基于PLC触屏式铣床电路排故实训装置的设计

梁 刚，蒙雪兰

（广西农业职业技术学院，广西 南宁530007）

1 设计背景

当前，高职机电类专业在《机床电气维修》课程教学中的常用设备，处于两极分化的境况。部分中高职院校机电类专业采用的其中一种方式就是使用稍作改造的真实机床电路板作为故障排除训练的装置，装置实物图如图1a所示。其优点是体积小、价格便宜，装置与真实机床电气线路一样，排故方式与真实机床排故无差别，也便于师生维护维修、更换配件。但这种装置的缺点很明显，甚至可以说比较落伍：其故障设置点数总共只有4～6个，仅能采用人工设置，随机设故意义不大，因此在授课过程中无法更全面的检验学生的故障排除能力；同时在考核评分方面的便利性较差，仍需教师采用人工方式进行。由于该装置需要使用教师有较强的设计与实践能力来自行完成装置改造，故采用这类装置的中高职机电类专业院校并不多见，其成本大约为7 000元/套。

另一种则是教学仪器设备的市场上售卖的机床电气故障排除教学装置，这类装置多采用线路图刻板设计，同时使用计算机及相应软件设置故障，装置实物图见图2。这类市售的教仪装置优点是可设置故障点多（几十甚至上百），既可人工设置故障，也可以自动随机设故，同时可实现限时考核与评分。尽管这种装置优点很明显，但也同样有着不可解决的缺点：设备块头大、占地面积多、单机价格昂贵、须另配计算机、排故方式与真实机床排故差别大、师生无法自行维护、需要依赖设备提供商的售后服务。这类装置以购买和使用方便的优势，在中高职机电类专业院校中广泛使用，其市场售价通常动辄大几万甚至上十万，价格虚高。

针对上述高职机电类专业在《机床电气维修》课程教学中常用设备在日常教学过程中的痛点，本文拟设计一款将上述两者优势结合而去其劣势的新装置，使装置在功能应用上更为人性化、便利化和智能化，适用性和通用性也应更强。

2 设计思路

为了让新设备能更便于开展相关教学，本文拟在所在院校旧有的W62铣床电路排故实验板（如图1所示）的基础上进行改进，去除原先旧有的人工设置断路故障开关组，增加PLC和触摸屏作为故障设置和考评系统，系统组成框图如图2所示[1]。通过改进，去除原有的故障设置点少、只能人工设置故障、没有自动考评功能等缺点，使新装置具备故障设置点数量足够多、故障点可随机设置、排故结束能完成评分等功能。而由于此类系统的控制核心和设置故障的方式都是机电类专业教师掌握的技术，在维护维修方面有着不可替代的便利性。尽管采取本方案的系统构成在较多文献中已有类似或一致之处，但在PLC控制系统下，加入随机设置故障的方式和评分功能仍为空白，而针对多种教学情境设计不同的模式是前述第二类设备目前也不具备的功能，因此具有相当的参考意义。

图1 两种常见XW62铣床电路排故装置实物图

图2 新铣床电路排故装置组成系统框图

3 电路设计

为了实现更全面地训练铣床电路故障排除技能的目标，本课题组经过与开展相关研究的教师交流探讨，最终从主轴控制电路部分、工作进给控制电路部分、冷却液供给控制电路部分以及变压器电源输出部分选择18个比较常见的故障点作为本实验箱的基本故障点。鉴于故障排除当中进行通电试车的危险性，我们设置的故障依然与市场上及旧有设备上的故障设置方式采取了同样的类型——仅设置断路故障，而不设置错线或短路故障，以避免出现安全事故。断路点号码参照文中图3所示控制电路部分标注的线号点（如表1所示即为本文拟设置的断路点及PLC通道分配表）。

图3 X62W万能铣床电气原理图

表1 XW62铣床电路拟设置故障断路点及PLC输出控制端分配表

考虑到新装置使用三相交流电源，因此PLC主机也选择采用市电供电的型号FX3U-32MR即可。由于该款型号PLC输出端子只有16个，而需要控制的设故继电器有18个。因此，本文采取分组组合的方式来减少PLC输出端子的使用，最终用12个输出端子即可完成18个故障点的随机设故。根据表1所作分配，本课题对实验箱故障设置系统的PLC输出端子的外部接线图设计如图4所示。

图4 故障设置系统的PLC外部接线图

本文取故障点“6”为例，设置故障的原理如图5所示：将图5a中“6”号电位点处断开，增加设故继电器KA5的常闭触点将断开处两端连接起来（如图5b所示），当KA5线圈断电时，KA5常闭触点保持接通，此时该电路处于通路状态，可模拟出电路正常工作情况；当KA5线圈得电时，KA5常闭触点将断开“6”号电位点，此时该电路处于断路状态（如图5c所示），可模拟出电路故障情况。

图5 铣床电路故障设置原理

4 程序设计

新装置的功能设计主要包括三个功能：能设置不同的应用模式以满足不同的实践模式，能实现随机输出控制2～4个设故继电器得电，能根据排故完成情况实现自动评分。

（1）新装置的多情境教学模式设计

为了便于教学应用，本课题组针对实践教学常用的课堂训练、课程考核以及技能竞赛三种工况，采取了选择序列设计的工作流程，使其可以满足这三种模式下的应用。故障设置系统的具体工作流程如图6所示，多情境教学模式选择界面如图7所示[2]。

