并評分;技能考評時接線板聯網，教師發題后開始接線并計時，考試時間到，由教師機對還未提交的考生強制診斷并提交，及時打印、公布考評成績且能指出接線錯誤所在及扣分情況，實現智能考評[10]，確保技能考評的公平與公正。

5 結 語

電氣控制線路接線故障診斷系統以及智能化電氣控制實訓室，以其準確、快捷、高效的性能，提高了教學效果和教學效率。對促進學生學習主動性、減輕教師教學負擔、確保考評的公平與公正等方面有著積極意義。

參考文獻

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[8]張黎明.計算機管理信息系統教程[M].北京: 北京工業大學出版社，2006.

[9]張懷中，袁曉洲.計算機網絡技術實用教程[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[10]王偉東，羅成裕.一種通用智能考評系統的設計研究[J].現代計算機，2009(7):137-139.