燕秀秀，喬 倩

(山西工程職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030009)

0 引言

星三角降壓啟動(dòng)控制電機(jī)實(shí)訓(xùn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和邏輯思維能力[1],然而目前在各高校的星三角降壓啟動(dòng)控制電機(jī)實(shí)訓(xùn)中,通常有以下幾個(gè)缺點(diǎn),首先,電工實(shí)操訓(xùn)練過程中經(jīng)常遇到線路連接錯(cuò)誤,排查糾錯(cuò)有一定的困難,在傳統(tǒng)的教師面授形式下,只能依靠老師一個(gè)一個(gè)解決,這樣會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間,出現(xiàn)“接線十分鐘,排查一小時(shí)”的現(xiàn)象。其次,電工實(shí)操訓(xùn)練往往需要反復(fù)練習(xí),很容易造成接觸器的觸點(diǎn)損壞,一旦觸點(diǎn)損壞,接觸器報(bào)廢,造成實(shí)訓(xùn)的成本浪費(fèi)。最后,電工實(shí)操訓(xùn)練經(jīng)常需要380 V甚至更高的高壓電帶電操作,使得學(xué)生在實(shí)操訓(xùn)練面臨巨大危險(xiǎn)。

基于這一實(shí)際問題,研究并開發(fā)了一套基于STM32的星三角降壓啟動(dòng)的智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中,可以及時(shí)檢測(cè)出線路連接的錯(cuò)誤,并且通過語音報(bào)警系統(tǒng)和可視化直觀界面方式將其連接錯(cuò)誤的接線報(bào)告給使用者,降低了元器件的損壞率,能夠培養(yǎng)學(xué)生具有電氣試驗(yàn)的基本能力,為今后從事變電運(yùn)行、變電檢修和電氣試驗(yàn)工作打下一定的基礎(chǔ);另一方面極大的方便了電氣實(shí)訓(xùn)教師在電機(jī)線路檢測(cè)與教學(xué)工作上的便利。同時(shí),它的準(zhǔn)確性高,檢測(cè)速度快,代替了傳統(tǒng)的教師檢測(cè),更加的高效便捷,減少了師資力量的投入,也極大的保障了學(xué)生的人身安全。

1 總體設(shè)計(jì)

“智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)”以星三角降壓啟動(dòng)控制電機(jī)為載體,星三角降壓啟動(dòng)控制電機(jī)原理圖如下?？紤]到電動(dòng)機(jī)需要保證可靠性,而自耦變壓器降壓啟動(dòng)、延邊三角形降壓啟動(dòng)等啟動(dòng)方式較復(fù)雜且易出現(xiàn)故障,所以大功率的電機(jī)通常采用星三角降壓啟動(dòng)[2]。

在星三角降壓啟動(dòng)控制電機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,需要通電380 V高電壓控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),高電壓操作本身也存在用電安全的高風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的接觸器觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),并用繼電器對(duì)強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離,通過智能交互屏顯示檢測(cè)線路是否正確,同時(shí)語音播放系統(tǒng)會(huì)提示怎樣對(duì)接線錯(cuò)誤的線路進(jìn)行修改。在保證安全的同時(shí)節(jié)省大量時(shí)間,讓學(xué)習(xí)者在有限的時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行多次反復(fù)電路接線實(shí)操訓(xùn)練,達(dá)到熟記操作流程、鞏固操作規(guī)范的目標(biāo)。

2 實(shí)施方案

2.1 主要器件選擇

STM32F系列控制器屬于中低端的32位ARM微控制器,該系列芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品,其內(nèi)核是Cortex-M3。STM32F103ZET6 Cortex-M3芯具有72 MHz CPU的速度和高達(dá)1 MB的閃存。STM32系列ARM Cortex-M3 32位閃存微控制器工作時(shí)具有低功率、低電壓,并結(jié)合了實(shí)時(shí)功能的極佳性能,具有更好的編碼密度,對(duì)中斷更快的反應(yīng)。相對(duì)主流使用的STC15系列單片機(jī)STC15W4K32S4對(duì)比,特性如表1所示。故選用STM32嵌入式系統(tǒng)作為智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)的核心控制模塊。

