基于PLC觸屏式銑床電路排故實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)

梁 剛，蒙雪蘭

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530007）

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前，高職機(jī)電類專業(yè)在《機(jī)床電氣維修》課程教學(xué)中的常用設(shè)備，處于兩極分化的境況。部分中高職院校機(jī)電類專業(yè)采用的其中一種方式就是使用稍作改造的真實(shí)機(jī)床電路板作為故障排除訓(xùn)練的裝置，裝置實(shí)物圖如圖1a所示。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、價(jià)格便宜，裝置與真實(shí)機(jī)床電氣線路一樣，排故方式與真實(shí)機(jī)床排故無(wú)差別，也便于師生維護(hù)維修、更換配件。但這種裝置的缺點(diǎn)很明顯，甚至可以說(shuō)比較落伍：其故障設(shè)置點(diǎn)數(shù)總共只有4～6個(gè)，僅能采用人工設(shè)置，隨機(jī)設(shè)故意義不大，因此在授課過(guò)程中無(wú)法更全面的檢驗(yàn)學(xué)生的故障排除能力；同時(shí)在考核評(píng)分方面的便利性較差，仍需教師采用人工方式進(jìn)行。由于該裝置需要使用教師有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力來(lái)自行完成裝置改造，故采用這類裝置的中高職機(jī)電類專業(yè)院校并不多見(jiàn)，其成本大約為7 000元/套。

另一種則是教學(xué)儀器設(shè)備的市場(chǎng)上售賣的機(jī)床電氣故障排除教學(xué)裝置，這類裝置多采用線路圖刻板設(shè)計(jì)，同時(shí)使用計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件設(shè)置故障，裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖2。這類市售的教儀裝置優(yōu)點(diǎn)是可設(shè)置故障點(diǎn)多（幾十甚至上百），既可人工設(shè)置故障，也可以自動(dòng)隨機(jī)設(shè)故，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)限時(shí)考核與評(píng)分。盡管這種裝置優(yōu)點(diǎn)很明顯，但也同樣有著不可解決的缺點(diǎn)：設(shè)備塊頭大、占地面積多、單機(jī)價(jià)格昂貴、須另配計(jì)算機(jī)、排故方式與真實(shí)機(jī)床排故差別大、師生無(wú)法自行維護(hù)、需要依賴設(shè)備提供商的售后服務(wù)。這類裝置以購(gòu)買和使用方便的優(yōu)勢(shì)，在中高職機(jī)電類專業(yè)院校中廣泛使用，其市場(chǎng)售價(jià)通常動(dòng)輒大幾萬(wàn)甚至上十萬(wàn)，價(jià)格虛高。

針對(duì)上述高職機(jī)電類專業(yè)在《機(jī)床電氣維修》課程教學(xué)中常用設(shè)備在日常教學(xué)過(guò)程中的痛點(diǎn)，本文擬設(shè)計(jì)一款將上述兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合而去其劣勢(shì)的新裝置，使裝置在功能應(yīng)用上更為人性化、便利化和智能化，適用性和通用性也應(yīng)更強(qiáng)。

2 設(shè)計(jì)思路

為了讓新設(shè)備能更便于開(kāi)展相關(guān)教學(xué)，本文擬在所在院校舊有的W62銑床電路排故實(shí)驗(yàn)板（如圖1所示）的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，去除原先舊有的人工設(shè)置斷路故障開(kāi)關(guān)組，增加PLC和觸摸屏作為故障設(shè)置和考評(píng)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示[1]。通過(guò)改進(jìn)，去除原有的故障設(shè)置點(diǎn)少、只能人工設(shè)置故障、沒(méi)有自動(dòng)考評(píng)功能等缺點(diǎn)，使新裝置具備故障設(shè)置點(diǎn)數(shù)量足夠多、故障點(diǎn)可隨機(jī)設(shè)置、排故結(jié)束能完成評(píng)分等功能。而由于此類系統(tǒng)的控制核心和設(shè)置故障的方式都是機(jī)電類專業(yè)教師掌握的技術(shù)，在維護(hù)維修方面有著不可替代的便利性。盡管采取本方案的系統(tǒng)構(gòu)成在較多文獻(xiàn)中已有類似或一致之處，但在PLC控制系統(tǒng)下，加入隨機(jī)設(shè)置故障的方式和評(píng)分功能仍為空白，而針對(duì)多種教學(xué)情境設(shè)計(jì)不同的模式是前述第二類設(shè)備目前也不具備的功能，因此具有相當(dāng)?shù)膮⒖家饬x。

