科技館展品控制電路板的設計制作流程標準化分析

劉波 唐經緯

摘 要 通過科普展品“奏樂電磁炮”控制電路板的研發(fā)制作過程，擬建立一套“展品控制電路板標準化設計制作流程”，重點探討流程中每個步驟對控制電路板制作的作用與意義，希望該流程對日后展品控制電路設計制作提高制作工藝、降低維修難度起到一定參考作用。

關鍵詞 科技館展品 控制電路板標準化 設計和制作流程

0 引言

隨著我國綜合國力的提升，對科普教育事業(yè)越來越重視，各地也掀起了建設科技館的浪潮。科技展品是科技館的靈魂，也是科普傳播信息的主要載體，但因展品控制電路板設計和制作流程沒有行業(yè)標準與要求，導致展品控制電路板質量參差不齊、線路雜亂、無法追溯，致使后期維修困難。本文通過對廣西壯族自治區(qū)科學技術館自行研發(fā)的“奏樂電磁炮”控制電路板設計制作過程來對建立展品控制電路板標準化制作流程的意義和可行性進行分析與實踐，希望對科技館展品性能、品質、維修方面的提升有一定的參考意義。

1 建立科技館展品控制電路板的設計制作流程標準化意義

建立科技館展品控制電路的設計制作流程標準化對于制造企業(yè)和用戶兩端都有非常大的意義。對于展品企業(yè)，在培訓新的電氣電路設計人員時，可快速學習展品控制電路的設計流程與設計步驟，熟悉設計制圖標準，設計時需要用到的圖框、設備符號、線標標號、宏文件早已成為固定的格式可隨時調取使用，便于新員工快速上手進入崗位角色。對于熟練的設計者來說，可以免去很多重復勞動，如單片機回路、PLC面板接線圖等典型圖紙或回路等，通過宏的形式插入，效率高且錯誤低，連選型工作都能減少，宏文件可以包含部件數(shù)據，他的受益是模塊化的設計駕輕就熟，多人同時設計時也能有效避免由于設備符號、線標標號等問題導致匯總圖紙困難等問題，確保順利地完成項目。設備進入運行階段后出現(xiàn)故障時也能隨時調取所需圖紙，讓維修邏輯有跡可循，方便現(xiàn)場人員進行故障分析，快速解決故障問題，有效地減少因員工辭職導致設備無法維修等問題。

科技館維修技術員使用標準化設計制作流程制作出來的展品主控制模塊更加統(tǒng)一、電路布局更加統(tǒng)一、制作風格更加統(tǒng)一，在培訓維修時就能更加專注地去學習一個系列的主控制模塊，再剖析幾個典型展品的控制電路板控制排故方法，則可起到舉一反三的效果，大大減小維修難度。可見，建立科技館展品控制電路標準化設計制作流程的工作是一勞永逸的事情，可一次性的投入取得長期性的回報。

2 科技館展品控制電路標準化設計和制作流程的主要內容

展品控制電路標準化設計制作流程的建立由展品概況、互動方式和實現(xiàn)方式、展品運行流程圖與控制原理圖、展品主控制模塊選型、展品控制程序設計與元件注釋、控制電路板布局設計標準化、控制電路板接線圖標準化、控制電路板制作七大塊組成。

展品控制電路標準化設計制作流程具體以廣西科技館展品技術部自行研發(fā)的展品“奏樂電磁炮”的控制電路系統(tǒng)設計流程為例進行探究。

2.1 展品概況

明確展品概況的作用在于明確展品的制作方向和成品效果。展品實現(xiàn)方法和互動方式的作用在于明確展品的主要構造、工作方式以及觀眾的操作方式，從而得出展品控制電路板需要控制的點位數(shù)量以及控制形式，為后面主控制器的選型和主控制程序的邏輯做鋪墊。