表1 STM32F103與STC15W4K32S4性能對(duì)比表

顯示屏選用智能交互屏TJC1060X5A1_011R_I,屏幕大小為10.1寸,主控頻率為200 MHz,flash容量為128 M,運(yùn)行內(nèi)存為512 k,工作電壓4.65～6.5 V。采用字符串指令,字符串指令比十六進(jìn)制指令更方便開發(fā),能夠提升工作效率,使用字符串指令的源代碼更易解讀,而且可以支持使用“C語言”指令,相對(duì)同類產(chǎn)品使用“匯編”指令,C語言指令比匯編語言更易讀寫,開發(fā)更方便。尤其它自帶的語音系統(tǒng),可以將接線錯(cuò)誤的線段語音提示出來,極大擴(kuò)展用戶的功能。

2.2 設(shè)計(jì)制作

該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)功能:

1) 線路檢測(cè)功能:對(duì)星三角降壓啟動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的接觸器觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),通過繼電器返回的狀態(tài)來判段各接線線路是否正確。

2) 語音提醒功能;通過語音播報(bào)系統(tǒng)提示錯(cuò)誤信息,對(duì)線路進(jìn)行修改。

3) 可視化功能:通過智能顯示屏直觀顯示錯(cuò)誤信息,方便接線錯(cuò)誤線路定位,并給出修改意見。

圖2為智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖,主要包括STM32F103單片機(jī)、TJC1060X5A1智能交互屏、繼電器檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)四部分。

其中單片機(jī)作為核心模塊負(fù)責(zé)對(duì)繼電器檢測(cè)系統(tǒng)的接觸器觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),與智能交互屏進(jìn)行串口通信;智能交互屏以可視化方式反饋連線結(jié)果是否正確,并給出建議,同時(shí)語音報(bào)警指示系統(tǒng)提示怎樣對(duì)線路進(jìn)行修改;繼電器檢測(cè)模塊主要用于強(qiáng)電弱電隔離設(shè)計(jì),電機(jī)的運(yùn)行需要380 V高壓,一旦接錯(cuò)極容易對(duì)人體造成傷害,也容易直接損壞交流繼電器,因此采用繼電器進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離,即用小電流控制繼電器,只有在接線正確的情況下,繼電器才能閉合,允許380 V高壓電接通,否則380 V高壓電不會(huì)導(dǎo)通,從而不會(huì)對(duì)交流繼電器造成損壞和造成人身傷害,圖3為智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)繼電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖,將接觸器的觸點(diǎn)連接到端子排上,這樣只需對(duì)端子排進(jìn)行接線操作,避免損壞接觸器觸點(diǎn);電機(jī)控制部分包括電機(jī)的正反轉(zhuǎn)兩個(gè)部分。

單片機(jī)要對(duì)各處接線連線段進(jìn)行檢測(cè)判斷,并將要顯示的內(nèi)容通過串口發(fā)送給智能交互屏,單片機(jī)使用Keil軟件并運(yùn)用C語言開發(fā),采用115 200 HZ的頻率與智能屏進(jìn)行串行通信。檢測(cè)中首先繼電器檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行吸合,單片機(jī)通過GPIO口讀取各連線段繼電器的狀態(tài)判斷,若讀回?cái)?shù)據(jù)為1,則認(rèn)定該段接線正確,否則認(rèn)定該段接線錯(cuò)誤。若某段接線正確,發(fā)送給智能屏對(duì)應(yīng)段接線結(jié)果“測(cè)試通過”,并將該原理圖圖片的路徑(該圖片標(biāo)記出正在判斷的對(duì)應(yīng)線路)發(fā)送給智能屏,智能屏按照指定路徑加載并顯示;否則,發(fā)送該段錯(cuò)誤的信息,并給出修改建議。在檢測(cè)接線過程中,順序化依次檢測(cè)每段接線結(jié)果。根據(jù)原理圖圖1,需要檢測(cè)的接線線段包括9段,分別為L3-FU2、FU2-SB1、SB1-SB2、SB1-KM2NC、KM2NC-KM1、SB2-KM1NC、KM1NC-KM2、KM1/2-FU2、FU2-L2。若有連線錯(cuò)誤,斷電進(jìn)行修改,該系統(tǒng)支持重復(fù)檢測(cè),直至接線全部正確,此時(shí)顯示屏顯示“可以進(jìn)行通電試車”,此刻就可以進(jìn)行高電壓通電控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

