龍 林， 程武山， 岳 敏， 阮慶洲

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620;2.上海電器設(shè)備檢測(cè)所，上海 200063)

0 引言

接近開關(guān)是一種用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制并與輸出環(huán)節(jié)全盤無(wú)觸點(diǎn)化的新型開關(guān)元件。當(dāng)開關(guān)接近某一物體時(shí)，即發(fā)出控制信號(hào)。由于接近開關(guān)的廣泛適用性，使得市場(chǎng)供求越來(lái)越大，其增長(zhǎng)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān)，同時(shí)接近開關(guān)產(chǎn)品的種類越來(lái)越多，精度要求越來(lái)越高，導(dǎo)致國(guó)外產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)占有先機(jī)。國(guó)內(nèi)的接近開關(guān)生產(chǎn)制造要改變現(xiàn)狀，提高接近開關(guān)質(zhì)量是關(guān)鍵，接近開關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)是鑒定接近開關(guān)質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，接近開關(guān)研究性試驗(yàn)是改進(jìn)設(shè)計(jì)與新產(chǎn)品開發(fā)的重要依據(jù)。試驗(yàn)的目的就是驗(yàn)證產(chǎn)品性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的規(guī)定，檢驗(yàn)產(chǎn)品在制造上是否存在影響運(yùn)行的各種缺陷。國(guó)內(nèi)對(duì)接近開關(guān)智能低壓電器測(cè)試系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，檢測(cè)設(shè)備的水平還落后于國(guó)外的先進(jìn)水平。傳統(tǒng)接近開關(guān)操作頻率檢測(cè)普遍采用單一的檢測(cè)方法，每次試驗(yàn)只能檢測(cè)一種試品，檢測(cè)效率不高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，且每臺(tái)檢測(cè)設(shè)備處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法形成網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)試體系結(jié)構(gòu)。另一方面，對(duì)接近開關(guān)的檢測(cè)仍然普遍采用人工控制的方式，隨機(jī)誤差大、可靠性低、精度低［1］。

本研究針對(duì)測(cè)試電感式、電容式、非機(jī)械磁性式和超聲波式乃至光電式所有形式的接近開關(guān)的操作頻率檢測(cè)，操作頻率是接近開關(guān)最重要檢測(cè)指標(biāo)之一，檢測(cè)過(guò)程中被測(cè)信號(hào)多、數(shù)據(jù)量大、強(qiáng)電磁干擾嚴(yán)重、試驗(yàn)間隔時(shí)間短、數(shù)據(jù)處理工作量大等特點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、高精密傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究開發(fā)接近開關(guān)操作頻率智能測(cè)試平臺(tái)。

1 智能測(cè)試平臺(tái)原理

1.1 智能測(cè)試平臺(tái)集成原理

智能測(cè)試平臺(tái)主要由平臺(tái)柜、標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤、變頻器、調(diào)速電機(jī)、電缸、電滑臺(tái)、頻率測(cè)定裝置、基準(zhǔn)傳感器和被測(cè)接近開關(guān)裝夾機(jī)構(gòu)、西門子 PLC、研華 PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡［2-3］等硬件集成，智能測(cè)試平臺(tái)各部件控制框架原理如圖1所示。為保證測(cè)試人員安全，接近開關(guān)的測(cè)試是在封閉的平臺(tái)柜里進(jìn)行，測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試流程由軟件系統(tǒng)控制。試驗(yàn)是通過(guò)PLC和變頻器聯(lián)合控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤，使接近開關(guān)不斷動(dòng)作響應(yīng)，測(cè)出接近開關(guān)輸出信號(hào)的響應(yīng)頻率或者根據(jù)其輸出信號(hào)與基準(zhǔn)傳感器輸出信號(hào)間的延時(shí)換算得到操作頻率值。