奏樂電磁炮是一件結合型創(chuàng)新展品，展品的設計思路是將電磁炮與敲擊琴結合，控制線圈電磁炮發(fā)射鋼球撞擊敲擊琴發(fā)出聲音，展示線圈電磁炮的工作原理和聲音的三要素兩個科普知識點。

該展品將線圈電磁炮與鋁制敲擊琴結合，在電磁炮炮管口出口處安裝敲擊琴塊，電磁炮發(fā)射鋼球撞擊敲擊琴琴塊發(fā)出聲音，鋼球撞擊琴塊后落回初始點，展品總共15個線圈電磁炮，每個電磁炮炮管口安裝的敲擊琴塊長度不同，被撞擊時震動頻率不同從而產生不同音調。線圈電磁炮由電源、升壓板、發(fā)射板、電容、線圈組成，由主控制模塊控制升壓板使電源對電容進行充電，控制發(fā)射板使電容對線圈進行瞬間放電形成磁場吸引鋼球向上運動，磁場消失后靠慣性繼續(xù)向上運動撞擊琴塊回到初始點等待下一次激發(fā)。臺面設置17個金屬按鈕，其中15個按鈕在手動模式下對應15個電磁炮剩余兩個按鈕為展品啟動和手自動切換按鈕。

觀眾體驗時按“啟動”按鈕啟動展品，啟動后默認手動模式可根據自己喜好操作15個電磁炮激發(fā)按鈕激發(fā)對應的電磁炮彈奏音樂，在展品啟動時可以通過按“手自動”切換按鈕進行手動模式和自動模式之間的切換。在自動模式下，選擇展品預存展示樂曲則由主控制模塊自動控制電磁炮進行彈奏，體驗時間為3 min，體驗時間結束后設備自動停止，并對內部電容進行依次放電處理。

2.2 展品運行流程圖與原理圖

展品運行流程圖定義了展品的運行流程及主控制程序的邏輯性、處理順序和程序中的觸發(fā)條件，是程序的一種圖形化表示方法，具有直觀、清晰、更易理解的特點。在后期運行維護時維修人員可通過查詢展品運行流程圖來了解整塊控制電路板的設計思路。

展品控制原理圖能夠通過圖表的形式表示出主要控制設備之間的聯(lián)系，是展品控制電路板設計制作的基礎和重要依據，在展品控制電路板后期的調試、維修以及改進過程中起著不可或缺的作用。

（1）展品運行流程圖

根據互動方式繪制展品運行流程圖，如圖1所示，可以簡單明了的了解整個展品的運行流程，按下啟動按鈕后觀眾即可選擇自動或手動模式，選擇手動模式時則對應手動模式的互動方式，選擇自動模式時則對應自動模式的互動方式，當體驗時間結束后展品休息5 min，休息時間結束時設備復位完成一次正常體驗。

（2）展品控制原理圖

繪制展品控制原理圖能夠幫助設計人員理清控制思路，如圖2所示，觀眾操作的操作信號輸入PLC主控制模塊后，由PLC主控制模塊控制KA1X和KA2X繼電器是否吸合來完成電容的充電以及電容對線圈放電，激發(fā)單個線圈電磁炮發(fā)射鋼球，這就是單個電磁炮激發(fā)的控制過程。當KA1X處于不吸合狀態(tài)，KA2X處于吸合狀態(tài)（啟動繼電器）升壓板得電，升壓后給電容進行充電，當KA1X處于吸合狀態(tài)則切斷升壓板電源并接通發(fā)射板電源使電容對線圈進行放電，KA1X起到一個選擇的作用，KA1X表示KA01-KA15對應控制15個獨立電磁炮的充電與激發(fā)。

