机床电气故障诊断实训台的信息化改造

徐 亮 周 芸

（江苏信息职业技术学院 机电工程学院 江苏无锡214153）

《维修电工》对于中高职院校机电类专业而言是一门十分重要的课程[1]，该课程不仅被列为专业核心课程，而且要求学生在校期间必须通过由劳动部组织的“维修电工（中级）”考证。该课程有一半的学时是关于继电-接触器控制电路的机床电气故障诊断与维修方面的内容，这部分内容同样也是《维修电工（中级）》考证的重点，这要求学生不仅要拥有扎实的理论基础，而且也要具备熟练的操作技能。

为了给学生提供一个稳定、可靠的学习和操作平台，各院校的专家学者们提出了许多解决方案。文献[2]提出了一种利用拨码开关控制继电器设置断点的机床电气维护实训装置；文献[3]提出了基于触摸屏与PLC控制的机床电气维护实训装置，该装置能由教师机通过局域网设置断点；文献[4]、文献[5]分别提出了利用单片机控制继电器设置断点的机床电气维护实训装置。

本文介绍了在原开关控制故障点通断型机床电气故障诊断实训台的基础上，利用计算机管理控制，通过单片机控制卡，实现实训台的信息化改造的方案。

1 总体规划

实训室共有16台机床电气故障诊断实训台，分别是4台C650型车床实训台、4台M7130型磨床实训台、4台T68型镗床实训台和4台XQ6225型铣床实训台。由于机床主电路故障多为缺相，很容易诊断，因此预设故障点均设置在控制电路之中。由于车床、磨床、铣床等机床电路故障点设置大同小异，因此不妨以 C650卧式车床电路故障点分布为例进行说明，如图 1所示，电路中编号(1)～(23)均为预设故障点。

图1 C650型车床电路故障点分布图

改造方案系统架构如图2所示，实训台故障点开关全部换成 24VDC继电器，每个实训台配备一台学生计算机，学生计算机通过控制卡控制实训台机床电路故障点的通断，而所有的学生计算机均由教师计算机通过局域网统一管理。

图2 系统架构示意图

每个实训台具有至多32个预设故障点，但通常只有2～5个故障点动作，而动作故障点由教师计算机选定并发送给学生计算机通过控制卡执行，需要学生检测并逐一找出所有动作的故障点并将其复位，当所有动作故障点被复位后，学生计算机会自动将结果反馈给教师计算机。

2 控制卡电路设计

每一台学生计算机均配备一块控制卡，控制卡通过USB线连接学生计算机，通过光耦连接各故障点继电器线圈，电路如图3所示。

图3 控制卡电路图

从图3可见，主控器采用STC15W4K16S4单片机，该款单片机为国产增强型 8051单片机——STC单片机中的一款，STC单片机全系列均支持串口下载程序，开发成本低廉，并且该款单片机最多具备62个I/O引脚（LQFP64封装），比传统的8051单片机多出将近1倍的I/O引脚[6-7]；采用CH340G连接学生计算机USB口与单片机UART引脚；选择 I/O引脚中的 32个作为输出端通过光耦连接24VDC继电器；控制卡电源取自24V/2A开关电源，经7805稳压后供给STC单片机与CH340G。

3 程序设计

3.1 计算机程序

计算机程序分为教师机程序和学生机程序两种，均由基于微软.Net技术的 C#程序设计语言开发而成，教师机程序和学生机程序以 UDP协议通过局域网进行Socket通信，教师机程序作为UDP Server与多个学生机程序作为UDP Clients构成一对多的星型网络拓扑结构[8-9]。

1）教师机程序

教师机程序的主要功能是编制题库、选题分发、记录时间，主要界面如图4所示。

图4 教师机程序主要界面

题库条目可新增、编辑、删除，图 4(a)是“编制题库”中的“新增题库条目”界面。条目自动编号，教师首先选择设备类型编号，然后通过打钩的方式自主选择2～5个故障点并进行保存。题库数据按“编号（整型）-故障点数据 4（字节型）-……-故障点数据1（字节型）”格式保存在桌面型数据库Access 2010文档之中。