圖1 控制系統(tǒng)控制框架原理圖

運(yùn)行接近開關(guān)智能測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使接近開關(guān)不斷感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上標(biāo)靶產(chǎn)生電壓輸出信號(hào)，然后，轉(zhuǎn)化范圍為±5 V電壓信號(hào)經(jīng)采集卡采集。對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，以驗(yàn)證廠家生產(chǎn)的接近開關(guān)是否符合國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)傳感器需具備大于40 kHz的轉(zhuǎn)換頻率，測(cè)控系統(tǒng)采用研華觸摸屏工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和研華PCI-1714UL高速數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1714UL是通用的數(shù)據(jù)采集卡，適用于PC及兼容機(jī)，具有4路單端模擬量輸入通道，4路A/D［4］轉(zhuǎn)換器可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道的參數(shù)可單獨(dú)進(jìn)行編程設(shè)置，具有多種A/D觸發(fā)方式。此測(cè)試系統(tǒng)主要應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡采集(±5 V)的電壓信號(hào)，因此需配置電壓轉(zhuǎn)換器對(duì)采集的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1.2 接近開關(guān)操作頻率計(jì)算原理

圖2為接近開關(guān)試品導(dǎo)通波形與基準(zhǔn)傳感器導(dǎo)通波形相差圖。光電式接近開關(guān)操作頻率試驗(yàn)需要計(jì)算的量包括波形的最大上升延(Ton)值，最大下降延(Toff)值，接近開關(guān)試品操作頻率可根Ton和Toff值計(jì)算，f=1/(Ton+Toff)，其中Ton+Toff≥0.3 ms，Tinter＜2(Ton+Toff)。

圖2 接近開關(guān)試品導(dǎo)通波形與基準(zhǔn)傳感器導(dǎo)通波形

1.3 電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

電能質(zhì)量定義為導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、波形畸變、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。電能質(zhì)量分析所需主要參數(shù)計(jì)算公式如下。

電流有效值Irms、電壓有效值Urms分別為:

最后求m個(gè)周期的平均值。

三相平均功率:

最后求m個(gè)周期的平均值。

相位差。先求無(wú)功功率:

求m個(gè)周期的平均值，根據(jù)有功功率和平均功率的三角關(guān)系:φ=arctan(Q/P)。

三相功率因數(shù):

2 控制軟件系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 系統(tǒng)組件化設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)組件集成如圖3所示。通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)發(fā)布調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度過(guò)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)報(bào)表輸入輸出、信息確認(rèn)、信息發(fā)布等各種交互功能。

(1)通訊組件。封裝可編程序控制器(PLC)［5-6］連接OPC通訊接口程序，其中OPC包括兩種接口即自定義接口和自動(dòng)化接口，自定義接口是一組COM接口，自動(dòng)化接口是一組OLE接口。OPC服務(wù)器主要由三類對(duì)象組成:Server服務(wù)器、Group組和Item項(xiàng)目，基于自定義接口，OPC軟件包括OPC服務(wù)器軟件和OPC客戶端軟件，客戶端OPC Client調(diào)用OPC Server對(duì)PLC進(jìn)行讀寫操作［7-8］。

(2)自動(dòng)化控制組件。以PLC為核心控制器控制電滑臺(tái)、電缸，根據(jù)測(cè)試過(guò)程要求，使用PLC梯形圖進(jìn)行各種功能編程，實(shí)現(xiàn)電缸驅(qū)動(dòng)電缸。控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)包括開關(guān)量和模擬量?jī)煞N，分別對(duì)開關(guān)量和模擬量I/O地址做出分配。在電缸的控制器LEC系列中，搭載了RS-485傳輸線路的LEC串行通訊口。

(3)數(shù)據(jù)與波形組件。該組件基于LabView2010［9-10］平臺(tái)開發(fā)，通過(guò)采集卡采集接近開關(guān)通斷信號(hào)，其中模擬觸發(fā)功能提供多種觸發(fā)條件的選擇，數(shù)字觸發(fā)則提供上升沿觸發(fā)與下降沿觸發(fā)兩種選擇。

(4)報(bào)表生成組件。封裝數(shù)據(jù)源連接接口程序調(diào)用檢測(cè)所一體化管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)已有存儲(chǔ)過(guò)程，組件還內(nèi)嵌有調(diào)用Word和Excel接口。