2.3 展品主控制器選型

PLC可編程控制器是專門為工業(yè)現(xiàn)場控制設計的，具有可靠性高、故障率低、抗干擾能力強、配套設備齊全、功能完善、適用性強、維護方便等優(yōu)點，能適應大多數(shù)展品的開發(fā)，面對不同需求的展品研發(fā)，增加現(xiàn)成的模塊即可。程序可以提供上載、下載、在線監(jiān)控等功能，在程序開發(fā)和后期維護上有很大的優(yōu)勢，非常適合用于展品控制電路的設計與研發(fā)。

主控制器盡量選用成熟的國標產品，根據項目的需求，需要控制數(shù)字量輸入點17個，數(shù)字量輸出點16個。17個金屬按鈕是開關量信號，為觀眾操作輸入主控制器的信號。15個數(shù)字量輸出點將控制15個繼電器（KA01-KA15），以繼電器的常閉、常開觸點控制15個電磁炮充電或激發(fā)，剩余一個輸出點控制一組繼電器（KA21-KA28）控制展品的啟動或停止，需要滿足自動模式自動演示還涉及數(shù)據儲存以及樂譜轉換，為滿足該展品的控制需求所以本項目選擇三菱FX2N-48MR PLC控制器作為主控制模塊。

2.4 展品控制程序設計與元件注釋表

樂譜轉換為主控制程序參考吳文廷《用三菱PLC控制電子琴生成音樂》，將樂譜按有無連音、彈奏時間、高中低音，轉化為一個5位數(shù)字音符碼，從左往右第一位為是否連音1表示連音0表示不連音，2、3位表示彈奏時間，4、5位表示音符（其中1-7表示低音，11-17表示中音，21-27表示高音）。制作PLC 輸出端Y1-Y27與敲擊琴鍵高中低的映射表（即Y1-Y7對應琴鍵低音1-7，Y11-Y17對應琴鍵中音1-7，Y21-Y27對應琴鍵高音1-7），制作高中低音符表與數(shù)字的對應表（即1-7對應Y1-Y7，11-17對應Y11-Y17，21-27對應Y21-Y27），制作數(shù)字音符碼對應寄存器表，把樂譜按照有無連音、彈奏時間、高中低音，轉化為一個5位數(shù)字音符碼并逐個導入依次的寄存器中。在程序啟動時根據按鈕調取對應的寄存器，通過程序計算調出的5數(shù)字音符碼，控制對應的繼電器吸合以及吸合時間，繼電器控制發(fā)射，使電容對線圈進行瞬間放電，完成單次音符彈奏。在通過變址寄存器指令按順序從寄存器中逐個調出，逐個計算，逐個執(zhí)行，從而形成一次完整的曲目演奏過程。

利用PLC控制KM01-KM15繼電器常閉端來使升壓板對電容進行充電，控制KM01-KM15常開端來控制發(fā)射板使電容對線圈進行瞬間放電，使線圈產生磁場吸引小球向上運動撞擊發(fā)音塊發(fā)出聲音。電路安全措施是必不可少的，KM21-KM28為啟動繼電器，如不吸合升壓板無法對電容進行充電，同時程序設置在體驗結束后，將會對每一個電容進行逐個放電，并且提供調試模式、手動停止、手動放電等控制按鈕，使維修和體驗更加安全。（主控制程序因篇幅太大在此不做展示）

在梯形圖程序編程中會使用大量的軟元件，在設計控制程序時應同時建立元件注釋表，如表1所示，元件注釋表的作用在于記錄重要元件的定義與作用，為后期修改程序或是維護設備時提供有力的幫助。

2.5 控制電路板布局設計標準化

在繪制控制電路板布局圖前，需根據公司使用習慣建立一套字母元器件對照表，如表2所示，需嚴格按照對照表進行繪圖設計，按元器件的種類和順序給每一個元器件定義一個字母加數(shù)字的組合編號，則電路板布局圖將表述得更加清晰，制作和維修技術人員便可根據元器件組合編號識別元器件，在后期展品控制電路維修排故時，可根據元器件組合編號和線標迅速檢測出故障原因，更換故障設備。