圖1 兩種常見(jiàn)XW62銑床電路排故裝置實(shí)物圖

圖2 新銑床電路排故裝置組成系統(tǒng)框圖

3 電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)更全面地訓(xùn)練銑床電路故障排除技能的目標(biāo)，本課題組經(jīng)過(guò)與開(kāi)展相關(guān)研究的教師交流探討，最終從主軸控制電路部分、工作進(jìn)給控制電路部分、冷卻液供給控制電路部分以及變壓器電源輸出部分選擇18個(gè)比較常見(jiàn)的故障點(diǎn)作為本實(shí)驗(yàn)箱的基本故障點(diǎn)。鑒于故障排除當(dāng)中進(jìn)行通電試車的危險(xiǎn)性，我們?cè)O(shè)置的故障依然與市場(chǎng)上及舊有設(shè)備上的故障設(shè)置方式采取了同樣的類型——僅設(shè)置斷路故障，而不設(shè)置錯(cuò)線或短路故障，以避免出現(xiàn)安全事故。斷路點(diǎn)號(hào)碼參照文中圖3所示控制電路部分標(biāo)注的線號(hào)點(diǎn)（如表1所示即為本文擬設(shè)置的斷路點(diǎn)及PLC通道分配表）。

圖3 X62W萬(wàn)能銑床電氣原理圖

表1 XW62銑床電路擬設(shè)置故障斷路點(diǎn)及PLC輸出控制端分配表

考慮到新裝置使用三相交流電源，因此PLC主機(jī)也選擇采用市電供電的型號(hào)FX3U-32MR即可。由于該款型號(hào)PLC輸出端子只有16個(gè)，而需要控制的設(shè)故繼電器有18個(gè)。因此，本文采取分組組合的方式來(lái)減少PLC輸出端子的使用，最終用12個(gè)輸出端子即可完成18個(gè)故障點(diǎn)的隨機(jī)設(shè)故。根據(jù)表1所作分配，本課題對(duì)實(shí)驗(yàn)箱故障設(shè)置系統(tǒng)的PLC輸出端子的外部接線圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 故障設(shè)置系統(tǒng)的PLC外部接線圖

本文取故障點(diǎn)“6”為例，設(shè)置故障的原理如圖5所示：將圖5a中“6”號(hào)電位點(diǎn)處斷開(kāi)，增加設(shè)故繼電器KA5的常閉觸點(diǎn)將斷開(kāi)處兩端連接起來(lái)（如圖5b所示），當(dāng)KA5線圈斷電時(shí)，KA5常閉觸點(diǎn)保持接通，此時(shí)該電路處于通路狀態(tài)，可模擬出電路正常工作情況；當(dāng)KA5線圈得電時(shí)，KA5常閉觸點(diǎn)將斷開(kāi)“6”號(hào)電位點(diǎn)，此時(shí)該電路處于斷路狀態(tài)（如圖5c所示），可模擬出電路故障情況。

圖5 銑床電路故障設(shè)置原理

4 程序設(shè)計(jì)

新裝置的功能設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)功能：能設(shè)置不同的應(yīng)用模式以滿足不同的實(shí)踐模式，能實(shí)現(xiàn)隨機(jī)輸出控制2～4個(gè)設(shè)故繼電器得電，能根據(jù)排故完成情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)分。

（1）新裝置的多情境教學(xué)模式設(shè)計(jì)

為了便于教學(xué)應(yīng)用，本課題組針對(duì)實(shí)踐教學(xué)常用的課堂訓(xùn)練、課程考核以及技能競(jìng)賽三種工況，采取了選擇序列設(shè)計(jì)的工作流程，使其可以滿足這三種模式下的應(yīng)用。故障設(shè)置系統(tǒng)的具體工作流程如圖6所示，多情境教學(xué)模式選擇界面如圖7所示[2]。

