廈門法拉電子股份有限公司 江 峰

1 引言

我司作為電容器行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，在小電容的生產(chǎn)上自動(dòng)化程度較高，但是在大電容的生產(chǎn)上，特別是分選工序，仍舊沿用傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)控方式。采用單臺(tái)儀器獨(dú)立工作、手工操作、人工分選的方式，每臺(tái)測(cè)控設(shè)備的功能和使用范圍是固定不變的，且每臺(tái)測(cè)控設(shè)備的測(cè)試信息是彼此孤立的。然而, 目前工業(yè)的發(fā)展對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控系統(tǒng)的要求越來越高, 不但要求測(cè)控設(shè)備能夠完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線測(cè)試，而且還要求測(cè)控設(shè)備能夠滿足不同測(cè)試對(duì)象的需求、具備可擴(kuò)展的升級(jí)換代功能，并且能夠通過監(jiān)測(cè)、分析、優(yōu)化及控制等手段為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制和決策提供依據(jù)。

2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了目前應(yīng)用廣泛的虛擬儀器技術(shù)，使用美國(guó)國(guó)家儀器公司（National InstrumentsTM，NI）的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)及其配套的DIO和AI數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)，建立起一套適用于測(cè)試大電容芯子的容量、損耗、耐壓、絕緣電阻、充放電等重要性能指標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)主要進(jìn)行容量/損耗測(cè)試、充放電測(cè)試、耐壓測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試等四項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試流程如圖1所示。

圖1 測(cè)試流程圖

3 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件平臺(tái)搭建

如圖2所示，測(cè)控系統(tǒng)中樞選用西門子工業(yè)控制機(jī)，確保在惡劣的工業(yè)環(huán)境（例如具有高粉塵濃度、高溫和高撞擊荷載的環(huán)境）中的可靠性，11個(gè)可選插槽使系統(tǒng)極具靈活性和可擴(kuò)展性。IPC847C通過PCI插槽與多種數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：利用模擬量采集卡對(duì)電壓、電流等模擬信號(hào)就行采集；利用數(shù)字量采集卡采集傳感器、電機(jī)等數(shù)字信號(hào)，控制氣缸等動(dòng)作；利用RS232串口卡與容量/損耗測(cè)試儀器和絕緣電阻測(cè)試儀器進(jìn)行通訊，采集測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2 主要硬件配置圖

3.2 耐壓測(cè)試

如圖3所示，耐壓測(cè)試電壓較高，因此每一路的耐壓測(cè)試的充電和放電回路都加了10K的限流電阻。預(yù)充電回路因?yàn)槌潆婋娏鬏^大需串聯(lián)接入電流采樣電阻，通過采集電壓隔離變送器兩端的電壓，換算出回路的電流，來測(cè)算充電電流。其它測(cè)試回路由于測(cè)試的是漏電流，電流較小，直接用毫安隔離變送器，將電流信號(hào)（量程10mA）轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)（0-10V）再進(jìn)行采集。要測(cè)量電容兩端的高壓，不能直接進(jìn)行采集，需利用電阻分壓的方式進(jìn)行采樣換算，分壓比例為200:1。

3.3 充放電測(cè)試

如圖4所示，一臺(tái)充放電測(cè)試電源可同時(shí)對(duì)兩個(gè)電容進(jìn)行充放電。通過電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器可自動(dòng)對(duì)多路充放電的電源電壓進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，操作方便。充電回路利用固態(tài)繼電器通斷高壓變壓器初級(jí)端來控制次級(jí)端進(jìn)行整流給電容充電；放電回路利用電磁繼電器通斷低壓變壓器初級(jí)端來控制次級(jí)端進(jìn)行整流導(dǎo)通可控硅給電容放電。充電開關(guān)與放電開關(guān)通過電磁繼電器形成硬件互鎖，確保充電回路與放電回路不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)運(yùn)行繼電器導(dǎo)通時(shí)，默認(rèn)進(jìn)行放電；充放電切換繼電器閉合時(shí)進(jìn)行充電，斷開時(shí)進(jìn)行放電。

圖3 耐壓測(cè)試電路圖

圖4 充放電測(cè)試電源電路圖（單臺(tái)）

4 測(cè)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 軟件界面

如圖5所示是軟件的主控制界面，包含了豐富的信息內(nèi)容。界面根據(jù)分選機(jī)的工位分布，整齊排列出49個(gè)仿真芯子。每個(gè)仿真芯子都可以顯示條形碼，還配有進(jìn)度條，可以動(dòng)態(tài)顯示正在進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目的進(jìn)展情況。仿真芯子還會(huì)根據(jù)測(cè)試結(jié)果變化顏色：白色表示空夾具；綠色表示合格；紫色表示容量/損耗測(cè)試不合格；紅色表示耐壓測(cè)試不合格；深藍(lán)色表示絕緣電阻測(cè)試不合格；橙色表示充放電測(cè)試不合格。這樣，根據(jù)顏色的不同，就能馬上了解目前芯子的狀況，簡(jiǎn)單直觀。界面下方是參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示區(qū)，包含自動(dòng)調(diào)壓等按鈕，可以一鍵設(shè)置充放電電壓。按下按鈕，28個(gè)電機(jī)一起帶動(dòng)調(diào)壓器調(diào)壓，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止。