建立控制電路板布局設計標準化模板，可運用CAD平面制圖軟件，根據展品制作經驗、控制需求與元器件數(shù)量選取市面常見尺寸的控制柜，以大、中、小三種機柜的底板尺寸作為模板。如圖3所示，電路布局設計時可將控制電路板按行分區(qū)，如第一行為空氣開關區(qū)、第二行為主控制模塊區(qū)，第三行為電源區(qū)、第四行為驅動模塊區(qū)，第五行為接線端子區(qū)，其中分區(qū)數(shù)可因大、中、小機柜進行分區(qū)整合，使元器件有足夠的空間安裝在底板上。根據元器件編號對照表給每一類元器件以字母命名和數(shù)字編號，根據所需元器件大小制作宏文件，調取元器件宏文件設計出控制電路板常用布局設計圖模板，日后設計機柜布置圖時就可根據制作展品控制需求選取大小適合的模板修改元器件即可。這大大提高了機柜布局圖設計的時間，同時布局風格也能進一步實現(xiàn)統(tǒng)一標準化的設計理念。

2.6 控制電路板接線圖標準化

控制電路板接線圖設計是必不可少的步驟，設計人員設計完成并校驗后交由制作人員制作。以奏樂電磁炮為例，如圖4 所示，接線圖以獨立元器件繪制，需接線的元器件接線端需標注去往元器件接線端的組合編號，被接線的元器件接線端則標注此線路來源的元器件接線端的組合編號，XT03部分在圖紙校對時便可以雙向確認的形式來校對接線，而且標注信息將打印成線號套在線路接線端。當設備運行時發(fā)生故障可根據線標上的字母編號、數(shù)字編號與引腳編號快速梳理線路走向，確定損壞原因，達到迅速排故的目的。

2.7 控制電路板制作

完成布局圖和所有的接線圖后制作人員需根據圖紙采購（領取）需要的電氣元件以及材料并使用線號打印機打印出線管接線，嚴格按照接線圖制作控制電路板即可。

3 結語

要改善電路板控制類展品損壞后維修難度大的問題，應從展品控制電路板設計制作開始抓起，建立展品控制電路板標準化設計制作流程，使展品控制電路板嚴格按照標準化流程進行研發(fā)制作，通過審核相關圖紙，將問題扼殺在設計階段，才能保證展品的制作周期、工藝與品質，在展品發(fā)生故障時才能有跡可循、找準突破口完成維修工作。建立展品控制電路板標準化設計制作流程，就能從展品核心把控展品的整體制作方向與穩(wěn)定性。這既能減少廠家后期的研發(fā)成本、加快制作周期，又能給予科技館在采購、驗收、維修展品時起到一定的參考意義，形成一種共贏的局面，所以展品控制電路板標準化設計制作流程的建立必然是今后展品設計制作的重要組成環(huán)節(jié)。

參考文獻

[1]吳文廷.用三菱PLC控制電子琴生成音樂[J].黎明職業(yè)大學學報，2009（03）：30-34.

[2]黃中玉.PLC應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

（2019-12-15收稿，2020-02-23修回）

Analysis on the standardization of the design and production process of the control circuit board of the exhibits in the science and technology museum： Take the Exhibit “Music Electromagnetic Gun” for Example // LIU Bo， TANG Jingwei

First-Author's Address Museum of Science and Technology of Guangxi Zhuang Autonomous Region ，E-mail：150499098@qq.com.

Abstract It is proposed to establish a set of “standardized design and production process of control board of exhibits” through the research and development and production process of the control board of the exhibit for science popularization “music electromagnetic gun”. It lays special stress on discussing the effects and significance of each step of the process to the production of control board. The author hopes that the process will play a reference role on the design and production of control board of exhibits and the improvement of production technology and the reduction of maintenance difficulties in the future.

Keywords Exhibits of science and technology museum， control circuit board standardization， design and production process