基于MCS-51單片機的電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統

0 引言

　　在電氣控制類(lèi)課程的教學(xué)中，常規的訓練項目主要有三相異步電動(dòng)機的點(diǎn)動(dòng)控制線(xiàn)路、連續運行控制線(xiàn)路、正反轉控制線(xiàn)路、順啟逆?？刂凭€(xiàn)路、降壓?jiǎn)?dòng)控制線(xiàn)路、接觸器聯(lián)鎖正反轉控制線(xiàn)路的安裝、接線(xiàn)與調試等實(shí)訓項目。在教學(xué)過(guò)程中，教師對學(xué)生訓練結果的檢查和考*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(huì )造成跳閘、燒毀線(xiàn)路等電氣事故。電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統能夠自動(dòng)檢查學(xué)生接線(xiàn)所存在的問(wèn)題，并能提示接線(xiàn)故障的所在，禁止帶故障合閘通電試驗，保證訓練過(guò)程的人身安全和設備安全。另外，配合接線(xiàn)故障診斷系統管理計算機以及相應的管理軟件，可組成智能化的電氣控制實(shí)訓室，能夠方便快捷地對每個(gè)學(xué)生的接線(xiàn)情況自動(dòng)記錄、自動(dòng)檢查*分，使教師有更多的時(shí)間指導學(xué)生提高接線(xiàn)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(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統的組成

　　電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)板的正面排列著(zhù)電氣控制線(xiàn)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(xiàn)、故障排除和通電試驗等方面的訓練，通電試驗前的檢查過(guò)程則由電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統替代教師自動(dòng)完成。電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統的組成如圖1所示，該系統主要包括MCS-51單片機、節點(diǎn)切換矩陣、譯碼電路、題號識別電路、電源控制器和穩壓電路等部分。

　　接線(xiàn)故障診斷系統的電路隱藏在接線(xiàn)板里面，用隱藏的導線(xiàn)把接線(xiàn)板上各種電器的接線(xiàn)樁與切換矩陣相連接。從表面來(lái)看，接線(xiàn)板沒(méi)有任何異樣，不影響學(xué)生進(jìn)行正常的接線(xiàn)訓練，只在學(xué)生接線(xiàn)完成后接通三相交流電源時(shí)才啟用接線(xiàn)故障診斷系統。接線(xiàn)故障診斷系統能快速地對接線(xiàn)板正面的實(shí)際接線(xiàn)情況進(jìn)行自動(dòng)檢測，如果接線(xiàn)正確，接線(xiàn)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電氣控制線(xiàn)路進(jìn)行試驗；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(xiàn)板聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)，則按下提交按鈕便把本次接線(xiàn)訓練診斷結果的所有數據發(fā)送給實(shí)訓室的管理計算機，由管理軟件繪出實(shí)際接線(xiàn)圖，標出故障所在反饋給學(xué)生，同時(shí)根據故障級別統計*分。

　　2 接線(xiàn)故障診斷系統的工作原理

　　接線(xiàn)故障診斷系統的核心為節點(diǎn)切換矩陣。節點(diǎn)切換矩陣通過(guò)微型繼電器將接線(xiàn)板上各電器的接線(xiàn)樁依次接至檢測總線(xiàn)，由單片機判別檢測總線(xiàn)之間即接線(xiàn)板上兩個(gè)接線(xiàn)樁之間有無(wú)導線(xiàn)相連，再把檢測結果與儲存在單片機中的正確接線(xiàn)的相關(guān)數據進(jìn)行比較，即可判別出接線(xiàn)的正確性以及接線(xiàn)錯誤的數量和位置。

　　2．1 電機控制線(xiàn)路節點(diǎn)編碼

　　節點(diǎn)是電氣線(xiàn)路中導線(xiàn)的連接點(diǎn)，接線(xiàn)故障診斷系統將接線(xiàn)板上各電器的接線(xiàn)樁進(jìn)行編碼。節點(diǎn)編碼采用8位二進(jìn)制數，高4位為器件編碼，低4位為器件中各接線(xiàn)樁的編碼。以電機正反轉控制線(xiàn)路為例，如圖2所示，電源接線(xiàn)柱為0號器件，電機接線(xiàn)柱為15(十六進(jìn)制數F)號器件，學(xué)生接線(xiàn)只限在此二接線(xiàn)柱以?xún)?。各節點(diǎn)的編碼結果見(jiàn)表1(添加其他器件時(shí)，編碼方法類(lèi)同)。

