科技館展品控制電路板設(shè)計(jì)分析

1、科技館展品控制電路板設(shè)計(jì)分析 摘要:通過(guò)科普展品“奏樂(lè)電磁炮”控制電路板的研發(fā)制作過(guò)程，擬建立一套“展品控制電路板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程”，重點(diǎn)探討流程中每個(gè)步驟對(duì)控制電路板制作的作用與意義，希望該流程對(duì)日后展品控制電路設(shè)計(jì)制作提高制作工藝、降低維修難度起到一定參考作用。 關(guān)鍵詞:科技館展品;控制電路板標(biāo)準(zhǔn)化;設(shè)計(jì)和制作流程 隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，對(duì)科普教育事業(yè)越來(lái)越重視，各地也掀起了建設(shè)科技館的浪潮。科技展品是科技館的靈魂，也是科普傳播信息的主要載體，但因展品控制電路板設(shè)計(jì)和制作流程沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與要求，導(dǎo)致展品控制電路板質(zhì)量參差不齊、線路雜亂、無(wú)法追溯，致使后期維修困難。本文通過(guò)對(duì)廣西壯族自治

2、區(qū)科學(xué)技術(shù)館自行研發(fā)的“奏樂(lè)電磁炮”控制電路板設(shè)計(jì)制作過(guò)程來(lái)對(duì)建立展品控制電路板標(biāo)準(zhǔn)化制作流程的意義和可行性進(jìn)行分析與實(shí)踐，希望對(duì)科技館展品性能、品質(zhì)、維修方面的提升有一定的參考意義。 1建立科技館展品控制電路板的設(shè)計(jì)制作流程標(biāo)準(zhǔn)化意義 建立科技館展品控制電路的設(shè)計(jì)制作流程標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于制造企業(yè)和用戶兩端都有非常大的意義。對(duì)于展品企業(yè)，在培訓(xùn)新的電氣電路設(shè)計(jì)人員時(shí)，可快速學(xué)習(xí)展品控制電路的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)步驟，熟悉設(shè)計(jì)制圖標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)需要用到的圖框、設(shè)備符號(hào)、線標(biāo)標(biāo)號(hào)、宏文件早已成為固定的格式可隨時(shí)調(diào)取使用，便于新員工快速上手進(jìn)入崗位角色。對(duì)于熟練的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，可以免去很多重復(fù)勞動(dòng)，如單片機(jī)回路、P

3、LC面板接線圖等典型圖紙或回路等，通過(guò)宏的形式插入，效率高且錯(cuò)誤低，連選型工作都能減少，宏文件可以包含部件數(shù)據(jù)，他的受益是模塊化的設(shè)計(jì)駕輕就熟，多人同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)也能有效避免由于設(shè)備符號(hào)、線標(biāo)標(biāo)號(hào)等問(wèn)題導(dǎo)致匯總圖紙困難等問(wèn)題，確保順利地完成項(xiàng)目。設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行階段后出現(xiàn)故障時(shí)也能隨時(shí)調(diào)取所需圖紙，讓維修邏輯有跡可循，方便現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行故障分析，快速解決故障問(wèn)題，有效地減少因員工辭職導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法維修等問(wèn)題。科技館維修技術(shù)員使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程制作出來(lái)的展品主控制模塊更加統(tǒng)一、電路布局更加統(tǒng)一、制作風(fēng)格更加統(tǒng)一，在培訓(xùn)維修時(shí)就能更加專注地去學(xué)習(xí)一個(gè)系列的主控制模塊，再剖析幾個(gè)典型展品的控制電路板控制排故

4、方法，則可起到舉一反三的效果，大大減小維修難度?？梢?jiàn)，建立科技館展品控制電路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程的工作是一勞永逸的事情，可一次性的投入取得長(zhǎng)期性的回報(bào)。 2科技館展品控制電路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和制作流程的主要內(nèi)容 展品控制電路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程的建立由展品概況、互動(dòng)方式和實(shí)現(xiàn)方式、展品運(yùn)行流程圖與控制原理圖、展品主控制模塊選型、展品控制程序設(shè)計(jì)與元件注釋、控制電路板布局設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、控制電路板接線圖標(biāo)準(zhǔn)化、控制電路板制作七大塊組成。展品控制電路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程具體以廣西科技館展品技術(shù)部自行研發(fā)的展品“奏樂(lè)電磁炮”的控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程為例進(jìn)行探究。2.1展品概況。明確展品概況的作用在于明確展品的制作方向