圖6 故障設(shè)置系統(tǒng)工作流程圖

圖7 多種教學(xué)情境模式選擇界面

根據(jù)上述流程，實(shí)驗(yàn)箱故障設(shè)置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序包含系統(tǒng)控制流程主程序部分、系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)故子程序部分、系統(tǒng)評(píng)分程序部分。本文的系統(tǒng)控制流程主程序采取的是比較典型的選擇序列分支流程，其具體設(shè)計(jì)不再詳細(xì)敘述。下面針對(duì)隨機(jī)設(shè)故、排故操作和系統(tǒng)評(píng)分等關(guān)鍵部分展開(kāi)。

（2）隨機(jī)設(shè)故設(shè)計(jì)

本文為了便于在PLC中自動(dòng)生成隨機(jī)輸出，借鑒郭波、鄒麗梅在《PLC隨機(jī)數(shù)發(fā)生器程序研究與設(shè)計(jì)》一文中利用線性同余算法生成偽隨機(jī)數(shù)的方式[2]，將該子程序的輸出區(qū)間調(diào)整為[1，12]，具體如圖8所示。這樣，將會(huì)獲取一個(gè)從“1”至“12”區(qū)間范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)生成器，并將結(jié)果保存于“D10”。為便于在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)調(diào)用，使用“M8012”0.1秒時(shí)鐘脈沖作為發(fā)生器的啟動(dòng)條件。以訓(xùn)練模式為例，調(diào)用子程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 [1，12]區(qū)間隨機(jī)整數(shù)生成子程序

圖9 訓(xùn)練模式下調(diào)用隨機(jī)數(shù)生成子程序梯形圖設(shè)計(jì)

利用上述子程序生成隨機(jī)整數(shù)后，本文使用觸點(diǎn)比較指令作為PLC輸出端子得電的條件，從而達(dá)到PLC輸出端隨機(jī)得電的目的，程序如圖10所示。由于隨機(jī)數(shù)生成是自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，為避免短時(shí)間內(nèi)將全部輸出端子置位輸出，因此還需要根據(jù)使用模式的要求設(shè)置輸出的個(gè)數(shù)：如練習(xí)模式中僅需要設(shè)置兩個(gè)故障點(diǎn)，使用各輸出端子對(duì)應(yīng)上升沿觸點(diǎn)給C1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束后立刻停止子程序的調(diào)用即可。通過(guò)上述程序，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)故通?？稍? s之內(nèi)完成故障設(shè)置，且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和組合，對(duì)于可能出現(xiàn)的斷路故障點(diǎn)有比較全面的覆蓋，利于學(xué)生養(yǎng)成正確的故障排除思路。

圖10 PLC輸出端子Y0-Y3與隨機(jī)數(shù)對(duì)應(yīng)得電控制程序

本文通過(guò)實(shí)機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證在考核模式下（輸出3個(gè)有效的輸出端），該隨機(jī)輸出子程序的輸出控制情況。測(cè)試結(jié)果如表2所示。經(jīng)過(guò)結(jié)果觀察與統(tǒng)計(jì)，該程序隨機(jī)輸出能完整覆蓋[1，12]區(qū)間整數(shù)，控制“Y0”至“Y13”這12個(gè)輸出端子完成隨機(jī)輸出，具有一定的隨機(jī)性。同時(shí)，為避免輸出端子重復(fù)輸出同號(hào)數(shù)值而導(dǎo)致故障點(diǎn)設(shè)置數(shù)不足，本文采取置位指令保持輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸出端子上升沿觸點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方式，確保在不同工作模式下輸出相應(yīng)的端子個(gè)數(shù)。

表2 采取考核模式下某30次隨機(jī)輸出情況記錄表

（接上表）

（3）機(jī)床電路故障排除設(shè)計(jì)

為了便于故障排除，本文在人機(jī)界面的銑床電路圖電位點(diǎn)上設(shè)計(jì)排故按鈕，部分按鈕與各故障點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，部分按鈕為空按鈕，不對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)，界面設(shè)計(jì)如圖 11 所示。其中，PLC 從“M20”到“M37”這 18個(gè)內(nèi)部輔助繼電器分別對(duì)應(yīng)表1中各故障點(diǎn)。如人機(jī)界面電路圖中標(biāo)識(shí)為“6”的按鈕控件，將其與PLC的“M25”進(jìn)行連接，在組態(tài)中將“M25”設(shè)置為開(kāi)關(guān)量讀寫模式即可。

