如何利用單片機設(shè)計一個電氣控制線路接線故障診斷系統(tǒng)？

引言

在電氣控制類課程的教學(xué)中，常規(guī)的訓(xùn)練項目主要有三相異步電動機的點動控制線路、連續(xù)運行控制線路、正反轉(zhuǎn)控制線路、順啟逆?？刂凭€路、降壓啟動控制線路、接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制線路的安裝、接線與調(diào)試等實訓(xùn)項目。在教學(xué)過程中，教師對學(xué)生訓(xùn)練結(jié)果的檢查和考*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(tǒng)能夠自動檢查學(xué)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(xùn)練過程的人身安全和設(shè)備安全。另外，配合接線故障診斷系統(tǒng)管理計算機以及相應(yīng)的管理軟件，可組成智能化的電氣控制實訓(xùn)室，能夠方便快捷地對每個學(xué)生的接線情況自動記錄、自動檢查*分，使教師有更多的時間指導(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、開關(guān)按鈕和狀態(tài)指示燈等電器，供學(xué)生進行接線、故障排除和通電試驗等方面的訓(xùn)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(tǒng)替代教師自動完成。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、節(jié)點切換矩陣、譯碼電路、題號識別電路、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。從表面來看，接線板沒有任何異樣，不影響學(xué)生進行正常的接線訓(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(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)送給實訓(xùn)室的管理計算機，由管理軟件繪出實際接線圖，標(biāo)出故障所在反饋給學(xué)生，同時根據(jù)故障級別統(tǒng)計*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)點切換矩陣。節(jié)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(dǎo)線相連，再把檢測結(jié)果與儲存在單片機中的正確接線的相關(guān)數(shù)據(jù)進行比較，即可判別出接線的正確性以及接線錯誤的數(shù)量和位置。

2．1 電機控制線路節(jié)點編碼

節(jié)點是電氣線路中導(dǎo)線的連接點，接線故障診斷系統(tǒng)將接線板上各電器的接線樁進行編碼。節(jié)點編碼采用8位二進制數(shù)，高4位為器件編碼，低4位為器件中各接線樁的編碼。以電機正反轉(zhuǎn)控制線路為例，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(shù)F)號器件，學(xué)生接線只限在此二接線柱以內(nèi)。各節(jié)點的編碼結(jié)果見表1(添加其他器件時，編碼方法類同)。

由圖2可得，電機正反轉(zhuǎn)控制線路正確接線的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表如表2所示。節(jié)點網(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)點的編碼，低8位為從節(jié)點的編碼，每兩字節(jié)表示主節(jié)點與從節(jié)點之間應(yīng)有導(dǎo)線連接。把表2的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)儲存在單片機內(nèi)，學(xué)生進行電機正反轉(zhuǎn)控制線路接線訓(xùn)練時，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)練項目的電氣控制原理圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表，每個項目的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表用惟一的題卡號為標(biāo)識，單片機依據(jù)題卡號提取對應(yīng)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表并對實際接線的正確性進行測*。

2．2 節(jié)點切換矩陣工作原理

表1中各電器元件的接線樁(即節(jié)點)均用導(dǎo)線連接至節(jié)點切換矩陣的微型繼電器，通過繼電器把節(jié)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(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，使對應(yīng)的01號節(jié)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(yīng)繼電器吸合，使對應(yīng)的11號節(jié)點(交流接觸器KM1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KM1的1號接線樁之間有無接線。只要把表1中的節(jié)點編碼依次由P2口發(fā)出，即可檢測01號節(jié)點與其他節(jié)點的接線情況。所以，通過節(jié)點切換矩陣可以檢測任意兩個節(jié)點之間有無接線，再把檢測結(jié)果與正確接線的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表進行比較，即可得出錯誤接線的位置，也可據(jù)此進行*分。

P3．2為節(jié)點切換矩陣的使能控制，當(dāng)檢測結(jié)束后，P3．2使節(jié)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(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節(jié)點的接線情況。例如檢測節(jié)點0111時，如果01節(jié)點和11節(jié)點之間有導(dǎo)線連接，則檢測結(jié)果為0111AAH；若無導(dǎo)線連接則檢測結(jié)果為011100H；若接觸不良則檢測結(jié)果為0111FFH。檢測結(jié)果發(fā)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(biāo)注出錯誤所在。

2．4 題號識別電路工作原理

每張題卡為一個訓(xùn)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(xùn)練項目的題卡有惟一的編號。題卡內(nèi)隱藏3個磁片，當(dāng)題卡插入接線板上的題卡框內(nèi)時，對應(yīng)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(yīng)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表并以此為依據(jù)檢測接線是否正確。

3 接線故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

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(tài)，通過相應(yīng)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(jié)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(yīng)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)表，按下診斷按鈕時檢測所有節(jié)點的接線情況，將檢測結(jié)果與節(jié)點網(wǎng)絡(luò)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(dāng)檢測結(jié)束后均釋放節(jié)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(jié)果的數(shù)據(jù)發(fā)送給管理計算機。發(fā)送成功則點亮提交狀態(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。

計算機管理軟件的主要功能如下：

(1)班級、名單、實訓(xùn)成績管理。

(2)實訓(xùn)板在線狀態(tài)指示、提交狀態(tài)指示、接線時間計時。

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

(4)根據(jù)實際接線的錯誤數(shù)量及錯誤程度自動*分，*分結(jié)果自動錄入成績單。

(5)技能鑒定考試時自動發(fā)題(把考生抽取的題號自動發(fā)送至接線板)，考試結(jié)束后控制接線板自動進行診斷并提交結(jié)果，生成考*成績。

4 智能化電氣控制實訓(xùn)室的構(gòu)成

智能化電氣控制實訓(xùn)室由管理計算機(簡稱教師機)、學(xué)生實訓(xùn)臺組成，電氣控制線路接線板安裝在實訓(xùn)臺上，通過RS 485總線與教師機聯(lián)網(wǎng)。電氣控制實訓(xùn)室的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

智能化電氣控制實訓(xùn)室的使用有三種模式：基本訓(xùn)練時接線板可不聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生接線后由接線故障診斷系統(tǒng)替代教師進行檢查，有故障時學(xué)生自行檢測直至故障排除；綜合訓(xùn)練時接線板聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生將結(jié)果提交給教師，有故障時由教師引導(dǎo)學(xué)生進行排除，同時計時并*分；技能考*時接線板聯(lián)網(wǎng)，教師發(fā)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*成績且能指出接線錯誤所在及扣分情況，實現(xiàn)智能考*，確保技能考*的公平與公正。

5結(jié)語

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。對促進學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、減輕教師教學(xué)負擔(dān)、確?？?的公平與公正等方面有著積極意義。