機(jī)床電器故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

蔣從根 朱青松 崔健

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100176

引言

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)、控制程序可變、使用方便、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量低、體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便等特點(diǎn)，使得它在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中得到廣泛引用。但由于PLC的數(shù)據(jù)處理和圖形處理能力的不足，人機(jī)交互能力不足，以及工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)非常分散，I/O點(diǎn)數(shù)眾多，管理復(fù)雜，使得PC機(jī)與PLC組成集散控制系統(tǒng)，成為現(xiàn)代控制的重要組合之一。

在上位機(jī)的控制軟件開發(fā)平臺(tái)中，組態(tài)軟件是簡(jiǎn)單易學(xué)、功能強(qiáng)大的平臺(tái)之一。組態(tài)軟件又稱組態(tài)監(jiān)控軟件，譯自英文Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。

常用的組態(tài)軟件有：北京亞控的組態(tài)王、通態(tài)軟件公司的MCGS、上海步科的Kinco DTools、Intellution公司的Fix6、Simens的WinCC、華富公司Controx（開物）、羅克韋爾的RSView Supervisory Edition等數(shù)十種。各種組態(tài)軟件從功能、易用等方面各有特色。

組態(tài)王具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。用戶只需要通過簡(jiǎn)單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無人值守的現(xiàn)場(chǎng)采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。

機(jī)床電器維修是職業(yè)院校開設(shè)的重要課程，機(jī)床電器維修實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)存在一定困難，如何模擬設(shè)置故障是課程難點(diǎn)，目前一般有乒乓開關(guān)設(shè)置，學(xué)生能夠看到開關(guān)狀態(tài)，存在保密性差，工作效率低的問題。本系統(tǒng)基于組態(tài)王與西門子PLC開發(fā)，解決了以上問題。

1 系統(tǒng)組成與功能

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由PC機(jī)、RS232/485轉(zhuǎn)換器、西門子S7_200PLC、接口電路、機(jī)床電器柜連接而成。PC機(jī)器無特殊要求，需要有232接口，主要作用是教師通過PC設(shè)置機(jī)床電氣故障，將故障號(hào)發(fā)送到PLC。接口電路包括鍵盤輸入接口及PLC與機(jī)床電器柜之間的接口。

圖1 機(jī)床電器故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)示意圖

鍵盤輸入接口的作用是當(dāng)學(xué)員通過檢測(cè)找到故障后，輸入故障點(diǎn)的線號(hào)，恢復(fù)機(jī)床前電器柜的故障。

PLC與電器柜之間的接口電路的作用，是PLC通過接口繼電器控制機(jī)床電器柜的故障點(diǎn)斷開（斷路）或接通（短路）。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)完成機(jī)床電氣故障設(shè)置和故障恢復(fù)功能。

1.2.1 故障設(shè)置。故障設(shè)置在計(jì)算機(jī)上完成。由教師操作?？梢栽O(shè)置30個(gè)故障。本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)控制XW61萬能銑床的故障控制，30個(gè)已經(jīng)足夠，若需要控制更多故障，可以增加到255個(gè)。

計(jì)算機(jī)將設(shè)置故障號(hào)發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)故障號(hào)對(duì)應(yīng)輸出點(diǎn)接通，控制接口電路中的繼電器，使相應(yīng)的繼電器得電動(dòng)作。

接口板的繼電器得電后，常閉接點(diǎn)斷開，使得機(jī)床電氣中的相應(yīng)線路被切斷形成斷路故障（或繼電器的常開點(diǎn)閉合，短接兩點(diǎn)，造成短路故障）。

表1是故障點(diǎn)的線路編號(hào)方案（部分）。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際情況需要可以改變這些編號(hào)（改變只需改變PLC程序相應(yīng)的編號(hào)即可），形成不同的故障點(diǎn)。

