基于51单片机的电气控制线路接线故障诊断系统

0 引言
    在电气控制类课程的教学中，常规的训练项目主要有三相异步电动机的点动控制线路、连续运行控制线路、正反转控制线路、顺启逆停控制线路、降压启动控制线路、接触器联锁正反转控制线路的安装、接线与调试等实训项目。在教学过程中，教师对学生训练结果的检查和考评是一件很繁琐的事，人工检查效率低、安全性差，稍有不慎就会造成跳闸、烧毁线路等电气事故。电气控制线路接线故障诊断系统能够自动检查学生接线所存在的问题，并能提示接线故障的所在，禁止带故障合闸通电试验，保证训练过程的人身安全和设备安全。另外，配合接线故障诊断系统管理计算机以及相应的管理软件，可组成智能化的电气控制实训室，能够方便快捷地对每个学生的接线情况自动记录、自动检查评分，使教师有更多的时间指导学生提高接线能力及排出故障的能力，从而提高教学效率和教学效果。

1 电气控制线路接线故障诊断系统的组成
    电气控制线路接线板的正面排列着电气控制线路所用的各种交流接触器、继电器、开关按钮和状态指示灯等电器，供学生进行接线、故障排除和通电试验等方面的训练，通电试验前的检查过程则由电气控制线路接线故障诊断系统替代教师自动完成。电气控制线路接线故障诊断系统的组成如图1所示，该系统主要包括MCS-51单片机、节点切换矩阵、译码电路、题号识别电路、电源控制器和稳压电路等部分。

    接线故障诊断系统的电路隐藏在接线板里面，用隐藏的导线把接线板上各种电器的接线桩与切换矩阵相连接。从表面来看，接线板没有任何异样，不影响学生进行正常的接线训练，只在学生接线完成后接通三相交流电源时才启用接线故障诊断系统。接线故障诊断系统能快速地对接线板正面的实际接线情况进行自动检测，如果接线正确，接线板上的无故障指示灯和允许通电指示灯点亮，按下通电按钮即可接通电源对电气控制线路进行试验；否则有故障指示灯和禁止通电指示灯点亮，通电按钮无效。如果接线板联网在线，则按下提交按钮便把本次接线训练诊断结果的所有数据发送给实训室的管理计算机，由管理软件绘出实际接线图，标出故障所在反馈给学生，同时根据故障级别统计评分。

2 接线故障诊断系统的工作原理
    接线故障诊断系统的核心为节点切换矩阵。节点切换矩阵通过微型继电器将接线板上各电器的接线桩依次接至检测总线，由单片机判别检测总线之间即接线板上两个接线桩之间有无导线相连，再把检测结果与储存在单片机中的正确接线的相关数据进行比较，即可判别出接线的正确性以及接线错误的数量和位置。
2．1 电机控制线路节点编码
    节点是电气线路中导线的连接点，接线故障诊断系统将接线板上各电器的接线桩进行编码。节点编码采用8位二进制数，高4位为器件编码，低4位为器件中各接线桩的编码。以电机正反转控制线路为例，如图2所示，电源接线柱为0号器件，电机接线柱为15(十六进制数F)号器件，学生接线只限在此二接线柱以内。各节点的编码结果见表1(添加其他器件时，编码方法类同)。

　

    由图2可得，电机正反转控制线路正确接线的节点网络表如表2所示。节点网络表中的每组数据由两字节组成，高8位为主节点的编码，低8位为从节点的编码，每两字节表示主节点与从节点之间应有导线连接。把表2的节点网络表数据储存在单片机内，学生进行电机正反转控制线路接线训练时，接线故障诊断系统以此为依据判别接线正确与否。同理，把其他训练项目的电气控制原理图转换为相应的节点网络表，每个项目的节点网络表用惟一的题卡号为标识，单片机依据题卡号提取对应的节点网络表并对实际接线的正确性进行测评。[page]

