基于MCS-51單片機(jī)的電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)

　　0 引言

　　在電氣控制類課程的教學(xué)中，常規(guī)的訓(xùn)練項(xiàng)目主要有三相異步電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制線路、連續(xù)運(yùn)行控制線路、正反轉(zhuǎn)控制線路、順啟逆?？刂凭€路、降壓?jiǎn)?dòng)控制線路、接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制線路的安裝、接線與調(diào)試等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

???? 在教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)學(xué)生訓(xùn)練結(jié)果的檢查和考評(píng)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(huì)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(tǒng)能夠自動(dòng)檢查學(xué)生接線所存在的問(wèn)題，并能提示接線故障的所在，禁止帶故障合閘通電試驗(yàn)，保證訓(xùn)練過(guò)程的人身安全和設(shè)備安全。

????? 另外，配合接線故障診斷系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的管理軟件，可組成智能化的電氣控制實(shí)訓(xùn)室，能夠方便快捷地對(duì)每個(gè)學(xué)生的接線情況自動(dòng)記錄、自動(dòng)檢查評(píng)分，使教師有更多的時(shí)間指導(dǎo)學(xué)生提高接線能力及排出故障的能力，從而提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。

　　1 電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)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(kāi)關(guān)按鈕和狀態(tài)指示燈等電器，供學(xué)生進(jìn)行接線、故障排除和通電試驗(yàn)等方面的訓(xùn)練，通電試驗(yàn)前的檢查過(guò)程則由電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)替代教師自動(dòng)完成。電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)的組成如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括MCS-51單片機(jī)、節(jié)點(diǎn)切換矩陣、譯碼電路、題號(hào)識(shí)別電路、電源控制器和穩(wěn)壓電路等部分。

　　接線故障診斷系統(tǒng)的電路隱藏在接線板里面，用隱藏的導(dǎo)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(lái)看，接線板沒(méi)有任何異樣，不影響學(xué)生進(jìn)行正常的接線訓(xùn)練，只在學(xué)生接線完成后接通三相交流電源時(shí)才啟用接線故障診斷系統(tǒng)。接線故障診斷系統(tǒng)能快速地對(duì)接線板正面的實(shí)際接線情況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，如果接線正確，接線板上的無(wú)故障指示燈和允許通電指示燈點(diǎn)亮，按下通電按鈕即可接通電源對(duì)電氣控制線路進(jìn)行試驗(yàn);否則有故障指示燈和禁止通電指示燈點(diǎn)亮，通電按鈕無(wú)效。如果接線板聯(lián)網(wǎng)在線，則按下提交按鈕便把本次接線訓(xùn)練診斷結(jié)果的所有數(shù)據(jù)發(fā)送給實(shí)訓(xùn)室的管理計(jì)算機(jī)，由管理軟件繪出實(shí)際接線圖，標(biāo)出故障所在反饋給學(xué)生，同時(shí)根據(jù)故障級(jí)別統(tǒng)計(jì)評(píng)分。

　　2 接線故障診斷系統(tǒng)的工作原理

　　接線故障診斷系統(tǒng)的核心為節(jié)點(diǎn)切換矩陣。節(jié)點(diǎn)切換矩陣通過(guò)微型繼電器將接線板上各電器的接線樁依次接至檢測(cè)總線，由單片機(jī)判別檢測(cè)總線之間即接線板上兩個(gè)接線樁之間有無(wú)導(dǎo)線相連，再把檢測(cè)結(jié)果與儲(chǔ)存在單片機(jī)中的正確接線的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即可判別出接線的正確性以及接線錯(cuò)誤的數(shù)量和位置。

　　2.1 電機(jī)控制線路節(jié)點(diǎn)編碼

　　節(jié)點(diǎn)是電氣線路中導(dǎo)線的連接點(diǎn)，接線故障診斷系統(tǒng)將接線板上各電器的接線樁進(jìn)行編碼。節(jié)點(diǎn)編碼采用8位二進(jìn)制數(shù)，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(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路為例，如圖2所示，電源接線柱為0號(hào)器件，電機(jī)接線柱為15(十六進(jìn)制數(shù)F)號(hào)器件，學(xué)生接線只限在此二接線柱以內(nèi)。各節(jié)點(diǎn)的編碼結(jié)果見(jiàn)表1(添加其他器件時(shí)，編碼方法類同)。