表1 故障號(hào)與故障點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2.2 故障排除。故障發(fā)到PLC后，PLC控制接口電路，使得機(jī)床電氣發(fā)生斷路或短路故障（機(jī)床電器柜是模擬裝置，電氣線路與實(shí)際XW61萬能銑床完全一致，有電機(jī)輸出，但不帶實(shí)際負(fù)載）。這時(shí)，學(xué)生通過科學(xué)方法，找到故障點(diǎn)，根據(jù)故障點(diǎn)的兩個(gè)線號(hào)，通過鍵盤板輸入。PLC根據(jù)輸入線號(hào)作出判斷，如果輸入正確，PLC控制輸出點(diǎn)，是接口板相應(yīng)的繼電器復(fù)位，故障排除[1]。

2 上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)完成功能

上位機(jī)完成機(jī)床電器柜的故障設(shè)置功能，由教師操作。上位機(jī)控制軟件基于組態(tài)王開發(fā)，界面如圖2所示。

圖2 機(jī)床電器故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)上位機(jī)界面

圖3 故障范圍選擇控件顯示

界面包含四個(gè)下拉式組合框（以下簡(jiǎn)稱組合框）及兩個(gè)按鈕組成。

組態(tài)王支持控件運(yùn)行。組合框的列表框是隱藏的，當(dāng)單擊下拉箭頭時(shí)，才彈出列表框。選擇完數(shù)據(jù)項(xiàng)后，列表框自動(dòng)隱藏。在列表式組合框的文本框中可以直接輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)。

組合框A設(shè)定發(fā)送故障號(hào)最小值，組合框B設(shè)置發(fā)送故障號(hào)的最大值。主要作用是方便任課教師設(shè)定故障范圍，選擇故障時(shí)，能夠快速精準(zhǔn)找到需要發(fā)送的故障號(hào)。

組合框C選擇要發(fā)送的故障號(hào)，組合框D選擇故障號(hào)發(fā)送到哪一個(gè)機(jī)床柜。一個(gè)實(shí)訓(xùn)室可以有30-50個(gè)機(jī)床柜，為了避免學(xué)生不認(rèn)真查找故障，通過選擇不同的電器柜號(hào)，使得不同的電器柜有不同的故障號(hào)（表現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象），迫使學(xué)生必須自己找故障，不能抄襲別人的結(jié)果。

2.2 通信實(shí)現(xiàn)

組態(tài)王對(duì)設(shè)備的管理是通過對(duì)邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個(gè)唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對(duì)應(yīng)著該I/O設(shè)備的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通訊方式、設(shè)備地址、與上位PC機(jī)的通訊方式等信息內(nèi)容。

本系統(tǒng)將西門子PLC通過RS485接口并聯(lián)連接在組態(tài)王中，由組態(tài)王群發(fā)數(shù)據(jù)，PLC接收到數(shù)據(jù)后，查看電器柜號(hào)，通過電器柜號(hào)識(shí)別是否是發(fā)送給本機(jī)，確定是否響應(yīng)。

在組態(tài)王中設(shè)立變量VB11和VB21，變量類型選擇“I/O整數(shù)”，連接設(shè)備選擇西門子PLC的邏輯名（本系統(tǒng)為：西門子S7200PPI），寄存器分別選擇“V11”“V21”，數(shù)據(jù)類型選擇“BYTE”。VB11、VB21與PLC的VB11、VB21對(duì)應(yīng)。VB11保存故障號(hào)，VB21保存電器柜（機(jī)床柜）號(hào)，只要在組態(tài)王中給VB11和VB21賦值，系統(tǒng)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)的賦值發(fā)送到PLC的VB11和VB21，實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與PLC的通信。在編程過程中，不需要考慮傳統(tǒng)通信程序的波特率、停止位、校驗(yàn)位等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通信編程簡(jiǎn)單化[2]。

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

2.1.1 初始化程序設(shè)計(jì)。組合框A和B內(nèi)的選擇號(hào)在系統(tǒng)初始化階段完成，在“顯示時(shí)”內(nèi)由程序設(shè)置。設(shè)置程序如下：

