電氣控制智能化實訓系統研究與設計

李 力,趙 敏

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208）

目前，國內各學校的電氣控制線路安裝調試實訓大多采用較為傳統的手段，由于學生處于初學階段，理論知識及實操經驗都欠豐富，在自檢環節中難以查出自身所犯錯誤，指導教師因為時間關系也大都只檢查線路是否存在短路問題，而某些復雜的電氣控制線路指導教師也只能憑經驗對線路關鍵點進行檢查，這樣，一些比較隱秘的嚴重錯誤有可能沒被檢查出來而通電試車，其后果可想而知，而如果指導教師嚴格對每個臺位的線路都進行檢查，勢必造成教學資源的分配不均衡，一些學生將得不到老師的指導。再者，初學學生的接線工藝較差，面對蜘蛛網一般的線路，指導教師往往難以理清頭緒，教學效率不高[1，2]。當前也有一些電類實驗實訓設備實現了自動化的正誤判斷，但多用于機床電氣控制線路等的導線通斷檢修實訓，對于開放式的電氣控制線路安裝調試實訓尚無自動判斷設備。

針對目前教學實踐中遇到的問題，對電氣控制類實訓教學及考核的智能化進行研究和探討，以解決當前實訓教學環節普遍存在的檢查手段單一、人工檢查不可靠且效率低下、教師指導負擔較重等問題。

1 系統組成

為方便實訓教學和考核，本智能教學及考核系統由三部分組成：電氣控制線路裝調實訓板、智能控制器、教師計算機及其軟件系統。

如圖1所示，教師計算機為通用計算機，教師計算機通過485總線或以太網與智能控制器相連，智能控制器受控于教師計算機，電氣控制線路裝調實訓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算機系統，強弱電采用繼電器模塊進行隔離。教師計算機主要用于實訓項目庫的建立和對應電路圖的所有端子連接關系表的錄入，教師計算機為本系統的人機接口，所有的操作都通過計算機的鍵盤鼠標來完成，智能控制器反饋的信息也通過計算機屏幕來進行顯示。智能控制器根據教師計算機發送過來的數據執行檢查指令，并將檢查結果回傳至教師計算機[3]。

圖1 智能教學及考核系統結構圖

2 實訓板結構

實訓板是學生進行實訓操作是的工作平臺，學生的所有裝調實訓操作都在該平臺上進行，如圖2所示，電氣控制線路裝調實訓板為雙層結構，包括底板和面板，接觸器、按鈕開關、行程開關、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，學生得以通過窗孔觀察器件狀態或操控器件，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。學生進行電氣控制線路安裝時，連接導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，連接導線的走線也是在面板上的線槽中進行[4，5]。

圖2 實訓板布局外觀圖

3 智能控制器及外圍電路設計

智能控制器由單片機最小系統、顯示模塊、按鍵模塊、通訊模塊、串行IO擴展模塊、隔離繼電器模塊組成，智能控制器結構原理圖如圖3所示。智能控制器的核心為單片機，顯示模塊和按鍵模塊均與單片機IO口連接，單片機IO口經過串行IO擴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訓板底板上各電氣元件的連接端子。單片機選用應用比較廣泛的AT89C51，單片機最小系統、顯示模塊、按鍵模塊等為常規模塊。

隔離繼電器模塊確保本系統中強弱電的完全物理隔離。為提高控制器的檢查速度，本系統采用直接讀取電平的方式來進行接線正誤檢查，即當智能控制器開始工作時，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系，如果讀回的是低電平，則是無連接關系，依此遍歷所有電氣控制器件端子，由智能控制器與標準連接關系表進行比對，從而判斷當前接線的正誤。在本系統中，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在何處，因此，需要在線路中加入適當的繼電器，在自動檢查的時候將電氣線路分割成一個個彼此獨立的區塊，結合上述的檢查方案進而縮小故障范圍，方便后期的精確故障點的查找[6，7]。

圖3 智能控制器結構原理圖

隔離繼電器模塊用于將電氣控制線路的強電系統與控制器的弱電系統隔離開來，為保證電氣控制線路與控制器電路不同時工作，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，由此完成單片機系統與電氣控制系統的物理電氣隔離[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 通訊電路設計

在電氣控制實訓室中，存在在多種不同功率和不同類型的電動機以及變壓器，電磁環境較為復雜，教師計算機與智能控制器之間有雙向通訊的需求，且一個教師機要與多個智能控制器進行數據通訊[9，10]，因此，本系統采用RS485總線進行組網，智能控制器通過RS485 轉換器與485總線連接，教師計算機通過USB-485轉換器連接至485總線，從而形成一主多從的總線網絡結構，如圖5所示。

圖5 485總線通訊結構圖

5 軟件系統設計

本系統的教師機端控制軟件采用微軟Visual Studio平臺進行開發，軟件系統包括實訓項目錄入模塊、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。軟件系統結構如圖6所示。

圖6 軟件系統結構圖

實訓項目錄入模塊用于實訓項目庫的建立，教師通過該模塊將需要進行安裝和調試實訓的電氣線路原理圖及相應的輔助信息錄入，同時輸入對應電路圖的所有端子連接關系表，其中，線路中連接關系分為兩種：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系表向智能控制器發送對應電路的連接關系數據，并向控制器發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果并存儲以供其他模塊調用。

接線錯誤指示模塊將接線正誤檢查模塊的檢查結果顯示出來，并通過智能控制器將錯誤連接端子對應的指示燈點亮，將錯誤接線點指示出來，從而引導學生進行錯誤接線的糾正。

接線正誤考核模塊讀取接線正誤檢查模塊的檢查結果，依照完成線路裝調所用時間、接線正誤點的個數、出錯次數等技術指標進行成績評定。

6 系統工作過程

當學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弱電系統的隔離，當智能控制器得電啟動時，電氣控制線路的電源掉電，由此確保強電不會竄入單片機及計算機系統。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系，反之即是無連接關系，如此輪流掃描，即可得到電氣線路中所有端子實際連接關系表，將該表與已錄入的正確的端子連接關系表進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，智能控制器將比較結果數據通過總線發送至教師計算機，當需要進行接線質量考核時，接線正誤考核模塊獲得上述接線正誤點個數的數據，并讀取接線出錯次數（即通電試車失敗次數或者啟動軟件接線正誤檢查次數）數據，綜合接線所用時間，由任課教師設定各部分的成績比例，最終完成對接線質量進行考核評價。此時，教師只需檢查學生的接線工藝即可，極大的提高了教學效率。

7 結論

對電氣控制類實訓教學及考核的智能化進行了研究和探討，解決了當前實訓教學環節普遍存在的檢查手段單一、人工檢查不可靠且效率低下、教師指導負擔較重等問題，在提高基本電氣控制線路裝調實訓的教學效率的同時減輕了實訓指導教師的指導負擔，為進一步的電氣控制類實訓的信息化教學改革提供了硬件基礎。系統也有一些尚待解決的問題，比如，實訓板的元件為固定不動，不能訓練學生的元件布局能力等。