电气控制智能化实训系统研究与设计

李 力,赵 敏

（湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208）

目前，国内各学校的电气控制线路安装调试实训大多采用较为传统的手段，由于学生处于初学阶段，理论知识及实操经验都欠丰富，在自检环节中难以查出自身所犯错误，指导教师因为时间关系也大都只检查线路是否存在短路问题，而某些复杂的电气控制线路指导教师也只能凭经验对线路关键点进行检查，这样，一些比较隐秘的严重错误有可能没被检查出来而通电试车，其后果可想而知，而如果指导教师严格对每个台位的线路都进行检查，势必造成教学资源的分配不均衡，一些学生将得不到老师的指导。再者，初学学生的接线工艺较差，面对蜘蛛网一般的线路，指导教师往往难以理清头绪，教学效率不高[1，2]。当前也有一些电类实验实训设备实现了自动化的正误判断，但多用于机床电气控制线路等的导线通断检修实训，对于开放式的电气控制线路安装调试实训尚无自动判断设备。

针对目前教学实践中遇到的问题，对电气控制类实训教学及考核的智能化进行研究和探讨，以解决当前实训教学环节普遍存在的检查手段单一、人工检查不可靠且效率低下、教师指导负担较重等问题。

1 系统组成

为方便实训教学和考核，本智能教学及考核系统由三部分组成：电气控制线路装调实训板、智能控制器、教师计算机及其软件系统。

如图1所示，教师计算机为通用计算机，教师计算机通过485总线或以太网与智能控制器相连，智能控制器受控于教师计算机，电气控制线路装调实训板包括各种电气控制器件及线槽和接线端子。为确保电气控制线路的高电压不窜至低电压的智能控制器和计算机系统，强弱电采用继电器模块进行隔离。教师计算机主要用于实训项目库的建立和对应电路图的所有端子连接关系表的录入，教师计算机为本系统的人机接口，所有的操作都通过计算机的键盘鼠标来完成，智能控制器反馈的信息也通过计算机屏幕来进行显示。智能控制器根据教师计算机发送过来的数据执行检查指令，并将检查结果回传至教师计算机[3]。

图1 智能教学及考核系统结构图

2 实训板结构

实训板是学生进行实训操作是的工作平台，学生的所有装调实训操作都在该平台上进行，如图2所示，电气控制线路装调实训板为双层结构，包括底板和面板，接触器、按钮开关、行程开关、各类继电器等常用电气控制器件固定在底板上，面板置于底板之上，面板在各电气器件的位置上开有窗孔，使安装在底板上的各电气控制器件穿过面板，学生得以通过窗孔观察器件状态或操控器件，各电气控制器件的接线端子均引出到面板上，线槽安装在面板上。学生进行电气控制线路安装时，连接导线不直接固定到各电气控制器件的接线端子，而是将其连接到面板上的同名接线端子上，连接导线的走线也是在面板上的线槽中进行[4，5]。

图2 实训板布局外观图

3 智能控制器及外围电路设计

智能控制器由单片机最小系统、显示模块、按键模块、通讯模块、串行IO扩展模块、隔离继电器模块组成，智能控制器结构原理图如图3所示。智能控制器的核心为单片机，显示模块和按键模块均与单片机IO口连接，单片机IO口经过串行IO扩展模块与隔离继电器模块的各继电器的公共端子连接，隔离继电器模块的各继电器的常开端子接实训板底板上各电气元件的连接端子。单片机选用应用比较广泛的AT89C51，单片机最小系统、显示模块、按键模块等为常规模块。

隔离继电器模块确保本系统中强弱电的完全物理隔离。为提高控制器的检查速度，本系统采用直接读取电平的方式来进行接线正误检查，即当智能控制器开始工作时，在一个与电气控制器件端子连接的IO口输出一个高电平，然后读取其它IO端子的电平，若读取的是高电平，则该端子与前述端子是连接关系，如果读回的是低电平，则是无连接关系，依此遍历所有电气控制器件端子，由智能控制器与标准连接关系表进行比对，从而判断当前接线的正误。在本系统中，如若故障为少接线，则比较容易通过此种方式检查出来，如若是多接线的情况，则较难判断具体的故障点在何处，因此，需要在线路中加入适当的继电器，在自动检查的时候将电气线路分割成一个个彼此独立的区块，结合上述的检查方案进而缩小故障范围，方便后期的精确故障点的查找[6，7]。