初始化組合框A

圖中故障最小號(hào)11，最大號(hào)25，表示本次發(fā)送故障號(hào)只能限于11-25號(hào)，其他故障不能發(fā)送，便于教師快速選擇。

2.1.2 發(fā)送故障程序設(shè)計(jì)。發(fā)送程序在“存在時(shí)”中實(shí)現(xiàn)，每3秒循環(huán)一次，代碼如下：

圖4 故障號(hào)及電器柜號(hào)發(fā)送流程圖

圖5 故障號(hào)選擇及機(jī)床電器柜號(hào)選擇顯示

發(fā)送到PLC的只有故障號(hào)與電器柜號(hào)。在組合框C中，現(xiàn)實(shí)的格式是“故障號(hào)：線號(hào)1--線號(hào)2，教師很方便看到故障號(hào)與故障點(diǎn)線號(hào)之間的關(guān)系。圖中故障號(hào)選擇”17:008-045”，表示選擇17號(hào)故障，故障點(diǎn)兩端線號(hào)分別是008和045。圖中機(jī)床電器柜號(hào)選擇是12號(hào)，意味著本次故障是發(fā)送到12號(hào)電器柜的，其他電器柜不會(huì)響應(yīng)[3]。

2.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 PLC硬件系統(tǒng)。PLC采用西門子S7-200的CPU 226（24輸入/16輸出），擴(kuò)展模塊使用EM 223（ 16入/16出繼電器）。

圖6 PLC接線圖

故障設(shè)置實(shí)現(xiàn)：使用繼電器接點(diǎn)控制機(jī)床電器柜的故障點(diǎn)的通斷，設(shè)置故障。電器線路故障表現(xiàn)形式主要有短路和斷路，短路用繼電器常開點(diǎn)控制，一旦繼電器得電，形成短路故障，斷路用繼電器常閉接點(diǎn)控制，一旦繼電器得電，形成斷路故障。PLC根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的故障號(hào)，控制對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作，即完成故障設(shè)置。

圖7 輸出接口原理圖

圖8 輸入鍵盤原理圖

故障排除實(shí)現(xiàn)：學(xué)生找到故障點(diǎn)后，輸入故障點(diǎn)的兩端線 號(hào)，PLC通過內(nèi)部“表格”對(duì)比，找出線號(hào)對(duì)應(yīng)的故障號(hào)，如果與上位機(jī)發(fā)來的故障號(hào)一致，則控制輸出繼電器復(fù)位，故障排除，如果故障號(hào)不一致，表示學(xué)生沒有找到故障點(diǎn)，PLC不做出反應(yīng)（如果輸出點(diǎn)足夠的話，也可以使用一個(gè)蜂鳴器，用不同長(zhǎng)短的聲音提示），學(xué)生繼續(xù)找故障，直到找到正確故障號(hào)。

2.4.2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)。PLC控制軟件負(fù)責(zé)接受上位機(jī)發(fā)送來的故障號(hào)和電器柜號(hào)，首先檢查發(fā)送來的電器柜號(hào)，如果與本電氣柜號(hào)一致，則按照故障號(hào)設(shè)置故障。同時(shí)，接受鍵盤輸入線路編號(hào)，根據(jù)線路編號(hào)表格，找出對(duì)應(yīng)故障號(hào)，做出相應(yīng)控制[4]。

PLC系統(tǒng)控制控制控制框圖如圖所示。

圖9 PLC控制系統(tǒng)示意框圖

圖10 主程序（部分）

PLC控制系統(tǒng)由主程序，及InputKey、DelKey、SetM、ResetM、Multi、AddTh、Table七個(gè)子程序構(gòu)成，介紹如下：

2.4.2.1 主程序。主程序完成系統(tǒng)初始化，主要功能：

＊根據(jù)接受上位機(jī)傳送來的電器柜號(hào)，如果確認(rèn)與本電器柜一致，調(diào)用子程序SetM，設(shè)置故障。

＊接受鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，調(diào)用InputKey，處理接收到的數(shù)據(jù)。

