機床電器故障診斷實訓系統實現

蔣從根 朱青松 崔健

北京電子科技職業學院 北京 100176

引言

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、通用性強、控制程序可變、使用方便、控制系統的設計及施工的工作量低、體積小、重量輕、功耗低、維護方便等特點，使得它在現代控制系統中得到廣泛引用。但由于PLC的數據處理和圖形處理能力的不足，人機交互能力不足，以及工業控制現場非常分散，I/O點數眾多，管理復雜，使得PC機與PLC組成集散控制系統，成為現代控制的重要組合之一。

在上位機的控制軟件開發平臺中，組態軟件是簡單易學、功能強大的平臺之一。組態軟件又稱組態監控軟件，譯自英文Supervisory Control and Data Acquisition（數據采集與監視控制）。它們處在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。

常用的組態軟件有：北京亞控的組態王、通態軟件公司的MCGS、上海步科的Kinco DTools、Intellution公司的Fix6、Simens的WinCC、華富公司Controx（開物）、羅克韋爾的RSView Supervisory Edition等數十種。各種組態軟件從功能、易用等方面各有特色。

組態王具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控，還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。用戶只需要通過簡單的模塊化組態就可構造自己的應用系統，如可以靈活組態各種智能儀表、數據采集模塊，無人值守的現場采集站、人機界面等專用設備。

機床電器維修是職業院校開設的重要課程，機床電器維修實訓課程教學存在一定困難，如何模擬設置故障是課程難點，目前一般有乒乓開關設置，學生能夠看到開關狀態，存在保密性差，工作效率低的問題。本系統基于組態王與西門子PLC開發，解決了以上問題。

1 系統組成與功能

1.1 系統組成

系統由PC機、RS232/485轉換器、西門子S7_200PLC、接口電路、機床電器柜連接而成。PC機器無特殊要求，需要有232接口，主要作用是教師通過PC設置機床電氣故障，將故障號發送到PLC。接口電路包括鍵盤輸入接口及PLC與機床電器柜之間的接口。

圖1 機床電器故障診斷實訓系統示意圖

鍵盤輸入接口的作用是當學員通過檢測找到故障后，輸入故障點的線號，恢復機床前電器柜的故障。

PLC與電器柜之間的接口電路的作用，是PLC通過接口繼電器控制機床電器柜的故障點斷開（斷路）或接通（短路）。

1.2 系統功能

本系統完成機床電氣故障設置和故障恢復功能。

1.2.1 故障設置。故障設置在計算機上完成。由教師操作。可以設置30個故障。本系統是設計控制XW61萬能銑床的故障控制，30個已經足夠，若需要控制更多故障，可以增加到255個。

計算機將設置故障號發送給PLC，PLC根據故障號對應輸出點接通，控制接口電路中的繼電器，使相應的繼電器得電動作。

接口板的繼電器得電后，常閉接點斷開，使得機床電氣中的相應線路被切斷形成斷路故障（或繼電器的常開點閉合，短接兩點，造成短路故障）。

表1是故障點的線路編號方案（部分）。當然，根據實際情況需要可以改變這些編號（改變只需改變PLC程序相應的編號即可），形成不同的故障點。

表1 故障號與故障點的對應關系

1.2.2 故障排除。故障發到PLC后，PLC控制接口電路，使得機床電氣發生斷路或短路故障（機床電器柜是模擬裝置，電氣線路與實際XW61萬能銑床完全一致，有電機輸出，但不帶實際負載）。這時，學生通過科學方法，找到故障點，根據故障點的兩個線號，通過鍵盤板輸入。PLC根據輸入線號作出判斷，如果輸入正確，PLC控制輸出點，是接口板相應的繼電器復位，故障排除[1]。

2 上位機控制程序設計

2.1 上位機完成功能

上位機完成機床電器柜的故障設置功能，由教師操作。上位機控制軟件基于組態王開發，界面如圖2所示。

圖2 機床電器故障診斷實訓系統上位機界面

圖3 故障范圍選擇控件顯示

界面包含四個下拉式組合框（以下簡稱組合框）及兩個按鈕組成。

組態王支持控件運行。組合框的列表框是隱藏的，當單擊下拉箭頭時，才彈出列表框。選擇完數據項后，列表框自動隱藏。在列表式組合框的文本框中可以直接輸入數據項。

組合框A設定發送故障號最小值，組合框B設置發送故障號的最大值。主要作用是方便任課教師設定故障范圍，選擇故障時，能夠快速精準找到需要發送的故障號。

組合框C選擇要發送的故障號，組合框D選擇故障號發送到哪一個機床柜。一個實訓室可以有30-50個機床柜，為了避免學生不認真查找故障，通過選擇不同的電器柜號，使得不同的電器柜有不同的故障號（表現不同的故障現象），迫使學生必須自己找故障，不能抄襲別人的結果。

2.2 通信實現

組態王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現的，每一個實際I/O設備都必須在組態王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名就對應著該I/O設備的生產廠家、實際設備名稱、設備通訊方式、設備地址、與上位PC機的通訊方式等信息內容。

本系統將西門子PLC通過RS485接口并聯連接在組態王中，由組態王群發數據，PLC接收到數據后，查看電器柜號，通過電器柜號識別是否是發送給本機，確定是否響應。

在組態王中設立變量VB11和VB21，變量類型選擇“I/O整數”，連接設備選擇西門子PLC的邏輯名（本系統為：西門子S7200PPI），寄存器分別選擇“V11”“V21”，數據類型選擇“BYTE”。VB11、VB21與PLC的VB11、VB21對應。VB11保存故障號，VB21保存電器柜（機床柜）號，只要在組態王中給VB11和VB21賦值，系統自動將對應的賦值發送到PLC的VB11和VB21，實現組態王與PLC的通信。在編程過程中，不需要考慮傳統通信程序的波特率、停止位、校驗位等狀態，實現通信編程簡單化[2]。