5、和成品效果。展品實(shí)現(xiàn)方法和互動(dòng)方式的作用在于明確展品的主要構(gòu)造、工作方式以及觀眾的操作方式，從而得出展品控制電路板需要控制的點(diǎn)位數(shù)量以及控制形式，為后面主控制器的選型和主控制程序的邏輯做鋪墊。奏樂(lè)電磁炮是一件結(jié)合型創(chuàng)新展品，展品的設(shè)計(jì)思路是將電磁炮與敲擊琴結(jié)合，控制線圈電磁炮發(fā)射鋼球撞擊敲擊琴發(fā)出聲音，展示線圈電磁炮的工作原理和聲音的三要素兩個(gè)科普知識(shí)點(diǎn)。該展品將線圈電磁炮與鋁制敲擊琴結(jié)合，在電磁炮炮管口出口處安裝敲擊琴塊，電磁炮發(fā)射鋼球撞擊敲擊琴琴塊發(fā)出聲音，鋼球撞擊琴塊后落回初始點(diǎn)，展品總共15個(gè)線圈電磁炮，每個(gè)電磁炮炮管口安裝的敲擊琴塊長(zhǎng)度不同，被撞擊時(shí)震動(dòng)頻率不同從而產(chǎn)生不同音調(diào)。線圈

6、電磁炮由電源、升壓板、發(fā)射板、電容、線圈組成，由主控制模塊控制升壓板使電源對(duì)電容進(jìn)行充電，控制發(fā)射板使電容對(duì)線圈進(jìn)行瞬間放電形成磁場(chǎng)吸引鋼球向上運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)消失后靠慣性繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)撞擊琴塊回到初始點(diǎn)等待下一次激發(fā)。臺(tái)面設(shè)置17個(gè)金屬按鈕，其中15個(gè)按鈕在手動(dòng)模式下對(duì)應(yīng)15個(gè)電磁炮剩余兩個(gè)按鈕為展品啟動(dòng)和手自動(dòng)切換按鈕。觀眾體驗(yàn)時(shí)按“啟動(dòng)”按鈕啟動(dòng)展品，啟動(dòng)后默認(rèn)手動(dòng)模式可根據(jù)自己喜好操作15個(gè)電磁炮激發(fā)按鈕激發(fā)對(duì)應(yīng)的電磁炮彈奏音樂(lè)，在展品啟動(dòng)時(shí)可以通過(guò)按“手自動(dòng)”切換按鈕進(jìn)行手動(dòng)模式和自動(dòng)模式之間的切換。在自動(dòng)模式下，選擇展品預(yù)存展示樂(lè)曲則由主控制模塊自動(dòng)控制電磁炮進(jìn)行彈奏，體驗(yàn)時(shí)間為3min，

7、體驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后設(shè)備自動(dòng)停止，并對(duì)內(nèi)部電容進(jìn)行依次放電處理。2.2展品運(yùn)行流程圖與原理圖。展品運(yùn)行流程圖定義了展品的運(yùn)行流程及主控制程序的邏輯性、處理順序和程序中的觸發(fā)條件，是程序的一種圖形化表示方法，具有直觀、清晰、更易理解的特點(diǎn)。在后期運(yùn)行維護(hù)時(shí)維修人員可通過(guò)查詢展品運(yùn)行流程圖來(lái)了解整塊控制電路板的設(shè)計(jì)思路。展品控制原理圖能夠通過(guò)圖表的形式表示出主要控制設(shè)備之間的聯(lián)系，是展品控制電路板設(shè)計(jì)制作的基礎(chǔ)和重要依據(jù)，在展品控制電路板后期的調(diào)試、維修以及改進(jìn)過(guò)程中起著不可或缺的作用。（1）展品運(yùn)行流程圖根據(jù)互動(dòng)方式繪制展品運(yùn)行流程圖，如圖1所示，可以簡(jiǎn)單明了的了解整個(gè)展品的運(yùn)行流程，按下啟動(dòng)按鈕后觀

8、眾即可選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式，選擇手動(dòng)模式時(shí)則對(duì)應(yīng)手動(dòng)模式的互動(dòng)方式，選擇自動(dòng)模式時(shí)則對(duì)應(yīng)自動(dòng)模式的互動(dòng)方式，當(dāng)體驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后展品休息5min，休息時(shí)間結(jié)束時(shí)設(shè)備復(fù)位完成一次正常體驗(yàn)。（2）展品控制原理圖繪制展品控制原理圖能夠幫助設(shè)計(jì)人員理清控制思路，如圖2所示，觀眾操作的操作信號(hào)輸入PLC主控制模塊后，由PLC主控制模塊控制KA1X和KA2X繼電器是否吸合來(lái)完成電容的充電以及電容對(duì)線圈放電，激發(fā)單個(gè)線圈電磁炮發(fā)射鋼球，這就是單個(gè)電磁炮激發(fā)的控制過(guò)程。當(dāng)KA1X處于不吸合狀態(tài)，KA2X處于吸合狀態(tài)（啟動(dòng)繼電器）升壓板得電，升壓后給電容進(jìn)行充電，當(dāng)KA1X處于吸合狀態(tài)則切斷升壓板電源并接通發(fā)射板電源

