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PLC的維修電工故障排查考核實訓裝置智能化改造


在當代電力技術飛速發展的前進浪潮下,電力應用在國民生產、生活當中起到越來越明顯的作用,這也造成電工技術類人才供不應求,因此電工類教學規模不斷擴大,專業實訓設備的重要性日益顯現。同時,實踐教學是衡量職業院校發展水平的重要指標,各所院校非常重視,但受限于院校的資金、場地等因素,實訓設備通常無法及時得到更新換代,目前大多數職業院校所使用的電工設備是20世紀90年代遺留的。傳統實訓設備雖然具有故障率低、研制簡單的優點,但由于設備落后、人性化考慮不足,導致在實踐教學和技能鑒定過程中設備陳舊、操作性差、功能單一的問題日益嚴重。以廣東環境保護工程職業學院的維修電工故障排查考核實訓裝置為例,如圖1所示,就存在不少缺陷:1.采用簡單的船型開關設置故障,操作設置不科學,不夠人性化、智能化;2.設備陳舊,嚴重制約著該項目的實訓高效性,影響教師的日常授課,不利于學生快速掌握維修技能;3.傳統設備不能有效防止該項目考核時學生的作弊行為;4.傳統設備不便于技能競賽和鑒定的故障設置和評分工作開展;5.設備智能化不足,功能單一,后期可擴展性不強。
據考察,現階段部分職業院校自行研制維修電工實訓設備,也存在設計簡單、功能單一的問題。而部分職業院校直接采購教學儀器設備生產商的產品,其中資金較為充足的職業院校裝備了高端產品,包含了半實體仿真和物聯網功能,設備不僅功能強大,且智能化程度高,可直接用于教師機發布故障信息和結果鑒定,后期擴展性好,但價格高昂。

圖1 傳統維修電工故障排查考核實訓裝置
綜上所述,市場上不乏功能強大的優質設備,但也存在價格高昂或者功能冗余的現狀,同時直接采購進行更新換代,不僅造成原有設備的閑置浪費也未必適宜院校的實際教學情況。因此,對學院現有的實訓設備進行二次升級改造成為行之有效的應對方案。
1、改造方案
以上述維修電工故障排查考核實訓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裝置上的操作按鈕升級為HMI組態棒圖,故障設置開關替換為繼電器,并加裝可編程處理器(PLC),實現故障設置和故障判斷的邏輯控制,組成一套智能電氣控制系統,整體如圖2所示。系統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和技能鑒定。

圖2 改造方案控制系統框圖

圖3 硬件回路圖
2、控制系統設計
2.1硬件設計
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。控制系統回路中,考慮成本因素,PLC可選用三菱的FX3U-16MR,并選用數字量擴展模塊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個繼電器轉接:其中11個繼電器的常開常閉觸點替代原故障設置船型開關,同時PLC的故障設置信息輸出采用脈沖形式,輸出后繼電器自鎖狀態,1個繼電器用于清除故障,解除自鎖。
最后增加開關電源完成觸摸屏和繼電器的供電。而PLC輸入口,可以預留作為故障碼的設置,通過檢測繼電器常閉觸點的狀態,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裝置改造實物圖
2.1.2控制系統實物圖
如上述回路,改造后的維修電工故障排查考核實訓裝置實物參考圖4。
2.2軟件設計
本考核實訓裝置電氣控制系統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。可選擇進入“幫助”“練習模式”和“考核模式”,如圖5,選擇后可啟動對應的模塊功能,其中“考核模式”的進入設置有賬戶權限。

圖5 歡迎界面
2.2.2練習模式
該模式可開展模擬考核,相關操作均沒有設置權限,對所有使用者開放,主要用于教師日常教學或學生的練習。
在該模式下,教師/學生設置完故障點和獎罰分數(鎖定前可修改),提交后控制系統鎖定設置并輸出故障信息,如有修改需求可清零設置。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),提交后系統將鎖定選擇,給出分數,并提供實際故障點用于與診斷結果對比。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。其特點是增設了“賬戶權限”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
為了應對綜合實訓與技能鑒定兩種不同場合的實際使用情況,考核模式的操作權限設置“教師(考評員)”與“管理員”兩種不同的用戶組,分別對應不同的密碼。其中對故障設置、故障判斷、系統設置和返回功能的操作權限對兩個用戶組均開放。其中修改密碼權限僅對“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致密碼丟失。
2.2.5掉電記錄功能
為應對在考證操作過程中,因斷電或死機等意外情況導致故障信息或成績丟失,設備的使用過程的重要數據,包括當前操作畫面、賬戶信息、操作密碼、故障設置信息、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,可恢復至斷電時刻的狀態。

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組態界面設計
組態界面可分為歡迎、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
改造后的設備,很好地提升了維修電工故障排查考核實訓裝置的智能化水平,在故障設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,同時通過新設備,教師對學生技能掌握評價的準確性更好。
然而,在實際應用過程,也發現了改造后的設備在人性化方面仍然具有不少提升空間,如不具備物聯網功能,無法在上位機實現考題的統一發布和學生答卷的統一回收評分,需要在考核階段對設備逐臺設置;同時,在故障設置過程,沒有開發對應的“一鍵隨機設故”功能,需要逐個故障點進行設置,不夠保密高效。
4、結論
實踐證明,本論文所闡述的基于現有的維修電工故障排查考核實訓裝置通過增設“可編程控制器+人機界面”組成的電氣控制系統的智能化改造方案,對于提升實踐教學質量具有重要意義:
第一,改善學生實習實訓的環境。改造后的設備,能明顯提升設備的性能,在操作上更為人性化和智能化,使得綜合實訓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質量。改造后的設備,更符合電工國家職業標準與技能等級考核需求,能夠滿足職業院校開展從維修電工初級工到高級工培訓及考證的需求,并且更為接近實際維修過程,能提高技能鑒定社會培訓質量和效率。
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,確定裝置應具備的功能,以及實現功能的軟硬件架構和方案,最后進行設計、改造和調試,在這過程中,有助于增強教師的理論及實踐能力。
第四,推動職業院校實踐教學改革。實訓設備的改造順應職業院校課程改革的浪潮,不僅滿足職業院校電氣技術專業學生的實訓和鑒定需求,也進而推動職業院校在實踐教學方面的改革。同時實現陳舊設備的二次利用,提高設備利用率,符合當下環保的辦學理念。

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