2.3 上位機程序設計

2.1.1 初始化程序設計。組合框A和B內的選擇號在系統初始化階段完成，在“顯示時”內由程序設置。設置程序如下：

初始化組合框A

圖中故障最小號11，最大號25，表示本次發送故障號只能限于11-25號，其他故障不能發送，便于教師快速選擇。

2.1.2 發送故障程序設計。發送程序在“存在時”中實現，每3秒循環一次，代碼如下：

圖4 故障號及電器柜號發送流程圖

圖5 故障號選擇及機床電器柜號選擇顯示

發送到PLC的只有故障號與電器柜號。在組合框C中，現實的格式是“故障號：線號1--線號2，教師很方便看到故障號與故障點線號之間的關系。圖中故障號選擇”17:008-045”，表示選擇17號故障，故障點兩端線號分別是008和045。圖中機床電器柜號選擇是12號，意味著本次故障是發送到12號電器柜的，其他電器柜不會響應[3]。

2.4 PLC控制系統設計

2.4.1 PLC硬件系統。PLC采用西門子S7-200的CPU 226（24輸入/16輸出），擴展模塊使用EM 223（ 16入/16出繼電器）。

圖6 PLC接線圖

故障設置實現：使用繼電器接點控制機床電器柜的故障點的通斷，設置故障。電器線路故障表現形式主要有短路和斷路，短路用繼電器常開點控制，一旦繼電器得電，形成短路故障，斷路用繼電器常閉接點控制，一旦繼電器得電，形成斷路故障。PLC根據上位機發來的故障號，控制對應的繼電器動作，即完成故障設置。

圖7 輸出接口原理圖

圖8 輸入鍵盤原理圖

故障排除實現：學生找到故障點后，輸入故障點的兩端線 號，PLC通過內部“表格”對比，找出線號對應的故障號，如果與上位機發來的故障號一致，則控制輸出繼電器復位，故障排除，如果故障號不一致，表示學生沒有找到故障點，PLC不做出反應（如果輸出點足夠的話，也可以使用一個蜂鳴器，用不同長短的聲音提示），學生繼續找故障，直到找到正確故障號。

2.4.2 PLC控制軟件設計。PLC控制軟件負責接受上位機發送來的故障號和電器柜號，首先檢查發送來的電器柜號，如果與本電氣柜號一致，則按照故障號設置故障。同時，接受鍵盤輸入線路編號，根據線路編號表格，找出對應故障號，做出相應控制[4]。

PLC系統控制控制控制框圖如圖所示。

圖9 PLC控制系統示意框圖

圖10 主程序（部分）

PLC控制系統由主程序，及InputKey、DelKey、SetM、ResetM、Multi、AddTh、Table七個子程序構成，介紹如下：

2.4.2.1 主程序。主程序完成系統初始化，主要功能：

＊根據接受上位機傳送來的電器柜號，如果確認與本電器柜一致，調用子程序SetM，設置故障。

＊接受鍵盤輸入的數據，調用InputKey，處理接收到的數據。

＊如果輸入數據錯誤，調用DelKey刪除數據，重新輸入數據。

＊VB21保存上位即發來的故障號，若VB21=5，調用故障設置子程序。不同的電器柜，設置不同的調用條件，如VB21=1、V21=18……

2.4.2.2 子程序SetM。子程序SetM的功能是根據上位機傳來的故障號，設置故障。將故障號對應的輸出點接通，繼電器得電，設置故障。

圖11 故障設置子程序（部分）

圖中分別為設置2、3、4號故障支路。VB11保存上位機發送來故障號。

2.4.2.3 子程序InputKey及DelKey。InputKey的功能是將鍵盤輸入的數據（線號，一個故障點有兩個線號，每個線號由三位組成）分別存入按順序存入VB1、VB2、VB3、VB4、VB5、VB6六個存儲器中。

DelKey的功能是刪除輸入的數據，它的操作內容是將輸入數據標志清零，表示數據需要重新輸入，以前的輸入數據作廢[5]。

2.4.2.4 子程序 ResetM。子程序 ResetM的功能是根據學生輸入的六個數碼，調用子程序Multi、AddTh，換算成線號（兩個），根據兩個線號，調用子程序Table，找出故障號，保存在VB2中，然后對比故障號，若故障號與上位機傳來的一致，則恢復故障，若不一致，刪除數據（故障不恢復）。學生需要重新查找故障，重新輸入線號。

2.4.2.5 子程序 Multi、AddTh、Table。子程序Multi完成兩個數據相乘運算、AddTh完成三個數據相加運算、Table完成根據兩個線號找到故障號，故障號存在VB2中，作為恢復故障的依據例如，學生輸入1、8、1、1、8、2六個數碼，則調用子程序運算1×100+8×10+1=181（第一個線號）；1×100+8×10+2=182（第二個線號），調用子程序Table，根據兩個線號，找到故障號“7”。這個“7”就是本次學生輸入的故障號[6]。

3 結束語

機床電器維修人員是制造類企業必需的維修人才，職業院校機電類及裝備制造類專業廣泛開設機床電器維修課程。機床電器維修課程教學存在故障模擬難的狀況，目前市場上的相關設備使用乒乓開關人工切斷控制線路設置故障或基于PC-單片機的控制方式設置故障。存在保密性差，學生可以看到老師設置的故障，從而對故障診斷缺乏興趣及抗干擾性差，經常發生設置故障失敗的情況。

本系統的設計成功克服了以上問題。經過實驗室實際運行檢測，該系統運行良好，達到設計要求。采用組態技術非常成熟，通信不需要考慮通信參數，PLC可靠性高，必定會得到市場認可。