PLC的維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置智能化改造
在當代電力技術(shù)飛速發(fā)展的前進浪潮下，電力應(yīng)用在國民生產(chǎn)、生活當中起到越來越明顯的作用，這也造成電工技術(shù)類人才供不應(yīng)求，因此電工類教學規(guī)模不斷擴大，專業(yè)實訓(xùn)設(shè)備的重要性日益顯現(xiàn)。同時，實踐教學是衡量職業(yè)院校發(fā)展水平的重要指標，各所院校非常重視，但受限于院校的資金、場地等因素，實訓(xùn)設(shè)備通常無法及時得到更新?lián)Q代，目前大多數(shù)職業(yè)院校所使用的電工設(shè)備是20世紀90年代遺留的。傳統(tǒng)實訓(xùn)設(shè)備雖然具有故障率低、研制簡單的優(yōu)點，但由于設(shè)備落后、人性化考慮不足，導(dǎo)致在實踐教學和技能鑒定過程中設(shè)備陳舊、操作性差、功能單一的問題日益嚴重。以廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院的維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置為例，如圖1所示，就存在不少缺陷：1.采用簡單的船型開關(guān)設(shè)置故障，操作設(shè)置不科學，不夠人性化、智能化；2.設(shè)備陳舊，嚴重制約著該項目的實訓(xùn)高效性，影響教師的日常授課，不利于學生快速掌握維修技能；3.傳統(tǒng)設(shè)備不能有效防止該項目考核時學生的作弊行為；4.傳統(tǒng)設(shè)備不便于技能競賽和鑒定的故障設(shè)置和評分工作開展；5.設(shè)備智能化不足，功能單一，后期可擴展性不強。
據(jù)考察，現(xiàn)階段部分職業(yè)院校自行研制維修電工實訓(xùn)設(shè)備，也存在設(shè)計簡單、功能單一的問題。而部分職業(yè)院校直接采購教學儀器設(shè)備生產(chǎn)商的產(chǎn)品，其中資金較為充足的職業(yè)院校裝備了高端產(chǎn)品，包含了半實體仿真和物聯(lián)網(wǎng)功能，設(shè)備不僅功能強大，且智能化程度高，可直接用于教師機發(fā)布故障信息和結(jié)果鑒定，后期擴展性好，但價格高昂。
圖1 傳統(tǒng)維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置
綜上所述，市場上不乏功能強大的優(yōu)質(zhì)設(shè)備，但也存在價格高昂或者功能冗余的現(xiàn)狀，同時直接采購進行更新?lián)Q代，不僅造成原有設(shè)備的閑置浪費也未必適宜院校的實際教學情況。因此，對學院現(xiàn)有的實訓(xùn)設(shè)備進行二次升級改造成為行之有效的應(yīng)對方案。
1、改造方案
以上述維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置的升級改造為例，本文以其中“CA6140型臥式車床”的考核裝置（原電路有11個故障點）展開闡述。該套方案是將原有考核實訓(xùn)裝置上的操作按鈕升級為HMI組態(tài)棒圖，故障設(shè)置開關(guān)替換為繼電器，并加裝可編程處理器（PLC），實現(xiàn)故障設(shè)置和故障判斷的邏輯控制，組成一套智能電氣控制系統(tǒng)，整體如圖2所示。系統(tǒng)同時具備練習模式和考核模式，其中考核模式具有賬戶管理功能和掉電記錄功能，有更好的操作性和保密性，便于開展故障排查綜合實訓(xùn)和技能鑒定。
圖2 改造方案控制系統(tǒng)框圖
圖3 硬件回路圖
2、控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1硬件設(shè)計
2.1.1硬件回路圖
硬件回路圖（見圖3）可分為三塊：主回路、控制回路和控制系統(tǒng)回路。其中主回路和控制回路作為“CA6140型臥式車床”的考核背景電路不做改動�？刂葡到y(tǒng)回路中，考慮成本因素，PLC可選用三菱的FX3U-16MR，并選用數(shù)字量擴展模塊FX2N-8EYR增加輸入輸出點，觸摸屏選用昆侖通泰TPC7062KS（TX）7寸觸摸屏。為處理PLC輸出口COM端共用問題和避免PLC輸出口信號燈的提示作用，增加12個繼電器轉(zhuǎn)接：其中11個繼電器的常開常閉觸點替代原故障設(shè)置船型開關(guān)，同時PLC的故障設(shè)置信息輸出采用脈沖形式，輸出后繼電器自鎖狀態(tài)，1個繼電器用于清除故障，解除自鎖。
最后增加開關(guān)電源完成觸摸屏和繼電器的供電。而PLC輸入口，可以預(yù)留作為故障碼的設(shè)置，通過檢測繼電器常閉觸點的狀態(tài)，檢測繼電器是否符合當前的程序控制。
圖4 維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置改造實物圖
2.1.2控制系統(tǒng)實物圖
如上述回路，改造后的維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置實物參考圖4。
2.2軟件設(shè)計
本考核實訓(xùn)裝置電氣控制系統(tǒng)的軟件主要由歡迎界面、練習模式、考核模式以及附加功能四個模塊組成。