2．2 节点切换矩阵工作原理
    表1中各电器元件的接线桩(即节点)均用导线连接至节点切换矩阵的微型继电器，通过继电器把节点和检测总线(分为主总线和从总线)相连通。接线故障诊断时，单片机读取接线网络表的数据(如表2中的0111H)，将高位(01H)由P1口送至译码电路1译码后，相应继电器吸合，使对应的01号节点(电源接线柱的1号接线桩)与主总线接通；同时将低位(11H)由P2口送至译码电路2译码后，相应继电器吸合，使对应的11号节点(交流接触器KM1的1号接线桩)与从总线接通。主总线接至单片机的P3．3，从总线接至P3．4，由单片机判别主从总线间也就是电源接线柱的1号接线桩与交流接触器KM1的1号接线桩之间有无接线。只要把表1中的节点编码依次由P2口发出，即可检测01号节点与其他节点的接线情况。所以，通过节点切换矩阵可以检测任意两个节点之间有无接线，再把检测结果与正确接线的节点网络表进行比较，即可得出错误接线的位置，也可据此进行评分。
    P3．2为节点切换矩阵的使能控制，当检测结束后，P3．2使节点切换矩阵无效，所有继电器释放，使故障检测电路和电机控制线路完全隔离，不受电机控制线路通电试验的影响。
2．3 主从总线间有无接线的检测原理
    从总线通过1 kΩ电阻接地，单片机由P3．3向主总线发出1 MHz的方波(10101010即AAH)，如果主从总线间有导线连接，则P3．4读取的数据也是AAH；如果主从总线间无导线连接，则P3．4读取的数据为00H。若P3．4读取的数据为其他值则说明主从总线间有导线连接但接触不良，将其标记为FFH。所以从P3．4读取的数据反映出连接在主从总线间的两个节点的接线情况。例如检测节点0111时，如果01节点和11节点之间有导线连接，则检测结果为0111AAH；若无导线连接则检测结果为011100H；若接触不良则检测结果为0111FFH。检测结果发送给管理计算机，管理软件用图形方式还原接线板实际接线的情况并标注出错误所在。
2．4 题号识别电路工作原理
    每张题卡为一个训练项目，上面印着该项目的电气控制原理图及接线要求。每个训练项目的题卡有惟一的编号。题卡内隐藏3个磁片，当题卡插入接线板上的题卡框内时，对应磁片位置的干簧管动作，将题卡编号输入单片机的P3．5，P3．6，P3．7，单片机查找对应的节点网络表并以此为依据检测接线是否正确。

3 接线故障诊断系统的软件设计
    电气控制线路接线故障诊断系统的软件分为单片机程序和计算机管理软件两部分。
    单片机程序的主要功能如下：
    (1)控制接线板的电源，有允许通电和禁止通电两种状态，通过相应的指示灯作指引。只有诊断无故障才允许通电，其余时间禁止通电。
    (2)检测题卡号，未插题卡时禁止通电，按下诊断按钮时检测所有节点的接线情况，有故障指示灯闪亮。已插题卡时检测题卡号并查找对应的节点网络表，按下诊断按钮时检测所有节点的接线情况，将检测结果与节点网络表进行比较，相符时点亮无故障指示灯，允许通电；不相符时点亮有故障指示灯，禁止通电。无论何时，当检测结束后均释放节点切换矩阵的所有继电器并将其锁定。
    (3)按下提交按钮时，若还未诊断则先诊断，然后将接线板号、题卡号、诊断结果的数据发送给管理计算机。发送成功则点亮提交状态指示灯，若接线板不在线或数据发送失败则提交状态指示灯闪亮。
    计算机管理软件的主要功能如下：
    (1)班级、名单、实训成绩管理。
    (2)实训板在线状态指示、提交状态指示、接线时间计时。
    (3)接收接线板提交的数据，显示题卡号和正确的原理图及接线图，重现接线板实际的原理图和接线图，标注错误的接线。
    (4)根据实际接线的错误数量及错误程度自动评分，评分结果自动录入成绩单。
    (5)技能鉴定考试时自动发题(把考生抽取的题号自动发送至接线板)，考试结束后控制接线板自动进行诊断并提交结果，生成考评成绩。

4 智能化电气控制实训室的构成
    智能化电气控制实训室由管理计算机(简称教师机)、学生实训台组成，电气控制线路接线板安装在实训台上，通过RS 485总线与教师机联网。电气控制实训室的网络拓扑结构如图3所示。

    智能化电气控制实训室的使用有三种模式：基本训练时接线板可不联网，学生接线后由接线故障诊断系统替代教师进行检查，有故障时学生自行检测直至故障排除；综合训练时接线板联网，学生将结果提交给教师，有故障时由教师引导学生进行排除，同时计时并评分；技能考评时接线板联网，教师发题后开始接线并计时，考试时间到，由教师机对还未提交的考生强制诊断并提交，及时打印、公布考评成绩且能指出接线错误所在及扣分情况，实现智能考评，确保技能考评的公平与公正。

5结语
    电气控制线路接线故障诊断系统以及智能化电气控制实训室，以其准确、快捷、高效的性能，提高了教学效果和教学效率。对促进学生学习主动性、减轻教师教学负担、确保考评的公平与公正等方面有着积极意义。