＊如果輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，調(diào)用DelKey刪除數(shù)據(jù)，重新輸入數(shù)據(jù)。

＊VB21保存上位即發(fā)來的故障號(hào)，若VB21=5，調(diào)用故障設(shè)置子程序。不同的電器柜，設(shè)置不同的調(diào)用條件，如VB21=1、V21=18……

2.4.2.2 子程序SetM。子程序SetM的功能是根據(jù)上位機(jī)傳來的故障號(hào)，設(shè)置故障。將故障號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)接通，繼電器得電，設(shè)置故障。

圖11 故障設(shè)置子程序（部分）

圖中分別為設(shè)置2、3、4號(hào)故障支路。VB11保存上位機(jī)發(fā)送來故障號(hào)。

2.4.2.3 子程序InputKey及DelKey。InputKey的功能是將鍵盤輸入的數(shù)據(jù)（線號(hào)，一個(gè)故障點(diǎn)有兩個(gè)線號(hào)，每個(gè)線號(hào)由三位組成）分別存入按順序存入VB1、VB2、VB3、VB4、VB5、VB6六個(gè)存儲(chǔ)器中。

DelKey的功能是刪除輸入的數(shù)據(jù)，它的操作內(nèi)容是將輸入數(shù)據(jù)標(biāo)志清零，表示數(shù)據(jù)需要重新輸入，以前的輸入數(shù)據(jù)作廢[5]。

2.4.2.4 子程序 ResetM。子程序 ResetM的功能是根據(jù)學(xué)生輸入的六個(gè)數(shù)碼，調(diào)用子程序Multi、AddTh，換算成線號(hào)（兩個(gè)），根據(jù)兩個(gè)線號(hào)，調(diào)用子程序Table，找出故障號(hào)，保存在VB2中，然后對(duì)比故障號(hào)，若故障號(hào)與上位機(jī)傳來的一致，則恢復(fù)故障，若不一致，刪除數(shù)據(jù)（故障不恢復(fù)）。學(xué)生需要重新查找故障，重新輸入線號(hào)。

2.4.2.5 子程序 Multi、AddTh、Table。子程序Multi完成兩個(gè)數(shù)據(jù)相乘運(yùn)算、AddTh完成三個(gè)數(shù)據(jù)相加運(yùn)算、Table完成根據(jù)兩個(gè)線號(hào)找到故障號(hào)，故障號(hào)存在VB2中，作為恢復(fù)故障的依據(jù)例如，學(xué)生輸入1、8、1、1、8、2六個(gè)數(shù)碼，則調(diào)用子程序運(yùn)算1×100+8×10+1=181（第一個(gè)線號(hào)）；1×100+8×10+2=182（第二個(gè)線號(hào)），調(diào)用子程序Table，根據(jù)兩個(gè)線號(hào)，找到故障號(hào)“7”。這個(gè)“7”就是本次學(xué)生輸入的故障號(hào)[6]。

3 結(jié)束語

機(jī)床電器維修人員是制造類企業(yè)必需的維修人才，職業(yè)院校機(jī)電類及裝備制造類專業(yè)廣泛開設(shè)機(jī)床電器維修課程。機(jī)床電器維修課程教學(xué)存在故障模擬難的狀況，目前市場(chǎng)上的相關(guān)設(shè)備使用乒乓開關(guān)人工切斷控制線路設(shè)置故障或基于PC-單片機(jī)的控制方式設(shè)置故障。存在保密性差，學(xué)生可以看到老師設(shè)置的故障，從而對(duì)故障診斷缺乏興趣及抗干擾性差，經(jīng)常發(fā)生設(shè)置故障失敗的情況。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功克服了以上問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用組態(tài)技術(shù)非常成熟，通信不需要考慮通信參數(shù)，PLC可靠性高，必定會(huì)得到市場(chǎng)認(rèn)可。