　　由圖2可得，電機正反轉控制線(xiàn)路正確接線(xiàn)的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表如表2所示。節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表中的每組數據由兩字節組成，高8位為主節點(diǎn)的編碼，低8位為從節點(diǎn)的編碼，每?jì)勺止澅硎局鞴濣c(diǎn)與從節點(diǎn)之間應有導線(xiàn)連接。把表2的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表數據儲存在單片機內，學(xué)生進(jìn)行電機正反轉控制線(xiàn)路接線(xiàn)訓練時(shí)，接線(xiàn)故障診斷系統以此為依據判別接線(xiàn)正確與否。同理，把其他訓練項目的電氣控制原理圖轉換為相應的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表，每個(gè)項目的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表用惟一的題卡號為標識，單片機依據題卡號提取對應的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表并對實(shí)際接線(xiàn)的正確性進(jìn)行測*。

　　2．2 節點(diǎn)切換矩陣工作原理

　　表1中各電器元件的接線(xiàn)樁(即節點(diǎn))均用導線(xiàn)連接至節點(diǎn)切換矩陣的微型繼電器，通過(guò)繼電器把節點(diǎn)和檢測總線(xiàn)(分為主總線(xiàn)和從總線(xiàn))相連通。接線(xiàn)故障診斷時(shí)，單片機讀取接線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )表的數據(如表2中的0111H)，將高位(01H)由P1口送至譯碼電路1譯碼后，相應繼電器吸合，使對應的01號節點(diǎn)(電源接線(xiàn)柱的1號接線(xiàn)樁)與主總線(xiàn)接通；同時(shí)將低位(11H)由P2口送至譯碼電路2譯碼后，相應繼電器吸合，使對應的11號節點(diǎn)(交流接觸器KM1的1號接線(xiàn)樁)與從總線(xiàn)接通。主總線(xiàn)接至單片機的P3．3，從總線(xiàn)接至P3．4，由單片機判別主從總線(xiàn)間也就是電源接線(xiàn)柱的1號接線(xiàn)樁與交流接觸器KM1的1號接線(xiàn)樁之間有無(wú)接線(xiàn)。只要把表1中的節點(diǎn)編碼依次由P2口發(fā)出，即可檢測01號節點(diǎn)與其他節點(diǎn)的接線(xiàn)情況。所以，通過(guò)節點(diǎn)切換矩陣可以檢測任意兩個(gè)節點(diǎn)之間有無(wú)接線(xiàn)，再把檢測結果與正確接線(xiàn)的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表進(jìn)行比較，即可得出錯誤接線(xiàn)的位置，也可據此進(jìn)行*分。

　　P3．2為節點(diǎn)切換矩陣的使能控制，當檢測結束后，P3．2使節點(diǎn)切換矩陣無(wú)效，所有繼電器釋放，使故障檢測電路和電機控制線(xiàn)路完全隔離，不受電機控制線(xiàn)路通電試驗的影響。

　　2．3 主從總線(xiàn)間有無(wú)接線(xiàn)的檢測原理

　　從總線(xiàn)通過(guò)1 kΩ電阻接地，單片機由P3．3向主總線(xiàn)發(fā)出1 MHz的方波(10101010即AAH)，如果主從總線(xiàn)間有導線(xiàn)連接，則P3．4讀取的數據也是AAH；如果主從總線(xiàn)間無(wú)導線(xiàn)連接，則P3．4讀取的數據為00H。若P3．4讀取的數據為其他值則說(shuō)明主從總線(xiàn)間有導線(xiàn)連接但接觸不良，將其標記為FFH。所以從P3．4讀取的數據反映出連接在主從總線(xiàn)間的兩個(gè)節點(diǎn)的接線(xiàn)情況。例如檢測節點(diǎn)0111時(shí)，如果01節點(diǎn)和11節點(diǎn)之間有導線(xiàn)連接，則檢測結果為0111AAH；若無(wú)導線(xiàn)連接則檢測結果為011100H；若接觸不良則檢測結果為0111FFH。檢測結果發(fā)送給管理計算機，管理軟件用圖形方式還原接線(xiàn)板實(shí)際接線(xiàn)的情況并標注出錯誤所在。