圖3 控制系統(tǒng)組件集成圖

(5)視頻控制組件。該組件為第三方控件，測(cè)試開始時(shí)，測(cè)試人員可以根據(jù)視頻方便地調(diào)節(jié)操作機(jī)構(gòu)如電滑臺(tái)、電缸的位置使其對(duì)準(zhǔn)被測(cè)試品即接近開關(guān)，也通過(guò)視頻對(duì)安裝在智能測(cè)試平臺(tái)柜里操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。

(6)電能質(zhì)量分析組件。該組件基于Matlab和Visual C++混合編程技術(shù)［11］實(shí)現(xiàn)，調(diào)用該組件動(dòng)態(tài)庫(kù)可計(jì)算電流有效值Irms、電壓有效值Urms、三相平均功率、三相功率因、電壓偏差［12］、三相電壓不平衡、電壓諧波總畸變度率、2～64次諧波電壓含有率、電壓波動(dòng)與閃變等40多項(xiàng)指標(biāo)數(shù)等電能質(zhì)量其他參數(shù)值，也可對(duì)采樣N點(diǎn)的Irms、Urms數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

軟件的開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)分別選用Visual Studio 2008、SQL Server2005，部分調(diào)用接口的動(dòng)態(tài)庫(kù)使用Visual C++6.0編寫。VS2008內(nèi)含C++，C#等多種編譯器，提供豐富組件以及類向?qū)У乳_發(fā)工具［13］。軟件系統(tǒng)界面功能主要包括實(shí)時(shí)顯示所測(cè)物理量數(shù)值、輸出測(cè)量信號(hào)實(shí)時(shí)顯示波形曲線，并能生成原始數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到SIMIS數(shù)據(jù)庫(kù)。SIMIS即檢測(cè)所一體化管理信息系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)主控模塊。接近開關(guān)動(dòng)作頻率智能測(cè)試平臺(tái)中電滑臺(tái)、電缸運(yùn)動(dòng)主要由PLC控制電缸驅(qū)動(dòng)器完成，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)。PLC作為下位機(jī)控制的核心模塊，通過(guò)串口與上位機(jī)通信。當(dāng)操作員通過(guò)設(shè)置工控機(jī)中的參數(shù)，將動(dòng)作指令發(fā)送至PLC，PLC內(nèi)部的CPU模塊讀取相應(yīng)指令與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)自身集成的輸出端口控制電動(dòng)執(zhí)行器完成試品的定位和裝夾;然后，PLC的模擬量輸出模塊發(fā)出模擬量電信號(hào)控制變頻器運(yùn)行，進(jìn)而控制異步電機(jī)帶動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速以滿足不同接近開關(guān)操作頻率檢測(cè)的需求。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，采集電路開始將接近開關(guān)實(shí)時(shí)的通斷波形采集到控制系統(tǒng)中，波形顯示功能模塊調(diào)用電能質(zhì)量分析組件接口可在線和離線分析采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，并根據(jù)用戶需要生成測(cè)試報(bào)表。

(2)系統(tǒng)登錄界面。本系統(tǒng)有多個(gè)操作者和多個(gè)權(quán)限級(jí)別，權(quán)限控制相當(dāng)復(fù)雜，系統(tǒng)采用位映射法來(lái)控制用戶權(quán)限，用戶登錄密碼采用MD5算法驗(yàn)證用戶信息的有效性，MD5算法是在哈希函數(shù)中計(jì)算散列值，由于算法的某些不可逆特征，在加密應(yīng)用上有較好的安全性，并且，MD5算法的使用不需要支付任何版權(quán)費(fèi)用。

(3)變頻器控制模塊。電機(jī)啟動(dòng)、停止及轉(zhuǎn)速由變頻器控制。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與變頻器使用RS485傳輸線路和ModbusRTU協(xié)議［14］進(jìn)行串行通訊，通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如表1所示。Address:設(shè)定從站地址，當(dāng)該值與基本參數(shù)內(nèi)的“控制器ID”一致時(shí)，通信數(shù)據(jù)判斷為本站的數(shù)據(jù)，控制器ID(01h～FFh)。Function參數(shù)編碼功能如表2所示。

