CN108735028A - 电气线路接线故障的完备诊断***和方法 - Google Patents

电气线路接线故障的完备诊断***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电气线路接线故障的完备诊断***和方法，***由数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元、单刀双掷固态继电器阵列单元、再设计的实训电气线路接线板、上位机、配置导线连接器的接线组成。***基于关联稀疏矩阵表征电气线路接线的拓扑关系，具有通用性和可扩展性；对实训电气线路接线板再设计：接线桩SSR替换实训电气线路接线板的接线桩，具有较低的TCO；借助单刀双掷固态继电器阵列与实训电气线路接线板的连结架构，弱电接线故障诊断与強电实训实验的強弱电隔离，减少了实验器材/人员的损坏/伤率；***具有多接线和漏接线故障的完备诊断功能，进一步减轻了教师的工作量，是开放式实训实验的关键支撑技术和设备。

Description

电气线路接线故障的完备诊断***和方法
技术领域
本发明属电气线路接线故障的诊断技术范畴。特指基于关联稀疏矩阵，面向教学实验、再设计的电气线路接线板、安全电压接线故障的完备诊断***和方法。
背景技术
世界90％的动力源于电动机；我国60％的电力用于电动机，其中交流电动机的占比逾8成。在高级维修电工职业技能鉴定标准(2009年版)中，交流拖动技术占有相当篇幅，在电力驱动领域中有着广泛的应用。参照杭州XXX技师学院的教学大纲，交流拖动技术课程安排190学时，包含48学时的6个典型实训实验；正反转电路、正反转能耗制动电路、星-三角降压启动电路、星-三角降压启动加点动电路、顺序启动逆序停止电路、双速电机控制电路。
开启开放实验室，难。目前，执行教学大纲实验，师资己捉襟见肘。以最简单的三相交流电机正反转电路为例，***涉及44个接线桩的接线，理论上MAX 接线方式＝N×(N-1)×0.5＝44×(44-1)×0.5＝946，教师核查接线苦差一件；满负荷运转下的老师，非不为实不能，确无余力承受开放实验室。此外，设备损坏率居高不下，何来器材支持开放实验室？同时安全和有序实验遭到挑战，根据设备维修记录表和教学日志，一个学期一个班的错接线亊故汇总见下表。
XX班三相交流电机正反转电路实验的亊故统计表
因此，开发电气线路接线故障的诊断***是开启开放实验室的必要条件。诊断***应遵循：1.通用性。若诊断***针对单一实验，价值有限。2.安全性。弱电故障诊断与強电实训实验的強弱电隔离是必要条件。3.按需设置诊断功能。低 /中/高成本对应基本/较完备/完备诊断功能，满足减轻/进一步减轻/最大限度减轻教师工作量和提高实验教学质量。4.柔性。根据不同的需求，***可按需扩展和裁减规模。电气线路接线故障诊断***方面较有代表性的研究成果综述如下：
a)王峰，现代单片机的电气控制线路接线故障诊断***分析[J].科技展望，2015.(8)：74.郑发泰，基于单片机的电气控制线路接线故障诊断***[J].现代电子技术，2010.(13)：156-159.提出节点切换矩阵通过继电器将接线板电器接线桩接至检测总线，借助译码电路，单片机判接线板上两接线桩间有无导线相连。
b)发明专利“接线诊断及纠错方法、装置和多路温控通道控制***”(ZL200810223588.1)，提出采集各路温控通道的温度，根据各路温控通道的温度变化情况，判断不同温控通道之间是否存在接线交叉问题。
c)发明专利“一种三相三线电能表错误接线判断方法”(ZL201310449397.8)，提出测量三相两元件电能表的参数，通过相量图比对判断接线。
上述有益探索，是接线故障诊断方面研究成果的综述；面向教学实验，对现有的实训电气线路接线板再设计，与強电实训实验进行強弱电隔离的弱电接线故障完备诊断***，至今无人涉足；因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电气线路接线故障的完备诊断***和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气线路接线故障的完备诊断***，该***由数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元、单刀双掷固态继电器阵列单元、再设计的实训电气线路接线板、上位机、配置导线连接器的接线组成；数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元与上位机、单刀双掷固态继电器阵列单元相连，单刀双掷固态继电器阵列单元与再设计的实训电气线路接线板相连；
对电机正反转的实训电气线路线板再设计，得到再设计的实训电气线路接线板；电机正反转的实训电气线路接线板，其正面布置电子器件、接线桩，电子器件跨接在两接线桩之间：电子器件k跨接在接线桩k1、接线桩k2之间；借助接线桩的接线，完成电机正反转***的实验；电机正反转的实训电气线路接线板包括交流接触器、热继电器、常开/闭按钮、电动机M，配置接线桩①、接线桩②、逐一按序递增至接线桩合计配置44根接线桩，实验时需接线29根；再设计的实训电气线路接线板，以电机正反转的实训电气线路接线板为基础，围绕接线桩k1、接线桩k2再设计：去除接线桩k1与电子器件k的连线，***接线柱COk1和PPk1，接线桩k1与接线柱COk1相连，接线柱PPk1与电子器件k相连，接线桩k1、接线柱COk1和PPk1组成再设计的接线桩SSRk1，替代实训电气线路接线板的接线桩k1；接线桩k2的再设计与接线桩k1类同，差异是接线柱PPk2无相连的电子器件，电子器件k与接线桩k2相连；接线桩SSRk1的接线柱COk1、接线柱PPk1，分别与单刀双掷固态继电器阵列单元的SSRk的CO、PP端子相连，接线桩k1供学生接线；接线为配置导线连接器的导线：每条接线包括两段导线，两段导线通过插接式单线连接器组成一条接线；接线桩SSRk2与单刀双掷固态继电器阵列单元的 SSRnm+k相连，连接方式类同于接线桩SSRk1；