9、使電容對(duì)線圈進(jìn)行放電，KA1X起到一個(gè)選擇的作用，KA1X表示KA01-KA15對(duì)應(yīng)控制15個(gè)獨(dú)立電磁炮的充電與激發(fā)。2.3展品主控制器選型。PLC可編程控制器是專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)計(jì)的，具有可靠性高、故障率低、抗干擾能力強(qiáng)、配套設(shè)備齊全、功能完善、適用性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)大多數(shù)展品的開(kāi)發(fā)，面對(duì)不同需求的展品研發(fā)，增加現(xiàn)成的模塊即可。程序可以提供上載、下載、在線監(jiān)控等功能，在程序開(kāi)發(fā)和后期維護(hù)上有很大的優(yōu)勢(shì)，非常適合用于展品控制電路的設(shè)計(jì)與研發(fā)。主控制器盡量選用成熟的國(guó)標(biāo)產(chǎn)品，根據(jù)項(xiàng)目的需求，需要控制數(shù)字量輸入點(diǎn)17個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)16個(gè)。17個(gè)金屬按鈕是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，為觀眾操作輸入主控

10、制器的信號(hào)。15個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)將控制15個(gè)繼電器（KA01-KA15），以繼電器的常閉、常開(kāi)觸點(diǎn)控制15個(gè)電磁炮充電或激發(fā)，剩余一個(gè)輸出點(diǎn)控制一組繼電器（KA21-KA28）控制展品的啟動(dòng)或停止，需要滿足自動(dòng)模式自動(dòng)演示還涉及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及樂(lè)譜轉(zhuǎn)換，為滿足該展品的控制需求所以本項(xiàng)目選擇三菱FX2N-48MRPLC控制器作為主控制模塊。2.4展品控制程序設(shè)計(jì)與元件注釋表。樂(lè)譜轉(zhuǎn)換為主控制程序參考吳文廷用三菱PLC控制電子琴生成音樂(lè)，將樂(lè)譜按有無(wú)連音、彈奏時(shí)間、高中低音，轉(zhuǎn)化為一個(gè)5位數(shù)字音符碼，從左往右第一位為是否連音1表示連音0表示不連音，2、3位表示彈奏時(shí)間，4、5位表示音符（其中1-7表示低

11、音，11-17表示中音，21-27表示高音）。制作PLC輸出端Y1-Y27與敲擊琴鍵高中低的映射表（即Y1-Y7對(duì)應(yīng)琴鍵低音1-7，Y11-Y17對(duì)應(yīng)琴鍵中音1-7，Y21-Y27對(duì)應(yīng)琴鍵高音1-7），制作高中低音符表與數(shù)字的對(duì)應(yīng)表（即1-7對(duì)應(yīng)Y1-Y7，11-17對(duì)應(yīng)Y11-Y17，21-27對(duì)應(yīng)Y21-Y27），制作數(shù)字音符碼對(duì)應(yīng)寄存器表，把樂(lè)譜按照有無(wú)連音、彈奏時(shí)間、高中低音，轉(zhuǎn)化為一個(gè)5位數(shù)字音符碼并逐個(gè)導(dǎo)入依次的寄存器中。在程序啟動(dòng)時(shí)根據(jù)按鈕調(diào)取對(duì)應(yīng)的寄存器，通過(guò)程序計(jì)算調(diào)出的5數(shù)字音符碼，控制對(duì)應(yīng)的繼電器吸合以及吸合時(shí)間，繼電器控制發(fā)射，使電容對(duì)線圈進(jìn)行瞬間放電，完成單次音符彈奏

12、。在通過(guò)變址寄存器指令按順序從寄存器中逐個(gè)調(diào)出，逐個(gè)計(jì)算，逐個(gè)執(zhí)行，從而形成一次完整的曲目演奏過(guò)程。利用PLC控制KM01-KM15繼電器常閉端來(lái)使升壓板對(duì)電容進(jìn)行充電，控制KM01-KM15常開(kāi)端來(lái)控制發(fā)射板使電容對(duì)線圈進(jìn)行瞬間放電，使線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引小球向上運(yùn)動(dòng)撞擊發(fā)音塊發(fā)出聲音。電路安全措施是必不可少的，KM21-KM28為啟動(dòng)繼電器，如不吸合升壓板無(wú)法對(duì)電容進(jìn)行充電，同時(shí)程序設(shè)置在體驗(yàn)結(jié)束后，將會(huì)對(duì)每一個(gè)電容進(jìn)行逐個(gè)放電，并且提供調(diào)試模式、手動(dòng)停止、手動(dòng)放電等控制按鈕，使維修和體驗(yàn)更加安全。（主控制程序因篇幅太大在此不做展示）在梯形圖程序編程中會(huì)使用大量的軟元件，在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)應(yīng)同時(shí)

