PLC的维修电工故障排查考核实训装置智能化改造

在当代电力技术飞速发展的前进浪潮下，电力应用在国民生产、生活当中起到越来越明显的作用，这也造成电工技术类人才供不应求，因此电工类教学规模不断扩大，专业实训设备的重要性日益显现。同时，实践教学是衡量职业院校发展水平的重要指标，各所院校非常重视，但受限于院校的资金、场地等因素，实训设备通常无法及时得到更新换代，目前大多数职业院校所使用的电工设备是20世纪90年代遗留的。传统实训设备虽然具有故障率低、研制简单的优点，但由于设备落后、人性化考虑不足，导致在实践教学和技能鉴定过程中设备陈旧、操作性差、功能单一的问题日益严重。以广东环境保护工程职业学院的维修电工故障排查考核实训装置为例，如图1所示，就存在不少缺陷：1.采用简单的船型开关设置故障，操作设置不科学，不够人性化、智能化；2.设备陈旧，严重制约着该项目的实训高效性，影响教师的日常授课，不利于学生快速掌握维修技能；3.传统设备不能有效防止该项目考核时学生的作弊行为；4.传统设备不便于技能竞赛和鉴定的故障设置和评分工作开展；5.设备智能化不足，功能单一，后期可扩展性不强。
据考察，现阶段部分职业院校自行研制维修电工实训设备，也存在设计简单、功能单一的问题。而部分职业院校直接采购教学仪器设备生产商的产品，其中资金较为充足的职业院校装备了高端产品，包含了半实体仿真和物联网功能，设备不仅功能强大，且智能化程度高，可直接用于教师机发布故障信息和结果鉴定，后期扩展性好，但价格高昂。

图1　传统维修电工故障排查考核实训装置
综上所述，市场上不乏功能强大的优质设备，但也存在价格高昂或者功能冗余的现状，同时直接采购进行更新换代，不仅造成原有设备的闲置浪费也未必适宜院校的实际教学情况。因此，对学院现有的实训设备进行二次升级改造成为行之有效的应对方案。
1、改造方案
以上述维修电工故障排查考核实训装置的升级改造为例，本文以其中“CA6140型卧式车床”的考核装置（原电路有11个故障点）展开阐述。该套方案是将原有考核实训装置上的操作按钮升级为HMI组态棒图，故障设置开关替换为继电器，并加装可编程处理器（PLC），实现故障设置和故障判断的逻辑控制，组成一套智能电气控制系统，整体如图2所示。系统同时具备练习模式和考核模式，其中考核模式具有账户管理功能和掉电记录功能，有更好的操作性和保密性，便于开展故障排查综合实训和技能鉴定。

图2　改造方案控制系统框图

图3　硬件回路图
2、控制系统设计
2.1硬件设计
2.1.1硬件回路图
硬件回路图（见图3）可分为三块：主回路、控制回路和控制系统回路。其中主回路和控制回路作为“CA6140型卧式车床”的考核背景电路不做改动。控制系统回路中，考虑成本因素，PLC可选用三菱的FX3U-16MR，并选用数字量扩展模块FX2N-8EYR增加输入输出点，触摸屏选用昆仑通泰TPC7062KS（TX）7寸触摸屏。为处理PLC输出口COM端共用问题和避免PLC输出口信号灯的提示作用，增加12个继电器转接：其中11个继电器的常开常闭触点替代原故障设置船型开关，同时PLC的故障设置信息输出采用脉冲形式，输出后继电器自锁状态，1个继电器用于清除故障，解除自锁。
最后增加开关电源完成触摸屏和继电器的供电。而PLC输入口，可以预留作为故障码的设置，通过检测继电器常闭触点的状态，检测继电器是否符合当前的程序控制。

图4　维修电工故障排查考核实训装置改造实物图
2.1.2控制系统实物图
如上述回路，改造后的维修电工故障排查考核实训装置实物参考图4。
2.2软件设计
本考核实训装置电气控制系统的软件主要由欢迎界面、练习模式、考核模式以及附加功能四个模块组成。
2.2.1欢迎界面
开机为欢迎界面。可选择进入“帮助”“练习模式”和“考核模式”，如图5，选择后可启动对应的模块功能，其中“考核模式”的进入设置有账户权限。