表1 通信幀結(jié)構(gòu)

(4)SIMIS數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)活動(dòng)的無(wú)紙化作業(yè)，以及檢測(cè)報(bào)告的全自動(dòng)生成，接近開關(guān)操作頻率智能測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)需要與SIMIS系統(tǒng)進(jìn)行接口，SIMIS系統(tǒng)提供兩類數(shù)據(jù)庫(kù)接口，一類是獲取信息接口，可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取到相關(guān)的檢驗(yàn)信息;另一類是回傳數(shù)據(jù)接口，可以回傳檢驗(yàn)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中?？刂葡到y(tǒng)為節(jié)省與SIMIS系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連接的占用SIMIS服務(wù)器資源，僅在需要訪問數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)才建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接，并在數(shù)據(jù)庫(kù)訪問結(jié)束后立即釋放數(shù)據(jù)庫(kù)連接。數(shù)據(jù)庫(kù)接口的數(shù)據(jù)交互功能受整個(gè)檢測(cè)業(yè)務(wù)流程所控制。例如回傳檢測(cè)數(shù)據(jù)功能，只在當(dāng)前檢測(cè)任務(wù)處在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)才能正常回傳，否則會(huì)產(chǎn)生異常。

3 智能測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)控制系統(tǒng)控制框架原理圖開發(fā)了接近開關(guān)操作頻率智能測(cè)試平臺(tái)，為保證操作人員安全測(cè)試過(guò)程平臺(tái)柜體封閉，圖4為測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(1);手動(dòng)操作面板(2);試品裝夾機(jī)構(gòu)(3);定位機(jī)構(gòu)(4);低速標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤(5);高速標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤(6);基準(zhǔn)傳感器(7);可調(diào)速電機(jī)(8);控制系統(tǒng)硬件模塊(9)等組成。裝夾機(jī)構(gòu)能將接近開關(guān)固定在轉(zhuǎn)盤正面區(qū)域，水平及垂直位置在一定范圍內(nèi)均可由定位機(jī)構(gòu)自由調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)盤上的標(biāo)靶在試驗(yàn)時(shí)需固定，標(biāo)靶可方便更換或通過(guò)更換轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，標(biāo)靶邊長(zhǎng)最小5 mm，最大100 mm，標(biāo)靶厚度1 mm，標(biāo)靶為方形，常用尺寸從小到大:5、10、18、30、45、60、75 及 100 mm，時(shí)間測(cè)量精度大于等于1 s:±0.8%。不同類型的接近開關(guān)操作頻率的檢測(cè)通過(guò)改變不同的標(biāo)靶或轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤，使接近開關(guān)不斷響應(yīng)動(dòng)作，測(cè)出接近開關(guān)輸出信號(hào)Ton和Toff值，然后計(jì)算出被測(cè)接近開關(guān)的響應(yīng)頻率。其中，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度不小于2 500 r/min，試品與標(biāo)靶固定的距離2～100 mm，基準(zhǔn)傳感器可大于40 kHz的檢測(cè)頻率，波形顯示界面能顯示大于4 kHz頻率的波形。

圖4 智能測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

接近開關(guān)操作頻率智能測(cè)試平臺(tái)試驗(yàn)時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)柜內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上對(duì)高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，從技術(shù)上消除了人為因素對(duì)采集原始數(shù)據(jù)的影響。平臺(tái)工控機(jī)軟件系統(tǒng)可根據(jù)被測(cè)試品輸出信號(hào)與基準(zhǔn)傳感器輸出信號(hào)間的延時(shí)換算得到操作頻率值，軟件界面還具有顯示主要電能質(zhì)量參數(shù)值功能。目前，該平臺(tái)應(yīng)用于上海電器檢測(cè)所，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，測(cè)量方法科學(xué)，測(cè)量精度高。

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