2.2.1歡迎界面
開機為歡迎界面�？蛇x擇進入“幫助”“練習模式”和“考核模式”，如圖5，選擇后可啟動對應(yīng)的模塊功能，其中“考核模式”的進入設(shè)置有賬戶權(quán)限。
圖5 歡迎界面
2.2.2練習模式
該模式可開展模擬考核，相關(guān)操作均沒有設(shè)置權(quán)限，對所有使用者開放，主要用于教師日常教學或?qū)W生的練習。
在該模式下，教師/學生設(shè)置完故障點和獎罰分數(shù)（鎖定前可修改），提交后控制系統(tǒng)鎖定設(shè)置并輸出故障信息，如有修改需求可清零設(shè)置。然后交給考試判斷，考生判斷電路后輸入答案（提交前可修改），提交后系統(tǒng)將鎖定選擇，給出分數(shù)，并提供實際故障點用于與診斷結(jié)果對比。在練習過程，考生可隨時點開電路圖查看電路。練習完畢，教師/學生可復(fù)位重新開始。流程如圖6展示。
圖6 練習模式流程
圖7 考核模式流程
2.2.3考核模式
考核模式主要用于技能鑒定。其特點是增設(shè)了“賬戶權(quán)限”與“密碼管理”兩項功能，配合使用可防止考生在考核過程中作弊。同時設(shè)置有“倒計時”和“近三次答題情況記錄”功能，用于考核限時提醒和成績記錄。
該模式下，只有教師（考評員）/管理員可以登錄，登錄需驗證密碼。部分按鈕的操作亦需要密碼驗證。不同的賬戶登錄，需要驗證不同的密碼。其中管理員賬號還具有修改密碼權(quán)限。其余操作與練習模式基本一致。流程如圖7展示。
2.2.4賬號管理功能
為了應(yīng)對綜合實訓(xùn)與技能鑒定兩種不同場合的實際使用情況，考核模式的操作權(quán)限設(shè)置“教師（考評員）”與“管理員”兩種不同的用戶組，分別對應(yīng)不同的密碼。其中對故障設(shè)置、故障判斷、系統(tǒng)設(shè)置和返回功能的操作權(quán)限對兩個用戶組均開放。其中修改密碼權(quán)限僅對“管理員”用戶組開放，且“管理員”用戶組不僅能修改本組操作密碼，亦能修改“教師”用戶組的密碼，避免教師間修改密碼缺乏溝通或者學生掌握密碼后隨意修改導(dǎo)致密碼丟失。
2.2.5掉電記錄功能
為應(yīng)對在考證操作過程中，因斷電或死機等意外情況導(dǎo)致故障信息或成績丟失，設(shè)備的使用過程的重要數(shù)據(jù)，包括當前操作畫面、賬戶信息、操作密碼、故障設(shè)置信息、故障判斷信息、倒計時和近三次答題情況記錄均具備掉電保持功能，重新送電后，可恢復(fù)至斷電時刻的狀態(tài)。
圖8 歡迎界面和幫助界面
圖9 練習模式界面
圖10 考核模式界面
2.3組態(tài)界面設(shè)計
組態(tài)界面可分為歡迎、幫助、練習模式和考核模式四個界面。具體可參考圖8至圖10。
3、改造效果
改造后的設(shè)備，很好地提升了維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置的智能化水平，在故障設(shè)置和故障排除過程中，都更為簡單易用。實踐教學開展不僅提高了教學效果，也大大提升了技能鑒定的開展效率，同時通過新設(shè)備，教師對學生技能掌握評價的準確性更好。
然而，在實際應(yīng)用過程，也發(fā)現(xiàn)了改造后的設(shè)備在人性化方面仍然具有不少提升空間，如不具備物聯(lián)網(wǎng)功能，無法在上位機實現(xiàn)考題的統(tǒng)一發(fā)布和學生答卷的統(tǒng)一回收評分，需要在考核階段對設(shè)備逐臺設(shè)置；同時，在故障設(shè)置過程，沒有開發(fā)對應(yīng)的“一鍵隨機設(shè)故”功能，需要逐個故障點進行設(shè)置，不夠保密高效。
4、結(jié)論
實踐證明，本論文所闡述的基于現(xiàn)有的維修電工故障排查考核實訓(xùn)裝置通過增設(shè)“可編程控制器+人機界面”組成的電氣控制系統(tǒng)的智能化改造方案，對于提升實踐教學質(zhì)量具有重要意義：
第一，改善學生實習實訓(xùn)的環(huán)境。改造后的設(shè)備，能明顯提升設(shè)備的性能，在操作上更為人性化和智能化，使得綜合實訓(xùn)和技能鑒定的開展更為高效合理。
第二，提升學校技能鑒定和社會培訓(xùn)質(zhì)量。改造后的設(shè)備，更符合電工國家職業(yè)標準與技能等級考核需求，能夠滿足職業(yè)院校開展從維修電工初級工到高級工培訓(xùn)及考證的需求，并且更為接近實際維修過程，能提高技能鑒定社會培訓(xùn)質(zhì)量和效率。
第三，加強教師理論研究水平。在智能化改造過程中，需要學校教師綜合院校實際情況，收集師生各方面需求，確定裝置應(yīng)具備的功能，以及實現(xiàn)功能的軟硬件架構(gòu)和方案，最后進行設(shè)計、改造和調(diào)試，在這過程中，有助于增強教師的理論及實踐能力。
第四，推動職業(yè)院校實踐教學改革。實訓(xùn)設(shè)備的改造順應(yīng)職業(yè)院校課程改革的浪潮，不僅滿足職業(yè)院校電氣技術(shù)專業(yè)學生的實訓(xùn)和鑒定需求，也進而推動職業(yè)院校在實踐教學方面的改革。同時實現(xiàn)陳舊設(shè)備的二次利用，提高設(shè)備利用率，符合當下環(huán)保的辦學理念。
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