13、建立元件注釋表，如表1所示，元件注釋表的作用在于記錄重要元件的定義與作用，為后期修改程序或是維護(hù)設(shè)備時(shí)提供有力的幫助。2.5控制電路板布局設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。在繪制控制電路板布局圖前，需根據(jù)公司使用習(xí)慣建立一套字母元器件對(duì)照表，如表2所示，需嚴(yán)格按照對(duì)照表進(jìn)行繪圖設(shè)計(jì)，按元器件的種類和順序給每一個(gè)元器件定義一個(gè)字母加數(shù)字的組合編號(hào)，則電路板布局圖將表述得更加清晰，制作和維修技術(shù)人員便可根據(jù)元器件組合編號(hào)識(shí)別元器件，在后期展品控制電路維修排故時(shí)，可根據(jù)元器件組合編號(hào)和線標(biāo)迅速檢測(cè)出故障原因，更換故障設(shè)備。建立控制電路板布局設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化模板，可運(yùn)用CAD平面制圖軟件，根據(jù)展品制作經(jīng)驗(yàn)、控制需求與元器件數(shù)量選

14、取市面常見(jiàn)尺寸的控制柜，以大、中、小三種機(jī)柜的底板尺寸作為模板。如圖3所示，電路布局設(shè)計(jì)時(shí)可將控制電路板按行分區(qū)，如第一行為空氣開(kāi)關(guān)區(qū)、第二行為主控制模塊區(qū)，第三行為電源區(qū)、第四行為驅(qū)動(dòng)模塊區(qū)，第五行為接線端子區(qū)，其中分區(qū)數(shù)可因大、中、小機(jī)柜進(jìn)行分區(qū)整合，使元器件有足夠的空間安裝在底板上。根據(jù)元器件編號(hào)對(duì)照表給每一類元器件以字母命名和數(shù)字編號(hào)，根據(jù)所需元器件大小制作宏文件，調(diào)取元器件宏文件設(shè)計(jì)出控制電路板常用布局設(shè)計(jì)圖模板，日后設(shè)計(jì)機(jī)柜布置圖時(shí)就可根據(jù)制作展品控制需求選取大小適合的模板修改元器件即可。這大大提高了機(jī)柜布局圖設(shè)計(jì)的時(shí)間，同時(shí)布局風(fēng)格也能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念。2.6控制電

15、路板接線圖標(biāo)準(zhǔn)化?？刂齐娐钒褰泳€圖設(shè)計(jì)是必不可少的步驟，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)完成并校驗(yàn)后交由制作人員制作。以奏樂(lè)電磁炮為例，如圖4所示，接線圖以獨(dú)立元器件繪制，需接線的元器件接線端需標(biāo)注去往元器件接線端的組合編號(hào)，被接線的元器件接線端則標(biāo)注此線路來(lái)源的元器件接線端的組合編號(hào)，XT03部分在圖紙校對(duì)時(shí)便可以雙向確認(rèn)的形式來(lái)校對(duì)接線，而且標(biāo)注信息將打印成線號(hào)套在線路接線端。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障可根據(jù)線標(biāo)上的字母編號(hào)、數(shù)字編號(hào)與引腳編號(hào)快速梳理線路走向，確定損壞原因，達(dá)到迅速排故的目的。2.7控制電路板制作完成布局圖和所有的接線圖后制作人員需根據(jù)圖紙采購(gòu)（領(lǐng)?。┬枰碾姎庠约安牧喜⑹褂镁€號(hào)打印機(jī)打印出線管接線，嚴(yán)格按照接線圖制作控制電路板即可。 3結(jié)語(yǔ) 要改善電路板控制類展品損壞后維修難度大的問(wèn)題，應(yīng)從展品控制電路板設(shè)計(jì)制作開(kāi)始抓起，建立展品控制電路板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程，使展品控制電路板嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化流程進(jìn)行研發(fā)制作，通過(guò)審核相關(guān)圖紙，將問(wèn)題扼殺在設(shè)計(jì)階段，才能保證展品的制作周期、工藝與品質(zhì)，在展品發(fā)生故障時(shí)才能有跡可循、找準(zhǔn)突破口完成維修工作。建立展品控制電路板標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作流程，就能從展品核心把控展品的整體制作方向與穩(wěn)定性。這既能減少?gòu)S家后期的