图5　欢迎界面
2.2.2练习模式
该模式可开展模拟考核，相关操作均没有设置权限，对所有使用者开放，主要用于教师日常教学或学生的练习。
在该模式下，教师/学生设置完故障点和奖罚分数（锁定前可修改），提交后控制系统锁定设置并输出故障信息，如有修改需求可清零设置。然后交给考试判断，考生判断电路后输入答案（提交前可修改），提交后系统将锁定选择，给出分数，并提供实际故障点用于与诊断结果对比。在练习过程，考生可随时点开电路图查看电路。练习完毕，教师/学生可复位重新开始。流程如图6展示。

图6　练习模式流程

图7　考核模式流程
2.2.3考核模式
考核模式主要用于技能鉴定。其特点是增设了“账户权限”与“密码管理”两项功能，配合使用可防止考生在考核过程中作弊。同时设置有“倒计时”和“近三次答题情况记录”功能，用于考核限时提醒和成绩记录。
该模式下，只有教师（考评员）/管理员可以登录，登录需验证密码。部分按钮的操作亦需要密码验证。不同的账户登录，需要验证不同的密码。其中管理员账号还具有修改密码权限。其余操作与练习模式基本一致。流程如图7展示。
2.2.4账号管理功能
为了应对综合实训与技能鉴定两种不同场合的实际使用情况，考核模式的操作权限设置“教师（考评员）”与“管理员”两种不同的用户组，分别对应不同的密码。其中对故障设置、故障判断、系统设置和返回功能的操作权限对两个用户组均开放。其中修改密码权限仅对“管理员”用户组开放，且“管理员”用户组不仅能修改本组操作密码，亦能修改“教师”用户组的密码，避免教师间修改密码缺乏沟通或者学生掌握密码后随意修改导致密码丢失。
2.2.5掉电记录功能
为应对在考证操作过程中，因断电或死机等意外情况导致故障信息或成绩丢失，设备的使用过程的重要数据，包括当前操作画面、账户信息、操作密码、故障设置信息、故障判断信息、倒计时和近三次答题情况记录均具备掉电保持功能，重新送电后，可恢复至断电时刻的状态。

图8　欢迎界面和帮助界面

图9　练习模式界面

图10　考核模式界面
2.3组态界面设计
组态界面可分为欢迎、帮助、练习模式和考核模式四个界面。具体可参考图8至图10。
3、改造效果
改造后的设备，很好地提升了维修电工故障排查考核实训装置的智能化水平，在故障设置和故障排除过程中，都更为简单易用。实践教学开展不仅提高了教学效果，也大大提升了技能鉴定的开展效率，同时通过新设备，教师对学生技能掌握评价的准确性更好。
然而，在实际应用过程，也发现了改造后的设备在人性化方面仍然具有不少提升空间，如不具备物联网功能，无法在上位机实现考题的统一发布和学生答卷的统一回收评分，需要在考核阶段对设备逐台设置；同时，在故障设置过程，没有开发对应的“一键随机设故”功能，需要逐个故障点进行设置，不够保密高效。
4、结论
实践证明，本论文所阐述的基于现有的维修电工故障排查考核实训装置通过增设“可编程控制器+人机界面”组成的电气控制系统的智能化改造方案，对于提升实践教学质量具有重要意义：
第一，改善学生实习实训的环境。改造后的设备，能明显提升设备的性能，在操作上更为人性化和智能化，使得综合实训和技能鉴定的开展更为高效合理。
第二，提升学校技能鉴定和社会培训质量。改造后的设备，更符合电工国家职业标准与技能等级考核需求，能够满足职业院校开展从维修电工初级工到高级工培训及考证的需求，并且更为接近实际维修过程，能提高技能鉴定社会培训质量和效率。
第三，加强教师理论研究水平。在智能化改造过程中，需要学校教师综合院校实际情况，收集师生各方面需求，确定装置应具备的功能，以及实现功能的软硬件架构和方案，最后进行设计、改造和调试，在这过程中，有助于增强教师的理论及实践能力。
第四，推动职业院校实践教学改革。实训设备的改造顺应职业院校课程改革的浪潮，不仅满足职业院校电气技术专业学生的实训和鉴定需求，也进而推动职业院校在实践教学方面的改革。同时实现陈旧设备的二次利用，提高设备利用率，符合当下环保的办学理念。