　　由圖2可得，電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路正確接線的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表如表2所示。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表中的每組數(shù)據(jù)由兩字節(jié)組成，高8位為主節(jié)點(diǎn)的編碼，低8位為從節(jié)點(diǎn)的編碼，每?jī)勺止?jié)表示主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)有導(dǎo)線連接。把表2的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在單片機(jī)內(nèi)，學(xué)生進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路接線訓(xùn)練時(shí)，接線故障診斷系統(tǒng)以此為依據(jù)判別接線正確與否。同理，把其他訓(xùn)練項(xiàng)目的電氣控制原理圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表，每個(gè)項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表用惟一的題卡號(hào)為標(biāo)識(shí)，單片機(jī)依據(jù)題卡號(hào)提取對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表并對(duì)實(shí)際接線的正確性進(jìn)行測(cè)評(píng)。

　　2.2 節(jié)點(diǎn)切換矩陣工作原理

　　表1中各電器元件的接線樁(即節(jié)點(diǎn))均用導(dǎo)線連接至節(jié)點(diǎn)切換矩陣的微型繼電器，通過(guò)繼電器把節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)總線(分為主總線和從總線)相連通。接線故障診斷時(shí)，單片機(jī)讀取接線網(wǎng)絡(luò)表的數(shù)據(jù)(如表2中的0111H)，將高位(01H)由P1口送至譯碼電路1譯碼后，相應(yīng)繼電器吸合，使對(duì)應(yīng)的01號(hào)節(jié)點(diǎn)(電源接線柱的1號(hào)接線樁)與主總線接通;同時(shí)將低位(11H)由P2口送至譯碼電路2譯碼后，相應(yīng)繼電器吸合，使對(duì)應(yīng)的11號(hào)節(jié)點(diǎn)(交流接觸器KM1的1號(hào)接線樁)與從總線接通。主總線接至單片機(jī)的P3.3，從總線接至P3.4，由單片機(jī)判別主從總線間也就是電源接線柱的1號(hào)接線樁與交流接觸器KM1的1號(hào)接線樁之間有無(wú)接線。只要把表1中的節(jié)點(diǎn)編碼依次由P2口發(fā)出，即可檢測(cè)01號(hào)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的接線情況。所以，通過(guò)節(jié)點(diǎn)切換矩陣可以檢測(cè)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有無(wú)接線，再把檢測(cè)結(jié)果與正確接線的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表進(jìn)行比較，即可得出錯(cuò)誤接線的位置，也可據(jù)此進(jìn)行評(píng)分。

　　P3.2為節(jié)點(diǎn)切換矩陣的使能控制，當(dāng)檢測(cè)結(jié)束后，P3.2使節(jié)點(diǎn)切換矩陣無(wú)效，所有繼電器釋放，使故障檢測(cè)電路和電機(jī)控制線路完全隔離，不受電機(jī)控制線路通電試驗(yàn)的影響。

　　2.3 主從總線間有無(wú)接線的檢測(cè)原理

　　從總線通過(guò)1 kΩ電阻接地，單片機(jī)由P3.3向主總線發(fā)出1 MHz的方波(10101010即AAH)，如果主從總線間有導(dǎo)線連接，則P3.4讀取的數(shù)據(jù)也是AAH;如果主從總線間無(wú)導(dǎo)線連接，則P3.4讀取的數(shù)據(jù)為00H。若P3.4讀取的數(shù)據(jù)為其他值則說(shuō)明主從總線間有導(dǎo)線連接但接觸不良，將其標(biāo)記為FFH。所以從P3.4讀取的數(shù)據(jù)反映出連接在主從總線間的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的接線情況。例如檢測(cè)節(jié)點(diǎn)0111時(shí)，如果01節(jié)點(diǎn)和11節(jié)點(diǎn)之間有導(dǎo)線連接，則檢測(cè)結(jié)果為0111AAH;若無(wú)導(dǎo)線連接則檢測(cè)結(jié)果為011100H;若接觸不良則檢測(cè)結(jié)果為0111FFH。檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給管理計(jì)算機(jī)，管理軟件用圖形方式還原接線板實(shí)際接線的情況并標(biāo)注出錯(cuò)誤所在。

　　2.4 題號(hào)識(shí)別電路工作原理

　　每張題卡為一個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目，上面印著該項(xiàng)目的電氣控制原理圖及接線要求。每個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目的題卡有惟一的編號(hào)。題卡內(nèi)隱藏3個(gè)磁片，當(dāng)題卡插入接線板上的題卡框內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)磁片位置的干簧管動(dòng)作，將題卡編號(hào)輸入單片機(jī)的P3.5，P3.6，P3.7，單片機(jī)查找對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表并以此為依據(jù)檢測(cè)接線是否正確。