再设计的实训电气线路接线板，接线故障分多接线/漏接线故障两大类；
定义1：按实验要求，两接线桩之间无需接线而接线、且两接线桩之间无器件形成的通路，则称两接线桩之间无器件形成通路情况下的多接线故障，亦称显性多接线故障；
定义2：按实验要求，两接线桩之间无需接线而接线、且两接线桩之间存在器件形成的通路，则称两接线桩之间存在器件形成通路情况下的多接线故障，亦称隐性多接线故障；
定义3：按实验要求，两接线桩之间需接线而未接线、且两接线桩之间不存在多接线故障构成的通路，则称无多接线故障构成通路条件下的漏接线故障，亦称显性漏接线故障；
定义4：按实验要求，两接线桩之间需接线而未接线、且两接线桩之间存在多接线故障构成的通路，则称存在多接线故障构成通路条件下的漏接线故障，亦称隐性漏接线故障；
定义5：诊断***具备诊断显/隐性多接线故障的功能，则称诊断***具备多接线故障的完备诊断功能；
定义6：诊断***具备诊断显/隐性漏接线故障的功能，则称诊断***具备漏接线故障的完备诊断功能；
再设计的实训电气线路接线板，其接线桩SSR与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述；因接线的无方向特性，故关联稀疏矩阵蜕变为上对角矩阵，矩阵 N×N，N≥2；关联稀疏矩阵采用行、列、值三元组(i，j，v)表征，1≤i≤N，i +1≤j≤N；
三元组的值定义：
v＝1，接线桩SSRi和接线桩SSRj需接线；
v＝0，接线桩SSRi和接线桩SSRj无需接线；
v＝x，关联稀疏矩阵主对角线元素(i，j，v)的值，1≤i≤N、j＝i；
其中，i值＝再设计的实训电气线路接线板的接线桩SSR序号，接线故障诊断时，围绕关联稀疏矩阵主对角线特定的元素i，即对应序号i的接线桩SSRi按序诊断，x与“接线桩SSR～接线”的拓扑关系无关；例如，
(3，3，x)：主对角第3个元素，对应第3接线桩SSR3，不涉及接线；
(3，6，0)：第3、6接线桩SSR无需接线，***诊断多接线故障；
(3，10，1)：第3、10接线桩SSR需接线，***诊断漏接线故障；
若通过了漏接线诊断，但再设计的实训电气线路接线板存在多接线故障，则对诊断出的多接线故障进行排列组合，从再设计的实训电气线路接线板中逐一剔除多接线故障组合、并进行隐性漏接线故障诊断；
上位机采用三元组描述关联稀疏矩阵时，舍弃v＝x三元组；v＝0三元组作为缺省元组处理‐‐‐亦舍弃之，但数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元***补充v＝0 缺省三元组‐‐‐填补之、即生成上位机舍弃的v＝0三元组。
所述的数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元包括数据处理模块、单刀双掷固态继电器控制模块，数据处理模块以STM32F407芯片为核心，单刀双掷固态继电器控制模块以EP2C8Q208C8芯片为核心；数据处理模块通过UART接口与上位机相连；STM32F407的脚PE8、PE9、PE10、PE11、PE12分别与EP2C8Q208C8 的脚D1、D2、D3、D4、D5相连，STM32F407的脚[PF0，PF7]分别与EP2C8Q208C8 的脚[D6，D13]相连，STM32F407的脚[PE0，PE7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D14， D21]相连；EP2C8Q208C8的脚[D22，D85]分别与固态继电器阵列单元的SSRi DP 端子相连，i∈[1,64]；EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]分别与单刀双掷固态继电器阵列单元的SSRi CL端子相连，i∈[1,64]。
所述的单刀双掷固态继电器阵列单元包括第1单刀双掷固态继电器SSR1、第 2单刀双掷固态继电器SSR2，逐一按序递增至第64单刀双掷固态继电器SSR64；第1单刀双掷固态继电器SSR1的CO、PP端子分别与再设计的接线桩SSR1的接线柱CO1、PP1相连，第1单刀双掷固态继电器SSR1的CL、DP端子分别与 EP2C8Q208C8的脚D86、D22相连；第2单刀双掷固态继电器SSR2～第64单刀双掷固态继电器SSR64，其组成和连接关系与第1单刀双掷固态继电器SSR1类同；