图4(b)是“考核”界面。教师首先由下拉列表为每台学生机随机/手动选定考题，然后点击“发送”按钮开始分发考题，当收到学生机反馈的接收指令后，教师机程序随即开始计时，直到学生机正确完成该题并递交结果后计时结束。教师机程序与学生机程序之间的通信数据格式如表1～表3所示。

表1 教师机分发题目数据格式

表2 接收端响应数据格式

教师机分发题目数据格式如表1，教师机将每个实训台的32位故障点数据分割为4个字节，加上1个字节的允许失误次数，再加上1个字节的CRC-8校验码，共计6个字节作为一个数据发送给指定IP的学生机。学生机在收到数据包并通过校验后，返回表2所示响应数据包，其中4FH、4BH为英文单词OK两个字母的ASCII码，而6EH则为4FH、4BH的CRC-8校验码。

表3 学生机完成后递交结果数据格式

图5是C650型卧式车床故障诊断界面。学生利用万用表在实训台诊断并确定故障点之后，在界面电路中单击标注该点即可排除故障，可容许诊断失误次数由教师机指定。当所有故障都被排除后，学生机程序自动将结果发送到教师机程序。

图5 故障诊断界面

当学生完成任务后，学生机自动将1个字节的实际失误次数与1个字节的CRC-8校验码作为一个数据包发送给教师机。教师机在收到数据包并通过校验后，返回表2所示响应数据包。

2）学生机程序

学生机程序的主要功能是接收来自教师机的选题信息、修改控制卡输出状态，界面如图5所示。

3.2 控制卡程序

控制卡单片机接收来自学生机程序的数据包，数据包格式如表4所示，数据包长度5个字节，故障数据1～4共4个字节32位记录了32个故障点的工作状态，校验码为CRC-8校验。控制卡正确接收数据后，随即返回确认数据包。

表4 控制卡单片机接收数据格式

控制卡程序接收表4所示数据包，其中前4个字节为32位故障点数据，最后1个字节为4个故障码的CRC-8校验码。控制卡程序接收完该数据包并通过校验后，返回表2所示响应数据包。

控制卡单片机解析接收到的数据包，并驱动相应继电器吸合/复位，程序流程如图6所示。

图6 控制卡单片机程序主流程

4 使用情况

目前该方案已投入使用，每个班级在该实训室学习时间为一周，学生按班级总人数分组，约 2～4人一组，每组每天学习一种设备，第五天上午练习，下午分批单个抽签操作考试。每场考试限定30分钟，过程如下：

（1）教师选题分发，宣布考试开始。

（2）学生通过观察电路故障现象、万用表检测等手段诊断故障点位置并在程序画面中标注排除。

（3）排除所有故障，完成考核；操作失误或者未在规定时间内完成任务者等待补考环节。

对于实训指导教师而言，原来必须对每台实训台的开关进行人工设定，考核也必须逐个检查打分，整个过程效率十分低下；改造之后，选题分发、考核计时几乎全部自动完成，教学效率大大提高。对于学生而言，原来诊断故障点之后，必须用导线短接故障点之后才能排除故障；改造之后，只需点击鼠标将诊断的故障点在程序画面上标注，程序便自动排除故障，操作更加简便。

5 结语

本文充分利用.Net技术提供的大量实用控件快速构建了教师机与学生机程序，利用以STC单片机为核心控制器的控制卡实现学生计算机对实训台故障点通断的控制功能。方案总体实现了选题分发与考核计时的自动化，减少了实训过程中不必要浪费的时间，同时学生机程序 “扫雷”游戏般的操作体验，使得学生学习热情明显提高，从而教学效率也大大提高，而且该方案由于机械结构简单，因此易于维护，具有一定的推广价值。