　　3 接線故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)的軟件分為單片機(jī)程序和計(jì)算機(jī)管理軟件兩部分。

　　單片機(jī)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(tài)，通過(guò)相應(yīng)的指示燈作指引。只有診斷無(wú)故障才允許通電，其余時(shí)間禁止通電。

　　(2)檢測(cè)題卡號(hào)，未插題卡時(shí)禁止通電，按下診斷按鈕時(shí)檢測(cè)所有節(jié)點(diǎn)的接線情況，有故障指示燈閃亮。已插題卡時(shí)檢測(cè)題卡號(hào)并查找對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表，按下診斷按鈕時(shí)檢測(cè)所有節(jié)點(diǎn)的接線情況，將檢測(cè)結(jié)果與節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)表進(jìn)行比較，相符時(shí)點(diǎn)亮無(wú)故障指示燈，允許通電;不相符時(shí)點(diǎn)亮有故障指示燈，禁止通電。無(wú)論何時(shí)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)束后均釋放節(jié)點(diǎn)切換矩陣的所有繼電器并將其鎖定。

　　(3)按下提交按鈕時(shí)，若還未診斷則先診斷，然后將接線板號(hào)、題卡號(hào)、診斷結(jié)果的數(shù)據(jù)發(fā)送給管理計(jì)算機(jī)。發(fā)送成功則點(diǎn)亮提交狀態(tài)指示燈，若接線板不在線或數(shù)據(jù)發(fā)送失敗則提交狀態(tài)指示燈閃亮。

　　計(jì)算機(jī)管理軟件的主要功能如下：

　　(1)班級(jí)、名單、實(shí)訓(xùn)成績(jī)管理。

　　(2)實(shí)訓(xùn)板在線狀態(tài)指示、提交狀態(tài)指示、接線時(shí)間計(jì)時(shí)。

　　(3)接收接線板提交的數(shù)據(jù)，顯示題卡號(hào)和正確的原理圖及接線圖，重現(xiàn)接線板實(shí)際的原理圖和接線圖，標(biāo)注錯(cuò)誤的接線。

　　(4)根據(jù)實(shí)際接線的錯(cuò)誤數(shù)量及錯(cuò)誤程度自動(dòng)評(píng)分，評(píng)分結(jié)果自動(dòng)錄入成績(jī)單。

　　(5)技能鑒定考試時(shí)自動(dòng)發(fā)題(把考生抽取的題號(hào)自動(dòng)發(fā)送至接線板)，考試結(jié)束后控制接線板自動(dòng)進(jìn)行診斷并提交結(jié)果，生成考評(píng)成績(jī)。

　　4 智能化電氣控制實(shí)訓(xùn)室的構(gòu)成

　　智能化電氣控制實(shí)訓(xùn)室由管理計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱教師機(jī))、學(xué)生實(shí)訓(xùn)臺(tái)組成，電氣控制線路接線板安裝在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上，通過(guò)RS 485總線與教師機(jī)聯(lián)網(wǎng)。電氣控制實(shí)訓(xùn)室的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　智能化電氣控制實(shí)訓(xùn)室的使用有三種模式：基本訓(xùn)練時(shí)接線板可不聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生接線后由接線故障診斷系統(tǒng)替代教師進(jìn)行檢查，有故障時(shí)學(xué)生自行檢測(cè)直至故障排除;綜合訓(xùn)練時(shí)接線板聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生將結(jié)果提交給教師，有故障時(shí)由教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行排除，同時(shí)計(jì)時(shí)并評(píng)分;技能考評(píng)時(shí)接線板聯(lián)網(wǎng)，教師發(fā)題后開(kāi)始接線并計(jì)時(shí)，考試時(shí)間到，由教師機(jī)對(duì)還未提交的考生強(qiáng)制診斷并提交，及時(shí)打印、公布考評(píng)成績(jī)且能指出接線錯(cuò)誤所在及扣分情況，實(shí)現(xiàn)智能考評(píng)，確保技能考評(píng)的公平與公正。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)以及智能化電氣控制實(shí)訓(xùn)室，以其準(zhǔn)確、快捷、高效的性能，提高了教學(xué)效果和教學(xué)效率。對(duì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、減輕教師教學(xué)負(fù)擔(dān)、確?？荚u(píng)的公平與公正等方面有著積極意義。