圖5 軟件界面

4.2 軟件后臺(tái)

4.2.1 程序總框架

LabVIEW是自動(dòng)多線程的編程語(yǔ)言，考慮到工控機(jī)搭載的是4核CPU，因此將程序設(shè)計(jì)成四段并行執(zhí)行的循環(huán)程序以提高效率。如圖6所示，這四段程序分別是：控制程序、采集程序、輔助程序和顯示程序。它們都獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾，但又通過局部變量互相傳遞著相關(guān)數(shù)據(jù)。圖

圖6 程序總框圖

7 控制程序流程圖

4.2.2 控制程序

控制程序作為后臺(tái)程序的核心，較為繁瑣，為了方便管理，給每個(gè)工位都編寫了單獨(dú)的子程序。如圖7所示，按下啟動(dòng)按鈕后，程序先進(jìn)行初始化，然后開始各項(xiàng)測(cè)試。每個(gè)工位并行執(zhí)行各自子程序，循環(huán)檢測(cè)各工位測(cè)試情況，未完成則繼續(xù)等待，直到所以工位的測(cè)試都完成。此時(shí)，如果接收到停止信號(hào)就停止測(cè)試，反之則啟動(dòng)主傳動(dòng)電機(jī)，讓夾具移動(dòng)一個(gè)工位。夾具到位后，開始新一輪的測(cè)試，循環(huán)往復(fù)。

4.2.3 采集程序

如圖8所示，為了提高采集程序的運(yùn)行效率，數(shù)據(jù)采集通道的開啟通道和關(guān)閉分別只在軟件啟動(dòng)和退出時(shí)才執(zhí)行。由3.2章節(jié)可知，工控機(jī)采集到的值是經(jīng)過降壓處理的。低電壓很容易受到工業(yè)環(huán)境中的各種電磁干擾，然后再經(jīng)過數(shù)值換算后，測(cè)量誤差就被放大了。先為了提高測(cè)量精度，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)進(jìn)行了10組數(shù)據(jù)的采集，然后求平均值，以減小電壓值和電流值的波動(dòng)。

圖8 采集程序流程圖

4.2.4 輔助程序

如圖9所示，輔助程序包含四段子程序：容量/損耗測(cè)試讀取和保存子程序，耐壓測(cè)試數(shù)據(jù)保存子程序，充放電測(cè)試數(shù)據(jù)保存子程序，絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù)保存子程序。它們?cè)谙鄬?duì)應(yīng)工位的一個(gè)測(cè)試期間內(nèi)只執(zhí)行一次，且獨(dú)立運(yùn)行，互不干涉。眾所周知，工控機(jī)中CPU的緩存速度最快，內(nèi)存次之，而硬盤的讀寫速度最慢。這些子程序本來應(yīng)該是控制程序里的一部分，雖然執(zhí)行的次數(shù)少，不是每個(gè)循環(huán)都會(huì)被執(zhí)行，但是它們都涉及到對(duì)硬盤的讀寫，一旦被執(zhí)行了就會(huì)拖慢控制程序的運(yùn)行速度，影響到其它工位的測(cè)試，所以被單獨(dú)歸在同一個(gè)循環(huán)里運(yùn)行，減輕控制程序的負(fù)擔(dān)。

圖9 輔助程序

4.2.5 顯示程序

控制程序、輔助程序和采集程序都會(huì)把有關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給顯示程序，通過它呈現(xiàn)在軟件界面上。正如圖10所展現(xiàn)的那樣，由于軟件界面控件較多，每個(gè)循環(huán)周期需要運(yùn)行的控件刷新子程序很多。為了進(jìn)一步提高顯示程序的執(zhí)行效率，減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，每個(gè)控件在進(jìn)行刷新之前，必須先通過反饋節(jié)點(diǎn)與上一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)同一控件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果該控件中的數(shù)據(jù)有發(fā)生變化則進(jìn)行刷新，反之則直接跳過相對(duì)應(yīng)的控件刷新子程序，以達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)資源的目的。

圖10 顯示程序局部

5 總結(jié)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中，先確立系統(tǒng)的整體框架，然后根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目選擇硬件，并設(shè)計(jì)相關(guān)電路，最后利用LabVIEW平臺(tái)完成軟件開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)大電容芯子分選機(jī)的控制與測(cè)試。與傳統(tǒng)手工測(cè)試比較，自動(dòng)分選機(jī)優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 手工測(cè)試與自動(dòng)分選機(jī)對(duì)比

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