图3 智能控制器结构原理图

隔离继电器模块用于将电气控制线路的强电系统与控制器的弱电系统隔离开来，为保证电气控制线路与控制器电路不同时工作，隔离继电器的电源与电气控制线路的电源形成电气互锁，接触器KM的主触点控制电气控制线路的电源的通断，接触器KM的辅助常闭控制隔离继电器的电源的通断，隔离继电器的各控制信号端IN直接与12V高电平连接，模块得电时所有继电器吸合，模块失电所有继电器断开，由此完成单片机系统与电气控制系统的物理电气隔离[8]。隔离继电器模块电路原理图如图4所示。

图4 隔离继电器模块电路原理图

4 通讯电路设计

在电气控制实训室中，存在在多种不同功率和不同类型的电动机以及变压器，电磁环境较为复杂，教师计算机与智能控制器之间有双向通讯的需求，且一个教师机要与多个智能控制器进行数据通讯[9，10]，因此，本系统采用RS485总线进行组网，智能控制器通过RS485 转换器与485总线连接，教师计算机通过USB-485转换器连接至485总线，从而形成一主多从的总线网络结构，如图5所示。

图5 485总线通讯结构图

5 软件系统设计

本系统的教师机端控制软件采用微软Visual Studio平台进行开发，软件系统包括实训项目录入模块、接线正误检查模块、接线错误指示模块、接线正误考核模块及通讯模块。软件系统结构如图6所示。

图6 软件系统结构图

实训项目录入模块用于实训项目库的建立，教师通过该模块将需要进行安装和调试实训的电气线路原理图及相应的辅助信息录入，同时输入对应电路图的所有端子连接关系表，其中，线路中连接关系分为两种：直接连接、无连接。

接线正误检查模块读取已录入的端子连接关系表向智能控制器发送对应电路的连接关系数据，并向控制器发送启动接线正误检查指令，检查完成后从控制器读取检查结果并存储以供其他模块调用。

接线错误指示模块将接线正误检查模块的检查结果显示出来，并通过智能控制器将错误连接端子对应的指示灯点亮，将错误接线点指示出来，从而引导学生进行错误接线的纠正。

接线正误考核模块读取接线正误检查模块的检查结果，依照完成线路装调所用时间、接线正误点的个数、出错次数等技术指标进行成绩评定。

6 系统工作过程

当学生按教师要求完成线路的安装后并自检后，开始启动智能控制器检查接线正误，由于智能控制器与电气控制线路采用了电气互锁来确保强弱电系统的隔离，当智能控制器得电启动时，电气控制线路的电源掉电，由此确保强电不会窜入单片机及计算机系统。智能控制器采取轮流扫描的方式对所有端子之间的连接情况进行检测，控制器先对第一个端子输出高电平，再读取其他端子的电平，如果是高电平，说明该端子与第一个端子是直接连接关系，反之即是无连接关系，如此轮流扫描，即可得到电气线路中所有端子实际连接关系表，将该表与已录入的正确的端子连接关系表进行逻辑对比即可得到接线的正误判断，如果存在错误接线，控制器控制KM不得电吸合，电气控制线路无法通电，从而保证了安全，同时，智能控制器将比较结果数据通过总线发送至教师计算机，当需要进行接线质量考核时，接线正误考核模块获得上述接线正误点个数的数据，并读取接线出错次数（即通电试车失败次数或者启动软件接线正误检查次数）数据，综合接线所用时间，由任课教师设定各部分的成绩比例，最终完成对接线质量进行考核评价。此时，教师只需检查学生的接线工艺即可，极大的提高了教学效率。

7 结论

对电气控制类实训教学及考核的智能化进行了研究和探讨，解决了当前实训教学环节普遍存在的检查手段单一、人工检查不可靠且效率低下、教师指导负担较重等问题，在提高基本电气控制线路装调实训的教学效率的同时减轻了实训指导教师的指导负担，为进一步的电气控制类实训的信息化教学改革提供了硬件基础。系统也有一些尚待解决的问题，比如，实训板的元件为固定不动，不能训练学生的元件布局能力等。