图6 故障设置系统工作流程图

图7 多种教学情境模式选择界面

根据上述流程，实验箱故障设置系统设计的程序包含系统控制流程主程序部分、系统随机设故子程序部分、系统评分程序部分。本文的系统控制流程主程序采取的是比较典型的选择序列分支流程，其具体设计不再详细叙述。下面针对随机设故、排故操作和系统评分等关键部分展开。

（2）随机设故设计

本文为了便于在PLC中自动生成随机输出，借鉴郭波、邹丽梅在《PLC随机数发生器程序研究与设计》一文中利用线性同余算法生成伪随机数的方式[2]，将该子程序的输出区间调整为[1，12]，具体如图8所示。这样，将会获取一个从“1”至“12”区间范围内的随机整数生成器，并将结果保存于“D10”。为便于在短时间内重复调用，使用“M8012”0.1秒时钟脉冲作为发生器的启动条件。以训练模式为例，调用子程序设计如图9所示。

图8 [1，12]区间随机整数生成子程序

图9 训练模式下调用随机数生成子程序梯形图设计

利用上述子程序生成随机整数后，本文使用触点比较指令作为PLC输出端子得电的条件，从而达到PLC输出端随机得电的目的，程序如图10所示。由于随机数生成是自动运转的，为避免短时间内将全部输出端子置位输出，因此还需要根据使用模式的要求设置输出的个数：如练习模式中仅需要设置两个故障点，使用各输出端子对应上升沿触点给C1计数器计数，计数结束后立刻停止子程序的调用即可。通过上述程序，在现场设故通常可在2 s之内完成故障设置，且具有较强的随机性和组合，对于可能出现的断路故障点有比较全面的覆盖，利于学生养成正确的故障排除思路。

图10 PLC输出端子Y0-Y3与随机数对应得电控制程序

本文通过实机测试，验证在考核模式下（输出3个有效的输出端），该随机输出子程序的输出控制情况。测试结果如表2所示。经过结果观察与统计，该程序随机输出能完整覆盖[1，12]区间整数，控制“Y0”至“Y13”这12个输出端子完成随机输出，具有一定的随机性。同时，为避免输出端子重复输出同号数值而导致故障点设置数不足，本文采取置位指令保持输出信号，对应输出端子上升沿触点进行计数的方式，确保在不同工作模式下输出相应的端子个数。

表2 采取考核模式下某30次随机输出情况记录表

（接上表）

（3）机床电路故障排除设计

为了便于故障排除，本文在人机界面的铣床电路图电位点上设计排故按钮，部分按钮与各故障点一一对应，部分按钮为空按钮，不对应故障点，界面设计如图 11 所示。其中，PLC 从“M20”到“M37”这 18个内部辅助继电器分别对应表1中各故障点。如人机界面电路图中标识为“6”的按钮控件，将其与PLC的“M25”进行连接，在组态中将“M25”设置为开关量读写模式即可。

图11 X62W铣床电路故障排除实训装置人机界面设计

当按下故障点对应按钮时，可复位该故障点的设故继电器，令故障得到排除，Y0-Y3部分排故的程序设计如图12所示。由于Y0端子为组别控制端子，此处排故操作的故障点复位无需对其复位，以免造成故障点更换。仍以图5中电位点“6”为例，设置该故障时，需要Y0和Y3两个端子同时接通，如果排除其他故障时将Y0端子复位，则会造成仅有Y3接通的情况出现，从而使故障点变成了“7”号点断开。

图12 排故程序设计

（4）评分设计

为了便于教学应用，本文在新装置中设计评分程序，按照三种的工作模式所设定的故障数不同，设置满分值分别为：训练模式90分对应两个故障点，考核模式90分对应3个故障点，竞赛模式100分对应4个故障点。其程序设计如图13所示。

图13 自动评分设计

同时，为了避免在排除故障过程中通过随机猜测的方式胡乱选择排故按钮进行解答操作，本课题在系统完成故障设置之后，即学生在进行排故操作及作答的过程中，设计随机答题限制机制，通过在程序中设置3个作答限制规则来规避猜题作答的漏洞：

规则一，按设定故障点的个数限定作答时间，超过限定时间将按照当前已按下的排故按钮情况进行打分。

规则二，按设定故障点的个数限定按排故按钮次数，超过限定个数将按照本次操作无效进行评分。

规则三，按下故障号对应按钮后，在限定时间内完成作答需要提前交卷的，还需要点击触屏的“提交”和“确认”按钮，系统才会评分。

上述三个规则通过定时器T1以及计数器C7、C8、C9和触屏提交按钮M10共同构成，提交后由M6评分按钮控制本次分数和使用时间的显示输出。

5 结论

通过对旧有机床电路故障排除实训装置的改造，使新的机床电路故障排除实训装置具备随机设置故障、人机界面排故、系统自动评分的功能，既解决了人工设置故障全面性不足的劣势，提高了教学过程的便利和后期维护的便利，同时在成本方面比前文所述第二种装置要低很多，使其具备两者的优点同时解决了机床电路故障排除实训课程的痛点，是一种值得推广应用的教学实训装备。