一种智能电工训练系统的研制

梁季彝 唐幸儿 吴龙鹏

江门职业技术学院 广东江门 529051

电工技术考证培训存在损耗大、安全性低、效率低等诸多问题，为此，研究仿真训练系统成为热点课题。国内李广明、杨雷设计的电工电子实验教学管理与考核系统，于文波设计的基于LabVIEW的电工实验辅助教学考试系统，他们主要利用单片机或计算机软件仿真实现，但这些系统主要从软件仿真以及考核管理的角度进行研究，在实操训练与排障考核方面仍不尽如人意。而用单片机设计的仿真教学仪器故障最多出现在输入/输出(I/O)接口当中，I/O接口板频繁的维修影响正常的使用。国外则采用国际先进的G-Magic可变形大型沉浸式虚拟仿真系统，搭配DVS3D虚拟现实协同设计工作平台，G-Motion光学位置追踪系统等虚拟现实产品，主要利用虚拟现实技术进行艺术工学领域的研究。这种方式不能取代实际操作的电工接线，学员更加习惯用实际器件操作，为此提出了一种便携式的仿真教学设备，基于人机工程学原理进行设计，集成了PLC 编程技术、触摸屏人机界面设计技术、接口技术以及信号采集与处理技术，实现了虚实结合的仿真训练，通过触摸屏实时跟踪显示接线状态，并对错误进行提示，设备包括电工考证模拟练习模块、仿真考试模块和故障装入排障模块。以循序渐进方式按触屏电路图接线逐步深入，从熟悉电工器件的文字符号开始到接线初学再到故障分析，最后通过排查经验进行特殊故障的要点训练，增强学员对电路的熟悉、工艺的规范，达到无师化教学。

1 系统设计

电工智能训练设备采用PLC与触摸屏控制系统作为电路仿真设计平台搭建而成，其中包括电工考证模拟练习模块、仿真考试系统模块和故障装入排障模块，用一支系统测试笔作为模拟接线及仿真考试输入探针，控制电路的电工器件触头直接连到PLC输入端X，实现当探针接触到电工器件(交流接触器)某点触头时，PLC输入端X会通过PLC程序闭合所对应的PLC内部辅助继电器M，每个电工器件的触头都有与之对应的PLC内部继电器M，继而使被探针触到的电工器件通过PLC内部继电器M整合到PLC梯形图中来[1]，从而实现模拟接线及仿真考试控制[2]，并通过PLC程序控制，使仿真系统能智能计分。本系统具有电路简洁、制作成本低廉、运行稳定、操作安全简单及短时间达到理想训练效果的优点。本系统不受场地限制，可推广应用于各种电工技能考证培训机构甚至是乡村电工培训中。每只电工器件触头都装有LED双色发光二极管，当测试笔首次点触器件触头时LED灯显红色，表示接了一条线，第二次点触该触头时，LED灯显绿色，表示接了2条线，当再次点同一个触头时，LED灯没有亮灯，代表取消接线，这样便符合了电工工艺接线原则，同一个接线端口不能超过2条线。下面以一个单向运转电路为例，如图所示(图1表示器件触头的LED灯输出，图2则是PLC内部辅助继电器的M)[3]，通过测试笔点触触头闭合PLC辅助继电器，再由PLC辅助继电器通过程序使PLC的Y输出点亮触头上的LED灯，同时由于点触器件触头时闭合PLC辅助继电器整合成梯形图后，达到最终输出Y27控制交流接触器闭合的效果。

图1 器件触头的LED灯图

图2 触头的PLC内部继电器图

对于结构简单、有规律的电工线路接线，例如，室内照明线路接线，一定要按照左零右火、先开关后保险等安全用电原则接线里，触摸屏实时跟踪要采用画线方式进行，即接线接到哪里，触屏显示画线显示到哪里。以照明电路为例，在触屏上显示的红线代表火线，蓝线代表零线，黄绿线则代表地线(如图3所示)。但对于复杂电路，像动力拖动的接触器联锁正反转[4]、双重联锁正反转等，由于控制电路有诸多接法，电工器件接线可不按预期先后规则进行，触摸屏实时跟踪按线显示已经不现实了，由于组合太多，故实时跟踪改用按点进行(如图4所示)。

图3 照明电路实时跟踪

图4 动力拖动电路实时跟踪

模拟练习和仿真考试模块流程图如图5所示，排障模块流程图如图6所示，程序步序见表1、表2[5]。

图5 模拟练习和仿真考试模块流程图

图6 排障模块流程图

2 结构组成

本系统是由三菱PLC、开关电源、触摸屏、接地铜柱、电工器件及箱体组成。硬件结构如图7所示，箱体设计如图8所示。

表1 正转控制分步动作表

表2 反转控制分步动作表

图7 硬件方框图

图8 箱体图

本装置以电工实际器件主导，对于动力拖动的训练系统，基于主电路简单按L1L2L3三相分颜色实线连接。对于控制电路，可将交流接触器的辅助继电器触头弹簧片掏空，主触头仍保留弹簧片。在辅助触头上装上双色发光二极管或单色发光二极管(界定的标准是：凡是被并联的器件触头采取单色发光二极管，主并联的器件触头采取双色二极管)；对于照明电路训练系统[6](如图9所示)基于安全用电规则电路接线规律的唯一性，故直接用单色发光管就可以了，智能训练设备功能说明如表3所示。

图9 室内照明电路训练系统

表3 智能训练设备功能说明[7]

3 结语

通过模拟接线可锻炼学生的良好接线习惯，由于程序规定好接线规范，使学员从用电安全和接线简捷的角度考虑问题，而计分系统及模拟通电实验功能，让学员循序渐进，通过理解加深记忆，达到最佳训练效果，使学员在较短的时间内迅速掌握控制电路接线的方法，在训练中的电工器件模拟连接可节省电线及减少损坏实验板电工器件等电工耗材，提高训练效率。由于加入隔离变压器及采用24V电源供电，使学员接线更安全，使用触摸屏进行主体界面控制，用菜单切换仿真系统的功能模块，实时监控、提示、计分，操作灵活简便。此项目与现有产品相比功能更强，集模拟练习、仿真考试与故障排查功能于一体，可靠性高，通用性好，节约环保，操作灵活方便。由于设备采用便携式箱体结构，特别适合深入到厂区、贫困山区、社区等不具备培训场所条件的环境中实现培训电工接线用途。