　　2．4 題號識別電路工作原理

　　每張題卡為一個(gè)訓練項目，上面印著(zhù)該項目的電氣控制原理圖及接線(xiàn)要求。每個(gè)訓練項目的題卡有惟一的編號。題卡內隱藏3個(gè)磁片，當題卡插入接線(xiàn)板上的題卡框內時(shí)，對應磁片位置的干簧管動(dòng)作，將題卡編號輸入單片機的P3．5，P3．6，P3．7，單片機查找對應的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表并以此為依據檢測接線(xiàn)是否正確。

　　3 接線(xiàn)故障診斷系統的軟件設計

　　電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統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(xiàn)板的電源，有允許通電和禁止通電兩種狀態(tài)，通過(guò)相應的指示燈作指引。只有診斷無(wú)故障才允許通電，其余時(shí)間禁止通電。

　　(2)檢測題卡號，未插題卡時(shí)禁止通電，按下診斷按鈕時(shí)檢測所有節點(diǎn)的接線(xiàn)情況，有故障指示燈閃亮。已插題卡時(shí)檢測題卡號并查找對應的節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )表，按下診斷按鈕時(shí)檢測所有節點(diǎn)的接線(xiàn)情況，將檢測結果與節點(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)，當檢測結束后均釋放節點(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(xiàn)板號、題卡號、診斷結果的數據發(fā)送給管理計算機。發(fā)送成功則點(diǎn)亮提交狀態(tài)指示燈，若接線(xiàn)板不在線(xiàn)或數據發(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(shí)訓成績(jì)管理。

　　(2)實(shí)訓板在線(xiàn)狀態(tài)指示、提交狀態(tài)指示、接線(xiàn)時(shí)間計時(shí)。

　　(3)接收接線(xiàn)板提交的數據，顯示題卡號和正確的原理圖及接線(xiàn)圖，重現接線(xiàn)板實(shí)際的原理圖和接線(xiàn)圖，標注錯誤的接線(xiàn)。

　　(4)根據實(shí)際接線(xiàn)的錯誤數量及錯誤程度自動(dòng)*分，*分結果自動(dòng)錄入成績(jì)單。

　　(5)技能鑒定考試時(shí)自動(dòng)發(fā)題(把考生抽取的題號自動(dòng)發(fā)送至接線(xiàn)板)，考試結束后控制接線(xiàn)板自動(dòng)進(jìn)行診斷并提交結果，生成考*成績(jì)。

　　4 智能化電氣控制實(shí)訓室的構成

　　智能化電氣控制實(shí)訓室由管理計算機(簡(jiǎn)稱(chēng)教師機)、學(xué)生實(shí)訓臺組成，電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)板安裝在實(shí)訓臺上，通過(guò)RS 485總線(xiàn)與教師機聯(lián)網(wǎng)。電氣控制實(shí)訓室的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖3所示。

　　智能化電氣控制實(shí)訓室的使用有三種模式：基本訓練時(shí)接線(xiàn)板可不聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生接線(xiàn)后由接線(xiàn)故障診斷系統替代教師進(jìn)行檢查，有故障時(shí)學(xué)生自行檢測直至故障排除；綜合訓練時(shí)接線(xiàn)板聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生將結果提交給教師，有故障時(shí)由教師引導學(xué)生進(jìn)行排除，同時(shí)計時(shí)并*分；技能考*時(shí)接線(xiàn)板聯(lián)網(wǎng)，教師發(fā)題后開(kāi)始接線(xiàn)并計時(shí)，考試時(shí)間到，由教師機對還未提交的考生強制診斷并提交，及時(shí)打印、公布考*成績(jì)且能指出接線(xiàn)錯誤所在及扣分情況，實(shí)現智能考*，確保技能考*的公平與公正。

　　5結語(yǔ)

　　電氣控制線(xiàn)路接線(xiàn)故障診斷系統以及智能化電氣控制實(shí)訓室，以其準確、快捷、高效的性能，提高了教學(xué)效果和教學(xué)效率。對促進(jìn)學(xué)生學(xué)習主動(dòng)性、減輕教師教學(xué)負擔、確?？?的公平與公正等方面有著(zhù)積極意義。