圖1 星三角降壓啟動(dòng)控制電機(jī)原理圖

圖2 智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)繼電器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖

圖4 智能交互屏語音播報(bào)設(shè)置圖

使用開發(fā)軟件USART HMI對(duì)智能交互屏進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)語音播放功能,打開USART HMI軟件;選擇左上角工具選項(xiàng)視頻/音頻轉(zhuǎn)換;在打開的對(duì)話框中切換左上角選項(xiàng)為音頻轉(zhuǎn)換,并選擇open按鈕選擇音頻源文件;設(shè)置目標(biāo)音頻參數(shù)(如下圖所示);點(diǎn)擊右下角開始轉(zhuǎn)換按鈕,輸入視頻名稱開始轉(zhuǎn)換生成wav格式文件,即語音錯(cuò)誤提醒文件,通過判斷不同的錯(cuò)誤類型,加載對(duì)應(yīng)的語音提醒文件播報(bào)連線錯(cuò)誤。

2.3 測(cè)試過程

星三角降壓啟動(dòng)的智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)在接入220 V家用電之后,通過智能交互屏進(jìn)入檢測(cè)界面進(jìn)行檢測(cè)。在測(cè)試過程中,可以不接其中任意兩條接線段(比如KM2NC-KM1、KM1NC-KM2),觀察智能交互屏顯示界面和語音報(bào)警是否能夠正確判斷和定位錯(cuò)誤接線;接下來將9段接線段正確連接,觀察各接線段是否能正常通過測(cè)試,從而實(shí)現(xiàn)星三角降壓啟動(dòng)的電氣線路檢測(cè)。

2.4 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試結(jié)果中,可以看到智能顯示屏能夠正確顯示接線錯(cuò)誤的線段,并且采用紅字字體給出直觀結(jié)果(KM2NC-KM1、KM1NC-KM2接線段錯(cuò)誤),提醒建議檢測(cè)電氣互鎖的連接,并進(jìn)行了正確的語音提醒。斷電后,進(jìn)行對(duì)應(yīng)接線段的重新連接后再次上電,測(cè)試全部通過。兩次檢測(cè)顯示結(jié)果如圖5,該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確且穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖5 智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

3 總結(jié)與應(yīng)用

本文結(jié)合電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)的實(shí)際需求,以STM32F103ZET6為核心芯片,搭配智能交互屏、繼電器檢測(cè)系統(tǒng)、模擬電機(jī)控制系統(tǒng)等,設(shè)計(jì)了一款星三角降壓啟動(dòng)的智能電氣線路檢測(cè)系統(tǒng),能夠有效解決以往教學(xué)中電機(jī)380 V通電高風(fēng)險(xiǎn)、接線檢測(cè)調(diào)試無從下手、難以反復(fù)規(guī)范操作等問題,主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面:

1) 可以在不帶電的情況下測(cè)試線路是否合格,降低帶電測(cè)試風(fēng)險(xiǎn);

2) 可輔助學(xué)習(xí)者快速、精準(zhǔn)對(duì)電機(jī)接線進(jìn)行不通電測(cè)試,替代教學(xué)人員繁瑣的人工檢查、糾錯(cuò),提高了實(shí)訓(xùn)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率;

3) 人機(jī)交互模式增加智能檢測(cè)的時(shí)效性,減低了實(shí)訓(xùn)、學(xué)習(xí)難度,便于學(xué)習(xí)者入門和接受;

4) 在保證人身安全的情況下支持多次反復(fù)的訓(xùn)練,減少對(duì)元器件的損壞,大大節(jié)約了成本。

該系統(tǒng)同時(shí)也可應(yīng)用于:電工職業(yè)資格認(rèn)證線下實(shí)訓(xùn)、電氣自動(dòng)化以及工業(yè)過程控制等專業(yè)日常教學(xué)實(shí)訓(xùn)。