单刀双掷固态继电器控制模块的EP2C8Q208C8脚D86输出高电平，第1单刀双掷固态继电器SSR1的CL端子高电平，SSR1的常开触点PP端子闭合，SSR1的CO端子通过闭合的常开触点PP端子接入接线柱PP1，即接线桩1经接线柱CO1、 SSR1的CO端子和闭合的常开触点PP端子、接线柱PP1形成实验通路；实验流程时，EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]均输出高电平；反之，EP2C8Q208C8脚D86 输出低电平，第1单刀双掷固态继电器SSR1的CL端子低电平，SSR1的常开触点 PP端子打开，即断开接线桩1、接线柱CO1、SSR1CO端子和常开触点PP端子、接线柱PP1形成的实验通路；同时SSR1的常闭触点DP端子闭合，SSR1的CO端子通过常闭触点DP端子接入EP2C8Q208C8的脚D22，即接线桩1经接线柱CO1、 SSR1的CO端子和闭合的常闭触点DP端子、EP2C8Q208C8的脚D22形成诊断通路；诊断流程时，EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]均输出低电平；诊断流程时，实验通路断开，消除了两接线桩之间存在器件形成通路的情况，即隐性多接线故障诊断转化为显性多接线故障诊断；
第1单刀双掷固态继电器SSR1包括直流固态继电器SDE3005D、交流固态继电器XMD-10W，XMD-10W是电压控制、输入端的高/低电平对应交流负载输出端的闭合/打开；SDE3005D的脚1经R201接Vcc，脚2接CL端子，脚3接CO端子，脚4接常闭触点DP端子；XMD-10W的脚4接地，脚3接CL端子，脚1接 CO端子，脚2接常开触点PP端子；CL端子低电平，SDE3005D闭合、XMD-10W 打开，进入电气线路接线故障的诊断流程；CL端子高电平，SDE3005D打开、XMD-10W闭合，进入电气实验流程；第2单刀双掷固态继电器SSR2～第64单刀双掷固态继电器SSR64，其组成和连接关系与第1单刀双掷固态继电器SSR1类同。
所述电气线路接线故障完备诊断方法的流程包括电气线路接线故障完备诊断方法的准备流程，电气线路接线故障完备诊断方法的运行流程；
电气线路接线故障完备诊断方法的准备流程如下：
⑴设定接线故障完备诊断***的诊断参数
再设计的实训电气线路接线板的接线桩序号/总数N；
生成除主对角线元素为x的、全0上对角关联稀疏矩阵N×N；
单刀双掷固态继电器SSRk的CO、PP端子，分别与相同序号再设计的接线桩SSRk的接线柱COk、PPk相连；
单刀双掷固态继电器SSRk的DP、CL端子，分别与EP2C8Q208C8的脚D21+k、D85+k相连；
⑵建立关联稀疏矩阵
基于再设计的接线桩SSR与接线的拓扑关系，逐行逐列设定v值；
v＝1/0，桩间需/无需接线；
⑶生成故障诊断的三元组(i，j，v)
选择关联稀疏矩阵v＝1的元素，逐行逐列按序生成三元组(i，j，1)；
上位机下发按序生成的三元组(i，j，1)；
数据处理模块***补充v＝0元素对应的三元组(i，j，0)；
生成故障诊断三元组(i，j，v)；
单刀双掷固态继电器控制模块读故障诊断三元组(i，j，v)；
电气线路接线故障完备诊断方法的运行流程如下：
⑴接线故障检测
EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出低电平；
故障诊断三元组(i，j，v)逐行(1≤i≤N-1)，EP2C8Q208C8脚D21+i 输出高电平，逐列(i+1≤j≤N)脚D21+j输入电压，检测输入电压；
输入电压存储至检测三元组(ii，jj，vv)，三元组的值定义：
vv＝1000、低电平，接线桩SSRii与接线桩SSRjj无接线；
vv＝1111、高电平，接线桩SSRii与接线桩SSRjj存在接线；
⑵接线故障诊断
故障诊断三元组(i，j，v)与检测三元组(ii，jj，vv)逐行逐列比对；
Case1：v＝0，vv＝1000，无需接线且未接线；
Case2：v＝0，vv＝1111，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：
vvv＝9110011、多接线故障，无需接线但接线；
Case3：v＝1，vv＝1111，需接线且接线；
Case4：v＝1，vv＝1000，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：
vvv＝9001100、漏接线故障，需接线但未接线；
⑶隐性漏接线故障诊断
如果错误三元组(iii，jjj，vvv)的vvv≠9110011，转⑷；
否则读故障诊断三元组(i，j，1)；多接线故障排列组合；逐一剔除多接线的各种组合，隐性漏接线故障诊断：相应接线的导线连接器分离；启动“⑴接线故障检测”和“⑵接线故障诊断”；
⑷诊断结果处理
错误三元组(iii，jjj，vvv)上传上位机；
进入后续实验或排除故障；
实验时EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出高电平。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：电气线路接线故障的完备诊断***，基于关联稀疏矩阵表征电气线路接线的拓扑关系，具有通用性和可扩展性；对实训电气线路接线板再设计：再设计的接线桩SSR替换电气线路接线板的接线桩，具有较低的TCO；借助单刀双掷固态继电器阵列与再设计的实训电气线路接线板连结架构，弱电接线故障诊断与強电实训实验的強弱电隔离，减少了实验器材/人员的损坏/伤率；***具有多接线和漏接线故障的完备诊断功能，进一步减轻了教师的工作量，是开放式实训实验的关键支撑技术和设备。
附图说明
图1(a)是电气线路接线故障完备诊断***的原理框图；
图1(b)是再设计的实训电气线路接线板形式化结构图；
图1(c)是配置插接式单线连接器的接线结构图；
图1(d)是电机正反转***电气安装的接线图；
图1(e)是电机正反转***接线拓扑的关联稀疏矩阵图；