圖11 X62W銑床電路故障排除實(shí)訓(xùn)裝置人機(jī)界面設(shè)計(jì)

當(dāng)按下故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)按鈕時(shí)，可復(fù)位該故障點(diǎn)的設(shè)故繼電器，令故障得到排除，Y0-Y3部分排故的程序設(shè)計(jì)如圖12所示。由于Y0端子為組別控制端子，此處排故操作的故障點(diǎn)復(fù)位無(wú)需對(duì)其復(fù)位，以免造成故障點(diǎn)更換。仍以圖5中電位點(diǎn)“6”為例，設(shè)置該故障時(shí)，需要Y0和Y3兩個(gè)端子同時(shí)接通，如果排除其他故障時(shí)將Y0端子復(fù)位，則會(huì)造成僅有Y3接通的情況出現(xiàn)，從而使故障點(diǎn)變成了“7”號(hào)點(diǎn)斷開(kāi)。

圖12 排故程序設(shè)計(jì)

（4）評(píng)分設(shè)計(jì)

為了便于教學(xué)應(yīng)用，本文在新裝置中設(shè)計(jì)評(píng)分程序，按照三種的工作模式所設(shè)定的故障數(shù)不同，設(shè)置滿分值分別為：訓(xùn)練模式90分對(duì)應(yīng)兩個(gè)故障點(diǎn)，考核模式90分對(duì)應(yīng)3個(gè)故障點(diǎn)，競(jìng)賽模式100分對(duì)應(yīng)4個(gè)故障點(diǎn)。其程序設(shè)計(jì)如圖13所示。

圖13 自動(dòng)評(píng)分設(shè)計(jì)

同時(shí)，為了避免在排除故障過(guò)程中通過(guò)隨機(jī)猜測(cè)的方式胡亂選擇排故按鈕進(jìn)行解答操作，本課題在系統(tǒng)完成故障設(shè)置之后，即學(xué)生在進(jìn)行排故操作及作答的過(guò)程中，設(shè)計(jì)隨機(jī)答題限制機(jī)制，通過(guò)在程序中設(shè)置3個(gè)作答限制規(guī)則來(lái)規(guī)避猜題作答的漏洞：

規(guī)則一，按設(shè)定故障點(diǎn)的個(gè)數(shù)限定作答時(shí)間，超過(guò)限定時(shí)間將按照當(dāng)前已按下的排故按鈕情況進(jìn)行打分。

規(guī)則二，按設(shè)定故障點(diǎn)的個(gè)數(shù)限定按排故按鈕次數(shù)，超過(guò)限定個(gè)數(shù)將按照本次操作無(wú)效進(jìn)行評(píng)分。

規(guī)則三，按下故障號(hào)對(duì)應(yīng)按鈕后，在限定時(shí)間內(nèi)完成作答需要提前交卷的，還需要點(diǎn)擊觸屏的“提交”和“確認(rèn)”按鈕，系統(tǒng)才會(huì)評(píng)分。

上述三個(gè)規(guī)則通過(guò)定時(shí)器T1以及計(jì)數(shù)器C7、C8、C9和觸屏提交按鈕M10共同構(gòu)成，提交后由M6評(píng)分按鈕控制本次分?jǐn)?shù)和使用時(shí)間的顯示輸出。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)舊有機(jī)床電路故障排除實(shí)訓(xùn)裝置的改造，使新的機(jī)床電路故障排除實(shí)訓(xùn)裝置具備隨機(jī)設(shè)置故障、人機(jī)界面排故、系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分的功能，既解決了人工設(shè)置故障全面性不足的劣勢(shì)，提高了教學(xué)過(guò)程的便利和后期維護(hù)的便利，同時(shí)在成本方面比前文所述第二種裝置要低很多，使其具備兩者的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)解決了機(jī)床電路故障排除實(shí)訓(xùn)課程的痛點(diǎn)，是一種值得推廣應(yīng)用的教學(xué)實(shí)訓(xùn)裝備。