图2是数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元的电路图；
图3(a)是单刀双掷固态继电器阵列单元的原理框图；
图3(b)是第1单刀双掷固态继电器的电路图；
图4(a)是电气线路接线故障的完备诊断方法流程图；
图4(b)是电气线路接线故障完备诊断方法的准备流程图；
图4(c)是电气线路接线故障完备诊断方法的运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)所示，电气线路接线故障的完备诊断***由数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元100、单刀双掷固态继电器阵列单元200、再设计的实训电气线路接线板300、上位机400、配置导线连接器的接线500组成；数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元100与上位机400、单刀双掷固态继电器阵列单元200相连，单刀双掷固态继电器阵列单元200与再设计的实训电气线路接线板300相连；
对电机正反转的实训电气线路线板再设计，得到再设计的实训电气线路接线板300；电机正反转的实训电气线路接线板，其正面布置电子器件、接线桩，电子器件跨接在两接线桩之间：电子器件k跨接在接线桩k1、接线桩k2之间；借助接线桩的接线，完成电机正反转***的实验；电机正反转的实训电气线路接线板包括交流接触器、热继电器、常开/闭按钮、电动机M，配置接线桩①、接线桩②、逐一按序递增至接线桩合计配置44根接线桩，实验时需接线29根；再设计的实训电气线路接线板300，以电机正反转的实训电气线路接线板为基础，围绕接线桩k1、接线桩k2再设计：去除接线桩k1与电子器件k的连线，***接线柱COk1 和PPk1，接线桩k1与接线柱COk1相连，接线柱PPk1与电子器件k相连，接线桩k1、接线柱COk1和PPk1组成再设计的接线桩SSRk1，替代实训电气线路接线板的接线桩k1；接线桩k2的再设计与接线桩k1类同，差异是接线柱PPk2无相连的电子器件，电子器件k与接线桩k2相连；接线桩SSRk1的接线柱COk1、接线柱PPk1，分别与单刀双掷固态继电器阵列单元200的SSRk的CO、PP端子相连，接线桩k1 供学生接线；接线为配置导线连接器的导线：每条接线包括两段导线，两段导线通过插接式单线连接器组成一条接线；接线桩SSRk2与单刀双掷固态继电器阵列单元200的SSRnm+k相连，连接方式类同于接线桩SSRk1；
再设计的实训电气线路接线板300，接线故障分多接线/漏接线故障两大类；
定义1：按实验要求，两接线桩之间无需接线而接线、且两接线桩之间无器件形成的通路，则称两接线桩之间无器件形成通路情况下的多接线故障，亦称显性多接线故障；
定义2：按实验要求，两接线桩之间无需接线而接线、且两接线桩之间存在器件形成的通路，则称两接线桩之间存在器件形成通路情况下的多接线故障，亦称隐性多接线故障；
定义3：按实验要求，两接线桩之间需接线而未接线、且两接线桩之间不存在多接线故障构成的通路，则称无多接线故障构成通路条件下的漏接线故障，亦称显性漏接线故障；
定义4：按实验要求，两接线桩之间需接线而未接线、且两接线桩之间存在多接线故障构成的通路，则称存在多接线故障构成通路条件下的漏接线故障，亦称隐性漏接线故障；
定义5：诊断***具备诊断显/隐性多接线故障的功能，则称诊断***具备多接线故障的完备诊断功能；
定义6：诊断***具备诊断显/隐性漏接线故障的功能，则称诊断***具备漏接线故障的完备诊断功能；
再设计的实训电气线路接线板300，其接线桩SSR与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述；因接线的无方向特性，故关联稀疏矩阵蜕变为上对角矩阵，矩阵N×N，N≥2；关联稀疏矩阵采用行、列、值三元组(i，j，v)表征，1≤i≤ N，i+1≤j≤N；
三元组的值定义：
v＝1，接线桩SSRi和接线桩SSRj需接线
v＝0，接线桩SSRi和接线桩SSRj无需接线
v＝x，关联稀疏矩阵主对角线元素(i，j，v)的值，1≤i≤N、j＝i；
其中，i值＝再设计的实训电气线路接线板300的接线桩SSR序号，接线故障诊断时，围绕关联稀疏矩阵主对角线特定的元素i，即对应序号i的接线桩SSRi按序诊断，x与“接线桩SSR～接线”的拓扑关系无关；例如，
(3，3，x)：主对角第3个元素，对应第3接线桩SSR3，不涉及接线；
(3，6，0)：第3、6接线桩SSR无需接线，***诊断多接线故障；
(3，10，1)：第3、10接线桩SSR需接线，***诊断漏接线故障；
若通过了漏接线诊断，但再设计的实训电气线路接线板300存在多接线故障，则对诊断出的多接线故障进行排列组合，从再设计的实训电气线路接线板300中逐一剔除多接线故障组合、并进行隐性漏接线故障诊断；
上位机400采用三元组描述关联稀疏矩阵时，舍弃v＝x三元组；v＝0三元组作为缺省元组处理‐‐‐亦舍弃之，但数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元100***补充v＝0缺省三元组‐‐‐填补之、即生成上位机400舍弃的v＝0三元组。
说明1：考虑内容的完整性，简述实训电气线路接线板的组成和结构，以及上位机。鉴于实训电气线路接线板和上位机是成熟产品，属公知知识范畴，故文中只提及但不展开；简述和公知知识内容，图中用虚线框标注加以区分。不失一般性，再设计的电气线路接线板采用形式化的两接线桩+器件的标准模块描述；图1 (c)FR可用三标准模块组合，电动机M可用输出接线桩蜕化的标准模块组合；接线桩序号可采用不同的排序法，优选方案是按功能设置接线桩序号。
电气线路接线故障的完备诊断***不仅提供多接线故障的完备诊断功能，而且提供漏接线故障的完备诊断功能，包括隐性漏接线故障的诊断功能。例如，星形接法要求接线桩O、A、B、C进行OA、OB、OC接线；若错接为OA、AB、 BC，多接线AB、BC故障，掩盖了隐性漏接线OB、OC故障。诊断策略1是，对多接线故障排列组合：AB、BC、AB和BC，逐一剔除多接线的3种组合，诊断每种多接线故障及可能掩盖的隐性漏接线故障；诊断策略2是，剔除全部多接线故障，诊断多接线故障可能掩盖的隐性漏接线故障；用户按需选择策略1或2。
如图2所示，数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元100包括数据处理模块110、单刀双掷固态继电器控制模块120，数据处理模块110以STM32F407芯片为核心，单刀双掷固态继电器控制模块120以EP2C8Q208C8芯片为核心；数据处理模块110通过UART接口与上位机400相连；STM32F407的脚PE8、PE9、 PE10、PE11、PE12分别与EP2C8Q208C8的脚D1、D2、D3、D4、D5相连，STM32F407 的脚[PF0，PF7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D6，D13]相连，STM32F407的脚[PE0， PE7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D14，D21]相连；EP2C8Q208C8的脚[D22，D85] 分别与固态继电器阵列单元200的SSRi DP端子相连，i∈[1,64]；EP2C8Q208C8 的脚[D86，D149]分别与单刀双掷固态继电器阵列单元200的SSRi CL端子相连， i∈[1,64]。
如图3(a)、图3(b)、图1(b)所示，单刀双掷固态继电器阵列单元200 包括第1单刀双掷固态继电器SSR1 201、第2单刀双掷固态继电器SSR2 202，逐一按序递增至第64单刀双掷固态继电器SSR64 264；第1单刀双掷固态继电器SSR1 201的CO、PP端子分别与再设计的接线桩SSR1的接线柱CO1、PP1相连，第1 单刀双掷固态继电器SSR1 201的CL、DP端子分别与EP2C8Q208C8的脚D86、 D22相连；第2单刀双掷固态继电器SSR2 202～第64单刀双掷固态继电器SSR64 264，其组成和连接关系与第1单刀双掷固态继电器SSR1 201类同；
单刀双掷固态继电器控制模块120的EP2C8Q208C8脚D86输出高电平，第1 单刀双掷固态继电器SSR1 201的CL端子高电平，SSR1的常开触点PP端子闭合， SSR1的CO端子通过闭合的常开触点PP端子接入接线柱PP1，即接线桩1经接线柱CO1、SSR1的CO端子和闭合的常开触点PP端子、接线柱PP1形成实验通路；实验流程时，EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]均输出高电平；反之，EP2C8Q208C8 脚D86输出低电平，第1单刀双掷固态继电器SSR1 201的CL端子低电平，SSR1的常开触点PP端子打开，即断开接线桩1、接线柱CO1、SSR1CO端子和常开触点PP端子、接线柱PP1形成的实验通路；同时SSR1的常闭触点DP端子闭合，SSR1的CO端子通过常闭触点DP端子接入EP2C8Q208C8的脚D22，即接线桩1经接线柱CO1、SSR1的CO端子和闭合的常闭触点DP端子、EP2C8Q208C8的脚D22 形成诊断通路；诊断流程时，EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]均输出低电平；诊断流程时，实验通路断开，消除了两接线桩之间存在器件形成通路的情况，即隐性多接线故障诊断转化为显性多接线故障诊断；
第1单刀双掷固态继电器SSR1 201包括直流固态继电器SDE3005D、交流固态继电器XMD-10W，XMD-10W是电压控制、输入端的高/低电平对应交流负载输出端的闭合/打开；SDE3005D的脚1经R201接Vcc，脚2接CL端子，脚3接 CO端子，脚4接常闭触点DP端子；XMD-10W的脚4接地，脚3接CL端子，脚1接CO端子，脚2接常开触点PP端子；CL端子低电平，SDE3005D闭合、 XMD-10W打开，进入电气线路接线故障的诊断流程；CL端子高电平，SDE3005D 打开、XMD-10W闭合，进入电气实验流程；第2单刀双掷固态继电器SSR2 202～第64单刀双掷固态继电器SSR64 264，其组成和连接关系与第1单刀双掷固态继电器SSR1 201类同。
说明2：不失一般性，单刀双掷固态继电器阵列单元(200)配置64只单刀双掷固态继电器；电机正反转实验涉及44根接线桩，故只需使用64只单刀双掷固态继电器中的44只；鉴于电气线路接线故障诊断基于接线桩与接线的拓扑关系，即诊断***适用于一般的接线故障诊断，故电气线路接线故障的诊断***具有通用性。如实验的接线桩数量＞64，增加一块单刀双掷固态继电器阵列单元即可；另一方面，中等规模FPGA供用户使用的IO口数量≥300，而实验需要接线桩数量＞256的情况难得一见；此外，MCU支持多块FPGA，故电气线路接线故障的诊断***具有可扩展性。
鉴于直流SSR、交流SSR的专用特点，故本文的单刀双掷固态继电器采用直流SSR+交流SSR的组合；如果是直流实验，则单刀双掷固态继电器采用直流SSR+ 直流SSR的组合。单刀双掷固态继电器+再设计的实训电气线路接线板，诊断流程时，实验通路断开，消除了两接线桩之间存在器件形成通路的情况，即隐性多接线故障诊断转化为显性多接线故障诊断。因此，实际工作中，当且仅当实训电气线路接线板两接线桩之间存在器件形成通路的接线桩：接线桩需再设计+单刀双掷固态继电器；其它接线桩无需再设计，且使用常规直流SSR即可；本文作统一的简化描述，未区分接线桩的差异。
如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，电气线路接线故障的完备诊断方法流程包括电气线路接线故障完备诊断方法的准备流程，电气线路接线故障完备诊断方法的运行流程；
电气线路接线故障完备诊断方法的准备流程如下：
⑴设定接线故障完备诊断***的诊断参数
再设计的实训电气线路接线板300的接线桩序号/总数N；
生成除主对角线元素为x的、全0上对角关联稀疏矩阵N×N；
单刀双掷固态继电器SSRk的CO、PP端子，分别与相同序号再设计的接线桩SSRk的接线柱COk、PPk相连；
单刀双掷固态继电器SSRk的DP、CL端子，分别与EP2C8Q208C8的脚D21+k、D85+k相连；
⑵建立关联稀疏矩阵
基于再设计的接线桩SSR与接线的拓扑关系，逐行逐列设定v值；
v＝1/0，桩间需/无需接线；
⑶生成故障诊断的三元组(i，j，v)
选择关联稀疏矩阵v＝1的元素，逐行逐列按序生成三元组(i，j，1)；
上位机400下发按序生成的三元组(i，j，1)；
数据处理模块110***补充v＝0元素对应的三元组(i，j，0)；
生成故障诊断三元组(i，j，v)；
单刀双掷固态继电器控制模块120读故障诊断三元组(i，j，v)；
电气线路接线故障完备诊断方法的运行流程如下：
⑴接线故障检测
EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出低电平；
故障诊断三元组(i，j，v)逐行(1≤i≤N-1)，EP2C8Q208C8脚D21+i 输出高电平，逐列(i+1≤j≤N)脚D21+j输入电压，检测输入电压；
输入电压存储至检测三元组(ii，jj，vv)，三元组的值定义：
vv＝1000、低电平，接线桩SSRii与接线桩SSRjj无接线；
vv＝1111、高电平，接线桩SSRii与接线桩SSRjj存在接线；
⑵接线故障诊断
故障诊断三元组(i，j，v)与检测三元组(ii，jj，vv)逐行逐列比对；
Case1：v＝0，vv＝1000，无需接线且未接线；
Case2：v＝0，vv＝1111，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：
vvv＝9110011、多接线故障，无需接线但接线；
Case3：v＝1，vv＝1111，需接线且接线；
Case4：v＝1，vv＝1000，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：
vvv＝9001100、漏接线故障，需接线但未接线；
⑶隐性漏接线故障诊断
if错误三元组(iii，jjj，vvv)的vvv≠9110011，转⑷；
else读故障诊断三元组(i，j，1)
多接线故障排列组合
逐一剔除多接线的各种组合，隐性漏接线故障诊断：
相应接线的导线连接器分离
启动“⑴接线故障检测”和“⑵接线故障诊断”；
⑷诊断结果处理
错误三元组(iii，jjj，vvv)上传上位机400；
进入后续实验或排除故障；
实验时EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出高电平。
说明3：考虑表述的简洁性，“诊断结果处理”只提及未展开论述；“诊断结果处理”原则上根据教学规章，与教学考察评分和实验室管理***集成。

Claims (5)

1.一种电气线路接线故障的完备诊断***，其特征在于，该***由数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元(100)、单刀双掷固态继电器阵列单元(200)、再设计的实训电气线路接线板(300)、上位机(400)、配置导线连接器的接线(500)组成；数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元(100)与上位机(400)、单刀双掷固态继电器阵列单元(200)相连，单刀双掷固态继电器阵列单元(200)与再设计的实训电气线路接线板(300)相连；
对电机正反转的实训电气线路线板再设计，得到再设计的实训电气线路接线板(300)；电机正反转的实训电气线路接线板，其正面布置电子器件、接线桩，电子器件跨接在两接线桩之间：电子器件k跨接在接线桩k1、接线桩k2之间；借助接线桩的接线，完成电机正反转***的实验；电机正反转的实训电气线路接线板包括交流接触器、热继电器、常开/闭按钮、电动机M，配置接线桩①、接线桩②、逐一按序递增至接线桩合计配置44根接线桩，实验时需接线29根；再设计的实训电气线路接线板(300)，以电机正反转的实训电气线路接线板为基础，围绕接线桩k1、接线桩k2再设计：去除接线桩k1与电子器件k的连线，***接线柱COk1和PPk1，接线桩k1与接线柱COk1相连，接线柱PPk1与电子器件k相连，接线桩k1、接线柱COk1和PPk1组成再设计的接线桩SSRk1，替代实训电气线路接线板的接线桩k1；接线桩k2的再设计与接线桩k1类同，差异是接线柱PPk2无相连的电子器件，电子器件k与接线桩k2相连；接线桩SSRk1的接线柱COk1、接线柱PPk1，分别与单刀双掷固态继电器阵列单元(200)的SSRk的CO、PP端子相连，接线桩k1供学生接线；接线为配置导线连接器的导线：每条接线包括两段导线，两段导线通过插接式单线连接器组成一条接线；接线桩SSRk2与单刀双掷固态继电器阵列单元(200)的SSRnm+k相连，连接方式类同于接线桩SSRk1；
再设计的实训电气线路接线板(300)，接线故障分多接线/漏接线故障两大类；
定义1：按实验要求，两接线桩之间无需接线而接线、且两接线桩之间无器件形成的通路，则称两接线桩之间无器件形成通路情况下的多接线故障，亦称显性多接线故障；
定义2：按实验要求，两接线桩之间无需接线而接线、且两接线桩之间存在器件形成的通路，则称两接线桩之间存在器件形成通路情况下的多接线故障，亦称隐性多接线故障；
定义3：按实验要求，两接线桩之间需接线而未接线、且两接线桩之间不存在多接线故障构成的通路，则称无多接线故障构成通路条件下的漏接线故障，亦称显性漏接线故障；
定义4：按实验要求，两接线桩之间需接线而未接线、且两接线桩之间存在多接线故障构成的通路，则称存在多接线故障构成通路条件下的漏接线故障，亦称隐性漏接线故障；
定义5：诊断***具备诊断显/隐性多接线故障的功能，则称诊断***具备多接线故障的完备诊断功能；
定义6：诊断***具备诊断显/隐性漏接线故障的功能，则称诊断***具备漏接线故障的完备诊断功能；
再设计的实训电气线路接线板(300)，其接线桩SSR与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述；因接线的无方向特性，故关联稀疏矩阵蜕变为上对角矩阵，矩阵N×N，N≥2；关联稀疏矩阵采用行、列、值三元组(i，j，v)表征，1≤i≤N，i+1≤j≤N；
三元组的值定义：
v＝1，接线桩SSRi和接线桩SSRj需接线；
v＝0，接线桩SSRi和接线桩SSRj无需接线；
v＝x，关联稀疏矩阵主对角线元素(i，j，v)的值，1≤i≤N、j＝i；
其中，i值为再设计的实训电气线路接线板(300)的接线桩SSR序号，接线故障诊断时，围绕关联稀疏矩阵主对角线特定的元素i，即对应序号i的接线桩SSRi按序诊断，x与“接线桩SSR～接线”的拓扑关系无关；
若通过了漏接线诊断，但再设计的实训电气线路接线板(300)存在多接线故障，则对诊断出的多接线故障进行排列组合，从再设计的实训电气线路接线板(300)中逐一剔除多接线故障组合、并进行隐性漏接线故障诊断；
上位机(400)采用三元组描述关联稀疏矩阵时，舍弃v＝x三元组；v＝0三元组作为缺省元组处理，但数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元(100)***补充v＝0缺省三元组、即生成上位机(400)舍弃的v＝0三元组。
2.根据权利要求1所述的电气线路接线故障的完备诊断***，其特征在于，所述的数据处理和单刀双掷固态继电器控制单元(100)包括数据处理模块(110)和单刀双掷固态继电器控制模块(120)，数据处理模块(110)以STM32F407芯片为核心，单刀双掷固态继电器控制模块(120)以EP2C8Q208C8芯片为核心；数据处理模块(110)通过UART接口与上位机(400)相连；STM32F407的脚PE8、PE9、PE10、PE11、PE12分别与EP2C8Q208C8的脚D1、D2、D3、D4、D5相连，STM32F407的脚[PF0，PF7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D6，D13]相连，STM32F407的脚[PE0，PE7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D14，D21]相连；EP2C8Q208C8的脚[D22，D85]分别与固态继电器阵列单元(200)的SSRi DP端子相连，i∈[1,64]；EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]分别与单刀双掷固态继电器阵列单元(200)的SSRiCL端子相连，i∈[1,64]。
3.根据权利要求1所述的电气线路接线故障的完备诊断***，其特征在于，所述的单刀双掷固态继电器阵列单元(200)包括第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)、第2单刀双掷固态继电器SSR2(202)，逐一按序递增至第64单刀双掷固态继电器SSR64(264)；第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)的CO、PP端子分别与再设计的接线桩SSR1的接线柱CO1、PP1相连，第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)的CL、DP端子分别与EP2C8Q208C8的脚D86、D22相连；第2单刀双掷固态继电器SSR2(202)～第64单刀双掷固态继电器SSR64(264)，其组成和连接关系与第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)类同；
单刀双掷固态继电器控制模块(120)的EP2C8Q208C8脚D86输出高电平，第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)的CL端子高电平，SSR1的常开触点PP端子闭合，SSR1的CO端子通过闭合的常开触点PP端子接入接线柱PP1，即接线桩1经接线柱CO1、SSR1的CO端子和闭合的常开触点PP端子、接线柱PP1形成实验通路；实验流程时，EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]均输出高电平；反之，EP2C8Q208C8脚D86输出低电平，第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)的CL端子低电平，SSR1的常开触点PP端子打开，即断开接线桩1、接线柱CO1、SSR1CO端子和常开触点PP端子、接线柱PP1形成的实验通路；同时SSR1的常闭触点DP端子闭合，SSR1的CO端子通过常闭触点DP端子接入EP2C8Q208C8的脚D22，即接线桩1经接线柱CO1、SSR1的CO端子和闭合的常闭触点DP端子、EP2C8Q208C8的脚D22形成诊断通路；诊断流程时，EP2C8Q208C8的脚[D86，D149]均输出低电平；诊断流程时，实验通路断开，消除了两接线桩之间存在器件形成通路的情况，即隐性多接线故障诊断转化为显性多接线故障诊断。
4.根据权利要求3所述的电气线路接线故障的完备诊断***，其特征在于，所述的单刀双掷固态继电器阵列单元(200)的第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)包括直流固态继电器SDE3005D、交流固态继电器XMD-10W，XMD-10W是电压控制、输入端的高/低电平对应交流负载输出端的闭合/打开；SDE3005D的脚1经R201接Vcc，脚2接CL端子，脚3接CO端子，脚4接常闭触点DP端子；XMD-10W的脚4接地，脚3接CL端子，脚1接CO端子，脚2接常开触点PP端子；CL端子低电平，SDE3005D闭合、XMD-10W打开，进入电气线路接线故障的诊断流程；CL端子高电平，SDE3005D打开、XMD-10W闭合，进入电气实验流程；第2单刀双掷固态继电器SSR2(202)～第64单刀双掷固态继电器SSR64(264)，其组成和连接关系与第1单刀双掷固态继电器SSR1(201)类同。
5.一种使用如权利要求1所述***的电气线路接线故障完备诊断方法，其特征在于，该方法的流程包括准备流程和运行流程；
电气线路接线故障完备诊断方法的准备流程：
⑴设定接线故障完备诊断***的诊断参数
再设计的实训电气线路接线板(300)的接线桩序号/总数N；
生成除主对角线元素为x的、全0上对角关联稀疏矩阵N×N；
单刀双掷固态继电器SSRk的CO、PP端子，分别与相同序号再设计的接线桩SSRk的接线柱COk、PPk相连；
单刀双掷固态继电器SSRk的DP、CL端子，分别与EP2C8Q208C8的脚D21+k、D85+k相连；
⑵建立关联稀疏矩阵
基于再设计的接线桩SSR与接线的拓扑关系，逐行逐列设定v值；
v＝1/0，桩间需/无需接线；
⑶生成故障诊断的三元组(i，j，v)
选择关联稀疏矩阵v＝1的元素，逐行逐列按序生成三元组(i，j，1)；
上位机(400)下发按序生成的三元组(i，j，1)；
数据处理模块(110)***补充v＝0元素对应的三元组(i，j，0)；
生成故障诊断三元组(i，j，v)；
单刀双掷固态继电器控制模块(120)读故障诊断三元组(i，j，v)；
电气线路接线故障完备诊断方法的运行流程：
⑴接线故障检测
EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出低电平；
故障诊断三元组(i，j，v)逐行(1≤i≤N-1)，EP2C8Q208C脚D21+i输出高电平，逐列(i+1≤j≤N)脚D21+j输入电压，检测输入电压；
输入电压存储至检测三元组(ii，jj，vv)，三元组的值定义：
vv＝1000、低电平，接线桩SSRii与接线桩SSRjj无接线；
vv＝1111、高电平，接线桩SSRii与接线桩SSRjj存在接线；
⑵接线故障诊断
故障诊断三元组(i，j，v)与检测三元组(ii，jj，vv)逐行逐列比对
Case1：v＝0，vv＝1000，无需接线且未接线；
Case2：v＝0，vv＝1111，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：
vvv＝9110011、多接线故障，无需接线但接线；
Case3：v＝1，vv＝1111，需接线且接线；
Case4：v＝1，vv＝1000，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：
vvv＝9001100、漏接线故障，需接线但未接线；
⑶隐性漏接线故障诊断
如果错误三元组(iii，jjj，vvv)的vvv≠9110011，转⑷；
否则读故障诊断三元组(i，j，1)；多接线故障排列组合；逐一剔除多接线的各种组合，隐性漏接线故障诊断：相应接线的导线连接器分离；启动“⑴接线故障检测”和“⑵接线故障诊断”；
⑷诊断结果处理
错误三元组(iii，jjj，vvv)上传上位机(400)；
进入后续实验或排除故障；
实验时EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出高电平。
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